深海采矿车自主定位系统及其在最优切削中的应用研究

摘要

深海采矿车自主定位系统是采矿车自主导航、智能控制、安全作业等过程的基础。针对深海地形崎岖不平、车轮打滑、周围能见度低等复杂的工作环境，本文提出了一种基于从动轮的航位推算定位方法。为了获取相关深海地貌数据计算采矿车最优切削深度，实现最优开采，定位系统要对采矿车定位获得采矿区域的准确位置数据，基于最优切削深度的钴结壳优化开采方法要求定位系统实时、连续、稳定的工作。航位推算定位方法受外部环境的依赖性较小、实时性强、短程定位精度高，对实现深海钴结壳优化开采有重要意义。 在建立某一时刻的斜面采矿车空间运动学模型基础上，用不同时刻、不同方位斜面复合成三维地形空间运动学模型，建立采矿车空间连续航位推算模型。针对采矿车打滑的测速问题，研制一种具有地形感知能力的从动轮测速机构。通过运动学分析，建立从动轮速度和采矿车速度之间的关系，以及定位系统在最优切削中的应用模型。在此基础上设计采矿车空间航位推算定位系统：用VC编写定位系统软件，采用三轴数字罗盘、角位移传感器等测量采矿车测量采矿车的动态参数，对系统采用的关键传感器进行数据预处理方法研究，提高其在动态情况下测量精度。 最后，在实验室条件下进行各种地形上模型车定位试验，分析定位系统的误差，验证其定位精度、实时性和稳定性，结果表明基于空间航位推算方法的定位系统是可行的。本文的研究为深海采矿车定位系统和建立完整的采矿车控制系统打下良好理论和试验基础。

目录

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第一章绪论

1.1选题背景和课题来源

1.2深海潜器定位方法及其优劣分析

1.2.1几种主要的深海潜器定位方法

1.2.2深海采矿车定位方法的比较、选择

1.3航位推算的研究现状及其在采矿车定位中的应用

1.3.1国内外航位推算研究现状

1.3.2航位推算在采矿车定位中应用需解决的问题

1.4研究的主要内容及技术路线

1.5本章小结

第二章采矿车运动学及航位推算模型的建立

2.1航位推算的坐标系

2.1.1坐标系建立

2.1.2坐标系转换

2.2具有地形感知能力的从动轮运动学分析

2.2.1从动轮速度与车体速度的转换关系

2.2.2从动轮未知参数的确定

2.3斜面上采矿车航位推算模型

2.4采矿车空间位姿跟踪算法

2.5小结

第三章采集头定位与钴结壳最优切削关联研究

3.1采集头对地定位的目的

3.2待切削地形的定位

3.2.1采矿车定位与待切地形定位的关系

3.2.2待切地形定位的计算过程

3.3待切地形地貌数据的截取

3.4最优切削实现过程

3.5小结

第四章采矿车自主定位实验系统设计

4.1具有地形感知能力的从动轮设计

4.2传感器选型

4.2.1电子罗盘

4.2.2角位移传感器

4.3数据采集模块设计

4.4系统软件设计

4.4.1系统软件设计总体构成

4.4.2各模块的功能

4.4.3系统软件工作过程

4.5软硬件系统关键技术

4.5.1多串口多传感器数据采集方法

4.5.2系统软件的主要技术特点

4.6三轴数字罗盘误差补偿方法

4.7小结

第五章定位试验研究

5.1试验目的及内容

5.2实验台组成

5.2.1试验台整体构成

5.2.2软硬件系统组成

5.2.3试验前准备工作

5.3实验过程及误差分析

5.3.1实验1两种从动轮比较实验

5.3.2实验2平坦地形上定位实验

5.3.3实验3非平坦地形上定位实验

5.4小结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2今后工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果