深海底機(jī)器人行走防滑控制

引言

深海作業(yè)機(jī)器人是一種在水深5000～6000米的海底沉積物上行走、采集錳結(jié)核的智能履帶車輛，兩條履帶由安裝在后輪上的兩臺(tái)液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，用變量泵調(diào)節(jié)速度。我國(guó)采礦區(qū)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(zhì)，剪切強(qiáng)度較低，具有攪動(dòng)流體特性、塑性特性。如果深海作業(yè)機(jī)器人的行駛驅(qū)動(dòng)力與沉積物特性不匹配，將出現(xiàn)履帶過(guò)度打滑現(xiàn)象。為保證深海作業(yè)機(jī)器人的安全行走，應(yīng)使行走驅(qū)動(dòng)力適合沉積物特性的變化?；谏鲜鰡?wèn)題，深海履帶式作業(yè)機(jī)器人行走防滑控制技術(shù)的研究開發(fā)，將提升深海采礦系統(tǒng)安全作業(yè)水平。

國(guó)外機(jī)器人行走防滑技術(shù)的相關(guān)研究，daegun hong和paljoo yoon[2]提出了一種基于制動(dòng)觀測(cè)器的防滑控制系統(tǒng)。制動(dòng)觀測(cè)器負(fù)責(zé)評(píng)估車輪制動(dòng)力，側(cè)滑力和摩擦系數(shù)的變化。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究，劉志新、張大衛(wèi)、李幼德[3]建立了四輪驅(qū)動(dòng)汽車加速過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，以滑轉(zhuǎn)率為調(diào)節(jié)對(duì)象，提出一種基于模糊pid控制的驅(qū)動(dòng)防滑控制asr算法。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)履帶車輛防滑控制相關(guān)技術(shù)尚處于起步階段，對(duì)復(fù)雜地形下的深海作業(yè)機(jī)器人，勢(shì)必要求人們對(duì)機(jī)器人與地面相互作用特性，行駛底質(zhì)識(shí)別以及防滑控制做更深入的研究，也必將促進(jìn)人們對(duì)這些問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。

本文根據(jù)深海作業(yè)機(jī)器人行走的特點(diǎn)和海底環(huán)境的特點(diǎn)，建立了深海作業(yè)機(jī)器人的力學(xué)模型，并根據(jù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)建立了液壓系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了機(jī)器人防滑控制系統(tǒng)，并提出最佳滑轉(zhuǎn)率的辨識(shí)方法?；趍atlab仿真平臺(tái)，對(duì)整個(gè)深海作業(yè)機(jī)器人防滑控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。



深海作業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境特性研究

(1)海泥土力學(xué)特性

深海作業(yè)機(jī)器人履帶與海泥的作用十分復(fù)雜，圖1為典型的海泥沉積物變形過(guò)程示意圖，s為海泥應(yīng)變，p為海泥所受壓力。海泥受壓時(shí)的破壞可分為三個(gè)過(guò)程[4]：

直線變形階段(壓密階段)：當(dāng)履帶對(duì)海泥的壓載小于臨界荷載時(shí)，海泥被壓緊，地面能夠表現(xiàn)為彈性狀態(tài)。如圖1示，a點(diǎn)之前。

局部剪切階段(開始塑性變形)：當(dāng)履帶對(duì)海泥的壓載大于臨界荷載而小于海泥的極限承載力時(shí)，海泥出現(xiàn)塑性變形，隨著壓力的增大，塑性變形區(qū)逐漸擴(kuò)大。如圖1示，a點(diǎn)與b點(diǎn)之間。

完全破壞階段(塑性變形區(qū)連成連續(xù)的滑動(dòng)面)：當(dāng)壓力繼續(xù)增大，超過(guò)海泥的極限承載力，塑性變形區(qū)連成連續(xù)的滑動(dòng)面，海泥被擠出來(lái)。如圖1示，超過(guò)“b”點(diǎn)后，應(yīng)力增加一微小量，應(yīng)變便顯著增加。這種顯著增加的應(yīng)變，構(gòu)成塑性流動(dòng)。塑性流動(dòng)以前的狀態(tài)，通常稱為塑性平衡狀態(tài)。從塑性平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤鲃?dòng)狀態(tài)，表示物質(zhì)被破壞。

由以上分析可知，深海機(jī)器人應(yīng)該工作在局部剪切階段才能較好的利用海泥提供的牽引力行走。

(2)履帶－海泥相互作用

當(dāng)驅(qū)動(dòng)履帶，在接觸面的地面上產(chǎn)生剪切作用。如圖2所示，為了預(yù)測(cè)車輛的牽引力和滑轉(zhuǎn)率，需要了解地面的剪切應(yīng)力和剪切變形之間的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系可由剪切試驗(yàn)來(lái)確定。在剪切試驗(yàn)中可用剪切板代替履帶刺的剪切作用。

經(jīng)測(cè)定我國(guó)礦區(qū)內(nèi)的海泥剪切特性存在明顯大于0的殘余剪切力。wong提出以下公式來(lái)表示改型土壤：

(1)

式中，k－水平剪切變形模數(shù)，m；j－剪切位移，m。kr－殘余剪切應(yīng)力與最大剪切應(yīng)力比r/max。



圖1 海泥變形過(guò)程示意圖



圖2 履帶的剪切作用



圖3 比例閥傳遞函數(shù)框圖

深海作業(yè)機(jī)器人模型

(1)深海作業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型

設(shè)機(jī)器車重心和幾何中心重合，接地段的土壤特性為各向同性，履帶接地段的負(fù)荷和土壤分布為均勻分布。

當(dāng)機(jī)器車直線運(yùn)行時(shí)，得單履帶車體模型：

(2)

(3)

式中，m－深海機(jī)器人單側(cè)模型質(zhì)量，kg；j－履帶驅(qū)動(dòng)輪相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ω－履帶的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；fxl－履帶與海底地面間的附著力，n；fyl－履帶的壓實(shí)阻力，n；ftl－履帶的推土阻力，n；fw－深海機(jī)器人海水阻力，n；tml－左履帶馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩，n·m；r－驅(qū)動(dòng)有效半徑，m。

(2)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)模型

在機(jī)器車行駛系統(tǒng)中采用變量泵－定量馬達(dá)的容積調(diào)速回路。其中，電控變量泵由電液比例方向閥控制液壓缸改變柱塞泵斜盤傾角的方式改變柱塞泵的排量，從而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的流量控制。電液比例方向閥數(shù)學(xué)模型，采用電－機(jī)械轉(zhuǎn)換元件直接驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，從而將輸入電壓信號(hào)u轉(zhuǎn)變?yōu)殚y芯的位移量xv。