井下履带式探测机器人及其运动抗扰控制研究

摘要

井下履带式探测机器人作业环境复杂,需携带多种探测或救援装备并进行爬坡越障,易导致负载扰动,具有较强非线性和不确定性,此外,用于机器人动力驱动的永磁同步电动机(PMSM)本身是多变量、强耦合的非线性系统,目前常规的基于误差的比例积分微分(PID)控制器很难满足控制需求。针对上述问题,设计了一种四摆臂井下履带式探测机器人,并进行了爬坡越障性能分析,得出了平地直行和直行爬坡2种工况下机器人PMSM的转矩和转速;对PMSM进行建模分析,速度环采用自抗扰控制器(ADRC),电流环采用比例积分(PI)控制器,设计了ADRC+PI控制方案;采用磁场定向控制(FOC)技术对PMSM进行驱动,从而提升机器人在井下作业时的响应性能和抗干扰性能。对ADRC+PI控制方案和常规PI+PI控制方案进行仿真和对比分析,得到2种工况下PMSM的转速、转矩、相电流响应曲线,结果表明:在2种工况下,采用ADRC+PI控制方案时机器人PMSM的转速和转矩响应控制更精准,具有更小的超调量和更短的调节时间,应对外部突变干扰的能力更强,能有效提升井下履带式探测机器人的爬坡越障性能和作业稳定性。