煤礦救援機(jī)器人多電機(jī)驅(qū)動(dòng)與協(xié)同控制研究.pdf

1、煤礦災(zāi)害事故發(fā)生后，井下地形環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，且隨時(shí)有發(fā)生二次災(zāi)害的危險(xiǎn)，不能讓救援人員盲目下井救援。煤礦救援機(jī)器人可以替代救援人員進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行環(huán)境探測(cè)和協(xié)助救援。本文以煤礦救援機(jī)器人多電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制為核心，從機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)方式、多電機(jī)協(xié)同控制建模仿真、電機(jī)控制系統(tǒng)、雙電機(jī)協(xié)同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等四個(gè)方面開展研究。
　　煤礦救援機(jī)器人在煤礦災(zāi)害環(huán)境中行走，需要翻越不規(guī)則障礙物、爬坡、跨越壕溝、行走泥濘和顛簸路面等。結(jié)合實(shí)際救援狀

2、況，需要在平地上高速前行，不規(guī)則路面上低速大扭矩行駛。分析了腿式、輪式、履帶式及輪履復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在確定履帶式行走機(jī)構(gòu)后對(duì)幾種電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了研究，決定采用四電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，最后確認(rèn)了采用彈簧履帶式四電機(jī)驅(qū)動(dòng)的煤礦救援機(jī)器人行走與驅(qū)動(dòng)方式。
　　以直流無(wú)刷電機(jī)為基礎(chǔ)，分析了直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真建模，對(duì)比分析了開環(huán)與閉環(huán)的運(yùn)行效果。結(jié)合煤礦救援機(jī)器人的雙電機(jī)前驅(qū)與四電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩種方式，分別建立了左

3、右履帶偏差耦合控制模型。仿真結(jié)果表明，采用偏差耦合的控制方法比未采用偏差耦合的控制方法具有較好的控制效果。
　　針對(duì)四驅(qū)動(dòng)的煤礦救援機(jī)器人，研發(fā)基于STM32F107微處理器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，選擇設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分，電池、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器等。通過(guò)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的 PI閉環(huán)控制，提升電機(jī)抗負(fù)載變化的能力，提高煤礦救援機(jī)器人在變負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速恒定的能力。據(jù)機(jī)器人在兩種驅(qū)動(dòng)模式下采用偏差耦合控制算法，將左右履帶轉(zhuǎn)速相互耦合，試驗(yàn)結(jié)果表

4、明，機(jī)器人在平地上高速前行與顛簸路面上低速前行的直線度得到顯著提升。
　　針對(duì)一般的多電機(jī)協(xié)同控制中存在驅(qū)動(dòng)器與機(jī)器人控制系統(tǒng)需要各種通訊接口的互聯(lián)、信息相互交互與解析，消耗了大量時(shí)間，對(duì)電機(jī)同步的實(shí)時(shí)性有很大影響，且電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與控制器之間有過(guò)多的接線降低了系統(tǒng)的整體可靠性。為克服這些缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)的直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用高性能專用運(yùn)動(dòng)控制芯片TMS320F2811同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制兩臺(tái)電機(jī)，使各種信號(hào)采集處理及