穿地龙机器人控制及检测系统研究

摘要

“穿地龙”机器人是一种在土中自行行走的装置，在地表的一端进入土中，行进中可以随时改变方向实时修正偏差，使机器人可按预定规划轨迹前进，最后，从地表的另一端指定位置穿出。它主要用于PE或PVC管、电缆、光缆等小直径管线的地下非开挖铺设。 本文主要以液压驱动“穿地龙”机器人的控制及检测系统为研究对象。通过对目前国内外气动及液动小孔径地下穿孔设备的研究，设计了“穿地龙”机器人液压系统总体方案，内容包括基于PWM高速开关阀控的机器人液压冲击系统及转向系统设计，提出了转向回路液压自锁方案；分析了机器人的转向机理，为机器人转向机构设计提供了理论基础。 针对“穿地龙”机器人的工作环境，设计了基于PC机和单片机的二级计算机硬件控制系统，及基于数字罗盘和测距传感器的位姿检测方案，完成包括高速开关阀驱动控制电路、串行通讯电路、A/D转换电路设计；采用模块化的设计思想设计了下位机软件，对上位机软件进行了初步研究。针对机器人土中作业环境非线性的特点，设计了参数自整定模糊PID控制器，并对实际系统进行计算机仿真研究，结果表明，系统表现出很好的适应能力和较好的动态性能。 论文最后进建立了“穿地龙”机器人样机的实验系统。进行了机器人冲击、转向机构、位姿检测的实验。试验结果验证了系统设计的可行性，表明研制的机器人可以克服土的阻力，能够按照预先规划的轨迹在土中前进完成穿孔作业。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的来源背景及意义

1.2国内外相关领域发展概况

1.2.1国外冲击矛的发展现状

1.2.2国内地下穿孔装置发展现状

1.3穿地龙机器人关键技术

1.3.1穿地龙机器人基本技术要求

1.3.2穿地龙机器人关键技术

1.4论文的主要研究内容

第2章穿地龙机器人液压驱动方案研究

2.1引言

2.2穿地龙机器人液压冲击器结构研究

2.2.1配流方案及反馈方式研究

2.2.2液压冲击器的结构及工作原理

2.2.3液压冲击机构压力流量特性

2.3转向机构液压驱动方案

2.3.1转向机构原理分析

2.3.2转向机构液压驱动方案

2.4本章小结

第3章穿地龙机器人控制及检测系统设计

3.1引言

3.2穿地龙机器人控制及检测系统总体方案

3.2.1液压控制系统原理

3.2.2控制系统总体设计

3.3穿地龙机器人控制系统硬件设计

3.3.1高速开关阀控制驱动电路设计

3.3.2串行通信及硬件电路设计

3.4穿地龙机器人位姿检测方案

3.4.1转向头角度的检测电路设计

3.4.2穿地龙机器人测长传感器设计

3.4.3 HMR3300数字罗盘的原理及其数据采集

3.5穿地龙机器人冲击力检测方案

3.5.1力传感器的选择

3.5.2冲击力检测接口电路设计

3.6控制系统软件设计

3.6.1下位机软件设计

3.6.2上位机软件设计

3.7本章小结

第4章穿地龙机器人控制策略研究

4.1引言

4.2穿地龙机器人液压系统数学模型

4.2.1冲击机构数学模型

4.2.2转向机构数学模型

4.3穿地龙机器人控制策略研究

4.3.1模糊自整定PID控制原理

4.3.2控制器输入输出变量隶属度函数

4.3.3模糊控制量清晰化及仿真分析

4.4本章小结

第5章穿地龙机器人试验研究

5.1引言

5.2转向机构实验研究

5.3冲击功测试及数据分析

5.3.1采样频率(采样周期)的确定

5.3.2测试数据处理

5.4位姿信号采集实验

5.4.1位姿计算方法

5.4.2位姿检测实验

5.5本章小结

结论

参考文献

致谢