深海集矿机轨迹跟踪算法研究

论文摘要

深海底蕴藏着丰富的矿产资源,随着陆上资源的日益短缺,越来越凸显深海采矿的重要性。集矿机准确的按照预定路径行走是深海采矿的一个最基本的要求。提高集矿机的轨迹跟踪精度,对提高整个采矿系统的集矿效率和工作可靠性有着重要的意义。本文研究的目的是寻找一种有效的轨迹跟踪算法,使工作于深海底、易受到随机大干扰的集矿机能以小于1m的误差跟踪规划路径行走。通过对集矿机行走特点和驱动系统分析,建立了集矿机的运动学模型、变量泵和液压马达的数学模型。运用双环控制方式实现了集矿机的轨迹跟踪,其中外环采用滑模变结构控制方式实现集矿机位姿误差跟踪,内环运用PID控制器实现了集矿机的速度跟踪。为减弱变结构系统的抖振,在设计趋近律时,采用连续函数代替符号函数。运用MATLAB工具进行了轨迹跟踪算法仿真实验研究。针对直线和圆轨迹,分别给定具有初始误差的系统初始位姿,引入速度限制和系统干扰等多种情况进行仿真。仿真结果证明,采用等速趋近律的滑模变结构控制的轨迹跟踪算法能够使机器人获得较好的跟踪效果,在较好的消除系统误差的同时,具有较小的抖振。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 深海集矿机研究现状
• 1.2.1 深海采矿国内外研究现状
• 1.2.2 深海集矿机的国内外研究现状
• 1.3 集矿机的轨迹跟踪
• 1.3.1 集矿机的行走控制问题
• 1.3.2 深海采矿对集矿机轨迹跟踪精度要求
• 1.4 轨迹跟踪算法研究现状
• 1.4.1 履带式车辆轨迹跟踪方法
• 1.4.2 移动机器人轨迹跟踪方法
• 1.5 本文的主要内容
• 第二章 深海集矿机运动建模研究
• 2.1 深海集矿机运动学模型
• 2.1.1 深海集矿机结构
• 2.1.2 深海集矿机行走运动学模型
• 2.2 液压驱动模型研究
• 2.2.1 电液比例阀
• 2.2.2 柱塞式变量泵
• 2.2.3 液压马达
• 2.3 小结
• 第三章 基于滑模变结构控制的深海集矿机轨迹跟踪
• 3.1 集矿机轨迹跟踪问题描述
• 3.2 变结构控制的基本理论
• 3.2.1 变结构控制系统的基本概念
• 3.2.2 变结构控制系统的设计方法
• 3.2.3 滑模变结构控制系统的抖振问题
• 3.3 深海集矿机轨迹跟踪控制
• 3.3.1 滑模切换函数的设计
• 3.3.2 滑模控制器设计
• 3.3.3 速度受限策略设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 集矿机轨迹跟踪算法仿真研究
• 4.1 S函数模块
• 4.1.1 S函数模块简介
• 4.1.2 S函数子程序的功能
• 4.2 仿真过程
• 4.2.1 集矿机轨迹跟踪系统仿真
• 4.2.2 液压驱动系统仿真分析
• 4.3 仿真结果
• 4.3.1 履带速度跟踪
• 4.3.2 直线轨迹仿真
• 4.3.3 圆轨迹仿真
• 4.3.4 加入干扰后的仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果
• 附录