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Modélisation et simulation d'un robot mobile sur roues avec le logiciel Matlab/Simulink

( Télécharger le fichier original )
par Tristan Matanda Kinama
Université de Lubumbashi - Ingénieur civil électromécanicien 2004
  

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Chapitre 1 : MODELE CINEMATIQUE

Ce modèle aura pour entrées, les angles de rotation theta1 et theta3 ( è1 et è3 ) des roues, et

? ? ?

pour sorties, la position rG , la vitesse vG , l'accélération aG et l'orientation alpha du robot.

1. Terminologie

Symboles

Désignation

 
 

l13

distance entre roues

R

rayon des roues

G1

centre de roue 1

G2

centre de masse du châssis

G3

centre de roue 3

A

point médian entre roues, appartenant au châssis

G

centre de masse du robot

I1

point de contact de la roue1 avec le sol

I3

point de contact de la roue3 avec le sol

? ? ? ?

= 1 . 1 + 1 . 1 + 1 . 1

rG rG x x rG y y rG z z

1

Vecteur position de la roue 1

? ? ? ?

rG rG x x rG y y rG z z

2 = 2 . 1 + 2 . 1 + 2 . 1

Vecteur position du châssis

? ? ? ?

rG rG x x rG y y rG z z

3 = 3 . 1 + 3 . 1 + 3 . 1

Vecteur position de la roue 3

? ? ? ?

= 1 . 1 + 1 . 1 + 1 . 1

vG vG x x vG y y vG z z

1

Vecteur vitesse de G1

? ? ? ?

= 2 . 1 + 2 . 1 + 2 . 1

vG vG x x vG y y vG z z

2

Vecteur vitesse de G2

? ? ? ?

= 3 . 1 + 3 . 1 + 3 . 1

vG vG x x vG y y vG z z

3

Vecteur vitesse de G3

? ? ?

ù1 , ù2 et ù3

Vitesses angulaires respectivement de la roue 1, du
châssis et de la roue 3 dans la base d'étude.

? ? ? ?

= 1 . 1 + 1 . 1 + 1 . 1

aG a G x x aG y y aG z z

1

Vecteur accélération de G1

 

? ? ? ?

= 2 . 1 + 2 . 1 + 2 . 1

aG aG x x aG y y aG z z

2

Vecteur accélération de G2

? ? ? ?

= 3 . 1 + 3 . 1 + 3 . 1

aG aG x x aG y y aG z z

3

Vecteur accélération de G3

 

Tableau 1 : Terminologie du modèle cinématique

2. Description des différents mouvements

? ? ?

La base d'étude est la base (x, y, z) ayant 1x , 1y et 1z comme vecteurs de

base. Cette base est liée au sol. Nous la considérerons donc comme galiléen à condition de
substituer à la force de gravitation la notion de poids et d'exclure les mouvements très précis (la

? ?

déviation vers l'est) ou très rapides. [2.4]. Au robot est lié la base (x1, y1 et z1) ayant 1x1 , 1y1 et

?

1 z1 comme vecteurs de base. La relation entre les deux bases est définie par les expressions :

? ? ?

1 x 1 = cosá .1 x+siná.1 y (1)

? ? ?

1 y 1 = - siná .1 x+cosá.1 y (2)

? ?

1 z 1 = 1z (3)

Les différents mouvements sont :

· Roue 1 par rapport au châssis : rotation d'angle theta1 autour de l'axe y1 (figure 1).

· Roue 3 par rapport au châssis : rotation d'angle theta3 autour de l'axe y1.

· Châssis par rapport au référentiel d'étude : mouvement quelconque dans le plan xoy c.à.d. rotation d'angle alpha autour de l'axe z et translation suivant les axes x et y.

3. Etablissement du modèle cinématique Pour un roulement sans glissement, on a : (figure 2)

? ?

vG 1 = R.è& 1 . 1 x 1 (4)

x

z

G1

è

dè

G1'

Figure 2 : Déplacement infinitésimal d'une roue

Dans la base fixe, la vitesse de G1 sera donnée par : (figure 3)

? ? ?

vG = R è&

1 . 1 .(cos . 1 sin . 1 )

á x + á y (5)

De même, pour la roue 3 :

? ? ?

vG = R è&

3 . 3 .(cos . 1 sin . 1 )

y

á

G1

á

x

?

vG1

á x + á y (6)

 

tan

á

=

 
 
 
 
 
 

Et :

 
 
 
 
 

Figure 3 : Roue1 suivant une orientation á

?

Vu la non-linéarité du problème (á est variable avec le temps), la position rG du robot sera trouvée par intégration numérique.

? ?

rG ? vG dt

1 = 1 (7)

Et :

? ?

rG ? vG dt

3 = 3 (8)

Pour un solide indéformable, la connaissance du mouvement d'un point quelconque suffit pour décrire complètement le comportement cinématique de tout le solide. [2.3]. Donc le mouvement du point médian A est identique à celui du centre de masse G2 du châssis et à celui du centre de masse G de tout le robot.

De (7) et (8), on a :

? ?

? rG rG

1 + 3

rG = (9)

2

L'orientation du robot sera donnée par : (figure 4)

(10)

rG x

1

- rG x

3

y

rG y rG

-

3 1

DG1

=

DG3

? rG x rG x

- ?

1 3

á arctan

= ? ? (11)

? rG y rG y

-

3 1 ?

Modélisation et simulation d'un robot mobile sur roues avec le logiciel - 9 -

MATLAB/SIMULINK

G3

x1

y

á

á

A

G1

D

x

Figure 4 : Robot suivant une orientation á

La vitesse et l'accélération du robot seront :

? R ? ?

vG = ( è & è &

+ ).(cos . 1 sin . 1 )

á x + á y (12)

2 1 3

?

dvG

dt

(13)

?

aG

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