深海底采矿机器车运动建模与控制研究

摘要

深海底蕴藏着丰富的矿产资源，对其开发手段的研究，对我国矿产资源的可持续利用，及深海作业技术的发展，具有重要的战略意义。深海底采矿机器车行走于6000m深海底“极稀软”沉积物底质，作业环境为无自然光、海底高压、未知复杂环境，其控制质量的好坏直接关系我国大洋战略开发的实施质量。为此，在国家大洋专项基金——国际海底区域研究开发“十五”项目(DY105-03-02-06)的资助下，本文重点研究了深海底采矿机器车的建模与控制技术。论文的主要研究成果包括： 1)深海底采矿机器车运动建模技术深海底采矿机器车工作于6000m深海“极稀软”沉积物底质，车辆设计的特殊性和作业环境的特殊性决定了其工作特性与普通履带车辆有所不同。针对深海底采矿机器车高尖三角齿、大沉陷、高打滑率、稀软海底低速作业的特点，在特别考虑履齿附加推力、推土阻力、水阻力，并忽略向心力情况下，采用深海底沉积物特殊环境参数，对机器车牵引力和运动阻力综合计算，建立了深海底采矿机器车动力学模型；采用机器人坐标系和地面坐标系，考虑深海底采矿机器车左右履带打滑率对车体姿态的影响，建立了深海底采矿机器车的运动学模型；实现了对深海底采矿机器车极限环境动力学和运动学系统的有效描述。 针对深海底采矿机器车变量液压泵-定量液压马达容积调速系统参数复杂，高非线性的特点，将系统分解为电液比例方向阀、变量泵控制液压缸、柱塞泵和柱塞马达四个子系统分别建模，在此基础上综合建立了深海底采矿机器车液压驱动系统模型，实现了对深海底采矿机器车液压驱动系统的有效描述。 将上述数学模型进行综合，运用MATLAB语言，建立了基于MALTAB的深海底采矿机器车运动系统仿真模型，进行了仿真研究，仿真结果验证了模型的有效性。 2)深海底采矿机器车关键运动参数在线辨识技术由于作业环境的未知、深海底沉积物的极稀软且不均匀特性，深海底采矿机器车作业打滑严重，运动状态不确定性变化大，机器车驱动轮有效半径、左右履带打滑率等关键运动参数难以直接测量。针对该问题，提出了深海底采矿机器车关键运动参数在线计算模型，该模型通过对机器车左右液压马达压差及左右履带沉陷的检测，实现对机器车左右履带打滑率及驱动轮半径的在线计算。在此基础上，取适当状态变量，建立了深海底采矿机器车左右履带打滑率和左右履带驱动轮有效半径的非线性参数估计模型，为深海底采矿机器车关键运动参数的最优无偏估计奠定了基础。 在深入研究非线性滤波算法的基础上，提出了一种改进的SUKF算法-FSUKF算法：引入模糊控制算法，根据测量数据的好坏程度，对sigma集调整算子进行在线调整，从而使系统理想模型和实际模型更为接近，并采用Mackey-Glass时间序列模型，验证了FSUKF算法具有更高的估计精度。 最后，采用所提出的模型和算法，进行了深海底采矿机器车关键运动参数估计仿真研究，仿真结果验证了该种方法的有效性，实现了对机器车关键运动参数的有效估计。 3)深海底采矿机器车运动控制技术针对深海底采矿机器车控制系统硬件构成及作业要求，设计了深海底采矿机器车运动控制系统。该系统由运动规划单元、运动参数估计、轨迹误差计算、轨迹跟踪控制等模块构成，并分别设计了各部分的功能。 针对通常状态时间轨线规划采用等间隔点，往往不能满足精确控制要求的特点，提出了一种模糊控制的不等分状态时间轨线规划方法。该轨线规划方法可根据机器车位置与目标点的距离和角误差，实时调整目标点的距离。 通过对履带式移动机器车轨迹误差的分析，将控制误差分为由左右履带不对称等引起的内部误差和由地面情况不均匀等引起的外部误差分别考虑，设计了基于模糊专家的交叉耦合控制器。采用交叉耦合控制器构成机器车速度控制的内环，以纠正系统内部误差；采用模糊专家控制器构成机器车位移控制的外环，纠正系统外部误差，实现了深海底采矿机器车的精确运动控制。 4)深海底采矿机器模型车实物仿真系统开发深海底采矿机器车体积庞大，驱动功率高，不宜进行频繁控制系统试验。为了更好地开展运动控制算法试验研究，开发了小型深海底采矿机器车模型实物仿真系统，并开展了试验研究。仿照原系统，设计并开发了电动液压驱动系统；设计并开发了30：1同比例模型车机械系统；完成了控制系统硬件选型和开发。采用集成结构设计思想，立足于实际采矿机器车系统，开发了深海底采矿机器车控制系统软件。最后，以模型车为控制对象，开展了试验研究，取得了较好的实验结果。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1深海采矿的历史意义

1.2深海采矿的国内外研究现状

1.3深海底采矿机器车的国内外研究现状

1.4深海底采矿机器车运动建模技术研究

1.5基于非线性滤波方法的模型关键参数估计

1.6深海底采矿机器车运动控制

1.7本文的主要研究内容

第二章深海底采矿机器车工作环境及行走特性研究

2.1我国矿区水文特性和海泥土力学特性

2.1.1我国矿区底层海流动力学特性

2.1.2我国矿区海泥土力学性质

2.2车辆-地面相互作用力学——地面力学

2.2.1塑性平衡理论

2.2.2地面参数测量理论

2.3小结

第三章深海底采矿机器车运动建模研究

3.1深海底采矿机器车行走机构及工作要求

3.1.1深海底采矿机器车行走建模简化条件

3.1.2深海底采矿机器车履带牵引力模型

3.1.3深海底采矿机器车运动阻力模型

3.1.4深海底采矿机器车运动学模型

3.1.5深海底采矿机器车动力学模型

3.2深海底采矿机器车液压驱动系统

3.2.1深海底采矿机器车行驶驱动液压系统原理

3.2.2深海底采矿机器车行驶驱动液压系统模型研究

3.3基于MATLAB的深海底采矿机器车建模及仿真研究

3.3.2基于SIMULINK的深海底采矿机器车运动系统模型

3.4小结

第四章基于非线性滤波方法的深海底采矿机器车关键运动参数估计

4.1深海底采矿机器车关键运动参数估计模型

4.1.1左右履带打滑率在线计算模型

4.1.2履带驱动轮有效半径在线计算模型

4.1.3深海底采矿机器车关键运动参数非线性估计模型

4.2基于UKF滤波算法的深海底采矿机器车关键运动参数估计研究

4.2.1 UKF方法研究

4.2.2改进的SUKF算法——FSUKF算法

4.2.3深海底采矿机器车关键运动参数估计仿真

4.3小结

第五章深海底采矿机器车运动控制研究

5.1深海底采矿机器车控制系统硬件构成及作业要求

5.2深海底采矿机器车运动控制系统设计

5.3深海底采矿机器车运动规划

5.3.1深海底采矿机器车路径规划

5.3.2深海底采矿机器车状态时间轨线规划

5.4深海底采矿机器车轨迹跟踪控制

5.4.1基于交叉耦合控制的履带机器车内部误差补偿

5.4.2基于模糊专家控制的深海底采矿机器车外部误差补偿

5.5小结

第六章深海底采矿模型机器车实物仿真系统开发及试验研究

6.1模型机器车开发

6.2深海底采矿模型机器车控制系统开发

6.2.1深海底采矿模型机器车控制系统硬件设计

6.2.2深海底采矿模型机器车控制系统软件设计

6.3深海底采矿模型机器车试验研究

6.4小结

第七章结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表及完成论文情况

攻读博士学位期间参加的科研项目情况