中南大學信息科學與工程學院 于欣 王隨平 張佳潔
摘 要：通過深入分析海底泥土力學特性，根據機器人本身的結構特點和物理學原理，在進行有利于簡化問題分析與研究的假設后，建立深海作業機器人的動力學模型和液壓驅動系統模型。分析了履帶防滑控制原理，揭示了滑轉率與附著條件的關系，綜合深海作業機器人模型建立了以滑轉率控制為目標的防滑控制系統。利用趨近律方法削弱滑模變結構控制固有的抖振現象。應用基于附著系數和滑轉率曲線形狀的辨識方法可以通過馬達轉矩和履帶角加速度得到最佳滑轉率值。通過仿真結果表明，控制系統能夠根據不同的海底行走情況預測最佳滑轉率并將實際滑轉率控制在最佳值附近，同時驅動力矩的變化也比較平穩，能夠保證深海機器人行走過程的安全性要求。
關鍵詞：深海作業機器人 防滑控制 滑模變結構 滑轉率
1引言
深海作業機器人是一種在水深5000~6000米的海底沉積物上行走、采集錳結核的智能履帶車輛，兩條履帶由安裝在后輪上的兩臺液壓馬達分別驅動，用變量泵調節速度。我國采礦區位于太平洋中部，為典型的深海平原，其上覆蓋著很厚的淤泥及沉積物[1]。海底沉積物不同于陸地底質，剪切強度較低，具有攪動流體特性、塑性特性。如果深海作業機器人的行駛驅動力與沉積物特性不匹配，將出現履帶過度打滑現象。為保證深海作業機器人的安全行走，應使行走驅動力適合沉積物特性的變化。基于上述問題，深海履帶式作業機器人行走防滑控制技術的研究開發，將提升深海采礦系統安全作業水平。
國外機器人行走防滑技術的相關研究，Daegun Hong和Paljoo Yoon[2]提出了一種基于制動觀測器的防滑控制系統。制動觀測器負責評估車輪制動力，側滑力和摩擦系數的變化。國內相關研究，劉志新、張大衛、李幼德[3]建立了四輪驅動汽車加速過程的數學模型，以滑轉率為調節對象，提出一種基于模糊PID控制的驅動防滑控制ASR算法。目前國內外對履帶車輛防滑控制相關技術尚處于起步階段，對復雜地形下的深海作業機器人，勢必要求人們對機器人與地面相互作用特性，行駛底質識別以及防滑控制做更深入的研究，也必將促進人們對這些問題的認識。
本文根據深海作業機器人行走的特點和海底環境的特點，建立了深海作業機器人的力學模型，并根據機器人驅動系統的結構和特點建立了液壓系統模型，設計了機器人防滑控制系統，并提出最佳滑轉率的辨識方法。基于MATLAB仿真平臺，對整個深海作業機器人防滑控制系統進行仿真。[1]
2 深海作業機器人工作環境特性研究
(1)海泥土力學特性
深海作業機器人履帶與海泥的作用十分復雜，圖1為典型的海泥沉積物變形過程示意圖，s為海泥應變，p為海泥所受壓力。海泥受壓時的破壞可分為三個過程[4]：
直線變形階段（壓密階段）：當履帶對海泥的壓載小于臨界荷載時，海泥被壓緊，地面能夠表現為彈性狀態。如圖1示，a點之前。
圖1 海泥變形過程示意圖
共0條 [查看全部] 網友評論