Одноосные транспортные средства, основанных на принципах управления состоянием прямого и обратного физических маятников.

С позиций механики механизм управления остойчивостью одноосного транспортного средства определяется как управление остойчивостью прямого или обратного физических маятников. Одним из ярчайших представителей транспортных средств, основанных на принципе стабилизации «обратного маятника» является скутер «Сегвей», изобретенный американцем Дином Кейманом [5].

Конструкция его скутера представлена двумя соосными колесами с подвешенной между ними несущей платформой с расположенными на ней двигателями, батареями аккумуляторов, сенсорами и тензометрической площадкой (рис. 2). «Сегвей» автоматически балансируется при изменении положения корпуса ездока. Для этой цели используется система индикаторной стабилизации: сигналы с гироскопических и жидкостных датчиков наклона поступают на микропроцессоры, которые вырабатывают управляющие двигателями воздействия. Каждое колесо «Сегвея» приводится во вращение своим электродвигателем, реагирующим на изменения равновесия машины.

При наклоне ездока вперёд «Сегвей» начинает катиться вперёд, и чем больше наклон, тем быстрее. При отклонении корпуса назад самокат замедляет движение, останавливается или катится задним ходом. Руление в первой модели происходит с помощью поворотной рукоятки, в новых моделях — качанием колонки влево-вправо.

«Сегвей» развивает скорость около 20 км/ч. Масса без батареи около 40 кг, ширина 60 см, полезная нагрузка — 140 кг. Аккумулятор обеспечивает пробег до 39 км. В зависимости от модели эти показатели могут варьироваться. Специально для устройства разработаны компактные, но достаточно мощные (2 л.с.) электродвигатели. Каждый из них через редуктор связан со своим колесом. Скутер может двигаться не только по асфальту, но и по грунту.

Свой концепт одноосного транспортного средства представил даже Maybach. Называется этот концепт Maybach DRS (рис. 3). Maybach De-Riki-Sha – концепт персонального транспортного средства на электрической тяге, который использует ДНК-структуру для внешней оболочки.

Также не отстает от других компания Apple представившая проект iMo. iMo предполагается анонсировать в 2024 году как серийную модель крошечного двухколесного транспорта на базе автономного роботизированного устройства (рис.4). Части корпуса, как утверждают авторы полностью поддаются повторной переработке.

2.2. Кинематическая схема конструкции модели одноосного планетохода на основе комплекта Lego.

Прототипом для разработки действующей модели исследовательского планетохода на одноосном шасси был выбран оригинальный дизайн-проект одноосного марсохода с динамическим управлением остойчивостью, эллиптическими демпферными грунтозацепами движителей в «елочной» компоновке, и раскладными солнечными батареями в ступицах движителей (рис.5). Этот проект в свое время был создан в Нальчике группой инициаторов-разработчиков концепции одноосных транспортных средств с динамическим управлением остойчивостью.

Создаваемая модель отличается от прототипа использованием агрегатов и деталей комплекта LEGO MINDSTORMS в конструкции энергетической базы, наличием сенсорной системы, трансмиссии собственной конструкции, и также собственной конструкции дистанционной системы управления движением модели.

Создание модели предварялось разработкой компоновочной схемы действующей модели исследовательского марсохода на одноосном шасси. На схеме мы отобразили основные структурные элементы ОТС, прежде всего кабину c расположенными в ней агрегатами, перемещающуюся относительно оси колес и создающую статические и динамические моменты, компенсирующие реактивный момент от колес.

Мы изготовили для своей конструкции движители с ленточными демпферами-грунтозацепами [6]. Движители с ленточными демпферами-грунтозацепами выгодно отличаются от движителей существующих планетоходов традиционных компоновок (рис.6). Хотя они и остаются колесными, режим взаимодействия огромных колес с грунтом-подложкой существенно иной. Постоянная полная нагруженность колес и вытянутое по направлению тяги пятно контакта обуславливают самые выгодные режимы взаимодействия с подложкой.

Также мы применяем сенсорную систему, комплектуемую из элементов набора LEGO MINDSTORMS [7]. Она состоит из контроллера NXT и двух ультразвуковых датчиков. В будущем предполагается использование гироскопического датчика для стабилизации положения кабины.

Контроллер NXT программируется, в основном, в графических системах. В нашей работе мы будем использовать среду графического программирования LabView. Она предоставляет великолепные возможности программирования контроллера, обеспечивает работу компьютера и контроллера по каналу Bluetooth и обмен данных между ними в реальном времени.

В колесных дисках движителей мы предусматриваем установку раскладных солнечных батарей для подзарядки аккумуляторов контроллера. На Марсе помимо фотоэлектронных преобразователей возможно использование ветроэлектрогенератора. В отличие от лунохода, панели солнечных батарей у марсохода должны быть больше по площади и убирающимися, так как Марс дальше от Солнца, на нем есть атмосфера и дуют сильные ветры. Хотя плотность марсианской атмосферы всего лишь порядка одной двухсотой плотности земной, при скорости ветров, которые там возникают, поднятая ветром пыль будет повреждать поверхности батарей. Аэродинамические эффекты на развернутых панелях могут повредить конструкцию или опрокинуть марсоход. Поэтому при возникновении ветра панели должны будут складываться, а энергия в бортовую сеть робота будет поступать от ветроэлектрогенератора. Чтобы лопасти ветрогенератора всегда вращались в одну сторону при любой ориентации марсохода относительно направления ветра, лучше укомплектовать марсоход ветроагрегатом с вертикальной осью.

Чертежи конструкции представлены на рисунках 7(а,б)