深海底采礦機(jī)器車運(yùn)動(dòng)建模與控制研究.pdf

1、深海底蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，對(duì)其開發(fā)手段的研究，對(duì)我國(guó)礦產(chǎn)資源的可持續(xù)利用，及深海作業(yè)技術(shù)的發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略意義。深海底采礦機(jī)器車行走于6000m深海底“極稀軟”沉積物底質(zhì)，作業(yè)環(huán)境為無(wú)自然光、海底高壓、未知復(fù)雜環(huán)境，其控制質(zhì)量的好壞直接關(guān)系我國(guó)大洋戰(zhàn)略開發(fā)的實(shí)施質(zhì)量。為此，在國(guó)家大洋專項(xiàng)基金——國(guó)際海底區(qū)域研究開發(fā)“十五”項(xiàng)目(DY105-03-02-06)的資助下，本文重點(diǎn)研究了深海底采礦機(jī)器車的建模與控制技術(shù)。論文的主要研究成

2、果包括： 1)深海底采礦機(jī)器車運(yùn)動(dòng)建模技術(shù)深海底采礦機(jī)器車工作于6000m深海“極稀軟”沉積物底質(zhì)，車輛設(shè)計(jì)的特殊性和作業(yè)環(huán)境的特殊性決定了其工作特性與普通履帶車輛有所不同。針對(duì)深海底采礦機(jī)器車高尖三角齒、大沉陷、高打滑率、稀軟海底低速作業(yè)的特點(diǎn)，在特別考慮履齒附加推力、推土阻力、水阻力，并忽略向心力情況下，采用深海底沉積物特殊環(huán)境參數(shù)，對(duì)機(jī)器車牽引力和運(yùn)動(dòng)阻力綜合計(jì)算，建立了深海底采礦機(jī)器車動(dòng)力學(xué)模型；采用機(jī)器人坐標(biāo)系和地面坐

3、標(biāo)系，考慮深海底采礦機(jī)器車左右履帶打滑率對(duì)車體姿態(tài)的影響，建立了深海底采礦機(jī)器車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；實(shí)現(xiàn)了對(duì)深海底采礦機(jī)器車極限環(huán)境動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)的有效描述。 針對(duì)深海底采礦機(jī)器車變量液壓泵-定量液壓馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)復(fù)雜，高非線性的特點(diǎn)，將系統(tǒng)分解為電液比例方向閥、變量泵控制液壓缸、柱塞泵和柱塞馬達(dá)四個(gè)子系統(tǒng)分別建模，在此基礎(chǔ)上綜合建立了深海底采礦機(jī)器車液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深海底采礦機(jī)器車液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有效描述。

4、 將上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行綜合，運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言，建立了基于MALTAB的深海底采礦機(jī)器車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的有效性。 2)深海底采礦機(jī)器車關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)在線辨識(shí)技術(shù)由于作業(yè)環(huán)境的未知、深海底沉積物的極稀軟且不均勻特性，深海底采礦機(jī)器車作業(yè)打滑嚴(yán)重，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不確定性變化大，機(jī)器車驅(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)難以直接測(cè)量。針對(duì)該問題，提出了深海底采礦機(jī)器車關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)在線計(jì)算模型，該模

5、型通過對(duì)機(jī)器車左右液壓馬達(dá)壓差及左右履帶沉陷的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器車左右履帶打滑率及驅(qū)動(dòng)輪半徑的在線計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，取適當(dāng)狀態(tài)變量，建立了深海底采礦機(jī)器車左右履帶打滑率和左右履帶驅(qū)動(dòng)輪有效半徑的非線性參數(shù)估計(jì)模型，為深海底采礦機(jī)器車關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)的最優(yōu)無(wú)偏估計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 在深入研究非線性濾波算法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的SUKF算法-FSUKF算法：引入模糊控制算法，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的好壞程度，對(duì)sigma集調(diào)整算子進(jìn)行在線調(diào)整，從而

6、使系統(tǒng)理想模型和實(shí)際模型更為接近，并采用Mackey-Glass時(shí)間序列模型，驗(yàn)證了FSUKF算法具有更高的估計(jì)精度。 最后，采用所提出的模型和算法，進(jìn)行了深海底采礦機(jī)器車關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該種方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器車關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)的有效估計(jì)。 3)深海底采礦機(jī)器車運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)針對(duì)深海底采礦機(jī)器車控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成及作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了深海底采礦機(jī)器車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元、運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)、軌

7、跡誤差計(jì)算、軌跡跟蹤控制等模塊構(gòu)成，并分別設(shè)計(jì)了各部分的功能。 針對(duì)通常狀態(tài)時(shí)間軌線規(guī)劃采用等間隔點(diǎn)，往往不能滿足精確控制要求的特點(diǎn)，提出了一種模糊控制的不等分狀態(tài)時(shí)間軌線規(guī)劃方法。該軌線規(guī)劃方法可根據(jù)機(jī)器車位置與目標(biāo)點(diǎn)的距離和角誤差，實(shí)時(shí)調(diào)整目標(biāo)點(diǎn)的距離。 通過對(duì)履帶式移動(dòng)機(jī)器車軌跡誤差的分析，將控制誤差分為由左右履帶不對(duì)稱等引起的內(nèi)部誤差和由地面情況不均勻等引起的外部誤差分別考慮，設(shè)計(jì)了基于模糊專家的交叉耦合控制器。

8、采用交叉耦合控制器構(gòu)成機(jī)器車速度控制的內(nèi)環(huán)，以糾正系統(tǒng)內(nèi)部誤差；采用模糊專家控制器構(gòu)成機(jī)器車位移控制的外環(huán)，糾正系統(tǒng)外部誤差，實(shí)現(xiàn)了深海底采礦機(jī)器車的精確運(yùn)動(dòng)控制。 4)深海底采礦機(jī)器模型車實(shí)物仿真系統(tǒng)開發(fā)深海底采礦機(jī)器車體積龐大，驅(qū)動(dòng)功率高，不宜進(jìn)行頻繁控制系統(tǒng)試驗(yàn)。為了更好地開展運(yùn)動(dòng)控制算法試驗(yàn)研究，開發(fā)了小型深海底采礦機(jī)器車模型實(shí)物仿真系統(tǒng)，并開展了試驗(yàn)研究。仿照原系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)并開發(fā)了30：1同