Наукові доповіді Національного університету біоресурсів і природокористування України

Розробка математичної моделі стабілізації пристрою для транспортування малогабаритних вантажів

Вячеслав Ловейкін, Юрій Ромасевич, Олександр Зарівний
Завантажити статтю
Анотація

Актуальність дослідження обумовлена необхідністю підвищення ефективності та безпеки транспортування малогабаритних вантажів Метою дослідження було побудувати математичну модель динаміки стабілізації пристрою для транспортування малогабаритних вантажів. Для цього складено рівняння руху системи у вигляді системи диференціальних рівнянь Лагранжа другого роду. Для визначення невідомих коефіцієнтів рівнянь руху застосовано підхід «сіра скриня». Для реалізації підходу було побудовано критерій оптимізації, який відображав параметри середньоквадратичних та максимальних абсолютних похибок різниць теоретичних та експериментальних даних кута нахилу та кутової швидкості нахилу пристрою. Для мінімізації критерію було застосовано модифікований метод рою часточок Ring-Rot-PSO. Знайдено невідомі параметри моделі пристрою та проведено оцінку адекватності отриманої математичної моделі за окремими складовими критерію, яка показала адекватність отриманої математичної моделі. Для знаходження невідомих параметрів, а саме коефіцієнтів рівняння руху пристрою, застосовано підхід сіра скриня. Для цього проведено експериментальні дослідження стабілізації пристрою та сформовано функцію відмінності, як цільову функцію, теоретичних, які отримані на основі аналітичних рівнянь руху, і експериментальних даних. Проведено мінімізацію цільової функції за допомогою модифікованого методу рою часточок Ring-Rot-PSO. В результаті оптимізації отримано невідомі параметри системи: моменти інерції рами I1к = 5,52·10-4 кг·м² та колеса Iкк= 2,75·10-3 кг·м², масу колеса mк = 3,31·10-1 кг. Ці дані дозволили отримати адекватну математичну модель стабілізації пристрою, яка є основою для подальшого розв’язання задачі синтезу оптимального керування його рухом

Ключові слова

двоколісний пристрій, рівняння руху, керування рухом, нестійка динамічна система, Ring-Rot-PSO

ЦИТУВАТИ
Loveikin, V., Romasevych, Yu., & Zarivny, O. (2024). Development of a mathematical model of stabilisation of device for small-sized cargo transportation. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 20(4),57-71. https://doi.org/10.31548/dopovidi/3.2024.57
Використані джерела

[1] Aulin, V., Rogovskii, I., Lyashuk, O., Titova, L., Hrynkiv, A., Mironov, D., Volianskyi, M., Rogatynskyi, R., Solomka, O., & Lysenko, S. (2024). Comprehensive assessment of technical condition of vehicles during operation based on Harrington’s desirability function. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(3(127)), 37-46. doi: 10.15587/1729-4061.2024.298567.

[2] Cachaya, E., Perdomo, C., Suaza, D., Zarta, J., & Serrezuela, R. (2024). Control of autonomous motorcycles by means of trajectory tracking and balance stabilization. Journal of Theoretical and Applied Information Technology, 102(7), 3093-3102. https://www.jatit.org/volumes/Vol102No7/28Vol102No7.pdf.

[3] Garziad, M., Saka, A., Moustabchir, H., & Scutaru, M.L. (2024). A new approach for modeling vertical dynamics of motorcycles based on graph theory. Mathematics, 12(9), article number 1390.  doi: 10.3390/math12091390.

[4] Gogoi, P., Nath, M., Doley, B.T., Boruah, A., & Barman, H.J. (2017).  Design and fabrication of self balancing two wheeler vehicle using gyroscope. International Journal of Engineering and Technology, 9(3), 2051-2058.  doi: 10.21817/ijet/2017/v9i3/1709030206.

[5] Hongyang, W., & Ruizhi, L. (2020). Patent No CN107728635A “Automatic Balancing Device and Method of Motorcycle-type Robot”. Retrieved from https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/061214494/publication/CN107728635A?q=CN107728635A.

[6] Horoub, M., Alzaydi, A., & Hanieh, A. (2023). Electric ducted fan controller and self-balancing system for two-wheeler motorbike. Frontiers in Mechanical Engineering, 9, article number 1284879. doi: 10.3389/fmech.2023.1284879.

[7] Khan, M.A., Baig, D.-e.-Z., Ashraf, B., Ali, H., Rashid, J., & Kim, J. (2022). Dynamic modeling of a nonlinear two-wheeled robot using data-driven approach. Processes, 10, article number 524. doi: 10.3390/pr10030524.

[8] Komor, D., Roman, R., Precup, R., David, R., & Pamfilii, I. (2020).  Models of two-wheeled mobile robots with experimental validation. In 14th International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics (pp. 211-216). Timisoara: IEEE. doi: 10.1109/SACI49304.2020.9118823.

[9] Lin, Q., Yang, Y., Li, J., Lu, Z., Wang, W., & Zhai, Y. (2018) Patent No CN108454725A “Two-wheeled Robot with Multiple Movement Modes”. Retrieved from https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/063235184/publication/CN108454725A?q=CN108454725A.

[10] Lin, Y., Jafari, A., & Liu, Y. (2024). Dynamic modeling and stability analysis of balancing in riderless electric scooters. ARXIV. doi: 10.48550/arXiv.2407.09078.

[11] Lot, R., & Fleming, J. (2018). Gyroscopic stabilisers for powered two-wheeled vehicles. Vehicle System Dynamics, 51(5), 1381-1406. doi: 10.1080/00423114.2018.1506588.

[12] Mudeng, V., Hassanah, B., Kusuma, Y.T., & Saputra, O. (2020).  Design and simulation of two-wheeled balancing mobile robot with PID controller. International Journal of Sustainable Transportation Technology, 3(1), 12-19. doi: 10.31427/IJSTT.2020.3.1.3.

[13] Nehaoua, L., Arioui, H., Seguy, N., & Mammar, S. (2013). Dynamic modeling of a two wheeled vehicle: Jourdain formalism. Vehicle System Dynamics, 51(5), 648-670. doi: 10.1080/00423114.2012.762536.

[14] Obadina, O., Thaha, M., Mohamed, Z., & Shaheed, H. (2022). Grey-box modelling and fuzzy logic control of a Leader-Follower robot manipulator system: A hybrid Grey Wolf-Whale Optimisation approach. ISA Transactions, 129(B), 572-593. doi: 10.1016/j.isatra.2022.02.023.

[15] Pluta, Z., & Hryniewicz, T. (2013) Mass moment determination using compound pendulum. International Letters of Chemistry, Physics and Astronomy, 8, 85-100. doi: 10.56431/p-01h7i9.

[16] Rao, B.S., Chatterjee, A., & Kanistras, K. (2022). System identification of an unmanned aerial vehicle with actuated wingtips. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 105(11), 1-16. doi: 10.1007/s10846-022-01599-z.

[17] Rogovskii, I.L. (2021). Resource of removal expenses for strong agricultural period of volume of operations. Machinery and Energetics, 12(2), 123-131. doi: 10.31548/machenergy2021.02.123.

[18] Romasevych, Y., Loveikin, V., & Loveikin, Yu. (2021). Development of new rotating ring topology of PSO-algorithm. In 2021 IEEE 2nd KhPI Week on Advanced Technology. KhPI Week 2021 – Conference Proceedings (pp. 79-82). Kharkiv: IEEE. doi: 10.1109/KhPIWeek53812.2021.9569973.

[19] Romlay, M., Azhar, M., Toha, S., & Rashid, M. (2019). Two-wheel balancing robot; review on control methods and experiments. International Journal of Recent Technology and Engineering, 7(6S), 106-112.

[20] Tofigh, M.A., Mahjoob, M.J., Hanachi, M.R., & Ayati, M. (2021). Fractional sliding mode control for an autonomous two-wheeled vehicle equipped with an innovative gyroscopic actuator. Robotics and Autonomous Systems, 140, article number 103756. doi: 10.1016/j.robot.2021.103756.

[21] Vasilevski, D., Pecioski, D., & Domazetovska-Markovska, S. (2023). Design and implementation of self-balancing motorcycle. Mechanical Engineering – Scientific Journal, 41(2), 109-113. doi: 10.55302/MESJ23412670109v.

[22] Velagic, J., Kovac, I., Panjevic, A., & Osmanovic, A. (2021). Design and control of two-wheeled and self-balancing mobile robot. In 2021 International Symposium ELMAR (pp. 77-82). Zadar: IEEE. doi: 10.1109/ELMAR52657.2021.9550938.