煤矿救援机器人多电机驱动与协同控制研究

摘要

煤矿灾害事故发生后，井下地形环境错综复杂，且随时有发生二次灾害的危险，不能让救援人员盲目下井救援。煤矿救援机器人可以替代救援人员进入灾害现场，进行环境探测和协助救援。本文以煤矿救援机器人多电机的驱动与控制为核心，从机器人的行走机构与驱动方式、多电机协同控制建模仿真、电机控制系统、双电机协同驱动系统等四个方面开展研究。
　　煤矿救援机器人在煤矿灾害环境中行走，需要翻越不规则障碍物、爬坡、跨越壕沟、行走泥泞和颠簸路面等。结合实际救援状况，需要在平地上高速前行，不规则路面上低速大扭矩行驶。分析了腿式、轮式、履带式及轮履复合式行走机构的优缺点，在确定履带式行走机构后对几种电机驱动方式进行了研究，决定采用四电机驱动方式，最后确认了采用弹簧履带式四电机驱动的煤矿救援机器人行走与驱动方式。
　　以直流无刷电机为基础，分析了直流无刷电机的结构及工作原理，对电机进行仿真建模，对比分析了开环与闭环的运行效果。结合煤矿救援机器人的双电机前驱与四电机同时驱动两种方式，分别建立了左右履带偏差耦合控制模型。仿真结果表明，采用偏差耦合的控制方法比未采用偏差耦合的控制方法具有较好的控制效果。
　　针对四驱动的煤矿救援机器人，研发基于STM32F107微处理器的运动控制系统，选择设计了系统中的各个组成部分，电池、电机、驱动器等。通过对直流无刷电机转速的 PI闭环控制，提升电机抗负载变化的能力，提高煤矿救援机器人在变负载时转速恒定的能力。据机器人在两种驱动模式下采用偏差耦合控制算法，将左右履带转速相互耦合，试验结果表明，机器人在平地上高速前行与颠簸路面上低速前行的直线度得到显著提升。
　　针对一般的多电机协同控制中存在驱动器与机器人控制系统需要各种通讯接口的互联、信息相互交互与解析，消耗了大量时间，对电机同步的实时性有很大影响，且电机驱动器与控制器之间有过多的接线降低了系统的整体可靠性。为克服这些缺点，设计了一款能同时驱动两台电机的直流无刷电机驱动系统，采用高性能专用运动控制芯片TMS320F2811同时驱动控制两台电机，使各种信号采集处理及计算都在同一块芯片中解决，满足了两电机之间转速的同步。
　　该论文有图110幅，表7个，参考文献83篇。

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变量注释表

1绪论

1.1课题研究背景及来源

1.2煤矿救援机器人研究现状

1.3多电机协同控制研究现状

1.4论文主要研究内容

2煤矿救援机器人行走与驱动方式研究

2.1引言

2.2 煤矿井下地形特征

2.3机器人常用行走机构及其特点

2.4机器人常用驱动形式及其特点

2.5煤矿救援机器人弹簧履带式四驱动方式的提出

2.6本章小结

3多电机协同控制建模仿真研究

3.1引言

3.2无刷直流电机的结构及其工作原理

3.3 单台无刷直流电机的仿真研究

3.4多电机协同控制仿真研究

3.5本章小结

4. 四驱动煤矿救援机器人运动控制系统研发及行走试验

4.1引言

4.2四驱动运动控制系统

4.3运动控制系统硬件设计

4.4运动控制系统软件设计

4.5 运动控制试验

4.6 本章小结

5双电机驱动器设计

5.1引言

5.2驱动系统的硬件设计

5.3驱动系统的软件设计

5.4 本章小结

6全文总结

6.1研究成果及结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

作者简历

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