懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人高階滑模控制研究.pdf

1、懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人是一種用于巷道掘進(jìn)的特種機(jī)器人。論文針對其工作環(huán)境惡劣、危險程度高等問題，根據(jù)巷道掘進(jìn)質(zhì)量的作業(yè)要求，研究了一種懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)在巷道或井下等危險、惡劣環(huán)境下的無人操作，自動完成其預(yù)定的掘進(jìn)作業(yè)。
　　 論文以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為對象，根據(jù)人工操作下的巷道掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)——懸臂截割控制和行走控制，研究斷面成形和軌跡跟蹤的控制算法，并研究了控制器及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。為研制生產(chǎn)效率高、掘進(jìn)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、調(diào)動

2、靈活的智能化、無人化的懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人，奠定了理論基礎(chǔ)，提供了實(shí)驗(yàn)平臺。
　　 論文提出了懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了機(jī)器人的斷面成形和軌跡跟蹤兩個關(guān)鍵技術(shù)問題。根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)和作業(yè)工藝要求，結(jié)合現(xiàn)有高階滑模變控制的研究現(xiàn)狀，提出了新型的高階滑?？刂品椒?，實(shí)現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人的斷面成形和軌跡跟蹤。論文主要進(jìn)行了如下研究工作：
　　 ①論文研究懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，分析了懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人的機(jī)械

3、結(jié)構(gòu)和工作原理。根據(jù)工作任務(wù)和工藝要求，對機(jī)器人的控制系統(tǒng)功能及工作流程進(jìn)行了分析和設(shè)計，并將掘進(jìn)機(jī)器人控制系統(tǒng)分解為截割臂控制系統(tǒng)和行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，建立了截割臂動力學(xué)模型和行走機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型，并提出了控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的理論問題。
　　 ②針對掘進(jìn)機(jī)器人截割臂控制系統(tǒng)中存在的多變量、非線性等問題，對高階滑?？刂坪鸵活惢谟邢逘顟B(tài)機(jī)策略的二階滑?？刂频乃惴ㄟM(jìn)行了分析。在已有的基于有限狀態(tài)機(jī)策略的改進(jìn)的次優(yōu)二階滑模變結(jié)構(gòu)控制基礎(chǔ)上，將

4、其擴(kuò)展到幾類多輸入多輸出非線性控制系統(tǒng)，并證明了滑模量漸近穩(wěn)定的充分條件。通過仿真對提出的控制算法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 ③針對掘進(jìn)機(jī)器人行走控制系統(tǒng)中存在的高階非線性、不確定等問題，將Anosov Unstable(AU)和改進(jìn)的次優(yōu)算法相結(jié)合，提出了一種基于有限狀態(tài)機(jī)切換的高階滑模控制方法，解決了一類相對階為三的不確定非線性系統(tǒng)的有限時間鎮(zhèn)定問題。通過對滑模量和滑模量一階導(dǎo)數(shù)以及滑模量一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)兩個相平面的分析，證明了算

5、法的穩(wěn)定性，給出了保證滑模量有限時間收斂的充分條件。提出的高階滑模控制方法能夠在滑模量二階導(dǎo)數(shù)未知且無狀態(tài)觀測器的情況下，通過在多個有限狀態(tài)機(jī)之間進(jìn)行切換，使得滑模量、滑模量一階導(dǎo)數(shù)和滑模量二階導(dǎo)數(shù)在有限時間內(nèi)收斂到零。通過仿真對提出的控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。
　　 ④設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人截割臂控制系統(tǒng)。根據(jù)工作任務(wù)和工藝要求，對機(jī)器人斷面成形過程中，截割臂的工作行程進(jìn)行了分析，設(shè)計了截割頭運(yùn)動軌跡。根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動特點(diǎn)，建立了

6、機(jī)器人運(yùn)動的空間幾何關(guān)系，分析了機(jī)器人自動截割過程中多個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人斷面成形任務(wù)要求，構(gòu)建了機(jī)器人截割臂控制的硬件系統(tǒng)。利用本文提出的基于有限狀態(tài)機(jī)的多輸入多輸出二階滑?？刂品椒ㄔO(shè)計并實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人截割臂控制器。通過仿真和實(shí)驗(yàn)對機(jī)器人的截割控制進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 ⑤設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)。分析了履帶式行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向和跟蹤過程，根據(jù)機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境的限制，提出了機(jī)器人軌跡跟蹤的

7、控制策略。針對掘進(jìn)機(jī)器人的履帶式行走機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了一種分層控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了控制系統(tǒng)實(shí)時路徑規(guī)劃策略，搭建了機(jī)器人履帶行走機(jī)構(gòu)控制的硬件系統(tǒng)。根據(jù)路徑規(guī)劃策略，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了主控制回路。采用本文提出的基于有限狀態(tài)機(jī)切換的高階滑?？刂品椒ǎO(shè)計并實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人履帶的位置控制器。通過仿真和實(shí)驗(yàn)對機(jī)器人的行走控制進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 最后，論文對研究工作進(jìn)行了總結(jié)，給出論文主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)，對掘進(jìn)機(jī)器人和高階滑模控制進(jìn)行