中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 于欣 王隨平 張佳潔
摘 要：通過深入分析海底泥土力學(xué)特性，根據(jù)機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)特點和物理學(xué)原理，在進(jìn)行有利于簡化問題分析與研究的假設(shè)后，建立深海作業(yè)機(jī)器人的動力學(xué)模型和液壓驅(qū)動系統(tǒng)模型。分析了履帶防滑控制原理，揭示了滑轉(zhuǎn)率與附著條件的關(guān)系，綜合深海作業(yè)機(jī)器人模型建立了以滑轉(zhuǎn)率控制為目標(biāo)的防滑控制系統(tǒng)。利用趨近律方法削弱滑模變結(jié)構(gòu)控制固有的抖振現(xiàn)象。應(yīng)用基于附著系數(shù)和滑轉(zhuǎn)率曲線形狀的辨識方法可以通過馬達(dá)轉(zhuǎn)矩和履帶角加速度得到最佳滑轉(zhuǎn)率值。通過仿真結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的海底行走情況預(yù)測最佳滑轉(zhuǎn)率并將實際滑轉(zhuǎn)率控制在最佳值附近，同時驅(qū)動力矩的變化也比較平穩(wěn)，能夠保證深海機(jī)器人行走過程的安全性要求。
關(guān)鍵詞：深海作業(yè)機(jī)器人 防滑控制 滑模變結(jié)構(gòu) 滑轉(zhuǎn)率
1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液壓馬達(dá)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(qiáng)度較低，具有攪動流體特性、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(jī)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。基于上述問題，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觀測器的防滑控制系統(tǒng)。制動觀測器負(fù)責(zé)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(jī)器人，勢必要求人們對機(jī)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(jìn)人們對這些問題的認(rèn)識。
本文根據(jù)深海作業(yè)機(jī)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(jī)器人的力學(xué)模型，并根據(jù)機(jī)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(jī)器人防滑控制系統(tǒng)，并提出最佳滑轉(zhuǎn)率的辨識方法。基于MATLAB仿真平臺，對整個深海作業(yè)機(jī)器人防滑控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。[1]
2 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(dāng)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。
圖1 海泥變形過程示意圖
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