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深海集矿车速度控制与轨迹跟踪设计及实现 ① 黄瑞铭1，2， 李翔晟1 （1.中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410004； 2.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012） 摘 要 对履带式集矿车进行了速度控制与轨迹跟踪系统设计，针对左右两边履带在相同输出情况下速度不一致现象，运用模糊 控制调整左右履带速度差。 根据长基线水声定位系统的原理设计实验室水池定位系统，在进行水下试验时实现对集矿车的精确定 位与轨迹跟踪。 实车水下试验结果证实，速度测量精确且稳定，加入模糊控制后左右履带速度达到平衡；水池定位系统可实现对集 矿车的轨迹跟踪，行走轨迹表明集矿车可在水底自动直线行走，为集矿系统进行海试提供了基础保障。 关键词 深海采矿； 集矿车； 模糊控制； 水声定位； 水下试验 中图分类号 P754文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2019.03.005 文章编号 0253-6099（2019）03-0020-05 Design and Test of Speed Control and Trajectory Tracking for Deep-sea Mining Vehicle HUANG Rui-ming1，2， LI Xiang-sheng1 （1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， Hunan， China； 2.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co Ltd， Changsha 410012， Hunan， China） Abstract A speed control and trajectory tracking system was designed for the newly developed caterpillar-type mining vehicle. Due to the speed difference between the left and right tracks with the same output value set in the system， the speed of caterpillar was adjusted by the fuzzy control. According to the principle of long baseline acoustic positioning system， a laboratory pool location system was designed to achieve precise location and trajectory tracking of the mining vehicle during the underwater test. The field test results showed that the velocity measurement was accurate and stable， and the speed of the left and right track reached the balance after the fuzzy control. It is concluded that the pool positioning system can track the trajectory of the mining vehicle， and the running trajectory indicates that the mining vehicle automatically can run straight at the bottom of the pool， which can provide a basic guarantee for the sea trial of the mining system. Key words deep-sea mining； deep-sea mining vehicle； fuzzy control； acoustic positioning system； underwater test 深海采矿系统由海底履带自行水力集矿机、水力 管道矿浆泵、海面采矿船等组成[1]，集矿机工作在水 深 500～6 000 m 的稀软海底，采用履带式行走机构，左 右履带分别由两个液压马达驱动，集矿车底部采用船 体流线型设计，可以避免在稀软底质上行走时下陷过 大，集矿头采用纯水力式设计，便于进行海底多金属结 核的收集[2-3]。 遥控潜水器（ROV）的智能化与信息化是当今水 下机器设备的发展趋势，集矿车作为一种在深海复杂 工况下运行的综合性设备，对其进行速度测控与轨迹 跟踪具有实际意义。 “八五”期间我国自行研制了一 台自行式水力集矿机，验证了我国自行式集矿机的可 行性[4]；“九五”期间我国与法国合作，研制了一台集 矿车样机，并进行了 130 m 水深湖试，实现了集矿车速 度控制与定位[5]。 限于当时的技术条件，对集矿机传 感器与执行机构的测量较多，控制却较少，可实现设备 的定位却无法进行实时轨迹跟踪[6]。 随着资源消耗与产能增加，深海多金属结核已具 备商业开采价值，针对最新研制的集矿车系统，设计速 度精确测控系统，运用模糊控制算法进行自动控制，设 计水池定位系统，进行集矿车水池行走试验，验证以上 设计的合理性与可靠性。 ①收稿日期 2018-12-19 基金项目 多金属结核集矿及导航定位系统研制（DY125-14-T-03） 作者简介 黄瑞铭（1992-），男，湖南益阳人，硕士研究生，主要研究方向为多金属集矿系统研制。 第 39 卷第 3 期 2019 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №3 June 2019 万方数据 1 测控系统硬件设计 集矿车本体部分已预先设计安装完毕，由于整个 集矿车系统过于复杂，涉及的软硬件系统众多，这里只 介绍与速度测量相关的硬件设计部分。 它主要分为车 载测控部分与水面测控部分。 车载测控部分包括转速 传感器、NI CompactRIO 控制器及机箱、NI-9245 数字 量输入模块、水下耐压电子仓等；水面测控部分包括 NI PXIe-1062Q 机箱、NI PXIe-8108 控制器以及相关 板卡，主控计算机与监控计算机等。 转速传感器（接近开关）产生脉冲信号通过数字 量输入模块 NI9245 调理成高低电平输出，经过下位机 控制器处理后，由光端机转换成光信号传输到上位机 控制器，主控计算机运行测速程序，通过人机界面显示 速度计算值。 2 测控系统软件设计 2.1 集矿车测控系统软件组成 集矿车是一台大型的处于试验阶段的深水自行走 作业设备，其测量和控制要求比较特殊，其可靠性、稳定 性、实时性要求较高，而且还需要有较强的运行复杂控 制算法能力和便于修改维护的要求，因此需要针对集矿 车测控特点和要求，自行开发集矿车的测控和监控软件。 本文采用 Labview 开发集矿车监控程序，以充分 利用其快速开发设计丰富的软件工具包的优势，整个 集矿车测控系统的软件包括 Windows 操作系统、实时 操作系统、软件开发工具 Labview、各板卡的驱动程序 以及自行开发的监控、测控软件和数据处理软件等。 集矿车软件组成如图 1 所示。 图 1 测速软件系统组成 采用 Labview 2016 开发平台对集矿车上测控站和 水面监控中心的主控计算机运行实时操作系统进行测 控软件开发，监控计算机运行 Windows 通用操作系统， 采用 Labview 2016 和 Visual Studio 2012 开发平台进行 监控人机界面开发。 在软件设计过程中，采用模块化 设计，尽可能利用经过验证的成熟的工具包和控件，充 分考虑软件的容错性，进行测试，避免出现重大缺陷导 致软件异常。 由于履带转速较低，程序中使用转速测 量 M 法来计算转速值，再通过简单的计算公式转化为 直线行走速度，图 2 为左履带测速子模块的程序框图， 右履带测速程序与前者完全一致。 图 3 为正在运行中 的人机界面。 从图 3 可以看到，左右履带同时给定一 个模拟输出值 4 V，其中左履带速度 0.53 m／ s，右履带 速度 0.64 m／ s，两者并不一致，拟加入模糊控制来解决 这一问题。 图 2 测量左履带速度子模块程序框图 图 3 测控系统人机界面 2.2 模糊控制设计 由于集矿车左右两边履带张紧力、摩擦阻力、液压 马达驱动力等不完全一致，导致在系统给出一个相同 输出的情况下两边履带实际速度也不一致。 为了使履 带实现自动直线行走，加入模糊控制来实现左右履带 速度平衡，这里用到了 Labview 2016 软件中自带的模 糊系统设计器控件，其步骤为创建语言变量、创建模糊 规则集、去模糊化、测试模糊系统[7-8]。 2.2.1 语言变量与隶属函数选择 首先，在模糊系统设计器创建输入、输出语言变 12第 3 期黄瑞铭等 深海集矿车速度控制与轨迹跟踪设计及实现 万方数据 量，设计中在主控计算机输入集矿车目标速度，根据传 感器测量得到的实测速度，两者进行对比，最终确定左 右履带的模拟量输出值。 该系统中，输入变量目标速 度的模糊子集分为 5 档，记为很慢（NB）、慢（NS）、中 （ZO）、快（PS）和很快（PB），其论域为｛0，0.25，0.5， 0.75，1｝；输入变量实测速度的模糊子集分为 7 档，记为 很慢（NL）、慢（NM）、较慢（NS）、中（ZE）、较快（PS）、 快（PM）和很快（PL），其论域为｛0，0.2，0.4，0.55，0.7， 0.85，1｝；输出变量模拟输出值取 5 个模糊量，记为 零（ZO）、小（S）、中（M）、大（B）和很大（VB），其论域 为｛1，2，3，4，5｝。 因集矿车设计最高速度为 1 m／ s，故输入变量目 标速度与实测速度二者在速度为 0 和 1 时都为完全隶 属关系，采用梯形隶属函数，其余中间速度经模糊化后 都为部分隶属关系，采用三角形隶属函数，模糊设计界 面见图 4。 图 4 模糊系统设计器界面 2.2.2 模糊规则与去模糊化 经过对集矿车目标速度与实测速度进行对比，如 实测速度小于目标速度，则增加模拟量输出值；实测速 度大于目标速度，则减少模拟量输出值；实测速度与目 标速度接近，则保持当前模拟量输出值。 结合集矿车 液压系统实际输出特性，集矿车履带不能进行瞬间提 速和降速，需给定一个中间值进行缓慢提速与降速，如 当目标速度为很快（PB） 时，此时实测速度为很慢 （NL），不能直接将模拟量输出值给定为很大（VB），需 给定中（M）让集矿车缓慢提速。 根据以上原则，集矿 车履带速度模糊控制规则集总计 35 条，如表 1 所示。 去模糊化方法采用面积中心（CoA）（也称重心法， CoG），面积中心去模糊化方法可有效计算多个输出语 言项之间的最佳折衷。 模糊控制器计算输出变量范围 内换算后的隶属函数面积，然后经由模糊逻辑控制器 使用式（1）计算该面积的几何中心 表 1 模糊控制规则集 模拟 输出值 目标速度 NBNSZOPSPB 实 测 速 度 NLZOZOSSM NMZOSMMB NSZOSMBB ZEZOSMBVB PSSSMBVB PMSMBVBVB PLMMBVBVB CoA ＝ ∫ xmax xmin f（x）xdx ∫ xmax xmin f（x）dx （1） 式中 CoA 为面积中心；x 是语言变量的值，xmax和 xmin分 别表示语言变量的范围。 3 试验验证与分析 3.1 速度测量设计与实现 设计中采用的测速传感器为非接触式接近开关， 其原理为电感式，其模式为 PNP 常闭型[9]。 该传感器 无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并 且低功耗、长寿命，可使用在各种恶劣条件下。 为得到 更为精确的速度测量值，这里采用 2 组 4 个接近开关， 左右履带分别 2 个，其中 1 个安装在驱动齿轮轮毂的 轴向位置距离轮毂 3 mm，齿轮轮毂加工 8 个圆孔，即 齿轮转动 1 周接近开关输出 8 个脉冲信号；另一个安 装在驱动齿轮法向位置，距离齿顶 3 mm，齿轮开有 32 个齿，即齿轮转动一周输出 32 个脉冲信号。 两个接近 开关同时工作，以得到更为准确的速度值，测速结构原 理见图 5。 3.2 轨迹跟踪设计与实现 3.2.1 水声定位系统组成 采集行走试验场水声定位系统由水听器升降基 座、指向性水听器、前置放大器、水密电缆及水密插头 组件、信号处理机、显控工业控制计算机、UPS 电源以 及信标（发射机）等组成[10]。 水听器升降底座可保证 水听器与信标发射换能器处于同一水平面，信标发出 水声脉冲信号，传送至位于采集行走试验场工房内的 定位设备机柜，由信号处理设备进行信号调理（放大、 滤波、TVGC 等），处理后得到各个水听器接收水声信 号的传播时延，经显控主机解算出信标位置坐标，并经 过有效的轨迹滤波处理算法，得到信标即集矿车的行 走轨迹，最终通过通信接口返回集矿车行走控制设备， 实现闭环控制。 试验场平面图如图 6 所示。 22矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 图 5 测速结构原理图 图 6 水声定位系统采集行走试验场平面布置图 3.2.2 定位方案与原理 位于采集行走场地四个角的 4 个水听器构成如图 7 所示的直角坐标系。 信标（集矿车）在坐标系内的位 置为（x，y），基阵孔径为 l d ，声速为 C，信标水声脉 冲信号传播到各水听器的时间分别为 T0、T1、T2、T3， 则有 x2 ＋ y 2 ＝ （CT0）2 （2） （x - d） 2 ＋ y 2 ＝ （CT1）2 （3） x2＋ （y - l） 2 ＝ （CT2）2 （4） （x - d） 2 ＋ （y - l）2＝ （CT3） 2 （5） 令 T0＝ T、T1＝ T ＋ t1、T2＝ T ＋ t2、T3＝ T ＋ t3，可得 T ＝ t12 ＋ t 2 2 ＋ t 3 2 2（t3 - t 2 - t 1） （6） x ＝ d 2 - C2t12 2d - C2t1 d t12 ＋ t 2 2 ＋ t 3 2 2（t3 - t 2 - t 1） （7） y ＝ l 2 - C2t22 2l - C2t2 l t12 ＋ t 2 2 - t 3 2 2（t3 - t 2 - t 1） （8） 式（7） ～（8）即为非同步信标的双曲定位公式。 ● ● ● ● ● d,0 d, l x, y 0, l 0,0 T2 T1 T0 T3 x y 图 7 定位方案与原理 3.3 试验过程与结果 3.3.1 未加模糊控制算法前水下试验 集矿车布放下水，进行实验室水池的行走试验，同 时开启水声定位系统，运行水深定位系统软件，即可实 时跟踪集矿车的行走轨迹。 通过多次试验得到的可以使集矿车接近直线行走 的系统输出为左履带 4 V，右履带 3.2 V，有且仅有这 一对值可使集矿车接近直线行走。 故在未加入模糊控 制算法前，系统给定左履带输出4 V，右履带输出3.2 V， 集矿车速度为 0.53～0.55 m／ s，集矿车轨迹跟踪界面如 图 9 所示，由控制台手柄操作转弯。 可以看出，集矿车 在测控系统与手柄联合操作下可完成直线行走、转弯 等操作。 但仔细观察轨迹图可发现，集矿车行走过程 中左右波动较大，整个行走轨迹中呈现多段小幅度弯 曲的现象，不能达到海试精确控制的要求。 图 8 未加入模糊控制算法前的轨迹跟踪 3.3.2 加入模糊控制算法后水下试验 将模糊控制策略加入测控程序后，连续进行了 5 次 水下试验，试验过程中设定集矿车目标速度 0.5 m／ s，集 矿车转弯为人工操作，设定一边履带速度 0.1 m／ s，另 32第 3 期黄瑞铭等 深海集矿车速度控制与轨迹跟踪设计及实现 万方数据 一边速度 0.5 m／ s，轨迹跟踪界面如图 9 所示。 可以看 到加入模糊控制后，集矿车可完全按直线行走，转弯迅 速且转弯后轨迹依然为直线，经过一个长距离的螺旋 式行走后，集矿车仍稳定保持直线行走。 图 9 加入模糊控制算法后的轨迹跟踪 4 结 论 1） 设计了集矿车的测速系统与软件支持系统，成 功实现了对集矿车左右履带速度的精准测控与控制， 在水下长时间工作稳定，性能可靠。 2） 根据集矿车左右履带速度不平衡的问题，加入 模糊控制算法；根据长基线水声定位系统，设计了实验 室水声定位系统，并实现了对集矿车的精确定位与轨 迹跟踪。 3） 集矿车水下行走试验结果表明，加入模糊控制 算法后，集矿车左右履带速度可自动调整平衡，在目标 速度下可自行直线行走与转弯，验证了测控系统与水 声定位系统的可行性与可靠性，为集矿车进行海试打 下坚实的基础。 同时，履带打滑和集矿车智能控制还 有待进一步研究。 参考文献 [1] 金 星，唐红平. 面向海试的多金属结核集矿系统研制与集成详 细技术设计[R]. 长沙长沙矿冶研究院有限责任公司， 2017. 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