煤矿救援机器人系统运载车关键技术研究(1).pdf

西安科技大学 硕士学位论文 煤矿救援机器人系统运载车关键技术研究 姓名魏娟 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师马宏伟 2011 论文题目煤矿救援机器人系统运载车关键技术研究 专 业安全技术及工程 博 士 生魏 娟 签名 指导教师马宏伟 签名 摘 要 机器人的应用已经遍及海陆空， 但迄今为止煤矿救援机器人在国内外煤矿事故救援 中尚无成功应用的实例。针对我国煤矿瓦斯爆炸等不安全事故频发，救援水平较低的现 状，在国家自然科学基金和陕西省自然科学基金的资助下，深入研究了煤矿救援机器人 的体系结构、机械本体、运动特性和导航算法等关键技术问题，为构建高速、可靠、安 全、有效的煤矿救援机器人系统奠定了坚实的基础。 针对煤矿瓦斯事故多发生在距井口较远的工作面的实际， 首次提出采用轨道轮式运 载车加履带式探测机器人的两级救援机器人系统， 运载车借助于矿车轨道快速行驶将履 带式探测机器人运至距事故现场最近处，探测机器人在事故现场实施信息采集。两级机 器人系统的救援体系结构，充分利用了井下已有的运输轨道，发挥轮式移动机器人和履 带式移动机器人各自的优点，达到了快速救援的目的。 在充分论证运载车可行性的基础上，对运载车机械本体的运行安全性进行了定义， 分析了影响运载车运行安全性的因素， 研究了基于运行安全性的运载车运动性能评价指 标，提出了以脱轨系数、轮重减载率、离心加速度为评价指标，结合轮轨蠕滑力、纵横 向振动位移和加速度进行评判的运载车运行安全性评价体系。 基于虚拟样机技术，采用模块化、参数化设计思想，设计了运载机车的结构，包括 以轨道轮为主的行走装置、电气加机械的双重制动装置、车体和行走机构的连接缓冲装 置以及车体等部分，完成了全部的零件图设计并进行了装配设计，为运载车的运动仿真 提供了理论依据和原始数据。 利用具有非完整约束的多体系统动力学理论，建立了运载车的力学模型和数学模 型，将运载车分解成由 11 个刚体、12 个铰和 6 个力元组成的多体系统，通过切割铰的 方式建立了运载车的有根树系统力学模型，推导出运载车的纵向运动学、动力学和振动 学方程。同时分析了运载车工作的轨道环境，建立了基于随机信号理论的煤矿井下轨道 不平顺模型和基于现场实际的轨道线路模型。 通过分析影响运载车的移动性能的因素，研究了运载车运行安全性评价参数，建立 了基于虚拟样机的运载车综合评价与分析仿真环境， 采用单参数和多参数的复合优化方 法，以运载车的运行安全性为目标，以轮轨接触状况为评价参数，以虚拟样机技术为工 具，设计并研究了运载车几何参数和运动参数评价方法，并对结果进行了评价。 研究了基于煤矿井下 GIS 的运载车自主导航方法， 研究了基于图论的煤矿井下轨道 模型的建立方法，以轨道的交点为顶点，以相邻两顶点之间的轨道为弧，以每条弧的长 度、倾斜度、与其它弧的连接因子、通行因子为评价函数，建立了带权的井下轨道的地 图模型，在此基础上提出了基于广度优先的载机器人最佳路径搜索算法。 关 键 词煤矿救援机器人；运载车；运行安全性；虚拟样机；力学模型；自主导航 研究类型应用基础研究 本论文得到国家自然科学基金（项目编号50674075） 、陕西省自然科学基金（项目编 号2007E212） 、陕西省教育厅专项基金（项目编号07JK320）的资助。 Subject Study on the Key Technologies of the Carrier in Mine Rescue Robot System Specialty Safety Technology and Engineering Name WEI Juan Signature Instructor MA Hongwei Signature ABSTRACT Robots have been widely used on land, in sea and in the sky, but there has still not been a successful instance in the mine accident rescue so far, no matter from home or abroad. In view of the frequent accidents of coal mine and the lower levels of rescue automation, the architecture, mechanical structure, kinetic characteristics, navigation algorithm and other the key technical problems of the mine rescue robots have been studied in- depth, which has been supported by The National Natural Science Fund and Shaanxi Provincial Natural Science. It has laid a solid foundation for the establishment of a fast, reliable, safe and effective system of the mine rescue robots. According to the fact that coal gas accident always happens at the working face far from well, The two- level rescue robots system of coal mine is put forward firstly, which contains carrier with rail- wheel and exploration robot with track. The carrier carries fleetly the exploration robot to the scene of accident by dint of tramroad, and the exploration robot collected the ination at the scene of accident. The two- level rescue robots system architecture full utilize the existing tramroads, bring into play respective merits of rail- wheel and track, achieve the purpose of quick rescue. Based on fully argumentation the basis of carrier feasibility, movement safety was defined to the carrier that the mechanism part of carrier, then analysed the influenced factors of the carrier movement safety, studied the uation inds of the carrier movement safety based on running security, brought forward the uation system of tha carrier movement safety, which using Nadal, D. Ration and acceleration as uation inds and combining creep forces of wheel- rail contact, displacement and acceleration. Based technical prototype, use modular and parameterized , designed the carrier mechanical structure that contain moving equipment with wheel- rail, braking equipment with pneumatics, joint buffer between the carrier body and the moving structure and carrier body etc. The all parts and assemble design have been finished in SolidWorks, it offered the theoretical foundation and the raw data for the carrier movement simulation. According to the dynamic theory of multibody systems with non- holonomic constraint, built the mechanical models and mathematical models of the carrier, disassembled the carrier into multibody system 11 rigid bodies, 12 joints and 6 force elements, established the mechanics model of spanning tree system by cutting the way of joints, followed the kinematics and dynamics equations in the longitudinal of the carrier. Also analyzed the rail environment of the carrier working, established irregularity model based on the random signal theory and the rail track model based on actual of the coal mine. Via analyzing the factors that influence the carrier locomotion perance, studied the uation parameters of the carrier movement safety, established the simulated environment of comprehensive uation and analysis based on virtual prototyping technology. Using the complex optimize of single parameter and multiple parameters, as the carrier movement safety for aim, as the wheel- rail contact for uation parameters, as the virtual prototyping technology for tool, designed and studied the uation s of geometry parameters and movement parameters, and uated the simulation results. Researched the carrier automotive navigation s based on mine GIS and the building model s of mine rail track based on the graph theory, made the points of rail intersection as vertex, made the rail between the two neighboring as edge, and made the length, gradient, with other arcs connection factors, transit factors as uation function, established the mine rail map model with weighted, based on these put forward the search algorithm for finding optimization path based on the breadth first search s. Key words The mine rescue robot The carrier Movement safety Virtual prototyping Mechanics analysis Autonomous navigation Research type Applied Basic Research 西安科技大学 学学 位位 论论 文文 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了感谢。 学位论文作者签名 日期 学学 位位 论论 文文 知知 识识 产产 权权 声声 明明 书书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权属于西安科技大学。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西 安科技大学。 保密论文待解密后适应本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景及研究意义 煤炭是我国主要的一次能源， 长期以来煤炭在我国一次能源生产的消费构成中一直 占 2/3 以上， 据中国可持续发展能源战略研究报告， 预计到 2050 年中国一次能源消费中 煤炭的比重仍然占 50左右[1]。可以断定，在今后较长时期内煤炭仍将是支撑我国国民 经济发展的主要能源和基础产业。 众所周知，煤炭的开采是一个高危行业，煤炭事故屡见不鲜，我国尤为突出，瓦斯 事故、顶板事故、水害事故和运输事故成为近年来我国煤矿主要事故。以煤炭产量和矿 难死亡人数相比较， 中国的煤矿百万吨死亡率是世界平均水平的 3050 倍。 煤矿事故事 故已经成为严重制约我国煤矿安全生产、经济建设的重要因素。 因此，有必要研制一种用于井下发生瓦斯、粉尘爆炸、塌方等事故后，能够代替人 及时进入事故现场，获取事故现场场景以及瓦斯、粉尘浓度、温度、湿度等参数的具有 自主移动、智能控制的煤矿救援机器人系统，利用机器人采集的事故现场信息，及时、 准确地为地面救援人员提供事故现场的第一手资料，既可为有效地进行煤矿应急救援， 减少人员伤亡和财产损失提供可靠信息， 又可为科学地分析瓦斯爆炸灾变时期火灾性混 合气体的蔓延规律、 多种灾害耦合条件下灾害事故的转化及扩大的条件及因素等方面的 研究提供原始数据。 1.2 国内外煤矿救援机器人的研究现状 救援机器人的研究已经引起了世界各国的重视，在国外，一些发达国家在救援机器 人研究方面取得了重要进展。其种类遍及天空、地面、水下和地下。 1.2.1 国外煤矿救援机器人研究现状 美国是开展煤矿救援机器人研究较早的国家之一， 也是煤矿救援机器人研究水平最 高的国家[2]。 早在 1998 年 11 月 Sandia 智能系统及机器人研究中心（Sandias Intelligent Systems and Robotics Center） （简称 ISRC）研制的“RATLER”机器人，如图 1.2.1 所示，在发 生火灾的 Willow Creek 煤矿，用于探测和评估井下的危险情况，经历了瓦斯和沼气等易 爆气体的考验。该机器人具备良好的移动能力，采用无线控制，直线控制距离可达 250 英尺，利用自身携带的摄像头，可以识别煤矿的入口，同时传回有用的信息。事实证明 RATLER 机器人能够适应井下的移动、 防爆和视觉要求。 目前这种机器人已经广泛用于 西安科技大学博士学位论文 2 矿业救援、战场侦查、扫雷等领域[3]。在纽约世贸中心废墟中进行救援侦查作业而初试 锋芒的“Simbot”机器人，2003 年 6 月 20 日在昆士兰州的一处煤矿由人工操纵深入地 下，进行了瓦斯气体检测试验，用来判断煤矿作业面是否适合工作[4]。 Carnegie Mellon 大学研制了名为 Groundhog 的四轮驱动机器人， 用于检测废弃矿井 有害气体的浓度和对井下巷道进行三维成像，2002 年 10 月 27 日 Groundhog 成功地进 入一处废弃煤矿距井口 30 米处，因计算机进水，首次试验被迫中止；2003 年 5 月 30 日，Groundhog 在 Pittsburgh,PA.附近的一个煤矿，进入距井口 308 米处，成功地采集到 了井下巷道三维地理模型， 并通过电缆传给了地面指挥人员， 后因道路被塌落顶板所阻， 机器人被迫返回[5]。图 1.2.2 所示为 Groundhog 在 2003 年进行试验时的照片。CMU 大 学在美国政府基金资助下于 2003 年完成的矿难搜救机器人，这是一个完全自主的不需 要人工干预的矿难搜救机器人。 图 1.2.1 RATLER 煤矿侦查机器人 图 1.2.2 Groundhog 侦查机器人 2006 年 1 月 2 日美国东部西弗吉尼亚州阿普舒尔县萨戈（ Sago） 煤矿发生矿难， 1 月 4 日美国劳工部矿业安全与卫生局试图向井下派出图 1.2.3 所示救援机器人， 最终未 能成功。 2007 年 8 月美国 Utah 州发生煤矿事故，救援人员使用 GPS 测定被困矿工的方位， 从地面向井下钻深孔，救援人员通过深孔向井下派出了 University of South Florida 研制 的图 1.2.4 所示救援机器人，但最终因机器人中途行进过程中陷入泥潭而受阻[6]。 2010 年 4 月 5 日美国东部的西弗吉尼亚州的首府一处煤矿发生爆炸，造成 25 人死 亡，4 人失踪。在 8 日搜救 4 名失踪人员时，32 名搜救人员分 4 组乘有轨车下井，在深 入距紧急避难室大约 300 米的地方，由于井下有毒气体混合物浓度过高，可能再度发生 爆炸，救援人员不得不返回地面。 日本是机器人王国中“后来居上者”， 其机器人技术自 20 世纪 60 年代后一直处于 世界领先水平，其种类遍及天空、地面和海底。2006 年 6 月，日本研制出新型搜救机器 1 绪论 3 图 1.2.3 美国救援机器人 图 1.2.4 南佛罗里达搜救机器人 人木槿，如图 1.2.5 所示，木槿全身都是特制的履带，四肢能够独立遥控，移动自 如，具有较强的越障能力和环境适应能力，并装备了红外热敏摄像头，可以对受困人员 或死难者进行定位，将拍摄的图像传送给救援人员[7]。 图 1.2.5 日本搜救机器人木槿 此外，俄罗斯、英国、韩国等国家在侦察、救援机器人方面开展了较多的研究工作 [8][10]。俄罗斯的机器人研究者目前正在致力于研究一种昆虫行走系统的小型仿生机器 人，这种机器人也将应用到井下救援侦查等方面。英国科学家在 2003 年就根据达尔文 的进化论原理，设计出一种蛇形侦察机器人，这种机器人在遭到敌方炮火攻击下，能在 战地匍匐而行，并使用光学、声频和其它传感器生成敌方活动照片；日本机器人技术自 20 世纪 60 年代后一直处于世界领先水平。但这些国家中应用于井下的救援机器人却鲜 见报道。 1.2.2 我国煤矿机器人的研究现状 我国已在“七五”计划中把机器人列入国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立 了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。二 西安科技大学博士学位论文 4 十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业 机器人及水下作业、 军用和特种机器人。 1986 年 3 月开始的国家 863 高科技发展规划把 研究、开发智能机器人的内容列入研究计划。 我国煤矿机器人技术的研究始于上世纪 80 年代，1988 年山东矿院在国家自然科学 基金、国家 863 计划智能机器人项目等的支持下，开始研制井下喷浆机器人，1993 年完 成了图 1.2.6 所示的 PJR- 2 实验样机，在煤矿井下进行了五个多月的现场试验，1996 年 7 月通过验收[11][12]。1996 年 10 月中国矿业大学与哈尔滨工业大学在国家 863 项目的资 助下，以我国煤矿普遍使用的 MYZ- 150 型液压手动钻机为基础，运用机器人技术加以 改造，研制成功我国首台采掘机器人机器人化安全遥控自动钻机，遥控距离最远可 达 1000 米，使操作人员远离钻孔作业现场，从根本上杜绝了钻孔作业过程中因瓦斯、 煤尘造成的人员伤亡事故[13]。 2006年6月中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所在863计划项目的资助下 研制出图 1.2.7 所示履带式煤矿搜救机器人[14]。该机器人人装备有低照度摄像机、防爆 型的气体传感器和温度计等设备。能够探测灾害环境，实时传回灾区的瓦斯、CO、粉 尘浓度和温度，以及现场图像等信息。机器人上装有急救药品、食物、生命维持液和简 易自救工具，采用点对点式的无线控制方式，该机器人的有效控制范围为 300 米。 图 1.2.6 PJR- 2 型喷浆机器人 图 1.2.7 中国矿大研制的煤矿搜救机器人 2009年10月在北京第13届中国国际煤炭采矿技术交流及设备展览会上唐山开诚电 器有限责任公司展示了其开发的图 1.2.8 所示的煤矿井下抢险探测机器人。 2009 年 12 月 15 日， 沈阳新松机器人公司宣布研制成功国内首台具有生命探测功能 的井下探测救援机器人，如图 1.2.9 所示。该机器人采用履带式行走机构，具有一定越 障能力。率先采用具有音频探测、视频观测、红外热成像等多种技术手段相结合的人员 生命探测方式，还可探测出温度、压力、混合气体成分及其浓度等多项环境参数，对现 场危险气体进行检查，确保救援人员的安全；并首次采用光纤通讯技术，实现了井下长 距离通讯，并可将井下环境实时视频图像传输。该机器人可代替抢险救援人员抢先一步 进入 500 米范围内的事故现场，进行探测救援，同时将采集到的各种信息以图像、声音 和数据形式传送到主控制中心，为制定抢险救灾方案、及时进行抢险救援提供重要依据 1 绪论 5 和支持。 图 1.2.8 唐山开诚公司研制的机器人 图 1.2.9 沈阳新松机器人公司研制的机器人 西安科技大学 2005 年开始了煤矿救援机器人的预研工作，2006 年获得了国家自然 科学基金的资助， 开展了煤矿救援机器人自主导航及智能控制基础研究[15][16]， 目前已完 成了相关的研究工作，2010 年 3 月顺利结题。 1.3 煤矿救援机器人关键技术 煤矿救援机器人是一个交叉的研究领域，涉及机械、控制、传感检测、信息信号处 理、模式识别、人工智能和计算机等多门学科和技术。论文在国家自然科学基金的支持 下，研究了用于煤矿井下发生瓦斯、粉尘等爆炸事故后，代替人进入井下，对井下巷道 内环境信息进行探测的煤矿救援机器人系统， 重点研究了两级救援机器人系统的体系结 构和一级运载车的结构设计、力学分析和导航算法，涉及的关键技术问题如下 1.3.1 救援机器人的体系结构 煤矿救援机器人应能深入事故现场，在结构、半结构化的环境中连续运动，煤矿事 故的种类有多种，应根据事故种类的不同，开展研究。以煤矿发生的四种主要事故之一 瓦斯爆炸事故为例，其多发生在距井口较远的工作面，煤矿事故发生后要求机器人 必须快速、及时、准确地到达事故现场。目前国内外煤矿救援机器人主要有两种，一种 是单机器人系统，多采用轮式或履带式结构，如文献[5][7]；另一种是多机器人系统， 采用轮式和（或）履带式相结合的形式，如文献[15][16]。单机器人系统结构简单、质 量轻、耗能低，但速度低、适应性较差，功能有限。多机器人系统是多种或多个同种类 救援机器人的组合，不仅要考虑单个机器人的任务和功能，还要协调机器人之间的功能 分配和信息交换。 随着机器人应用领域的不断扩展，多机器人系统已经引起了学者们的普遍重视，而 构造多移动机器人系统一个重要的因素是体系结构设计， 因为系统性能的优劣很大程度 上取决于结构是否合理。个体机器人的体系结构是多移动机器人系统的基本组成单位， 西安科技大学博士学位论文 6 因此，研究个体机器人的体系结构是研究多机器人很重要的研究方向。将多机器人系统 作为一个整体考虑，多机器人系统的体系结构可以分为集中式和分散式，而分散式结构 进一步分为分层式和分布式两种。多机器人体系结构就是研究如何根据任务类型，机器 人个体能力等确定机器人群体模型以及恰当的相互关系。Parker. L.E.指出以往对多机 器人系统协作的研究大部分只关注效率，而忽视了机器人的故障容忍和适应能力。针对 这一问题，他提出了一种名为 LALLIANCE 的新体系结构[17]。该结构将任务、导向行为 和选择机制应用到基于行为的体系结构中，不但提高了机器人团队协作效率，而且还满 足了实际应用中机器人系统故障容忍和适应能力的要求[18]。 苏治宝等人从队形控制基本 思想和各种方法的优缺点等方面论述了目前研究队形控制的三种方法跟随领航者法， 基于行为法， 虚拟结构法， 并介绍了一种弥补各种方法缺点的新的队形控制体系结构[19]。 董慧颖等人则将多机器人系统应用在军事上，针对战场上外部环境复杂，系统需对周围 环境进行及时准确的判断的特点， 采用了任务协调层和行为控制层的混合协调结构作为 多机器人协同作战协同的结构。 因此救援机器人体系结构应重点研究机器人系统中各组成部分之间的相互关系和 功能分配，确定机器人系统的信息流通关系和逻辑上的计算结构，亦即机器人系统中信 息处理和控制系统的总体结构。 1.3.2 基于非完整约束的多体系统 煤矿救援机器人是由多刚体组成的具有非完整约束的复杂机械系统。 多刚体系统和 非完整系统都是在经典力学基础上发展起来的分析力学的两个重要组成部分， 也是分析 力学研究的难点。 非完整系统力学是分析力学的一个重要分支，是指带有不可积分的微分约束的系 统。非完整系统与完整系统的根本区别在于，完整系统的运动可以用第二类 Lagrange 方程描述，而非完整系统的运动则以更复杂的微分方程组为特征。 文献[5][16]介绍的国内外煤矿救援机器人均为轮式和履带式两种。这两种机器人 都属于非完整系统。具有非完整约束的机器人系统作为一个新兴的课题，近年来已日益 受到国内外机器人研究者的重视。 “非完整”一词起源于近代分析力学，1894 年德国学者 Hertz 第一次把约束和系统 分成完整的和非完整的两大类。非完整系统具有重要的理论价值和实际意义[20]。一百多 年国内外对非完整系统力学的研究进行了大量的工作， 非完整系统力学研究得到了较好 的发展。 这也为非完整系统的研究从基本的力学研究推广应用到其它学科打下了坚实的 基础。近年来，随着移动机器人技术和航天技术的发展，非完整系统的控制问题越来越 受到了世界各国学者的关注。由于这类系统的约束方程中总是包含带有微分项，且不可 积的非完整约束方程，故而将其称之为非完整系统。相对于完整约束给系统控制带来的 1 绪论 7 问题而言，非完整约束使得系统更加难以控制，但是其可控性的特点又使其研究更有挑 战性。 经典刚体动力学的主要研究对象是单个刚体。 多刚体系统动力学是在经典力学基础 上产生的，处理多个刚体组成的系统[21]。多刚体系统动力学的开创性研究工作是以 Fletcher 等人于 1963 年创立并完成的重力定向卫星的两个刚体假设模型为标志的。 1968 年，Wittenburg 等人将图论的概念和数学工具（关联矩阵和通路矩阵等）引入多刚体系 统的描述和动力学方程的建立，之后，国际理论和应用力学学会（IUTAM）于 1977 年 在德国慕尼黑，北约与美国国家科学基金会（NATONSFARD）于 1983 年在美国温 哥华，国际机械与机构理论联合会（IFTOM）与 IUTAM 联合于 1985 年在意大利乌迪内 分别举行了 3 次多体系统动力学的讨论会，在建模理论、计算方法和计算机仿真等方面 的研究逐步趋于成熟。 多体系统动力学的核心问题是建模与求解问题， 其系统研究开始于20世纪60年代。 从 60 年代到 80 年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和 数值求解； 80 年代后多体系统动力学的研究偏重于多柔体系统动力学， 即计算多体系统 动力学。 目前多刚体的建模方法可以分为两类，分别是相对坐标法和绝对坐标法，按其应用 领域分为航天领域和机械领域[22]。 应用于航天领域的相对坐标法是用系统每个铰的一对 邻接刚体为单元，以一个刚体为参考物，另一个刚体相对该刚体的位形由铰的广义坐标 来描述，应用 NewtonEuler 方程和虚功原理，得到 q 的二阶微分方程组QM q 。这 种方法的特点是系统动力学方程的个数是最简数量， 但在建模过程中要建立刚体的速度 变分与系统广义速度变分之间的约束关系，方程呈严重非线性，矩阵 M 与 Q 的形式相 当复杂，为使方程具有程式化与通用性，在矩阵 M 与 Q 中包含描述系统拓扑的信息。 在机械领域应用的绝对坐标法是以系统每个刚体为单元，建立固结于刚体的坐标 系，刚体的位置和姿态均相对于系统的公共参考基进行定义。刚体质心的位置用关于系 统参考基的三个笛卡尔坐标表示， 刚体的姿态用刚体的连体基关于系统参考基的欧拉角 或卡尔丹角或欧拉四元数表示，这样每个刚体就有 6 个或 7 个位形坐标。对于有 n 个刚 体的系统，这 6n 或 7n 个位形坐标构成系统的绝对坐标列阵 x，由于系统存在约束 0,,Φ）（txx ，所以这些位形坐标不是独立的。系统的动力学模型一般形式可表示为      0qΦ BλΦqA ）（t T q , 式中Φ 为约束方程的雅可比矩阵，λλ为拉格朗日乘子。绝对坐标法与相对坐标法 的特点基本相反，也就是方程的个数达到了最大，但约束方程的处理比较简单。求解微 分代数方程组的数值方法远没有纯微分方程组的初值问题成熟， 这类方程组固有的病 西安科技大学博士学位论文 8 态在数值计算中会产生诸如“违约” 、 “刚性”等许多困难。 上述不同类型的多刚体系统动力学模型形成了两种完全不同的数值处理方法， 在软 件的实现上也各不相同。 因此目前在多刚体系统领域存在相对坐标和绝对坐标两种相互 独立的计算多体系统的流派。 随着计算机软硬件技术的飞速发展，将经典力学原理与现代计算技术相结合，以形 成面向计算机的、程式化的高效率建模方法，是许多学者努力的方向。殷学纲在二十世 纪八十年代提出的“矩阵法”[23]，是平面多刚体系统建模的一个成功尝试。矩阵法属于 绝对坐标法，它采用刚体质心关于系统总体参考基的笛卡尔坐标来描述刚体的位置，用 刚体连体基关于系统参考基的一个转角来描述刚体的姿态， 且这个转角就是刚体转动的 “实坐标” ，也就是它的一阶导数是刚体转动的角速度，二阶导数是刚体转动的角加速 度。这样每个刚体就有 4 个位形坐标，对于有 n 个刚体的系统，这 4n 个位形坐标构 成系统的绝对坐标列阵 x，并选取各铰的相对坐标作为系统的广义坐标 q。对系统应用 牛顿－欧拉方程和虚功原理，同时考虑系统广义坐标 q 对绝对坐标 x 的约束关系，得到 纯微分方程形式的系统动力学方程组。 对于更一般的非平面多刚体系统，刚体转动的描述远没有平面系统那么简单。因为 刚体转动的角速度虽然在形式上可以写成ωπR， 但这个表达式是不可积的， 也就是π 只有坐标的形式而无物理意义，称为伪坐标。所以要使用欧拉角或卡尔丹角或欧拉四元 数作为刚体的绝对姿态坐标，它与系统广义坐标之间的约束关系比较复杂，且不便用较 程式化的公式表达，这也是绝对坐标法不容易得到纯微分方程组的一个原因。 目前在机械系统动力学分析中，使用最广泛的两大软件 ADAMS 和 DADS 就是采 用了绝对坐标法[23]。对刚体绝对姿态的描述，前者使用了欧拉角，后者采用了欧拉四元 数。 本文在进行运载车动力学仿真中使用的软件是俄罗斯布良斯克国立工业大学应用力 学实验室 Dmitry Pogorelov 教授主持开发的新一代多体运动学、动力学仿真软件 Universal Mechanism，简称 UM。UM 采用绝对坐标和欧拉角来表示多刚体的空间位置 和姿态。 1.3.3 轨道车辆动力学和运行安全性 运行于轨道上的车辆称为轨道车辆，是指轮轴上联结 2 个车轮，并将其放置在轨道 上行驶的车辆。显然煤矿救援机器人系统中的运载车的机械本体属于轨道车辆的范畴， 也是具有非完整约束的多体系统，其动力学涉及机器人运行的安全性、稳定性和曲线通 过能力。 轨道运输作为中长距离、大运量、快捷、安全、低耗、环保的运输形式，已经成为 交通运输体系中重要组成部分，在国民经济中占有非常重要的地位。轨道车辆在线路上 的运行安全性和平稳性是对轨道车辆的基本要求，要使车辆在轨道上运行时不颠覆、不 1 绪论 9 脱轨，又要具有一定的平稳性和舒适性，轨道车辆和轨道都应满足一定的要求。轨道车 辆的研究是一个大系统工程，涉及系统集成技术、车体技术、转向架技术、制动技术、 牵引传递技术、自动控制技术等多个方面。 美国、加拿大、澳大利亚、前苏联以及南非等国家对轨道车辆动力学进行了深入广 泛的研究，20 世纪 70 年代，在美国铁路协会的组织下，美国开始了轨道- 列车动力学研 究计划，主要研究了列车操纵