（控制科学与工程专业论文）深海集矿机轨迹跟踪算法研究.pdf

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l m 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p i d 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m a t l a b 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。 关键词深海集矿机，轨迹跟踪，变结构控制 a bs t r a c t t h e r ei sa b u n d a n tm i n e r a lr e s o u r c ei nt h ed e e ps e a b e d w i t ht h e g r o w i n gs h o r t a g eo fl a n dr e s o u r c e s ，t h ei m p o r t a n c eo fd e e p - s e am i n i n gi s i n c r e a s i n g m o v i n gt h ev e h i c l et r a c k i n gt h ep l a n n i n gp a t hi so n eo ft h e b a s i cd e m a n d s t h em i n i n ge f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t ya r el a r g e l yd e p e n d e d o nt h et r a c et r a c k i n gp r e c i s i o n t h em i n i n gv e h i c l ew o r k i n gi nt h ed e e ps e a b e ds u f f e r e dt h er a n d o m i n t e r f e r e n c e t h ep u r p o s eo fr e s e a r c h i n gi st of i n dat r a c k i n gc o n t r o l a l g o r i t h mt om a k es u r et h ev e h i c l et r a c k i n ge r r o rl e s st h a no n em e t e r t h e m i n i n gv e h i c l ed y n a m i c sm o d e li se s t a b l i s h e du p o nt h em o v e m e n to ft h e r o b o ta n dd i f f e r e n t i a ls t e e r i n g t h ev a r i a b l ep u m pa n dm o t o rm o d e la r e e r e c t e d t h e s l i d i n g m o d ev a r i a b l es t r u c t u r e a l g o r i t h m i su s e dt o e l i m i n a t et h ev e h i c l ep o s ee r r o r t h ep i dc o n t r o l l e ri sc h o s e nt ot r a c k v e l o c i t y u s i n gt h ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lt h e o r ya n dt h eb a c k s t e p - m e t h o d ，b a s e do nt h em i n i n gv e h i c l ed y n a m i cm o d e l ，t h ev a r i a b l e f u n c t i o na n ds l i d i n gc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e d t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h e m i n i n gv e h i c l ed y n a m i cc o n s t r a i n t s ，t h es p e e da n da c c e l e r a t i o na r e l i m i t e dt oe n s u r et h ev e h i c l es m o o t h l ym o v e f o ra b a t i n gt h eq u i v e r , a s u c c e s s i v ef u n c t i o ni sd e s i g n e da st h er e a c h i n gl a w t h em i n i n gv e h i c l ec o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e d t h es y s t e mi n i t i a l e r r o ri sg i v e na n dt h ei n t e r f e r e n c ei sa d d e d t h ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l a l g o r i t h mh a sb e e nt e s t i f i e de f f e c t i v e l y t h i st r a c k i n ga p p r o a c he n a b l e s t h ev e h i c l eo b t a i nh i g ht r a c k i n gp r e c i s i o nw i t has m a l lq u i v e r k e yw o r d sd e e ps e am i n i n gv e h i c l e ，仃a c et r a c k i n g ，v a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l ( v s c ) 玎 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：生之垄丝日期：型墅年上月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 日期：礁年月e l 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论弟一早珀t 匕 在人类及其他生命赖以生存的地球上，海洋占整个地球表面积的7 1 ，海底 区域面积约有2 5 1 7 亿k m 2 ，占地球表面积的4 9 。深海蕴藏着丰富的战略性金 属矿产和能源矿产，据初步估算，海底蕴藏有占地球总储量3 0 - 5 0 的2 0 0 0 亿吨 石油，含锰、铜、钴、镍、金、银等十几种矿物的1 5 0 0 0 亿吨多金属结核，占大 陆储藏量几十倍的八十多种化学元素，以及正在调查的丰富的富钴结壳和富硫热 液硫化物等资源i l j 。目前的深海采矿主要集中于锰结核的开采研究，所谓锰结核 就是大量地赋存于水深4 0 0 0 - - - 6 0 0 0 m 深海底表面的直径为0 5 2 5 c m 的黑色矿物 块，其中含有锰、铜、钴、镍、金、银等有价金属【2 1 。 与海洋拥有的丰富的未开采资源相比，陆地资源正面临日益匮乏的危险。据 国家发改委预测，到2 0 2 0 年，我国重要金属和非金属矿产资源可供储量的保障 程度，除稀土等有限资源保障程度为1 0 0 夕b ，其余均大幅度下降，其中铁矿石 为3 5 、铜为2 7 4 、铝土为2 7 1 、铅为3 3 7 、锌为3 8 2 、金为8 1 。可 开采年限石灰石为3 0 年、磷2 0 年、硫不足1 0 年，钾盐目前已是严重短缺【3 j 。 随着陆地矿产资源的日益稀缺，对海底矿产资源的开发为人类矿产资源开发的必 由之路。鉴于我国陆地矿产资源在未来的不可靠保障，我国对海底矿产资源开发 的研究更具有现实的紧迫性和必要性。 另外，开展深海采矿有其深刻的科学技术意义。深海采矿是一项复杂的高技 术，它面对的是6 0 0 0 m 左右深度的海底中复杂的环境和条件。如此深的海底， 存在着6 0 0 个大气压强，人不可能直接到海底去进行操作；另外，海底环境复杂 多变，表现为复杂的地表特征及海底洋流等多种形式的未知扰动。对深海的探索， 将使许多科学和技术领域将得到飞速的发展，如海洋遥感技术、水声技术、水下 工程探测技术、水密技术、人工智能、机器人技术等【4 】。 在深海采矿系统中，针对集矿机的行走控制研究无疑是其中非常关键的部 分，而如何使集矿机以一定误差范围，在复杂的深海环境中按照预定路径行走， 进行有效的轨迹跟踪，以维持集矿系统的正常运行是其中最重要也是最困难的难 题之一。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、增强采 矿控制系统可靠性、降低能源损耗等有着重要的意义。另外，研究集矿机的轨迹 跟踪控制，对于现在高速发展的履带式移动机器人的研究控制也有一定的指导意 义。本课题受中国大洋矿产资源研究开发“十五”深海资源研究开发专项深海 硕士学位论文 第一章绪论 采矿系统动力配置技术设计和控制技术研究研究开发子项目资助。该项目由中 国大洋协会组织，中南大学等单位合作进行研究开发。 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 人类对海洋的开发历史悠久。目前几乎所有商业性开发的海洋固体矿物都位 于领海或专属经济区内，但随着经济与技术的发展，人们已将海洋矿产资源的开 发推向了深海海底。二十世纪六十年代，以美国为首的多国财团开始进行多金属 结核的勘探和开发工作，希望能够从多金属结核中提取多种金属，缓解当时的金 属资源紧缺状况。二十世纪七十年代，以美国为首的西方国家提出了一系列的初 步采矿方案，并进行了一些实验研究。1 9 7 0 年，美国在佛罗里达州海岸外水深 1 0 0 0 米的大西洋布莱克高地进行了第一次结核采矿原型系统实验。1 9 7 2 年，3 0 家公司组成的集团实验了日本海运官员y o s h i om a s u d a 发明的系统。1 9 7 6 年， 海洋采矿协会( o m a ) 在2 0 0 0 0 吨运矿船“w e s s e ro r e ”号上装备了月池、吊杆 和旋转式推进器。1 9 7 7 年，在加利福尼亚州海岸外1 9 0 0 公里处进行了第一次实 验。1 9 7 8 年，三大美国财团组成的海洋管理公司( o m i ) 在太平洋进行了实验1 5 j 。 进入二十世纪八十年代以后，由于日本和欧洲经济不振，以及日本和欧洲国 家央行抵制通货膨胀的政策导致金属生产量过剩，从而直接导致国际金属价格的 下跌，世界多数海洋强国对多金属结核资源的研究和开发实验活动转入低潮，一 些发达国家和国际财团甚至在深海采矿和冶炼技术方面取得重要进展之后中断 投资。从2 0 0 0 年开始，新一轮的深海资源开发热潮又在兴起，其中，加拿大准备 在水下2 0 0 0 m 处开采金矿和其他矿产【6 1 。 我国早在二十世纪七十年代就开始了多金属结核的调查工作。1 9 9 0 年4 月9 日，中国大洋矿产资源研究开发协会( c h i n ao c e a nm i n e r a lr e s o u r c e sr d a s s o c i a t i o n ，简称“中国大洋协会 ) 经国务院批准成立，具体管理与海洋采矿 有关工作1 7 。依据1 9 8 2 年联合国海洋法公约，中国继印度、法国、日本、俄 罗斯之后，成为第5 个注册登记的大洋锰结核采矿“先驱投资者”。1 9 9 1 年3 月， “联合国海底管理局”正式批准“中国大洋矿产资源研究开发协会”的申请，从而使 中国得到1 5 万平方公里的大洋锰结核矿产资源开发区。1 9 9 9 年3 月5 日，在完 成开辟区5 0 区域放弃义务后，中国大洋协会为我国在上述区域获得7 5 万平方 公里具有专属勘探权和优先商业开采权的金属结核矿区，拓展了我国战略资源的 储备总量例。 在采矿系统研究方面，经过“八五”、“九五 两个五年计划的实施，我国已 2 硕j 二学位论文第一章绪论 初步研究出一套自己的深海采矿系统，并于2 0 0 1 年6 月一9 月于云南抚仙湖进行 了1 3 0 米水深综合实验，从湖底采集并回收模拟结核9 0 0 千克，试验获得成功【9 1 。 图1 1 为我国中试成功的深海采矿系统示意图。 图卜1 深海集矿系统工艺流程图 深海集矿机把金属结核采集上来后，通过软管送到中继站内，然后通过扬 矿泵把金属结核送到采矿船中完成采矿过程。其中浮力装置的作用是避免软管及 电缆被扯断，定位信标是为了给集矿机建立一个参考位置。 1 2 2 深海集矿机的国内外研究现状 在过去3 0 年问，国际上开发和试验的集矿机行走方式主要有拖曳式、螺旋 桨式、阿基米德式和履带自行式四种类型【1 0 】。如表1 - 1 所示。 7 0 年代的海上试验证明：拖曳式行走难以控制，回采损失率太高，采用自 行方式已是大势所趋。最初试验的阿基米德螺旋式行走底盘虽然结构简单，但螺 旋线凹槽容易被沉积物敷住，行走打滑严重，转向更困难，与地面接触小，承载 能力低，对海底搅动大。随后试验的螺旋桨式行走机构结构简单，但牵引力小、 能耗大，对海底破坏严重，甚至将临近采集路径内的结核矿石吹走或埋入沉积层 中，不适应采矿和环保要求。进入8 0 年代后，德国、法国开始研究履带式 1 l 】。 水槽试验表明履带式牵引力大，承载能力高，跨越或绕过海底障碍物容易，对海 底搅动小，操纵性能良好，能满足软海底采矿作业的要求，成为目前最有发展前 途的行走方式。 硕i 。学位论文 第一章绪论 表卜1集矿机行走方式 名称示意图 雪橇拖曳式 阿基米德螺旋式 螺旋桨推进式 履带白行式 - 警踊亚一 囊e 一 我困从九十年代初丌始对深海集矿机进行研究，在综合研究国外深海底集矿 机的基础上，长沙矿山研究院在“八五”期问研制了一台自行式履带车模型机， 如图1 2 所示。该车采用近似渐丌线高齿橡胶履带，双浮动悬架和横向摆动梁， 双泵可调功率供油，液压马达分别驱动，电液比例阀控制，采用水力机械复合集 矿方式，外形尺寸4 6 3 0 2 1 m ，重8 吨，行驶速度o 1 m s 。“九血”期间， 在“八五”研究的基础上，由我国自行设计，与法国c e b y n e t i c 公司合作，研制 了第二代深海集矿机【l2 i ，如图1 3 所示。主要改进表现为采用尖三角齿特种合金 履带板，提高了集矿机在深海稀软底环境下行走的可靠性；改用全水力集矿方式， 进一步提高了集矿机的集矿效率；增加了控制密水箱和相关传感器，提高了集矿 机的可操作性。“九 ”期问研制的第二代集矿机于2 0 0 1 年云南抚仙湖进行了实 验，达到了牵引特性理想、牵引力大、承载能力强、跨越或绕过海底障碍容易、 能适应软海底行走的预期目标，从13 0 米深的湖底采集并回收模拟结核9 0 0 千克， 具有国际先进水平【l3 1 。历经十余年的努力，我国深海底自行走集矿机的机械模型 研制工作已基本完成，集矿机控制技术研究为“十五”期i f i j 重点研究方向之一。 图卜2 第一代深海集矿机图卜3 第二代深海集矿机 4 硕士学位论文第一章绪论 1 3 集矿机的轨迹跟踪 1 3 1 集矿机的行走控制问题 根据集矿机控制目标的不同，其行走控制问题大致可以分为三类：点镇定 ( p o i n ts t a b i l i z a t i o n ) 、路径跟随( p a t hf o l l o w i n g ) 和轨迹跟踪( t r a j e c t o r yf o l l o w i n g ) 。 本文研究的是集矿机轨迹跟踪控制算法【1 4 】。 点镇定( p o i n ts t a b i l i z a t i o n ) 指在集矿机状态空间平衡点的稳定问题。即要 求集矿机从任意给定的初始状态出发，到达一个理想的目标状态，并稳定在所给 定的目标点，如图1 _ 4 所示。 起始点 目标点 图1 - 4 点镇定示意图 图1 - 5 路径跟随示意图 路径跟随( p a t hf o l l o w i n g ) 指惯性坐标系中首先设定一条理想的几何路径， 然后要求集矿机以任一初始位姿出发，到达该路径上，并实现跟随运动。集矿机 的起点可以在这条路径上，也可以不在这条路径上，如图1 5 所示。 轨迹跟踪( t r a j e c t o r yt r a c k i n g ) 指从某起始点开始，根据某种控制律，集矿 机能到达并最终以给定的速度跟随运动空间中给定的一条与时间相关的集合路 径。同时，给定的速度即给定的线速度和角速度( 也成为期望速度，即参考控制 输入) 同样也是关于时间t 的函数。轨迹跟踪问题与路径跟随问题描述相似，唯 一区别在于移动机器人所跟踪的几何路径与时间相关，当然这也是轨迹与路径的 根本区别，如图1 - 6 所示。 图1 - 6 轨迹跟踪示意图 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 深海采矿对集矿机轨迹跟踪精度要求 我国在太平洋海底拥有的1 5 力k m 2 优先开采权水域，根据采矿工艺要求，集 矿机的行走轨迹如图1 - 7 所示。其中，集矿机长6 m ，宽5 3 m ，采矿宽度为2 4 m 。 在结核矿石粒径分布均匀的条件下，行进速度v l m s 时，采矿效率最高；当 1 ， 1 聊j 时，牵引力随v ，提高而明显增大，采矿系统很难满足。同时，集矿机行 进速度还受采矿船拖曳提升管道系统航速的限制。7 0 年代在太平洋海域中试验 时，采取不超过2 k m h ( 0 5 5 m s ) 的谨慎集矿航速【l5 | ，选定集矿机行进速度为 0 5 1 o m s 。目前提出的采矿要求为：采矿速度为0 l m s ，误差控制在1 o m 范围内。在设计集矿机轨迹跟踪控制系统时，需要严格按照此要求进行，否则就 会出现采集不完全或采矿效率低等现象，甚至会出现因跟踪误差太大导致集矿系 统瘫痪的严重后果。 图卜7 集矿机在海底的行走轨迹示意图 1 4 轨迹跟踪算法研究现状 国内针对集矿机的研究虽然已经起步，但关于集矿机轨迹跟踪的研究并不 多，而国外关于集矿机研究的文献多为保密内容，直接进行深海集矿机轨迹跟踪 的研究文献非常罕见，针对履带车轨迹跟踪研究的文献也较少，目前常见轨迹跟 踪的大多是手臂式机器人和移动机器人的轨迹跟踪算法研究，由于我国的集矿机 采用的是履带式，本节首先研究了履带式车辆常用的轨迹跟踪方法，然后对常用 的几类移动机器人轨迹跟踪算法进行研究了分析比较。 1 4 1 履带式车辆轨迹跟踪方法 由于履带式车辆的滑动和士壤剪切作用，履带车的动力学性质非常复杂并且 硕士学位论文第一章绪论 为非线性。由于松软的地面，履带，地轮和土壤之间的相互作用非常复杂，使得 压力沉陷和剪切牵引力的基础理论的应用受到了限制。w o n g 等人( 1 9 8 4 ) 研究地 面对反复施加剪切负载的响应曲线，提出了一种用于预测移动履带车下法向压力 分布的分析方法【l 们。a h m a d i 等人( 2 0 0 0 ) 将履带车的模型线性化，设计了动态控 制器【7 1 。z l a e j u nf a n ，y k o r e n ，d w e h e 等对履带车辆的直线轨迹跟踪进行 了研究将左右履带一起考虑，采用交叉耦合控制器( c r o s s c o u p l i n g ) 消除车辆模 型的内部参数误差和扰动，采用模型参考自适应算法对履带车辆的外部误差和扰 动进行补偿【l 引。陈峰等人采用交叉耦合控制器对履带车辆的内部误差进行补偿， 采用专家模糊控制器对履带机器车的外部误差进行补偿【1 9 , 2 0 】。 1 4 2 移动机器人轨迹跟踪方法 1 ) 基于反馈线性化方法 早期的移动机器人控制，流行的方法是将机器人动力学的非线性在目标轨迹 附近线性化( 如用t a y l o r 级数展开) ，也称为“局部线性化方法；但由于机器 人动力学的强时变、非线性特性，以及各环节的强耦合，局部线性化方法无法保 证系统全局收敛。由此导致了对非线性机器人系统的“全局 线性化方法，即反 馈线性化方法，它主要是通过反馈线性化理论( 如计算力矩方法) 对机器人的非 线性进行完全补偿，得到一个全局线性化和解耦的闭环方程，然后可以利用成熟 的线性控制理论，如极点配型2 、小增益原理等补偿不确定因素影响，使系统达 到一定的鲁棒性能要求。s p o n g 等人运用小增益原理设计了一类线性补偿器，以 保证系统的匕稳定以及厶稳定【2 2 1 。d o y l e 等在此基础上，对系统非线性摄动部 分做了一些合理的假定，通过少数几个常数参量以及跟踪误差的范数等来描述系 统的不确定性1 2 3 1 。 基于反馈线性化的轨迹跟踪控制【2 4 】的主要优点是可以利用成熟的线性控制 理论，在得知系统的线性性能特征( 如超调量、阻尼比等) 的情况下，该方法是 比较有效的。但在不完全了解机器人的动力学的情况下，难免导致补偿不彻底、 解耦不完全，通常采用高增益【2 5 】的方法来保证系统的鲁棒性。但高增益可能带来 过大的控制作用，导致控制器或执行器出现饱和问题【2 6 1 。 2 ) 基于后推( b a c k s t e p p i n g ) 思想的方法 基于后推方法的跟踪控制器是目前研究比较广泛的移动机器人跟踪控制方 法。积分b a c k s t e p p i n g 方法是一种非线性系统稳定设计理论，依据l y a p u n o v 函数 构造控制器使积分环节串联连接的各子系统逐级稳定的方法。该方法将复杂非线 性系统分解为多个子系统，首先设计最基本子系统的稳定控制器，把每个子系统 将状态坐标的变化( 虚拟控制量) 和一个已知l y a p u n o v 函数的虚拟控制系统的 镇定函数联系起来，然后通过积分器后推，逐步修正算法，从而设计镇定的控制 7 硕二卜学位论文第一章绪论 器获得系统最终真正的控制律。 将积分b a c k s t e p p i n g 方法用于非完整机器人自适应跟踪控制引起了有关学者 的高度重视，文献 2 7 - - 2 9 给出了基于简化动力学模型的后推方法，通过设计 合适的辅助速度控制输入实现非完整移动机器人对期望轨迹的跟踪。 该方法的主要问题在于控制器结构和设计过程比较复杂，当控制周期个数较 少或期望轨迹曲率变化较大时，对于机器人要求提供足够大的加速度和力矩，影 响了实际应用。徐俊艳在机器人控制中引入具有双曲正切特性的虚拟反馈量并在 控制律中引入机器人系统速度、加速度受限策略以保证机器人运动平滑【3 0 l 。 3 ) 基于智能控制方法的跟踪控制器 在研究被控对象在模型存在不确定性及未知环境交互作用较强情况下的控 制时，智能控制方法得到了成功的应用。由于经典控制方法和现代控制方法在对 机器人轨迹跟踪控制时往往无法得到满意的效果，越来越多的学者开始将智能控 制方法引入机器人的控制。其中比较多的是采用模糊控制和神经网络的方法。 模糊控制是智能控制的较早形式，它吸取了人的思维，具有模糊性的特点， 利用人类专家的控制经验来控制对象。模糊控制不需要数学模型，是解决不确定 系统控制的一条有效途径。谢明江等将模糊成功地用于了自主移动机器人的控制 【3 1 1 。g a r c i a 在理论上证明了模糊控制用于移动机器人控制的有效性【3 2 1 。w a t a n a b e 等人提出了一种运用模糊推理的鲁棒自适应控制方法，它运用模糊对立方法配合 自适应方法来辨识不确定性的上别3 3 】。k i m 等人针对具有模型不确定性的机器 人提出了一种输出反馈跟踪控制策略，系统输出反馈的观测器一控制器结构由模 糊逻辑实现，从而在具有外部干扰和辅助不确定的情况下，保证了系统的鲁棒跟 踪性能【3 4 】。孙炜提出一种自适应模糊控制器用于机器人轨迹跟踪控制，该控制器 采用控制器输出误差方法( c o e m ) ，根据控制器的输出误差在线地调整模糊控制 器的参数【3 5 1 。但模糊控制有其自身缺点，模糊控制精度较低，模糊控制器的隶属 度函数、控制规则是根据经验先总结确定的，在控制过程中无法进行修正，不具 有学习和自适应能力。 随着神经网络的发展，人们开始尝试将神经网络结合其他技术，开发出新的 轨迹跟踪控制方法【3 6 】。神经网络的主要特点有【3 7 】： 能够充分逼近任意复杂的非线性系统； 能够学习和适应严重不确定性系统的特性； 由于大量神经元之间广泛连接，即使有少量单元或连接损坏，也不影响系统 的整体功能，表现出很强的容错性； 采用并行分布处理方法，使得快速进行大量运算称为可能。 典型的控制结构包括如下方案：神经网络监督控制【3 8 】；神经网络直接逆控制 硕：上学位论文第一章绪论 3 9 1 ；神经网络自适应控制【删；神经网络内模控制【4 l 】；神经网络自适应评判控制4 2 】 等。 但是采用神经网络仍存在以下缺点：缺乏系统化的方法来构造网络的结构； 网络需要一定时间来训练，训练完成前不能很好地控制系统；网络权值没有明确 的物理意义，权值的初始化过分依赖经验； 4 ) 基于滑模变结构方法 滑模控制( s l i d i n g - m o d ec o n t r 0 1 ) 是一种适用于非线性系统的鲁棒控制方法， 通过设计合适的非线性滑模控制器，可以简化系统模型，无需对系统线性化，就 可以实现系统的全局渐进稳定。基于滑模变结构方法设计的移动机器人跟踪控制 器有较强的鲁棒性，对内、外部的干扰不敏感。其主要思想在于利用高速的开关 控制，驱动非线性系统的状态轨迹渐进的到达一个预先设计的状态空间曲面上， 该表面称作滑动或开关表面，并且在以后的时间，状态轨迹将保持在该滑动表面 上【4 3 1 。但滑模变结构的抗干扰能力要在滑动阶段才表现出来。因此滑模界面切换 时的抖动问题是一个突出的缺陷。控制律的不连续项会直接转移到输出项，使系 统在不同控制逻辑之间来回切换时引起系统出现不可避免的抖动现象。 y o n g 首次提出了应用于机器人控制的变结构控制烈4 4 1 。j o n g m i n y a n g 等人 给出一个在极坐标形式下的跟踪控制器，并证明了控制器的稳定性【4 5 1 。程军林等 人在分析了机器人运动学模型的基础上，构造了具有全局渐近稳定性的滑模跟踪 控制器【4 6 1 。秦鹏等利用简化的动力学模型，提出了一种机器人使在外界干扰下在 有限时间内跟踪误差收敛到零点方法【4 。7 1 。j a f a r o v 等提出了一种新型的滑模p i d 控制器，且不使用等价控制项【4 引。 针对控制器抖动问题，s o n 等提出所谓的“吸口控制 ( s u c t i o nc o n t r 0 1 ) ，允 许滑动面是时变的，利用变结构的思想强迫状态轨迹趋于边界层，而在时变的边 界层内，保持控制的平滑【4 9 1 。s h y u 针对线性系统提出一种避免高频振颤的控制 策略，定义两条滑动线来确定一滑动带，首先控制系统状态进入滑动带，然后在 滑动带内通过切换控制律使得误差轨迹在两条开关线之间来回摆动并最终收敛 于误差空问的零点，将控制量的高频切换转换为低频切换，避免了高频抖振【5 0 1 。 1 5 本文的主要内容 首先讨沦了深海采矿的巨大意义和集矿机轨迹跟踪的重要性，接着介绍了深 海采矿、集矿c l i j f 究的困内外研究现状，指出采矿时对集矿机轨迹跟踪控制的精 度要求，分别介绍了履带车的轨迹跟踪研究现状和移动机器人的轨迹跟踪控制算 法。 9 硕i ：学位论文 第一章绪论 第二章针对集矿机进行行走控制建模研究。简要介绍了集矿机车体结构，在 参照移动机器人运动建模的基础上，建立了集矿机行走的运动学模型，并基于集 矿机采用的液压驱动，分析了电液比例阀、柱塞泵和泵控马达的数学模型。 第三章在建立的运动学模型和液压驱动模型的箍础上，提出了一种滑模变结 构控制轨迹跟踪算法，并针对集矿机的行走特点引入了系统速度受限策略，分析 了该控制算法的稳定性。 第四章运用m a t l a b 仿真软件对滑模变结构控制算法进行了仿真研究，通 过仿真实验结果分析，验证了该算法的有效性。 第五章为结论与展望，对深海集矿机的轨迹跟踪研究进行总结，指出下一步 的工作重点。 硕士学位论文 第二章深海集矿机行走建模研究 第二章深海集矿机运动建模研究 深海集矿机工作于6 0 0 0 米深的海底，车辆设计和工作环境的特殊性决定其 工作特性与普通车辆不同，本章对集矿机结构进行分析，研究了集矿机运动学模 型；基于深海集矿机行走采用液压动力系统，建立了简化的液压驱动模型。 2 1 深海集矿机运动学模型 在研究运动学模型之前，对深海集矿机结构进行了较为详细的分析，然后在 借鉴轮式机器人运动模型的基础上，建立了集矿机动力学模型。 2 1 1 深海集矿机结构 深海集矿机作为深海采矿系统的随动中心，是整个系统的核心设备，承担着 深海采矿系统中最危险、最复杂的任务。它由水力式集矿机构、破碎机构、履带 式行走机构、液压动力系统、测控系统及软管连接装置等组成。采用2 台高压电 机分别驱动2 台油泵，利用油马达驱动左右履带，实现采矿车的行走。其主要部 分的结构及功能如图2 1 所示【5 l 】： 7 1 集矿头2 测障声纳3 摄像头4 照明灯5 支承连接装置6 破碎机 7 输送软管8 动力站9 着地平衡装置1 0 电子仓 11 履带 1 2 地轮 图2 1深海集矿机结构示意图 硕士学位论文 第二章深海集矿机行走建模研究 ( 1 ) 集矿头：由水射流采集头和机械输送分区装置两部分组成。它不接触海 底，通过高压水射流的冲动举升结核矿石，使之进入倾斜刮板输送装置，从而送 往料仓，并在输送过程中进一步脱泥。 ( 2 ) 支承连接装置：由五连杆机械组成，在实现集矿头与底盘稳固连接的同 时，能平行上升和前后摆动以适应海底微地形变化，实现顺利越障。另外还可以 调节集矿头离底高度，以达到最佳集矿要求。 ( 3 ) 着地平衡动力装置：采矿车从采矿船下放到离海底2 0 0 m 时，通过平衡 动力装置使其保持水平姿态，以便平稳着地。 ( 4 ) 液压系统：采矿车各执行元件由液压驱动，该系统采用闭式回路，液压 泵用浸油电机驱动，行走马达由变量泵调速，实现采矿车行走变速和转弯。液压 泵和阀组均装在耐压仓内，预加5 5 m p a 压力进行海底水压平衡补偿。 ( 5 ) 履带式行走机构：由履带、驱动轮、从动轮、负重轮、支承轮、履带架、 车架和动力装置等组成。由于深海底沉积物完全不同于陆地的底质，其剪切强度 低，且具有搅动流体特性，履带式行走机构与海泥的相互作用规律是至关重要的， 它将决定履带式行走机构的可行驶性。这种相互关系主要取决于两个因素，一是 履带车的接地比压，并随它决定压陷量；二是由土壤的抗剪强度和履带传递牵引 力的履齿形状和大小决定着的牵引力。为满足剪切强度和低扰动要求，本系统采 用特种合金履带。履刺选用近似渐开线的尖三角齿，驱动轮、从动轮、负重轮采 用双浮动悬挂。两条履带分别选用液压马达驱动，利用速度差实现采矿车转向。 车架采用后横梁中间铰接，实现两履带上下浮动，保证采矿车在不平海底面上正 常行走。 ( 6 ) 电气测控系统：主要包括供电及电机启动装置、测控传感器和自控系统。 所用6 l o k v 交流电由电缆输送，控制中心位于采矿车的耐压仓内，导航、姿 态、行走速度、压陷深度、测距等仪器放置在相关测控点。系统具有手动、自动 双重功能。采矿车正常工作时由计算机自动操作，当遇到紧急特殊情况可改用人 工实施干预。 集矿机基本参数如下： 设计水深 外形尺寸 承载量 履带宽度 驱动轮半径 齿型 齿高 6 0 0 0 m 6m 5 3m 3 5 m 8 t 1 7 m 3 2 5 m m 尖三角齿 1 3 0 m m 1 2 行驶速度 空气中重 水中重 履带接地长度 履带接地面积 齿长 齿宽 s n 2 n h n 盯 h t ， 0 仃 钒 n m “加 吣 0 2 l 6 2 1 2 硕士学位论文第二章深海集矿机行走建模研究 在越障条件下，集矿机工作性能参数如下： 爬坡能力 1 5 。左右倾斜 越障高度5 m越沟宽度 2 0 。 l m 2 1 2 深海集矿机行走运动学模型 深海集矿机的运动学模型是从集矿机运动的位移、速度、角速度等物理量出 发，力求建立机器人的运动速度和机器人位姿的数学表达式，为集矿机轨迹跟踪 控制打下基础。 集矿机为履带车辆，其运动学模型可按履带车辆的运动学模型表述如下： 动力学系统的空间运动可分解为重心的空间运动和绕刚体重心的定点运动。 为了确切地描述系统的运动状态，需要选取适当的坐标系作为测量的参考基础。 一般说来，机器人动力学系统中常采用的坐标系有地面坐标系、机器人坐标系、 速度坐标系、平移坐标系、半速度坐标系等。考虑到集矿机主要在深海底行走， 自由度变化相对较少，本文主要采用地面坐标系q 只乙和机器人坐标系o x , y , z 。 对集矿机运动学进行研究，如图2 2 所示。地面举标系的原点d 。选在地面某处， 例如机器车初始位置。d ，z ，轴垂直于地面并指向上方，称为铅垂轴。见无轴在水 平面可指向任意方向，此处选择为正东方向。d ，) ，选择为正北方向，使该坐标系 成为右手系。机器人必标系原点选在机器车的重心。o x , 轴沿机器车运动方向并 指向前方。o z 轴垂直于轴并指向上方。缈，轴垂直于轴和o z 。轴，其方向使 坐标系o x , y , z 成为右手系。图中，秒为机器人坐标系眠轴与地面坐标系d ，艺轴的 夹角，表示机器人的方向角。 图2 - 2 集矿机行走轨迹示意图 硕卜学位论文 第二章深海集矿机行走建模f i ) 1 = 究 为简化模型分析，本文仅考虑集矿机在水平面转向时的运动模型，该模型是 二维模型。当不考虑履带的滑移时，在地面坐标系d 。t y 。z 。中，外侧履带的速度 和内侧履带的速度h 分别是： v o2r f o o v i 2 r o ) i 式中，表示主动轮半径，o ) o ，哆分别是外侧和内侧主动轮的角速度。 集矿机的前进速度为： v ：必 2 集矿机航向角速度可表述为： 百：生立 b 式中，b 为履带中心距。 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可得集矿机内外侧履带速度公式： v o = v + o b 2 v = ，一o b l 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 将车体速度1 ，按啡艺和o e y e 轴分解，可得集矿机的运动学方程为： il：c。s口sinooi l i ；- i 协 2 2 液压驱动模型研究 深海集矿机履带液压系统是一个液压的泵控马达系统，泵控马达由于其最大 工作效率在实际使用中可以高达9 0 ，因此在大功率控制时都优先采用它作为动 力元件。 泵控马达系统由一个恒速能源驱动，并能使液流反向的变量泵直接与一个定 排量的液压马达相联。变量泵由一个电液比例阀来控制其斜盘倾角，从而控制其 排量，改变泵的行程。因此，马达的速度和旋转方向就可以通过改变泵的行程来 加以控制。 为补充各个管道中的泄漏损耗以及在各管道中能建立起最低的压力，。般都 需要装设一个补充油源。这种辅助油源通常都是小容量的恒压油源，因为它只需 1 4 硕士学位论文第二章深海集矿机行走建模研究 供应泄漏量就够了。补油压力p ，一般都定得很低以保证功率消耗最小，同时还 可保证当有负载作用在马达上时管道压降较低。补充油源可防止出现空穴现象同 时还可防止空气渗入系统，因为它能使各个管道增压，并且当它供应冷的油液来 顶替泄漏量时能帮助热量消散。 对泵的行程控制可以是直线运动也可以是旋转运动，本系统采用后者，同时 需要有一个电液伺服机构来定位。行程控制伺服系统是由电液伺服阀、执行活塞、 某种适当的电反馈元件以及电子误差放大器所组成。补充油源的容量可作适当的 增加，以便对行程控制伺服系统供油【5 2 1 。 图2 - 3 履带液压系统框图 当正常工作时，一个管道中的压力将为补油压力，而另一个管道中的压力将 配合负载而进行调整。如果负载要求压力反向，则两根管道将转换其功能。如果 瞬变状态很急速，同时负载发生反向，那么两根管道中的压力同时发生变化也是 可能的。但我们假定在同一时间只有一根管道的压力发生变化，因为这种情况最 常见。泵控马达的液压传动框图如图2 3 所示。其基本液压元件为电液比例阀、 变量泵、液压马达。 下面简要介绍一下这三种液压元件的结构和工作原理，以建立简化的数学模 型。 2 2 1 电液比例阀 电液控制系统作为一种精密、有效的控制方式，已经有5 0 年的历史。在传 统的电液控制系统中，核心元件是伺服阀。经历了数十年的使用经验的积累，以 及现代加工手段的进步，伺服阀从结构、材料、) ) n - r 精度等方面不断改进，日臻 完善。进入9 0 年代后，比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、 位移内反馈和动压反馈以及电校正等手段，使比例阀的稳态精度、动态响应和稳 定性出现质的飞跃【5 3 】。 硕士学位论文第二章深海集矿机行走建模研究 电液比例阀是利用电磁铁推动阀芯移动来控制油液的流通方向和大小的。电 磁铁的动作信号是由电气系统中的电气元件发出的。按电源的不同分为交流和直 流两种。图2 - 4 为三位四通电液比例阀瞄3 l ，它由阀芯、阀体、对中弹簧和电磁铁 等组成。在图示位置，阎体两端的电磁铁均未通电，阀芯在对中弹簧4 的作用下 处于中间位置。阀体上对外连接的油口p 、a 、b 、t 互不相通。若右端电磁铁通 电，则电磁吸力通过推杆6 推动阀芯克服弹簧力左移，电磁阀右位工作，阀内液 流方向位p a 、b t 。若改为左端电磁铁通电，则阀芯换向右移至右极端位置， 换向阀左位工作，阀内液流方向换为p b 、a t 。 l2 ；4 56 7 8， 1 0 l 一阀体；2 一阀芯；3 一定位套；4 一对中弹簧；5 一挡圈；6 一推杆； 7 一环；8 线圈；9 一衔铁；1 0 - - 导套；1 1 - - 插头组件 图2 - 4 电液比例阀结构图 电液比例控制系统是联系微电子技术与工程功率系统的接口，就其本质而 言，乃是电子一液压一机械( e h m ) 放大转换系统。这种转换既可以是电模拟量 转换为机械模拟量( e d m a ) ，还可以是电数字量转换为机械数字量( e d m 3 ) ；构成 不同形式转换时，系统的构成有所差别，但仍是微电子技术与工程功率系统之间 的接口嘲。 电液比例阀控制系统由控制器、比例电磁铁、电液比例阀以及执行机构等部 分组成。比例电磁铁和比例阀作为连接执行机构的元件，具有独特性能和结构， 其作用是将电信号转变为机械位移或力输出信号，其动态性能由线圈电流动态特 性、输出力动态特性和位移动态特性决定，比例电磁铁控制线圈的电压增量方程 为： 蚬= 三等郴。w f + 屯警 ( 2 _ 8 ) 式中： “，卜一分别为线圈电压和电流值； l k 。一为线圈电感和感应反电势系数； 硕十学位论文第二章深海集矿机行走建模研究 r 。，厶为线圈和放大器内阻； 缈为电磁铁位移。 上式经拉氏变换得： a u 。g ) = l sa i + k 。+ o 必f + k 。少 ( 2 9 ) 若暂时不考虑液压力，干扰力的影响，其位移动增量方程可表示为下式： m 竽+ 。警+ k , 6 y = 皈 m 衔铁组件的质量；d 阻尼系数；疋衔铁组件的弹簧刚度。 比例电磁铁电磁力增量皈方程可表示为： 皈= k ，a i k ，缈 ( 2 11 ) k ，比例电磁铁电流力增益；k ，一其位移力增益和调零弹簧刚度之和。 合并( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 式并进行拉氏变换得： m s 2 a y + d s a y + ( k 。+ 巧) 缈= 墨f c( 2 1 2 ) 先不考虑液动力的影响，而考虑比例电磁铁空载时，比例电磁铁线圈电感较 大，为提高动态性能，可减少线圈匝数，串接电阻或加大上升电流时间，即采用 较高的瞬时电压。另外比例电磁铁存在明显电磁滞环和摩擦滞环，为了提高动态 性能，减少滞环，在其要求线圈正常工作的稳态电流基础上，均叠加有一定的颤 振信号，其要求则是根据比例电磁铁的参数而定的。有些参数受温度影响大，如 直流电阻值，在2 0 。c 的变化范围内，其阻值变换为3 0 以上。 在上面分析的基础上，再以直控式比例压力阀为例，根据下面阀：笆：位移增量 方程和阀的流量平衡方程式： a o b ，一p 矗) + k ，2 a y = k ，( 妙，一少) ( 2 一1 3 ) q p 一q = q d + - s a p o ( 2 一1 4 ) d c 由于控制比例电磁铁采用负反馈功率放大器，表示电性能的一阶环节可以简 化为比例环节，并考虑其空载具有良