深海履帶式集礦機(jī)打滑及路徑跟蹤控制問題研究.pdf

1、履帶式行走機(jī)構(gòu)由于其自身特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)經(jīng)常被應(yīng)用在軍事、農(nóng)業(yè)以及采礦領(lǐng)域。對于深海多金屬結(jié)核及鈷結(jié)殼采礦而言，眾多國家都相繼研制出了海底履帶式采礦系統(tǒng)。履帶式集礦機(jī)作為深海采礦系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其作業(yè)環(huán)境下的運(yùn)動控制問題成為研究熱點(diǎn)。
　　集礦機(jī)行走在海底極其稀軟的底質(zhì)上，其行走動力來自于履帶與海底軟底質(zhì)之間的相互剪切作用。由于軟底質(zhì)固有的土力學(xué)特性，集礦機(jī)海底作業(yè)過程中履帶會產(chǎn)生一定的打滑作用，打滑率的變化將直接影響到集礦機(jī)海底

2、行走動力性能。同時，集礦機(jī)海底作業(yè)過程需按照預(yù)先設(shè)定路徑進(jìn)行開采行走。但由于受到布放偏差、海底軟底質(zhì)、洋流等作用的影響，集礦機(jī)實(shí)際行走路徑與預(yù)定路徑存在一定的偏差。為保證集礦效率，路徑跟蹤問題成為集礦機(jī)作業(yè)過程關(guān)鍵運(yùn)動控制問題之一。對深海采礦系統(tǒng)而言，為保證整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，集礦機(jī)與采礦船之間的隨動控制問題也尤為關(guān)鍵。本文針對上述三種關(guān)鍵運(yùn)動控制問題，提出了相應(yīng)的控制策略和算法，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性和正確性。
　　論

3、文主要研究成果如下:
　　1.以履帶車輛地面力學(xué)特性研究為理論基礎(chǔ)，利用以膨潤土和水的混合物作為海底模擬軟底質(zhì)，推導(dǎo)出海底稀軟底質(zhì)壓力—沉陷關(guān)系和剪切應(yīng)力—剪切位置關(guān)系計(jì)算公式，建立了集礦機(jī)驅(qū)動力與打滑率之間的關(guān)系。
　　通過對集礦機(jī)行走過程各運(yùn)動阻力的分析，建立了完善的集礦機(jī)力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型。提出了方便研究的簡化力學(xué)模型，并對簡化可能導(dǎo)致的誤差進(jìn)行了分析，為履帶式集礦機(jī)運(yùn)動控制研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　2.基于驅(qū)動力

4、與打滑率之間的關(guān)系，提出了勻底質(zhì)條件下最佳打滑率判斷標(biāo)準(zhǔn)。通過對集礦機(jī)牽引效率分析，建立了非勻底質(zhì)條件下最佳打滑率辨識方法。建立了履帶式集礦機(jī)液壓驅(qū)動模型，通過仿真驗(yàn)證了模型的正確性。提出了模糊PID打滑控制策略，建立了打滑控制系統(tǒng)模型。通過對勻底質(zhì)和非勻底質(zhì)條件下打滑仿真結(jié)果的分析，證明了控制策略的有效性和穩(wěn)定性。
　　3.通過對集礦機(jī)路徑跟蹤控制問題的描述，建立了集礦機(jī)路徑偏差模型。綜合考慮了集礦機(jī)行走動力約束、跟蹤路徑平滑性

5、以及跟蹤時間最優(yōu)三個因素，提出了以三次樣條曲線為跟蹤路徑的時間最優(yōu)控制策略。通過構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)，提出了滿足算法穩(wěn)定性要求，針對由于布放偏差導(dǎo)致的算法不穩(wěn)定的四種情況，提出了相應(yīng)的控制策略。建立了路徑跟蹤控制系統(tǒng)模型，通過對同一路徑不同跟蹤系數(shù)仿真結(jié)果對比分析，確定了0.66為最佳路徑跟蹤系數(shù)。通過對直線、圓形、實(shí)際開采路徑的跟蹤控制仿真結(jié)果分析，驗(yàn)證了控制算法的正確性。通過與PID控制算法的仿真結(jié)果的對比，驗(yàn)證了算法的時間最優(yōu)特性。

6、
　　4.以我國中試1000m海試總體方案為研究基礎(chǔ)，分析比較了橫縱兩種折返作業(yè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。出于整體系統(tǒng)運(yùn)動復(fù)雜性以及對海底環(huán)境破壞等因素的考慮，確定縱向折返為整體系統(tǒng)折返方式。分析了整體系統(tǒng)中采礦船、中間倉、集礦機(jī)各自的運(yùn)動安全域，考慮到輸送軟管馬鞍構(gòu)形的要求，最終確定采礦船與集礦機(jī)投影水平距離240m為整體系統(tǒng)聯(lián)動控制目標(biāo)。建立了整體聯(lián)動控制系統(tǒng)，并分別在順流和逆流條件下對整體系統(tǒng)聯(lián)動進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明整體系統(tǒng)能夠滿足