基于Backstepping方法的海底摆臂型履带式移动平台行走路径控制.pdf

第 3 5 卷第6 期 2 0 1 5年 1 2月 矿 冶 工 程 M I NI NG AN D M ETALLURGI CAL ENGI NEERIN G V0 l _ 3 5 6 De e e mb e r 2 0 1 5 基于 B a ck s t e p p i n g 方 法的海底摆臂型履带式移动平 台 行走 路径控 制 李力 ， 谢益波 ( 1 中南大学 机 电工程学 院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 深海矿产资源开发利用技术 国家重点实验室 ， 湖南 长沙 4 1 0 0 1 2 ) 摘要： 在深海采矿过程中， 摆臂型履带式海底移动平台通过海底崎岖地形时难以按预定的开采路径行走， 基于 B a ck s t e p in g 方法 ， 设计其行走路径控制律。利用 A D A MS A T V履带车模块和 MA T L A B S i m u l in k软件， 建立了海底摆臂型履带式移动平台多刚体动力 学模型与控制系统联合仿真模型， 开展其越障工况下的行走路径控制仿真研究。仿真结果表明： 在基于 B a ck s t e p p i n g 方法所设计的 控制律作用下， 海底摆臂型履带式移动平台在越障过程中位姿和速度均可快速收敛 ， 说明车体能以预定速度按预定开采路径行走 ， 所设计的控制律对于其行走路径控制是有效的。 关键词：海底移动平台；B a ck s t e p p i n g方法； 联合仿真； 路径控制 中图分类号： T P 2 7 3 文献标识码：A d o i： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 5 0 6 0 0 1 文章编号 ： 0 2 5 3 6 0 9 9 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 0 1 0 5 M o v in g Pa t h Co n t r o l f o r t h e S e a b e d Cr a wl e r t y p e M o b il e Pl a t f o r m wit h S win g Ar m s Ba s e d o n Ba ck s t e p p in g M e t ho d LI L i XI E Yi b o ( 1 C o l l e g e o fMe ch a n i ca l a n d E l e ct r i ca l E n g in e e r in g ， C e n t r a l S o u t h U n iv e r s it y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， H u n a n ， C h in a ； 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y of D e e p S e a Min e r a l R e s o u r ce s D e v e l o p m e n t a n d U t i l i z a t io n T e ch n o l o g y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ， C h in a ) Ab s t r a ct ：Th e s e a b e d mo bi l e pl a t f o r m is t h e k e y e q uip me n t o f ma r in e mi ne r a l r e s o u r ce s min i ng s y s t e mHo we v e r ，i t is d iffi cu l t f o r t h e s e a b e d cr a wl e r t y p e mo b il e p l a t f o r m wit h s win g a Y n l s t o mo v e o n t h e r u g g e d s e a b e d t e r r a in a cco r d in g t o t h e pl a n ne d min in g p a t hI n v ie w o f t hi s p r o b l e m ，t h e mo v in g p a t h co n t r o l l a w wa s d e s ig n e d b a s e d o n Ba ck s t e p p in g me t h o d B y u s in g ADAMS AT V mo d u l e t o g e t h e r wit h MAT L AB S imu l in k s o ft wa r e，a co s imu l a t io n mo d e l i n t e g r a t in g mu l t i- ri g id -bo d y d y n a mics mo d e l wi t h co n t r o l s y s t e ms wa s co n s t r u ct e d for t h e s e a b e d cr a wl e r -t y p e mo b i l e p l a tfo rm wit h s win g a r ms，which wa s u s e d i n t h e s imu l a t io n s t u d y o n t h e pa t h co n t r o l for t h e mo b il e p l a t f o rm mo v in g o v e r o r t h r o u g h s e a b e d o bs t a cl e s Re s u l t s s ho w t h a t bo t h t h e p o s t u r e e r r o r a n d v e l o cit y e rro r o f t h e s e a b e d mo b il e p l a t f o rm ca n qu i ck l y co n v e r g e t o z e r o wi t h t h e de s ig n e d co n t r o l l a w，in di ca t i n g t h e pl a tfo r m ca n mo v e a cco r d in g t o t h e p l a n n e d min in g p a t h wit h t he p l a n n e d v e l o ci t yI t is co n cl u de d t h a t t he d e s ig n e d co n t r o l l a w is e f f e ct iv e in t h e co nt r o l o f mo v in g p a t h o f t h e s e a b e d mo b il e p l a t f o r m Ke y wo r ds：s e a b e d mo b il e p l a tfo rm ；Ba cks t e p p in g me t h o d；C O s imu l a t io n；p a t h co n t r o l 在数千米深海底富存多金属硫化物和钴结壳等海 洋矿产资源 ， 海底移动平 台是开采系统的关键装备之 一 。它必须携带采矿机构 、 破碎机 、 液压系统 、 电子仓 和长软管等设备 以预定 的速度按预定 的开采 路径行 走。多金属硫化物和富钴结壳的富集区大多地形崎 岖 ， 常常出现障碍和台阶 。海底 移动平 台在海底行 走并翻越障碍过程中极 易偏离预定路径 ， 而难 以准确 地按预定的开采路径行走 。这将降低海洋矿产资源的 开采效率 J 。因此 ， 控制海底移动平 台在深海海底行 走时平稳 、 准确 、 快速地按预定的开采路径行走 ， 对于 实现高效的深海采矿作业具有重大意义。 近年来 国内外针对海底移动平台在海底的行走路 径控制方面 已经有一些研 究。在 国际上 ， T a e K y e o n g Y e u和 S u p H o n g等在考虑履带滑移的情况下设计了一 收稿 日期 ：2 0 1 5 - 0 6 1 1 基金项目： 国家自然科学基金资助项 目( 5 1 4 3 4 0 0 2 ) ； 深圳市重大项 目扶持计划项 目( H Y z D F c2 O l 4 0 8 O l O 1 0 0 0 2 ) ； 国家重点基础研究发展计 划( 9 7 3计划 ) 资助项 目( 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 5 ) 作者简介： 李力( 1 9 6 3 一 ) ， 女， 湖南益阳人， 教授， 硕士， 主要研究方向为海洋技术、 车辆技术与机电一体化等。 r l 0 矿冶工程 第 3 5_巷 2 )静力学分析结果表明， 喷层 与锚杆相互作用 ， 共同影响围岩应力分布 。 9种支护方案中， 当 h=8 a m 时衬砌结构弯矩达最大值 1 0 k N m； 当 b =1 4 m时喷 层所受轴力最小 ， 为 5 6 3 1 5 k N。根据强度理论及剪切 变形理论 ， 综合考虑喷层 刚度要求及保证柔性支护效 果 ， 初选喷层厚度为 6 cm和 1 0 cm， 合理的锚杆间距有 利于发挥与围岩的组合梁作用 ， 约束围岩的剪切变形 ， 初选 b =1 4 m。 3 )对初选方案进行 了可靠度分析 ， 工况 8支护参 数 h =1 0 cm， b =1 4 m时 ， 可靠度为 3 9 8 ， 优于工况 2 ， 综合隧道的耐久性 因素 ， 建议采用工况 8的支护参数。 4 )采用 J c 法从抗压 、 抗裂验证其可靠度 ， 求得可 靠度为 4 1 2 ， 计算结果大于 N E S S U S计算 ， 随机有限元 计算结果更稳健 。 参考文献 ： 1 王后裕 ， 陈上明 ， 曾志信 地 下工程 动态设计 原理 M 北 京 ： 化 学工业 出版社 2 0 0 8 2 L i K S Ap p l ica t i o n s o f t h e t e ch n i q u e o f r a t i o n a l a p p r o x im a t i o n i n g e o t e ch n i ca l a n a l y s i s J C o m p u t e r s a n d G e o t e ch n i cs ， 1 9 9 2 ， 1 4 ( 2 ) ： 1 O 3 一 5 3 Me s b a h i E， P u Y C Ap p l i ca t io n o f A NN - b a s e d r e s p o n s e s u r f a ce m e t h o d t o p r e d ict io n o f u lt ima t e s t r e n g t h of s t iff e n e d p a n e l s J 1 J o u mo l o f S t r u ct u r a l E n g i n e e r in g ，A S C E， 2 0 0 8 ， 1 3 4 ( 1 0 ) ： l 6 4 9 1 6 5 9 4 苏永华 ， 孙 晓明， 颜永 国 基于极限平衡的边坡稳 定概率 显月 i功能 函数逐步修正求解 J 工程力学 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 3 ) ： 1 5 2 O 5 祁长青 ， 许人平 ， 吴继敏 ， 等 基 于遗 传算法 的隧道 围岩 变形稳定 可靠性分析 J 工程地质学报 ， 2 0 0 8 ， 1 6 ( 2 ) ： 2 5 8 2 6 2 6 徐军 ， 郑颖人 隧道围岩弹塑性随机有 限元分析及 可靠度计 算 J 岩土力学 ， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 1 ) ： 7 0 7 4 7 马云峰 ， 唐前松 ， 周勇 ， 等 基于随机有 限元理论 的连拱隧道结 构 可靠性分析 J 矿冶工程 ， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 6 ) ： 5 - 8 8 Mo l l o n G， D i a s D， S o u b r a A H P r o b a b i l i s t i c a n aly s i s o f ci r cu l a r t u n n e l i n h o m o g e n e o u s s o i l s u s i n g r e s p o n s e s u rf a ce me t h o d o l o g y J J o u rnal o f G e o t e ch n i cal a n d G e o e n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 1 3 5( 9) ： 1 31 41 3 2 5 9 高谦 ， 吴顺川， 万林海 土木工程可靠性理论及其应用 M 北 京 ： 中国建 材工业 出版社 ， 2 0 0 7 1 0 贡金鑫 ， 魏巍巍 工程结构可靠度设计原理 M 北 京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 1 1 燕喜军 隧道支护结构的可靠度分析及其工程应用研究 D 长 沙中南大学资源与安全工程学 院， 2 0 0 9 1 2 王 明恕 锚喷支护理论研 究论文集 M 沈 阳： 东北 工学院 出版 社 ， 1 9 8 7 1 3 侯公羽 ， 韩茹 ， 黄祥忠 基于响应面发 的隧道可靠 度分析 及其 指标确定 J 地下空间与工程学 ， 2 0 0 9 ， 5 ( 5 ) ： 9 6 5 9 7 1 _ l 4 徐 干成 ， 郑颖人 ， 乔春生 ， 等 地下洞库支护结构 M 北京 ： 中国 水利水 电出版社 ， 2 0 0 2 ( 上接第 5页 ) 制律作用下， 在海底移动平 台越过左单边障碍过程中， 是通过调整左右履带速度 ， 使车体先向左偏转再向右 偏转 ， 以克服由于左边障碍而 引起的车体行走位姿误 差 ， 最终以预定速度按预定路径行走 ， 但车体的位姿和 速度存在允许范围内的波动。 6 结 论 1 )基于 B a ck s e e p in g方 法， 提 出了行走路径控制 律 ， 并证明了在该控制律作用下海底移动平台的位姿 误差是收敛的。 2 )基于多刚体理论 ， 利用 A D A MS A T V履带车模 块 ， 建立 1 ： 2 0的摆臂型海底移动平台多刚体动力学模 型和虚拟样机。利用 MA T L A B S im u l in k软件平台， 建 立了海底移动平台越障行走路径控制机械与控制系统 联合仿真模型。 3 )开展了海底移动平台越障行走路径控制仿真研 究。仿真结果表明， 在所设计的控制律作用下 ， 海底移 动平台能以预定速度按预定开采路径行走， 表明所设计 的控制律对于海底移动平台行走路径控制是有效的。 参考文献 ： 1 李力 ， 赵辉 ， 李炳华 铰接履带式海底采矿车越障性能仿真研 究 J 计算机仿 真 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 2 ) ： 1 9 5 - 1 9 9 2 李力 ， 邹兴龙 海底机器 人 自动跟踪预定开采 路径控制 J 机 械工程学报 ， 2 0 0 7， 4 3 ( 1 )： 1 5 2 一l 5 7 3 Y e u T K， H o n g S， K i m H W P a t h T r a ck i n g C o n t r o l o f T r a ck e d V e h i cl e o n S o f t C o h e s i v e S o i l C P r o ce e d i n g s o f t h e S i x t h I S O P E O ce a n Min in g S y mp o s iu m Ch a n g s h a：I S OPE