深海作业型机器人防滑控制研究

论文摘要

深海作业型机器人是一种在水深5000～6000米海底采集多金属结核的自主行走履带车辆,其防滑控制是整个深海采矿系统的关键技术。机器人工作在剪切强度较弱且随机变化的深海“稀软底”,与同类陆地履带车辆相比,更易产生打滑,严重时将深陷入沉积物中,丧失作业行走能力。因此,对其行走进行防滑控制,保障深海作业机器人行驶的安全性成为一个亟待解决的问题。在深入分析了海底泥土力学特性基础上,根据机器人本身的结构特点和物理学原理,在进行了一系列有利于简化问题分析与研究的假设之后建立了深海作业机器人的动力学模型和液压驱动系统模型。接下来本文在分析了履带防滑控制原理的基础上,揭示了滑转率与附着条件的关系,然后综合深海作业机器人模型建立了以滑转率控制为目标的防滑控制系统。本文应用趋近律方法削弱滑模变结构控制固有的抖振现象。最佳滑转率的辨识技术是控制的基础,本文应用的基于附着系数和滑转率曲线形状的辨识方法可以通过马达转矩和履带角加速度得到最佳滑转率值。通过MATLAB/Simulink软件对所设计的系统进行仿真。仿真结果表明,控制系统能够根据不同的海底行走情况预测最佳滑转率并将实际滑转率控制在最佳值附近,同时驱动力矩的变化也比较平稳,能够保证深海机器人行走过程的安全性要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源与研究意义
• 1.2 深海作业机器人防滑控制关键技术
• 1.3 课题相关技术国内外研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 深海作业机器人工作环境特性研究
• 2.1 海泥土力学特性
• 2.1.1 海泥的剪切强度
• 2.1.2 海泥的力学分析
• 2.2 履带—海泥相互作用
• 2.2.1 载荷—沉陷量
• 2.2.2 剪切力—剪切位移
• 2.3 深海底水文特性和海泥土力学特性
• 2.3.1 海流动力学特性
• 2.3.2 海泥土力学特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 深海作业机器人模型
• 3.1 集矿子系统组成与功能
• 3.2 深海作业机器人力学模型
• 3.2.1 深海作业机器人履带牵引力模型
• 3.2.2 深海作业机器人运动阻力模型
• 3.2.3 深海作业机器人动力学模型
• 3.3 液压传动系统模型
• 3.3.1 液压驱动系统原理
• 3.3.2 深海作业机器人驱动液压系统模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 履带防滑控制系统
• 4.1 履带防滑控制原理
• 4.1.1 深海作业机器人行走的附着条件
• 4.1.2 深海作业机器人滑转率分析
• 4.1.3 滑转率控制方法
• 4.2 深海机器人防滑系统
• 4.3 履带防滑控制策略
• 4.3.1 防滑控制方法比较
• 4.3.2 滑模变结构控制
• 4.3.3 滑模变结构控制系统的抖振问题
• 4.4 深海作业机器人防滑滑模变结构控制方法
• 4.4.1 滑模切换函数的设计
• 4.4.2 指数趋近控制
• 4.5 最佳滑转率辨识技术
• 4.5.1 μ-λ曲线数学模型分析
• T估计'>4.5.2 基于μ-λ曲线形状的λ_T估计
• 4.6 本章小结
• 第五章 深海作业机器人防滑控制系统仿真
• 5.1 控制系统仿真设计
• 5.2 液压驱动系统子系统设计与仿真
• 5.3 滑转率辨识仿真
• 5.4 滑转率跟踪仿真
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果