深海底機器人行走防滑控制

引言

深海作業(yè)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(jié)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(qū)動，用變量泵調(diào)節(jié)速度。我國采礦區(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)，剪切強度較低，具有攪動流體特性、塑性特性。如果深海作業(yè)機器人的行駛驅(qū)動力與沉積物特性不匹配，將出現(xiàn)履帶過度打滑現(xiàn)象。為保證深海作業(yè)機器人的安全行走，應(yīng)使行走驅(qū)動力適合沉積物特性的變化?；谏鲜鰡栴}，深海履帶式作業(yè)機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。

國外機器人行走防滑技術(shù)的相關(guān)研究，daegun hong和paljoo yoon[2]提出了一種基于制動觀測器的防滑控制系統(tǒng)。制動觀測器負責評估車輪制動力，側(cè)滑力和摩擦系數(shù)的變化。國內(nèi)相關(guān)研究，劉志新、張大衛(wèi)、李幼德[3]建立了四輪驅(qū)動汽車加速過程的數(shù)學(xué)模型，以滑轉(zhuǎn)率為調(diào)節(jié)對象，提出一種基于模糊pid控制的驅(qū)動防滑控制asr算法。目前國內(nèi)外對履帶車輛防滑控制相關(guān)技術(shù)尚處于起步階段，對復(fù)雜地形下的深海作業(yè)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(zhì)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(jù)深海作業(yè)機器人行走的特點和海底環(huán)境的特點，建立了深海作業(yè)機器人的力學(xué)模型，并根據(jù)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點建立了液壓系統(tǒng)模型，設(shè)計了機器人防滑控制系統(tǒng)，并提出最佳滑轉(zhuǎn)率的辨識方法?；趍atlab仿真平臺，對整個深海作業(yè)機器人防滑控制系統(tǒng)進行仿真。



深海作業(yè)機器人工作環(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程示意圖，s為海泥應(yīng)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(xiàn)為彈性狀態(tài)。如圖1示，a點之前。

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

完全破壞階段(塑性變形區(qū)連成連續(xù)的滑動面)：當壓力繼續(xù)增大，超過海泥的極限承載力，塑性變形區(qū)連成連續(xù)的滑動面，海泥被擠出來。如圖1示，超過“b”點后，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。塑性流動以前的狀態(tài)，通常稱為塑性平衡狀態(tài)。從塑性平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤鲃訝顟B(tài)，表示物質(zhì)被破壞。

由以上分析可知，深海機器人應(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

當驅(qū)動履帶，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。這個關(guān)系可由剪切試驗來確定。在剪切試驗中可用剪切板代替履帶刺的剪切作用。

經(jīng)測定我國礦區(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)機器人模型

(1)深海作業(yè)機器人動力學(xué)模型

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

當機器車直線運行時，得單履帶車體模型：

(2)

(3)

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

(2)液壓傳動系統(tǒng)模型

在機器車行駛系統(tǒng)中采用變量泵－定量馬達的容積調(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－機械轉(zhuǎn)換元件直接驅(qū)動閥芯運動，從而將輸入電壓信號u轉(zhuǎn)變?yōu)殚y芯的位移量xv。