深海采礦移動機器人的魯棒控制研究.pdf

1、深海采礦作業(yè)技術的研究是一項復雜的高技術，是繼航空航天開發(fā)之后世界各國面臨的一個新的重大課題，其開發(fā)手段的研究，對我國礦產資源的可持續(xù)利用具有重要的戰(zhàn)略意義。 深海底采礦機器人的工作環(huán)境為6000m深海底，是“極稀軟”沉積物底質、無自然光、高壓、強擾動、未知復雜的環(huán)境。同時，采礦機器人設計的特殊性決定了其很強的非線性。深海采礦系統(tǒng)要求采礦機器人能在未知的復雜海底環(huán)境中，以一定的精度按照預定的軌跡行駛、高效地采礦。作為深海采礦的載

2、體，采礦機器人控制效果的好壞直接關系到我國大洋戰(zhàn)略開發(fā)的實施質量，機器人工作在剪切強度較弱且隨機變化的深?！跋≤浀住?，與同類陸地履帶車輛相比，更易產生打滑，嚴重時將深陷入沉積物中，喪失作業(yè)行走能力。而機器人設計的特殊性和作業(yè)環(huán)境的特殊性決定了相關控制問題的復雜性。因此，深海采礦移動機器人的控制相關問題是深海采礦技術諸多挑戰(zhàn)中的重要研究問題之一，保障深海采礦機器人行駛的安全性成為一個亟待解決的問題，具有很重大的現實意義和科學意義。

3、 本文重點研究了深海采礦機器人的魯棒控制問題，旨在為深海采礦技術提供一些前期的理論研究和技術支持。 論文主要研究工作及研究成果如下： (1)在深入分析深海采礦機器人機構的基礎上，針對采礦機器人屬于履帶車輛，通過對采礦機器人行走特點分析，采用差動轉向方式，建立了機器人運動學模型?；跈C器人的左右履帶驅動輪采用液壓驅動的特點，分別針對液壓驅動系統(tǒng)中的電液比例閥、柱塞式變量泵、液壓馬達建立了數學模型，實現了對深海采礦機器人運動

4、學系統(tǒng)的有效描述。 分析了采礦系統(tǒng)運動狀態(tài)和動態(tài)特性的一些影響因素。從動力學的角度對深海采礦系統(tǒng)進行了分析，建立了軟管、硬管的動力學方程，分析了加在軟管上的流體力和不同工況下軟管端受力情況，建立了航向控制的數學模型，為深海采礦機器人的魯棒控制奠定理論基礎。 (2)根據深海采礦機器人定位系統(tǒng)的功能要求，給出了深海采礦機器人的定位系統(tǒng)框架。針對深海底采礦機器人的定位這一復雜問題，提出了一種基于偽長基線和航位推算的組合定位方法

5、，給出了完整的卡爾曼濾波器結構，為提高位置估計精度，濾波器采用了自適應卡爾曼濾波算法，在線修正濾波器的增益，仿真結果說明了該方法的可行性，并且相對傳統(tǒng)方法的估計精度有較大的提高，為深海采礦機器人的定位提供了一種新的途徑。 (3)在分析了履帶防滑控制原理的基礎上，揭示了滑轉率與附著條件的關系，基于附著系數和滑轉率曲線形狀的辨識方法，通過馬達轉矩和履帶角加速度得到最佳滑轉率值，建立了以滑轉率控制為目標的防滑控制系統(tǒng)。 (4)

6、針對深海采礦機器人作業(yè)時打滑嚴重，運動狀態(tài)不確定、變化大，關鍵運動參數難以直接測量的問題，在力學分析和液壓驅動原理分析的基礎上，研究了基于動力學的采礦機器人路徑控制方法。建立了采礦機器人驅動輪有效半徑、左右履帶打滑率等關鍵運動參數的在線估計模型，完成了對滑轉率和有效驅動半徑的有效估計。在關鍵參數的有效估計基礎上，設計了基于位置誤差和偏航角誤差的控制器，仿真結果說明了方法的可行性。 (5)針對深海采礦機器人控制模型、結構參數和外部

7、環(huán)境等諸多不確定性，結合魯棒控制和神經網絡，研究了深海采礦機器人的自適應魯棒路徑控制策略。用RBF神經網絡逼近不確定性的上界來解決系統(tǒng)不確定結構未知的問題，在狀態(tài)反饋基礎上，構建基于虛擬輸入的航向控制魯棒自適應律，給出了在左右履帶速度輸入與虛擬輸入之間的模糊控制推理規(guī)則，構建了采礦機器人的行走控制策略。仿真結果說明了方法的可行性。 (6)在開發(fā)的深海采礦機器人的模型車仿真系統(tǒng)上，對模型車進行了大量跑車試驗，模型車左右履帶穩(wěn)定速度