铰接履带式海底作业车行走与控制仿真研究

论文摘要

深海钴结壳开采作业车是整个深海采矿系统中的基础核心单元,它将行走于地形十分复杂和恶劣的钴结壳富集区域。因此必须具备有优良的可行驶性、机动性、牵引性、稳定性和可靠性,良好的附着性能和爬坡、越障、避障能力。本文根据深海海底复杂地形作业环境,提出了一种铰接履带式行走机构方案。基于ADAMS/View、ADAMS/ATV建立了铰接履带式行走机构的虚拟样机模型。优化了铰接式联接机构。同时以钴结壳及基岩的土力学特性和行走微地形参数为基础,根据ADMAS/ATV平台中的地形和底质参数,建立符合基岩物理力学特性和行走微地形参数的平地、障碍、沟、坡、以及各类组合地形等虚拟地形。完成了铰接履带式行走机构典型工况的行驶性能仿真研究,对各典型工况相关运动学、动力学参数进行了分析,对其性能作出了评价与预测。突破了多刚体动力学软件ADAMS/ATV平台与数值分析软件MATLAB之间的联合仿真关键问题,采用模糊PID控制器完成了以采矿作业车按预定轨迹行走为目标的联合仿真。仿真分析结果表明,铰接履带式行走机构建模正确,仿真结果真实,能平稳通过合同所规定的地形指标。顺利实现爬越垂直障碍,且越障高度大于履带高及滚轮半径;能顺利实现爬越陡坡,爬坡过程平稳;能顺利实现平地转弯,具有良好的转向灵活性和机动性;能顺利实现ADAMS/ATV与MATLAB联合仿真,模糊PID控制器控制效果良好,采矿作业车能按预定轨迹行走。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 课题来源
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 钴结壳开采的研究现状
• 1.3.2 履带式作业车研究现状
• 1.3.3 现有研究基础
• 1.4 研究方法
• 1.4.1 虚拟样机技术在工程领域的应用
• 1.4.2 基于ADAMS/ATV的履带车虚拟样机研究
• 1.5 本课题研究的基本思路与主要内容
• 第二章 铰接式履带作业车方案设计
• 2.1 铰接式履带作业车技术指标
• 2.2 方案比较
• 2.3 铰接式履带作业车设计方案
• 2.4 铰接机构设计方案
• 2.5 小结
• 第三章 铰接式履带作业车虚拟样机模型
• 3.1 ADAMS/ATV建模原理
• 3.1.1 多刚体动力学模型
• 3.1.2 构件属性
• 3.1.3 接触力模型
• 3.2 铰接式履带作业车虚拟样机模型
• 3.2.1 前后履带车虚拟样机
• 3.2.2 多自由度铰接机构虚拟样机模型
• 3.2.3 虚拟地形
• 3.2.4 海底仿真路面的建立
• 3.2.5 构建海山地面-履带车辆系统模型
• 3.3 小结
• 第四章 多自由度铰接机构虚拟样机优化设计研究
• 4.1 多自由度铰接机构参数化设计
• 4.1.1 模型简化
• 4.1.2 模型参数化
• 4.1.3 多自由度铰接机构参数化仿真分析
• 4.2 多自由度铰接机构优化分析
• 4.3 结论
• 第五章 铰接式履带车仿真研究
• 5.1 仿真边界条件
• 5.2 翻越垂直障碍仿真分析
• 5.2.1 仿真
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 翻越沟槽仿真分析
• 5.3.1 仿真
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 转弯性能仿真分析
• 5.4.1 转弯运动分析
• 5.4.2 平地转弯仿真
• 5.4.3 斜坡转弯仿真
• 5.5 小结
• 第六章 铰接式履带作业车动力学模型与控制系统联合仿真研究
• 6.1 联合仿真简介
• 6.2 基于ADAMS/ATV与MATLAB联合仿真的关键技术突破
• 6.2.1 ADAMS/ATV仿真原理
• 6.2.2 将ADAMS/ATV仿真过程嵌入到ADAMS/VIEW中的方法
• 6.2.3 ADAMS/ATV与MATLAB联合仿真的方法
• 6.2.4 ADAMS/ATV与MATLAB数据交换方法的选择
• 6.3 铰接式履带作业车动力学模型与控制系统联合仿真
• 6.3.1 以车体按预定轨迹行走为目标的联合仿真与分析
• 6.3.2 以控制车体滑转率为目标的联合仿真与分析
• 6.4 小结
• 第七章 ADAMS/VIEW建模方法验证
• 7.1 实验原理
• 7.2 速度测试实验
• 7.3 实验过程及结果分析
• 7.4 小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果