凿岩机器人双三角臂定位及CAN总线控制系统研究

论文摘要

隧道凿岩机器人的可靠性和定位精确性对隧道施工的质量及经济性有着重要的影响，其中关键的因素是其控制系统的可靠性和精确性，本文在这两个方面做了以下的工作：1．综述了隧道凿岩机器人自动控制系统的发展历程，以Atlas最新推出的Rocket Boomer L1C／L2C／L3C系列全电脑控制凿岩台车为例，介绍了隧道凿岩机器人自动控制系统的发展现状。在此基础上提出了模块化的软硬件设计，分布式控制，网络服务和三维图形显示技术是凿岩机器人计算机控制系统的进一步发展方向。分析了我国第一台隧道凿岩机器人控制系统的基本框架，提出了我国凿岩机器人在控制系统方面需进一步研究的几个关键问题。2．建立了双三角臂后三角支承机构的杆件坐标系，首次利用多关节闭链的约束条件建立了后三角支承机构的运动学方程。方程的求解给出了一个重要结论，即增加支承油缸俯仰角的测量点，可以大大简化从关节变量到支臂油缸长度的计算公式，减小了油缸长度的在线计算量。推出了支臂油缸长度计算的增量公式，以此增量式为基础首次提出了直接以关节变量为目标的双三角机械臂的位置闭环控制系统结构。3．由于双三角臂的多输入多输出交叉耦合及本质非线性特点，难以建立其动力学的代数模型。本文另辟蹊径，建立了双三角臂的ADAMS模型，导出了MATLAB格式（．m文件）的双三角臂的动力学数值计算模型。以此模型为基础，在MATLAB环境下对上述计算公式及控制系统结构进行了仿真研究。仿真结果表明，本文提出的算式是正确的，控制系统结构是合理的；增量算式尽管是在微变量情况下推导的，在大的运动范围所带来的误差不大，适于工程应用；实现了双三角臂运动驱动的动态解耦。4．在实验室现有凿岩台车上，构成以上位PC机实现监控、下位西门子PLC实现检测与控制的主从式控制系统，大量试验进一步证明本文推导的算式是正确的、提出的控制系统结构是可行的，为实现双三角臂精确的定位控制奠定了基础。5．分析了凿岩机器人控制系统的构成及信号关系，指出了集中控制方式带来的问题，提出了基于CAN总线的凿岩机器人分布式控制系统结构，对一个臂按模块功能在总线上设计了操作台、传感器、执行器和控制器四类CAN总线智能节点，形成一个相对独立的分布式控制系统。根据节点类型和信号类型定义了CAN2.0A标准的11位标识符，设计了总线用户协议。提出了各智能节点的通信设计要求，以协调总线上的信息流，减小总线冲突仲裁所需时间。6．针对以上分布式控制，研究了控制台的操作信号类型，构成了以控制手柄为核心的CAN总线操作控制台智能节点。定义了控制手柄操作的三组描述参数，并给出了它们之间的换算关系。提出了一种以两轴加速度传感器芯片ADXL202为操作敏感元件的数字式控制手柄，设计了软硬件系统。针对微控制器浮点运算能力差的特点，研究了凿岩机器人的工作环境，设计并实现了整系数滤波器。由于ADXL202输出的加速度与角度之间的非线性，为扩大输出的线性范围，研究了输出控制量的线性化方法，提出了等误差直线逼近的迭代算法，用较少的节点在微控制器中用线性插值实现角度量输出。7．为了对以上数字式控制手柄进行功能检测与调试，基于VC++6.0设计了一个控制手柄的调试环境。通过RS232串行通信接口可对数字手柄进行标定、数据读取、功能测试。利用该环境研究了凿岩机器人工作情况下的振动冲击频谱，为更好的设计数字滤波器截止频率提供了可靠依据。用三维可视化技术可实现虚拟钻车系统，用于培训操作人员；在实际凿岩作业时三维显示钻臂及隧道场景，改善操作环境，减轻操作人员的紧张与疲劳；用钻凿过程的数据生成三维隧道岩石状况图，以便直观理解地下岩石状况，为隧道工程师设计调整布孔方案提供便利。本文研究了计算机三维可视化技术，提出基于LabView的双三角臂的三维模型显示与控制，设计了手柄控件，可用于凿岩机器人的虚拟操作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 隧道凿岩机器人控制系统的发展、现状及展望
• 1.2.1 隧道凿岩机器人控制系统的发展
• 1.2.2 隧道凿岩机器人控制系统的现状
• 1.2.3 隧道凿岩机器人控制系统发展展望
• 1.2.4 国内隧道凿岩机器人控制系统的发展
• 1.2.5 对国内凿岩机器人控制系统的发展建议
• 1.3 国内外双三角钻臂的使用与研究
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.4.1 双三角臂的运动控制（定位精度）
• 1.4.2 基于CAN总线的凿岩机器人分布式控制系统（可靠性）
• 1.4.3 基于LabView的三维可视化技术
• 第二章 双三角臂的运动控制研究
• 2.1 双三角臂及运动控制问题
• 2.2 缸长解算
• 2.2.1 机构图
• 2.2.2 方程列写
• 2.2.3 方程求解
• 2.2.4 算例
• 2.3 控制系统结构
• 2.3.1 缸长闭环方式
• 2.3.2 关节变量闭环方式
• 2.4 计算误差
• 2.5 本章结论
• 第三章 双三角臂的ADAMS模型及仿真
• 3.1 模型建立
• 3.2 运动仿真
• 3.2.1 模型导出
• 3.2.2 运动仿真
• 3.3 本章结论
• 第四章 双三角臂的定位控制试验
• 4.1 系统构成
• 4.2 软件设计
• 4.2.1 下位机软件设计
• 4.2.2 上位机软件设计
• 4.3 试验
• 4.4 本章结论
• 第五章 基于CAN总线的凿岩机器人分布式控制系统
• 5.1 分布式控制系统及CAN总线
• 5.1.1 分布式控制系统
• 5.1.2 CAN总线
• 5.2 凿岩机器人控制系统结构
• 5.3 凿岩机器人CAN总线数据通信实现
• 5.3.1 凿岩机器人CAN总线的用户协议
• 5.3.2 凿岩机器人CAN总线DCS智能站点的通信设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 凿岩机器人CAN总线操作控制台节点
• 6.1 控制手柄简介
• 6.2 操作控制台节点信号
• 6.2.1 信号类型
• 6.2.2 控制手柄信号描述
• 6.3 基于ADXL202的控制手柄
• 6.3.1 ADXL202的工作原理和使用
• 6.3.2 基于ADXL202的控制手柄原理
• 6.4 CAN总线操作控制台智能节点
• 6.4.1 CAN总线智能节点的硬件结构
• 6.4.2 控制手柄功能模块
• 6.5 操作控制台节点数据处理
• 6.5.1 整系数滤波
• 6.6 控制手柄输出控制量的线性化算法
• 6.6.1 等误差直线逼近原理
• 6.6.2 等误差直线逼近节点计算的迭代算法
• 6.7 本章小结
• 第七章 CAN总线操作控制台节点软硬件试验
• 7.1 控制手柄的调试环境
• 7.1.1 串行通信用户协议制定
• 7.1.2 Visual C++下串口通信实现
• 7.1.3 数据的动态显示
• 7.1.4 多线程编程
• 7.1.5 混合编程的实现
• 7.2 试验一
• 7.3 试验二
• 7.4 本章小结
• 第八章 凿岩机器人双三角臂的三维可视化研究
• 8.1 三维模型可视化实现方法
• 8.2 3D Picture Control的建模及模型控制技术
• 8.2.1 3D Picture Control工具箱
• 8.2.2 模型创建与控制示例
• 8.2.3 双三角臂的运动层次关系
• 8.3 控制手柄控件
• 8.4 本章小结
• 第九章 结论
• 参考文献
• Cyli s-函数子程序'>附录1 图3.3-3中的DeltaLen_Cyli s-函数子程序
• 附录2 手柄控件程序
• 附录3 名词解释
• 攻读博士学位期间参加科研情况
• 攻读学位期间发表论文情况
• 致谢