Search academic texts

Information × Registration Number 0825U002988, PhD dissertation Status Доктор філософії Date 20-08-2025 popup.evolution . Title Optimization of operating modes of a device for transporting small-sized cargo Author Oleksandr Y. Zarivnyi, popup.head Yurii O. Romasevych popup.opponent Mariana H. Stryzhak popup.opponent Dmytro O. Mishchuk popup.review Mykola M. Korobko popup.review Oleksandr O. Spodoba Description У дисертації проведено дослідження, спрямовані на підвищення ефективності переміщення малогабаритних вантажів шляхом створення прототипу безпілотного двоколісного пристрою та синтезу керування його рухом. Розроблений пристрій призначений для використання в умовах міської інфраструктури на завершальному етапі логістичного ланцюга («остання миля»). Робота включає повний цикл – від розробки концепції пристрою та створення фізичної моделі до математичного моделювання, синтезу оптимального керування, експериментальної перевірки, оцінки економічної ефективності його роботи. Виконано аналіз сучасного стану сфери доставки малогабаритних вантажів, досліджено перспективи використання безпілотних мобільних платформ та окреслено проблему стабілізації двоколісних нестійких систем. Встановлено недостатню вивченість питань стабілізації двоколісних пристроїв та їх використання в задачах автономної доставки малогабаритних вантажів, що визначає актуальність теми. Розроблено концепцію пристрою для використання в міському середовищі, з урахуванням вимог до габаритів вантажу (об’ємної ваги, вантажопідйомності, швидкості руху, обмежень електричної потужності приводів). Створено фізичну модель пристрою з механізмом балансування, який працює за принципом зміщення центра ваги щодо точок опори. Підібрано елементну базу, створено 3D-модель пристрою з подальшим виготовленням її прототипу. Побудовано математичну модель динаміки стабілізації пристрою за допомогою підходів «чорна скриня» та «сіра скриня». Підхід «чорна скриня» реалізовано за допомоги рекурентної нейромережі з довгою короткочасною пам’яттю (LSTM), яка за допомогою експериментальних даних роботи пристрою (кут та кутова швидкість нахилу рами та відхилення механізму балансування) дозволила виконувати прогнозування динаміки роботи пристрою в режимі стабілізації свого положення. Для реалізації підходу «сіра скриня» побудовано динамічну модель пристрою та складено рівняння його руху у вигляді рівнянь Лагранжа 2-го роду. Отримані рівняння містили невідомі параметри пристрою, для їхнього визначення було зібрано масив експериментальних даних роботи пристрою. Для розв’язання задачі ідентифікації параметрів пристрою застосовано оптимізаційний алгоритм RING-ROT-PSO. У результаті визначено еквівалентні значення моментів інерції рами I1к=5,52·10-4 кг·м² та колеса Iкк=2,75·10-3 кг·м², а також масу колеса mк=3,31·10 1 кг. На основі математичної моделі сформульовано задачу синтезу оптимального керування положенням пристрою в режимі стабілізації свого положення під час зупинки (статичне балансування). Розглянуто застосування два типи регуляторів – ПІ та ПІД. Сформовано комплексний критерій оптимізації та складено 11 наборів вагових коефіцієнтів його складових. Проведено оптимізацію коефіцієнтів кожного з регуляторів для всіх наборів вагових коефіцієнтів. Мінімізацію критерію проведено за допомогою модифікованого методу рою часточок VCT-PSO за рахунок знаходження відповідних коефіцієнтів регуляторів. Оцінку якості отриманого керування проведено за показниками середньоквадратичних та максимальних кутових прискорень нахилу пристрою та відхилення механізму балансування. Визначено оптимальні коефіцієнти ПІД-регулятора (k1=-2,113, k2=-1,747, k3=-4,92·10-6). Встановлено, що введення диференціальної складової дозволило зменшити максимальні кутові прискорення до 20 разів, а середньоквадратичні – до 4,8 разів. Це підтверджує застосовність ПІД-регулятора для задачі стабілізації положення пристрою. Для перевірки теоретичних результатів проведено експериментальне досліджень роботи розробленого керування на фізичному прототипі пристрою в лабораторних умовах. Суть експериментів полягала в зчитуванні даних роботи стабілізації положення пристрою під дією зовнішніх збурень (поштовхів). За результатами експериментів отримано 11 масивів даних роботи пристрою. Співставляючи теоретичні і експериментальні дані, отримали показники максимальних (0,00325…0,0112 рад) та середньоквадратичних (0,00155…0,00487 рад) похибок кута нахилу пристрою та показники похибок максимальної (0,0218…0,0782 рад/с) та середньоквадратичної (0.00669…0,0238 рад/с) кутової швидкості нахилу пристрою. Водночас логарифмічний декремент згасання коливань знаходився в межах 0,25…2,11. Додатково проведено дослідження впливу змінного навантаження на ефективність стабілізації положення пристрою. Для забезпечення стабілізації положення пристрою з додатковою масою коефіцієнти регулятора потребували коригування. Встановлено, що чим більша вага наважки, тим більша тривалість стабілізації. Отримані результати дають підстави вважати задачу синтезу оптимального керування рухом пристроєм для транспортування малогабаритних вантажів виконаною. Визначено вартість розробленого прототипу (23244 грн) та вартість повноцінного функціонального прототипу (46029 грн), який містить необхідні складові для доставки вантажів у реальних умовах. Потенційне зниження витрат на доставку сягає 2,4 рази в перший рік та 5 разів у другий і подальші роки. Registration Date 2025-07-16 popup.nrat_date 2025-07-16 Close