深海采礦移動(dòng)機(jī)器人的魯棒控制研究.pdf

1、深海采礦作業(yè)技術(shù)的研究是一項(xiàng)復(fù)雜的高技術(shù)，是繼航空航天開(kāi)發(fā)之后世界各國(guó)面臨的一個(gè)新的重大課題，其開(kāi)發(fā)手段的研究，對(duì)我國(guó)礦產(chǎn)資源的可持續(xù)利用具有重要的戰(zhàn)略意義。 深海底采礦機(jī)器人的工作環(huán)境為6000m深海底，是“極稀軟”沉積物底質(zhì)、無(wú)自然光、高壓、強(qiáng)擾動(dòng)、未知復(fù)雜的環(huán)境。同時(shí)，采礦機(jī)器人設(shè)計(jì)的特殊性決定了其很強(qiáng)的非線性。深海采礦系統(tǒng)要求采礦機(jī)器人能在未知的復(fù)雜海底環(huán)境中，以一定的精度按照預(yù)定的軌跡行駛、高效地采礦。作為深海采礦的載

2、體，采礦機(jī)器人控制效果的好壞直接關(guān)系到我國(guó)大洋戰(zhàn)略開(kāi)發(fā)的實(shí)施質(zhì)量，機(jī)器人工作在剪切強(qiáng)度較弱且隨機(jī)變化的深海“稀軟底”，與同類(lèi)陸地履帶車(chē)輛相比，更易產(chǎn)生打滑，嚴(yán)重時(shí)將深陷入沉積物中，喪失作業(yè)行走能力。而機(jī)器人設(shè)計(jì)的特殊性和作業(yè)環(huán)境的特殊性決定了相關(guān)控制問(wèn)題的復(fù)雜性。因此，深海采礦移動(dòng)機(jī)器人的控制相關(guān)問(wèn)題是深海采礦技術(shù)諸多挑戰(zhàn)中的重要研究問(wèn)題之一，保障深海采礦機(jī)器人行駛的安全性成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，具有很重大的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)意義。

3、 本文重點(diǎn)研究了深海采礦機(jī)器人的魯棒控制問(wèn)題，旨在為深海采礦技術(shù)提供一些前期的理論研究和技術(shù)支持。 論文主要研究工作及研究成果如下： (1)在深入分析深海采礦機(jī)器人機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)采礦機(jī)器人屬于履帶車(chē)輛，通過(guò)對(duì)采礦機(jī)器人行走特點(diǎn)分析，采用差動(dòng)轉(zhuǎn)向方式，建立了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型?；跈C(jī)器人的左右履帶驅(qū)動(dòng)輪采用液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，分別針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電液比例閥、柱塞式變量泵、液壓馬達(dá)建立了數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深海采礦機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

4、學(xué)系統(tǒng)的有效描述。 分析了采礦系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的一些影響因素。從動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)深海采礦系統(tǒng)進(jìn)行了分析，建立了軟管、硬管的動(dòng)力學(xué)方程，分析了加在軟管上的流體力和不同工況下軟管端受力情況，建立了航向控制的數(shù)學(xué)模型，為深海采礦機(jī)器人的魯棒控制奠定理論基礎(chǔ)。 (2)根據(jù)深海采礦機(jī)器人定位系統(tǒng)的功能要求，給出了深海采礦機(jī)器人的定位系統(tǒng)框架。針對(duì)深海底采礦機(jī)器人的定位這一復(fù)雜問(wèn)題，提出了一種基于偽長(zhǎng)基線和航位推算的組合定位方法

5、，給出了完整的卡爾曼濾波器結(jié)構(gòu)，為提高位置估計(jì)精度，濾波器采用了自適應(yīng)卡爾曼濾波算法，在線修正濾波器的增益，仿真結(jié)果說(shuō)明了該方法的可行性，并且相對(duì)傳統(tǒng)方法的估計(jì)精度有較大的提高，為深海采礦機(jī)器人的定位提供了一種新的途徑。 (3)在分析了履帶防滑控制原理的基礎(chǔ)上，揭示了滑轉(zhuǎn)率與附著條件的關(guān)系，基于附著系數(shù)和滑轉(zhuǎn)率曲線形狀的辨識(shí)方法，通過(guò)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩和履帶角加速度得到最佳滑轉(zhuǎn)率值，建立了以滑轉(zhuǎn)率控制為目標(biāo)的防滑控制系統(tǒng)。 (4)

6、針對(duì)深海采礦機(jī)器人作業(yè)時(shí)打滑嚴(yán)重，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不確定、變化大，關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)難以直接測(cè)量的問(wèn)題，在力學(xué)分析和液壓驅(qū)動(dòng)原理分析的基礎(chǔ)上，研究了基于動(dòng)力學(xué)的采礦機(jī)器人路徑控制方法。建立了采礦機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪有效半徑、左右履帶打滑率等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)的在線估計(jì)模型，完成了對(duì)滑轉(zhuǎn)率和有效驅(qū)動(dòng)半徑的有效估計(jì)。在關(guān)鍵參數(shù)的有效估計(jì)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于位置誤差和偏航角誤差的控制器，仿真結(jié)果說(shuō)明了方法的可行性。 (5)針對(duì)深海采礦機(jī)器人控制模型、結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部

7、環(huán)境等諸多不確定性，結(jié)合魯棒控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究了深海采礦機(jī)器人的自適應(yīng)魯棒路徑控制策略。用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近不確定性的上界來(lái)解決系統(tǒng)不確定結(jié)構(gòu)未知的問(wèn)題，在狀態(tài)反饋基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于虛擬輸入的航向控制魯棒自適應(yīng)律，給出了在左右履帶速度輸入與虛擬輸入之間的模糊控制推理規(guī)則，構(gòu)建了采礦機(jī)器人的行走控制策略。仿真結(jié)果說(shuō)明了方法的可行性。 (6)在開(kāi)發(fā)的深海采礦機(jī)器人的模型車(chē)仿真系統(tǒng)上，對(duì)模型車(chē)進(jìn)行了大量跑車(chē)試驗(yàn)，模型車(chē)左右履帶穩(wěn)定速度