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、采集錳結核的智能履帶車(chē)輛，兩條履帶由安裝在后輪上的兩臺液壓馬達分別驅動(dòng)，用變量泵調節速度。我國采礦區位于太平洋中部，為典型的深海平原，其上覆蓋著(zhù)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(dòng)流體特性、塑性特性。如果深海作業(yè)機器人的行駛驅動(dòng)力與沉積物特性不匹配，將出現履帶過(guò)度打滑現象。為保證深海作業(yè)機器人的安全行走，應使行走驅動(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)機器人行走防滑控制技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，將提升深海采礦系統安全作業(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(dòng)觀(guān)測器的防滑控制系統。制動(dòng)觀(guān)測器負責評估車(chē)輪制動(dòng)力，側滑力和摩擦系數的變化。國內相關(guān)研究，劉志新、張大衛、李幼德[3]建立了四輪驅動(dòng)汽車(chē)加速過(guò)程的數學(xué)模型，以滑轉率為調節對象，提出一種基于模糊pid控制的驅動(dòng)防滑控制asr算法。目前國內外對履帶車(chē)輛防滑控制相關(guān)技術(shù)尚處于起步階段，對復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(jìn)人們對這些問(wèn)題的認識。

本文根據深海作業(yè)機器人行走的特點(diǎn)和海底環(huán)境的特點(diǎn)，建立了深海作業(yè)機器人的力學(xué)模型，并根據機器人驅動(dòng)系統的結構和特點(diǎn)建立了液壓系統模型，設計了機器人防滑控制系統，并提出最佳滑轉率的辨識方法?；趍atlab仿真平臺，對整個(gè)深海作業(yè)機器人防滑控制系統進(jìn)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(xiàn)變形階段(壓密階段)：當履帶對海泥的壓載小于臨界荷載時(shí)，海泥被壓緊，地面能夠表現為彈性狀態(tài)。如圖1示，a點(diǎn)之前。

局部剪切階段(開(kāi)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(shí)，海泥出現塑性變形，隨著(zhù)壓力的增大，塑性變形區逐漸擴大。如圖1示，a點(diǎn)與b點(diǎn)之間。

完全破壞階段(塑性變形區連成連續的滑動(dòng)面)：當壓力繼續增大，超過(guò)海泥的極限承載力，塑性變形區連成連續的滑動(dòng)面，海泥被擠出來(lái)。如圖1示，超過(guò)“b”點(diǎn)后，應力增加一微小量，應變便顯著(zhù)增加。這種顯著(zhù)增加的應變，構成塑性流動(dòng)。塑性流動(dòng)以前的狀態(tài)，通常稱(chēng)為塑性平衡狀態(tài)。從塑性平衡狀態(tài)轉變?yōu)樗苄粤鲃?dòng)狀態(tài)，表示物質(zhì)被破壞。

由以上分析可知，深海機器人應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，為了預測車(chē)輛的牽引力和滑轉率，需要了解地面的剪切應力和剪切變形之間的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系可由剪切試驗來(lái)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)測定我國礦區內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，m；j－剪切位移，m。kr－殘余剪切應力與最大剪切應力比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 比例閥傳遞函數框圖

深海作業(yè)機器人模型

(1)深海作業(yè)機器人動(dòng)力學(xué)模型

設機器車(chē)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(chē)直線(xiàn)運行時(shí)，得單履帶車(chē)體模型：

(2)

(3)

式中，m－深海機器人單側模型質(zhì)量，kg；j－履帶驅動(dòng)輪相對于轉軸的轉動(dòng)慣量，kg·m2；ω－履帶的轉動(dòng)角速度，rad/s；fxl－履帶與海底地面間的附著(zhù)力，n；fyl－履帶的壓實(shí)阻力，n；ftl－履帶的推土阻力，n；fw－深海機器人海水阻力，n；tml－左履帶馬達驅動(dòng)力矩，n·m；r－驅動(dòng)有效半徑，m。

(2)液壓傳動(dòng)系統模型

在機器車(chē)行駛系統中采用變量泵－定量馬達的容積調速回路。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(pán)傾角的方式改變柱塞泵的排量，從而實(shí)現液壓系統的流量控制。電液比例方向閥數學(xué)模型，采用電－機械轉換元件直接驅動(dòng)閥芯運動(dòng)，從而將輸入電壓信號u轉變?yōu)殚y芯的位移量xv。