穿地龙机器人控制及检测系统研究

论文摘要

“穿地龙”机器人是一种在土中自行行走的装置，在地表的一端进入土中，行进中可以随时改变方向实时修正偏差，使机器人可按预定规划轨迹前进，最后，从地表的另一端指定位置穿出。它主要用于PE或PVC管、电缆、光缆等小直径管线的地下非开挖铺设。本文主要以液压驱动“穿地龙”机器人的控制及检测系统为研究对象。通过对目前国内外气动及液动小孔径地下穿孔设备的研究，设计了“穿地龙"机器人液压系统总体方案，内容包括基于PWM高速开关阀控的机器人液压冲击系统及转向系统设计，提出了转向回路液压自锁方案；分析了机器人的转向机理，为机器人转向机构设计提供了理论基础。针对“穿地龙”机器人的工作环境，设计了基于PC机和单片机的二级计算机硬件控制系统，及基于数字罗盘和测距传感器的位姿检测方案，完成包括高速开关阀驱动控制电路、串行通讯电路、A／D转换电路设计；采用模块化的设计思想设计了下位机软件，对上位机软件进行了初步研究。针对机器人土中作业环境非线性的特点，设计了参数自整定模糊PID控制器，并对实际系统进行计算机仿真研究，结果表明，系统表现出很好的适应能力和较好的动态性能。论文最后进建立了“穿地龙”机器人样机的实验系统。进行了机器人冲击、转向机构、位姿检测的实验。试验结果验证了系统设计的可行性，表明研制的机器人可以克服土的阻力，能够按照预先规划的轨迹在土中前进完成穿孔作业。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的来源背景及意义
• 1.2 国内外相关领域发展概况
• 1.2.1 国外冲击矛的发展现状
• 1.2.2 国内地下穿孔装置发展现状
• 1.3 穿地龙机器人关键技术
• 1.3.1 穿地龙机器人基本技术要求
• 1.3.2 穿地龙机器人关键技术
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 穿地龙机器人液压驱动方案研究
• 2.1 引言
• 2.2 穿地龙机器人液压冲击器结构研究
• 2.2.1 配流方案及反馈方式研究
• 2.2.2 液压冲击器的结构及工作原理
• 2.2.3 液压冲击机构压力流量特性
• 2.3 转向机构液压驱动方案
• 2.3.1 转向机构原理分析
• 2.3.2 转向机构液压驱动方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 穿地龙机器人控制及检测系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 穿地龙机器人控制及检测系统总体方案
• 3.2.1 液压控制系统原理
• 3.2.2 控制系统总体设计
• 3.3 穿地龙机器人控制系统硬件设计
• 3.3.1 高速开关阀控制驱动电路设计
• 3.3.2 串行通信及硬件电路设计
• 3.4 穿地龙机器人位姿检测方案
• 3.4.1 转向头角度的检测电路设计
• 3.4.2 穿地龙机器人测长传感器设计
• 3.4.3 HMR3300数字罗盘的原理及其数据采集
• 3.5 穿地龙机器人冲击力检测方案
• 3.5.1 力传感器的选择
• 5.5.2 冲击力检测接口电路设计
• 3.6 控制系统软件设计
• 3.6.1 下位机软件设计
• 3.6.2 上位机软件设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 穿地龙机器人控制策略研究
• 4.1 引言
• 4.2 穿地龙机器人液压系统数学模型
• 4.2.1 冲击机构数学模型
• 4.2.2 转向机构数学模型
• 4.3 穿地龙机器人控制策略研究
• 4.3.1 模糊自整定 PID控制原理
• 4.3.2 控制器输入输出变量隶属度函数
• 4.3.3 模糊控制量清晰化及仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 穿地龙机器人试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 转向机构实验研究
• 5.3 冲击功测试及数据分析
• 5.3.1 采样频率（采样周期）的确定
• 5.3.2 测试数据处理
• 5.4 位姿信号采集实验
• 5.4.1 位姿计算方法
• 5.4.2 位姿检测实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢