铰接式履带车预定路径行走控制研究.pdf

分类号 U DC 密级 编号 丰l 轫．大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 学科专业垫趟垫王王猩 研究生姓名邹盈塑 导师姓名及 专业技术职称奎左堑篮 原创性声明 I I I I1 [ I [ 1 [ II ] f l [ 1 llIII Y 19 1 4 4 0 8 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中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均已在论文中作了明确的说明。 作者签名剁 日期．鲨 1 年』月埘 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 摘要 铰接式履带车作为深海矿产资源采矿系统的关键设备之一，将行 走于海底海山上，由于海山地形复杂性和未知性，其在海底采矿行走 时极易偏离预定采矿路径，开发铰接式履带车按预定路径行走控制技 术对海洋采矿而言具有重要意义。本论文针对铰接式履带车预定路径 行走控制问题开展了深入研究。 本文建立了铰接式履带车虚拟样机，提出了以速度控制为内环和 以方位控制为外环的双环行走控制方案。 运用变论域模糊控制理论，设计了用于纠正车体方位偏差的自适 用模糊控制器，设计了折返式路径产生模块、速度分配模块和原地转 弯模块等，完成了铰接式履带车按预定路径行走机械．控制系统协同 仿真模型建立。 开展了铰接式履带车在越单边障碍、跟踪直线行走和按开采路径 行走等工况下按预定路径行走仿真，仿真结果表明，铰接式履带车在 遇到外界干扰而偏离预定路径时能快速修正偏差而按预定路径行走， 路径模块能够根据设定值产生预定路径，表明所建立的按预定路径控 制模型和算法是有效的。 利用L a b V I E W 软件平台，以铰接式履带车按预定路径行走仿真 控制模型为基础，开发了铰接式履带车自动行走控制系统软件，达到 了铰接式履带车按预定路径行走的目的，同时，开发了车体监控界面 软件，实现了铰接式履带车状态实时监控。 开展了铰接式履带车沙地直线行走、雪地越单边障碍直线行走等 实验，实验结果表明，铰接式履带车在外界干扰情况下可按预定路径 行走，表明所开发的按预定路径行走控制系统是行之有效的。 关键词铰接式履带车，预定路径，变论域模糊控制，P I D ，L a b V I E W A BS T R A C T A so n eo ft h ek e ye q u i p m e n to fd e e p - s e am i n i n g ，t h ea r t i c u l a t e d t r a c k e dv e h i c l ew i l lw a l ko nt h es e a b e dm o u n t a i n s ．B e c a u s et h es e a b e d m o u n t a i nt e r r a i ni sc o m p l e xa n du n k n o w n ，t h ev e h i c l ew i l ld e v i a t ef r o m t h ep r e s c r i b e dm i n i n gp a t hw h e ni tw a l k so nt h es e a b e d ．I nt h a tc a s e ，t o d e v e l o pt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo ft r a c k i n gp r e d e t e r m i n e dp a t hf o rt h e a r t i c u l a t e dt r a c k e dv e h i c l ei ss i g n i f i c a n c e ．I nt h i sp a p e raf u r t h e rs t u d yo f t h ea r t i c u l a t e dt r a c k e dv e h i c l et r a c k i n gp r e d e t e r m i n e dp a t hh a sb e e n c a r r i e do u t ． I nt h i sp a p e rav i r t u a lp r o t o t y p eo ft h ea r t i c u l a t e dt r a c k e dv e h i c l eh a s b e e nb u i l t ．Ad o u b l el o o pc o n t r o ls c h e m ew h i c hi n c l u d e sas p e e dc o n t r o l a si n s i d el o o pa n dao r i e n t a t i o nc o n t r o la so u t e rl o o pw a sd e s i g n e d ． U s i n gt h et h e o r yo ft h ev a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o l ，aa d a p t i v e f u z z yc o n t r o l l e r f o rc o r r e c tt h ev e h i c l e ’So r i e n t a t i o nd e v i a t i o nw a s d e s i g n e d ．A ne n f o l d e dc a v i t yp a t hg e n e r a t em o d u l e ，as p e e da s s i g n m o d u l ea n dap i v o ts t e e r i n gw a sd e s i g n e d ．A tl a s t ，am e c h a n i ca n dc o n t r o l s y s t e mC O s i m u l a t i o nh a sb e e nb u i l t ． S e v e r a ls i m u l a t i o n t r a c k i n gp r e s c r i b e d p a t hw o r ki nt h et y p i c a l e n v i r o n m e n ts u c ha sa c r o s ss i n g l ee d g e ，t r a c kl i n e ，w a l ka l o n gw i t ht h e p r e s c r i b em i n i n gp a t hw a sc a r d e do u t ．T h er e s u l to ft h e s es i m u l a t i o n s h o w s t h ea r t i c u l a t e dt r a c k e dv e h i c l eC a nc o r r e c tt h ed e v i a t i o nq u i c k l y a n dt r a c kt h ep r e s c r i b e dp a t hw h e nt h ed e v i a t ef r o mt h ep r e s c r i b e dp a t h b e c a u s ed i s t u r b a n c eo ft h ee n v i r o n m e n t ．T h em o d u l eo fg e n e r a t ep a t h m o d u l eC a np r o d u c et h ec o r r e c tp r e s c r i b e dp a t h ．I naw o r d ，t h ec o n t r o l m o d u l ea n dt h ec o n t r o la l g o r i t h ma r ee f f e c t i v e ． U s i n gt h eL a b V I E Ws o f t w a r ed e v e l o pp l a t f o r m ，aa u t oc o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h es i m u l a t i o nc o n t r o lm o d e lf o rt h ea r t i c u l a t e dt r a c k e d v e h i c l ew a sd e v e l o p e d ．T h es y s t e mc a nr e a l i z et h ev e h i c l e ’Sc o n t r o lo f t r a c k i n gp r e s c r i b e dp a t h ，a tt h es a m et i m e ，am o n i t o ri n t e r f a c ew a s d e s i g n e da n d r e a l i z et om o n i t o rt h es t a t eo ft h ev e h i c l eo n l i n e ． T h ev e h i c l e ’Sw a l k i n ge x p e r i m e n t ss u c ha st r a c k i n gl i n eo ns a n d l a n da n da c r o s ss i n g l ee d g ei ns n o wl a n dw e r ec a r r i e do u t ．T h er e s u l to f t h e s ee x p e r i m e n ts h o w s t h ec o n t r o ls y s t e mf o rt r a c kp r e s c r i b e dp a t hi s Ⅱ e f f e c t i v e ．I ts t i l lc a nt r a c kt h e p r e s c r i b e dp a t h w h e nt h ev e h i c l e e n c o u n t e r e dt h ed i s t u r b a n c eo fe n v i r o n m e n t ． K e yw o r d a r t i c u l a t e dt r a c k e dv e h i c l e ，t r a c k i n gp r e d e t e r m i n e dp a t h ， v a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o l ，P I D ，L a b V I E W I I I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目 录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I V 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．1 国外海底采矿车研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．2 国内深海采矿车研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．3 陆地铰接式履带车的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．4 预定路径行走控制研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．5 海底采矿车控制系统研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 1 ．4 ．1 虚拟仪器技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 1 ．4 ．2 虚拟样机及多学科协同仿真技术及其在深海采矿领域的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 ．5 研究意义及目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 1 ．6 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 第二章铰接式履带车行走控制方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。l5 2 ．1 总体技术指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．2 车体行走方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2 ．3 行走控制系统方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．1 行走控制系统技术要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．3 ．2 行走控制总体方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 7 2 ．3 ．3 按预定路径行走控制系统方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 第三章铰接式履带车按预定路径行走仿真控制系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．1 按预定路径行走仿真控制系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．1 ．1 铰接式履带车运动学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．1 ．2 按预定路径行走仿真控制系统模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．2 基于变论域理论的自适应模糊控制器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 3 ．2 ．1 变论域模糊控制理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯二⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 。2 变论域模糊控制器结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．3 模糊控制器I 设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．4 模糊控制器I I 设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．3 速度分配模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．4P I D 控制模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．1P I D 速度控制算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．2 铰接式履带车P 1 D 速度控制结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3l 3 ．5 惯性环节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．6 路径模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．7 纠偏模式选择模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 I V 3 ．8 原地转向模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 3 ．9 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 第四章铰接式履带乍机械．控制系统协同仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．1 多系统协同仿真原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．2 机械一控制系统仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 铰接式履带车按预定路径行走仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．3 ．1 跨越单边障碍仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 ．2 跟踪直线行走仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 ．3 按折返式预定路径行走仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 第五章铰接式履带车自动行走控制软件开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 9 5 ．1L a b V I E W 编程环境简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 铰接式履带车白动控制系统总体结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．3 底层F P G A 程序开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．4 数据通信子程序开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．5 手柄控制子程序开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．6 按预定路径行走控制程序开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 6 5 ．6 ．1 实时位置计算子程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．6 ．2 路径子程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．6 ．3 路径纠偏子程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．6 ．4P I D 控制模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．7 数据保存与监控界面程序开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 第六章行走实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 3 6 ．1 实验目的及主要实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 6 ．2 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 6 ．3P I D 参数的再整定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．4 沙地直线行走实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 6 ．4 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．4 ．2 实验场地⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 ．4 ．3 实验工具⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 ．4 ．4 实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 ．4 ．5 实验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．5 雪地跨单边障碍实验⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．5 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．5 ．2 实验条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．5 ．3 实验工具⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 ．5 ．4 实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 ．5 ．5 实验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 第七章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 l 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 致 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 V 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 前言 第一章绪论 随着经济的高速发展和科技的快速进步，人类对于矿产资源需求正变得越来 越迫切。由于长期的陆地资源开采以及陆地资源本身的特点，寻求一种替代资源 已经成为了人类的迫切需要。海洋资源因其固有特点富含量、品位高等使得 海洋矿产资源开发成为了目前人类寻求替代资源的一个重要方向【1 1 。 人类在继发现了多金属结核后又发现了一重要的海底矿产资源富钴结 壳，该种矿产资源除了含有M n ，F e ，N i ，C u 等常见种类金属外，还富含有以 C o 和n 为代表的各种稀有贵重金属，其中C o 的含量能够达到l ％以上，这种高 品位的矿产在陆地资源中是没有的【2 捌。人类对于富钴结壳的最终蕴含量还不是 很明确，但是从日美等发达国家的已有调查数据来看，富钴结壳广泛的分布于太 平洋、大西洋和印度洋，仅仅太平洋西部火山结构的潜在资源含量就可能达到 1 0 亿吨，按这个数字计算钴金属的含量就能达到数百万吨【4 】。从我国的实际勘探 结果来看，在我国的海洋专属经济区里也存在大量的富钴结壳，这些资源大多分 布在水深在1 0 0 0 - 2 5 0 0 m 的海山上【5 - ‘”。 海底多金属硫化物是人类发现的又一重要的海底矿产资源。美法等国在大洋 边缘、大陆和火山岛屿之间的海底、海盆和海山上进行了大范围的勘探。多金属 硫化物富含铜、锌、铁等常见金属，金、银、钴、镍、铂等贵金属的含量也很高， 其中金的含量高达2 3 0 克／吨，品味大大超过了陆地矿，被称为“海底金银库 ’， 这些都引起了世界各大国的浓厚兴趣。多金属硫化物因其主要分布在水深在 2 0 0 0 m 的大洋中脊和地层断裂段，赋存水深较浅、距离陆地较近，经济价值相对 较高，被公认为具有很好的开采价值和开采优势，近年来很多国际矿业巨头都参 与其中，其中以著名的鹦鹉螺矿业公司的进度最快，该公司认为海底多金属硫化 物的开采规模有望到达当地的石油钻探规模，并预期在2 0 0 9 年底在巴布亚新几 内亚北侧的俾斯麦进行海底硫化物的采矿作业【5 - 1 0 1 。 富钴结壳大多呈斑块状赋存于硬质基岩上，少数为不规则形状、块状、盘状、 板块和其他形状，其表面形式各异，从平滑、多空到瘤状，厚度以2 - 6 c m 不等， 在高富集区有的能够到达的厚度为2 0 c m 。这类富钴结壳主要集中分布在锥型的 海山以及海山的斜坡面，其地形坡度多数在1 0 ～3 5 度。多数的硫化物主要赋存在 水深较浅，距离陆地较近，矿体高度富集，由倒塌烟囱的松散料和重新熔合的硫 化物固体及沉积层组成，厚度可从几米到十几米⋯】。 我国人口众多，人均占有资源量远远低于世界的人均占有资源量，陆地上的 中南人学硕十学位论文第一章绪论 常用金属的储量远远不能够满足工业生产发展的需要【1 2 】。为了解决这一问题， 我国早在上世纪的7 0 年代末就开始进行大洋勘探，在8 0 年代对太平洋多金属结 核资源开展了多航次的地质勘探。在1 9 9 0 年4 月成立了“中国大洋矿产资源研 究开发协会”，这一协会代表我国政府参加海底区域的研究开发活动。1 9 9 1 年3 月，中国大洋协会在国际海底管理局和国际海洋法法庭筹备委员会登记注册，成 为继印度、苏联、法国和日本之后的第5 个国际海底开发先驱者，并获得了1 5 万平方公里的国家管辖范围外的国际海底区域，1 9 9 9 年在完成相关义务，中国 大洋协会与国际海底管理局签订了勘探合同，以合同的形式确定了我国在上 述区域拥有的7 ．5 万平方公里的专属勘探权和优先开采权的法律地位。这一系列 的举措为维护我们开发国际海底资源的权益和海底采矿事业的发展奠定了坚实 的基础【1 3 - l 引。 1 ．2 课题来源 本课题来源于国家高技术研究发展计划8 6 3 计划，课题名称为“海底富钴结 壳和多金属硫化物集矿机技术研究”。课题合同编号2 0 0 6 A A 0 9 2 2 3 2 。 1 ．3 国内外研究现状 1 ．3 ．1 国外海底采矿车研究现状 图1 - 1 美国O M C O 研制的采矿车图1 - 2 德国海底采矿车 在2 0 世纪七十年代开始，历经四十余年的研究，人类在深海采矿车方面积 累了很多开发经验，发展了多种有效的不同的行走方式。主要的代表形式有拖拽 式、阿基米德螺旋推进方式、螺旋桨推进式、履带式。其中拖拽式因为效率比较 低已经逐步被抛弃。 阿基米德螺旋推进方式以美国O M C O 研制的采矿车为典型代表，如图1 ．1 所示。该类采矿车在行走过程中螺旋叶片陷入海泥，依靠螺旋体的旋转产生的推 2 中南人学硕十学位论文第一章绪论 力前进后退。该类采矿车结构简单，海底通过性好，但是容易打滑、承载能力低、 功耗大、对海底环境的干扰也很大。该型采矿车早在1 9 7 8 年就在美国夏威夷以 南的海域进行了海试，并成功的收集到多金属结核【1 9 2 1 2 6 】。 德国锡根大学是研究海底采矿车较早的机构，他们于上世纪七十年代开始研 制海底采矿车。该车采用可摆动车架和支重轮在行走过程中能够很好的适应复杂 的地形，并在越障方面有出色的表现，如图1 2 所示。由于履带结构简单，渐丌线 行的履带在行走时犹如齿轮与齿条之间的啮合运动，对海底环境搅动比较小。该 型采矿车的履带车底盘被印度国家海洋技术研究所所采用，并在其基础上自行研 制开发了集矿头，并于1 9 9 9 年7 月开展了2 0 0 m 的浅海海试，并在2 0 0 6 年在印 度钦奈外海进行了5 1 5 m 水深海试，如图1 ．3 所示，采矿车长3 ．1 6 m ，宽2 ．9 5 m ， 作业行走速度为O ．5 m ／s 。最大行走速度为0 ．7 5 m ／s 。爬坡最大角度为8 ．5 。【2 3 - 2 5 】。 图1 - 3 印度海底采矿车图1 ．4 韩国海底采矿车 韩国也在海底采矿车的研究方面有出色的表现，研制了一台1 2 0 比例的自 行式多金属结合采矿车模型车，如图1 ．4 所示，并在2 0 0 8 年完成了室内试验。 该模型车在2 0 0 9 年6 月底进行了1 0 0 米海试，并取得成功1 2 0 之2 1 。 图1 - 5 美国富钴结壳采矿车图1 - 6 南非钻石采矿车 美国在1 9 9 5 年的“海洋工程及其环境“ 国际会议上提出了钴结壳采矿车的 设计方案和相关技术问题，该方案推荐如图1 ．5 所示的自行式采矿车作为海底采 矿车的优先考虑方案，该采矿车由八条履带驱动，多条履带的结构使得采矿车具 中南人学硕十学位论文第一章绪论 有更好的地形适应能力，设计行驶速度为0 ．2 m ／s ，作业功率为9 0 0 K W ，外形尺 寸为1 3 m 8 m ，在空间中的总重为1 0 0 t 。该采矿车装备有一个可以上下移动的机 械臂，在采集过程中可以携带6 个切割头进行上下移动以调整工作高度。钴结壳 由切割头破碎后水力收集器吸入到储存仓中，钴结壳矿石在采矿车中进行二次分 割及破碎，最终由气力提升方式经扬矿系统提升至母船【2 4 ．2 5 】。 南非钻石巨头D e B e e r s 早在上世纪九十年代就开始在南非和纳米比亚水深 几百米的海岸进行钻石开采，如图1 - 6 所示，该履带式采矿车只要安装上强度更 高的破碎头和扬矿系统就可以直接应用于深海采矿。 图l 一7 美国海底挖沟机图1 - 8s p i d e r 履带车 鹦鹉螺公司和加拿大采矿公司提出在开采多金属硫化物是利用如图1 ．7 所示 的履带式海底挖泥车作为开采设备【2 5 】。 海王星矿业公司在委托法国T E C H NI P 公司对新西兰的矿区完成的工程设 计报告中设计了两种不同的开采系统，并预计于2 0 1 1 年进行进行试开采。该公 司的开采设备选用挪威N e x a n s 公司生产的s p i d e r 履带车，如图1 ．8 所示，其工 作的正常深度可达1 5 0 0 m ，在车上装备有可视设备，使得该履带车能够在能见度 不高的地方仍然能够工作【2 5 】。 1 ．3 ．2 国内深海采矿车研究现状 从上世纪9 0 年代开始，我国开始结合本国的国情以及国外的研究现状开展 深海采矿集矿机模型机技术研究工作。长沙矿山研究院的一台用于多金属结核开 采的履带式采矿车模型于国家“八五’’期间完成，并进行了相关试验【2 7 2 9 】。如 图1 - 9 所示。该履带式采矿车模型采用电液比例控制，行走履带采用马达驱动， 近似渐开线高齿轮橡胶履带，运用双浮动悬架以及横向摆动梁。试验结果表明该 集矿机模型具有对海底环境的扰动小，具有很好的自洁性，承受负载能力很强， 机动性能优异，牵引能力强，能很好地适应海底行走环境。该模型机的参数为 自重8 吨，外形尺寸为4 ．6 r e X3 ．0 m x2 ．1 m ，速度为O - - l r n ／s 。该模型机于1 9 9 5 4 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 年进行了浅水试验，取得一系列的成果，但是也暴露了一些问题，比如在水下控 制系统仪表以及其他电缆相互缠绕扭曲严重，密水接头过多，主要依赖操作手观 测操作等薄弱的环节，为下一代的模型机研制奠定了基础【2 7 。0 1 。 图1 9 我国第一代海底采矿车图l - 1 0 我国第二代海底采矿车 我国的第二代采矿机由我国设计，与法国C e b y n e t i c 公司合作，于“九五“ 期间完成。如图1 ．1 0 ，为了增强集矿机在稀软底质上行走的可靠性和可行驶性， 第二代集矿机采用尖三角齿形特种合金履带系统；集矿头采用水力破碎式，进一 步提高了集矿机的集矿效率。该集矿机模型的研究重点在于集矿机控制和供电技嚣 术的研究，关键在于研究深海采矿各个子系统之间的相互联系以及相互协调工作 流程。该集矿机在2 0 0 1 年的云南抚仙湖的试验中表现优异，试验结果表明该集 矿机具有很好的牵引力，能够很好的适应海底环境，集矿效率很高，在1 3 0 m 深 的湖底模拟回收试验中回收模拟结核9 0 0 k g ，在当时实现了国际领先【3 1 ．3 3 1 。 “十五”期间，我国在海底采矿研究方面主要以虚拟仿真、路径规划以及行 走控制策略等方面的研究。龙江志等人运用A D A M S 虚拟样机技术建立了简化 后的浮游式采矿机器人，并对机器人在各种工况下受到软管作用力、前进推力、 纵倾角等干扰因素下的工作稳定性进行研究【3 4 1 。陈勇在深入分析深海采矿履带 式采矿车特点的基础上，对履带车的液压系统建立数学模型，并在此基础上考虑 海底采矿车在海底环境中行走的干扰因素并加入到数学模型中，最后开展海底采 矿车的自适应鲁棒路径跟踪控制【3 引。陈锋在研究海底采矿车路径控制时对海底 采矿车的液压系统进行了研究并建立了数学模型，利用M A T L A B 开展了采矿车 运动系统仿真研究，并以打滑率控制为基础研究了海底采矿车的路径跟踪控制系 统【3 6 1 。涂书柏通过对海底采矿车行走液压系统进行建模，开展了以模糊P I D 速 度控制为基础的海底采矿车主从式速度控制系统研究【3 7 1 。赵辉利用A D A M S ／A T V 和A D A M S ⅣI E W 建立了铰接式履带车虚拟样机模型，完成了样机模型在各种工 况下的运动仿真，实现了A D A M S ／A T V 和M A T L A B 的预定路径行走控制联合仿 真，为后续的铰接式履带车控制研究奠定了基础1 2 9 1 。周良利用A D A M S ／A T V 和 A D A M S ⅣI E W 软件设计了铰接式履带车的铰接式机构并完成了铰接式履带车 5 中南人学硕十学位论文第一章绪论 虚拟样机模型建模，利用该样机模型开展了各种典型工况下的运动过程仿真，获 得了铰接式履带车的各种极限工作能力以及在对应情况下各种主要部件的动力 学参数，为履带车模型机的研制提供了重要的参考【3 8 1 。李小飞利用A D A M S ／A T V 、 M A T L A B ／S I M U L I N K 、E A S Y 5 开展联合仿真，实现了仿真环境下的铰接式履带 车按预定路径行走控制【3 9 1 。双志建立了铰接式履带车的手动控制系统以及速度 模糊P I D 控制系统，验证了铰接式履带车卓越的运动性能以及速度控制系统的 有效性，铰接式履带车如图1 ．1 l 所示【4 0 1 。张敏设计了一种基于模糊神经网络理 论的纠偏控制器，利用该控制器实现了M A T L A B ／S I M U L I N K 和A D A M S ／A T V 联合仿真环境下的直线路径跟踪控制，并实现了以c o m p a c t r i o9 0 7 4 为主控制器 的硬件在环仿真，验证了M A T L A B ／S I M U L I N K 和L A B V I E W 软件之间的通信的 可行性【4 1 1 。 图1 - 1 1 铰接式履带车 1 ．3 ．3 陆地铰接式履带车的研究现状 瑞典是一个地形复杂的国家，山地雨水偏旺，低地湖泊沼泽较多。因而瑞典 陆军一直对作战或军用车辆的越野性能刻意强调。瑞典沃尔沃公司为了满足陆军 的这一要求，于1 9 6 1 年设计生产了铰接式履带车B V 2 0 2 ，如图1 ．1 1 所示。B V 2 0 2 有时也被称为全地形军用运输车，是一种能够在雪地、沼泽地、水淹地、沙漠地 执行任务的履带式后勤保障车辆。该车能够爬上2 5 度以上的雪道。它的主要特 点是结构可靠、轻便灵活、具有良好的机动性能和装载能力【4 2 4 3 1 。如图1 ．1 2 所 示，该车有前后两节履带式车厢，中间用万向轴连接而成，两节车厢有相同的副 车架，车身全部为焊接结构。履带车的发动机安装在前车，发动机的动力传输到 变速箱，变速箱与传动箱连接，由此经传动轴输入至两节车厢前段的主动轴。液 压转向机构全部安装在前车厢，通过转向机构前后车体能够发生相对角度4 0 度 得水平相对运动和垂直方向的相对运动。必要时能以最大1 8 0 m m 的行程上下相 6 中南人学硕士学位论文第一章绪论 对运动，转向连接处有两个高强度橡胶弹簧的阻尼装置。 图l - 1 2 瑞典B V 2 0 2 铰接式履带车图l - 1 3 瑞典B V 2 0 6 S 铰接式履带车 B V 2 0 6 为B V 2 0 2 的后续车型，该车的基本参数与B V 2 0 2 相似。用耐火玻璃 纤维增强塑料 G R P 匍J 成，采用双层结构，不但坚固耐用，比钢车厢轻，而且还 起防翻车作用。该车设计可以保证环境温度低于- 4 0 ℃时仍能启动，前后车厢内 均装有通风装置及热交换器，能保持车内温度L L P l , 界高3 0 ℃，并可起除雾器的 作用。此车具备两栖能力，在水上靠履带划水推进。由于B V 2 0 6 仅采用塑料车 厢故防护能力较弱，后来又在B V 2 0 6 的基础上开发了有钢铁装甲的B V 2 0 6 S ，如 图1 ．1 3 所示。后来瑞典又在B V 2 0 6 的基础上发展了“北欧海盗”系列铰接式履 带车【4 3 1 。 除了瑞典外，新加坡在2 0 0 0 年初就研制成功了“野马