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履带采矿车海底斜坡地形转向控制算法研究

作　者: 张海宁
导　师: 王随平
学　校: 中南大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 深海采矿车海底斜坡转向转向模型最优控制
分类号: U469.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

深海底采矿车工作于6000米深的海底环境中,海底极稀软底质和各种扰动的存在对采矿车的行走控制起着很大的影响。设计合理的控制算法对于提高采矿车的行走性能起着关键作用,特别是当采矿车行驶于海底坡度地形时,对采矿车转向策略、转向行走控制参数的优化则更为重要。因此,针对采矿车转向控制技术的研究对于提高海底采矿车的控制精度、采矿效率以及安全作业有着重要意义。采矿车在海底斜坡上行走作业时的转向控制受诸多参数制约,我国矿区的海底海泥力学性质、采矿车海底斜坡坡度、采矿车转向方式与坡度相对关系、转向速度和角度、斜坡走向、采矿车打滑率、采矿车电液驱动装置、海底沉积物特性以及未知扰动等因素对采矿车转向过程和转向驱动方式均产生多参数耦合的作用。通过分析转向过程中采矿车与海底底质的作用力关系,建立了采矿车在海底斜坡转向的运动学模型,设计了以最优控制器为核心的转向控制系统。转向控制系统考虑了在采矿车斜坡上转向行走的打滑和扰动等因素,提高了转向过程中对轨迹跟踪的控制精度,保证了采矿车的安全行走作业。运用MATLAB/Simulink平台,给定不同转向方式的预定轨迹和斜坡坡度,对转向控制器进行了仿真研究。考虑到海底强烈的扰动和履带打滑因素,在仿真中加入了随机干扰,仿真结果验证了所设计的转向控制算法的有效性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章绪论  8-17
  1.1 课题来源  8-9
  1.2 深海采矿工艺流程  9-10
  1.3 深海采矿车转向控制系统的研究意义  10-11
  1.4 深海采矿车转向控制系统的国内外研究现状  11-13
  1.5 机器人行走最优控制的研究现状  13-16
  1.6 本文的主要研究内容  16-17
第二章深海底采矿车斜坡转向行走特性研究  17-27
  2.1 深海底采矿车在斜坡转向的行走特征  17-21
    2.1.1 我国海底矿区水文及海底沉积物特性  17-18
    2.1.2 海底采矿车斜坡转向中与地面相互作用力学  18-21
  2.2 深海底采矿车斜坡转向中牵引力与阻力研究  21-23
    2.2.1 采矿车在转向中的牵引力  21-22
    2.2.2 采矿车在转向中的阻力  22-23
  2.3 深海底采矿车斜坡转向行走的控制要求  23-26
    2.3.1 深海底采矿车斜坡行走的纵向稳定性  24-25
    2.3.2 深海底采矿车斜坡行走的横向稳定性  25-26
  2.4 小结  26-27
第三章深海底采矿车斜坡转向运动建模研究  27-37
  3.1 采矿车斜坡转向过程动力学特性研究  27-30
    3.1.1 采矿车斜坡转向过程分析  27-28
    3.1.2 采矿车转向运动方程  28-30
    3.1.3 采矿车的转动惯量与转向动力矩  30
  3.2 采矿车斜坡转向动力学建模  30-36
    3.2.1 上坡转向  30-33
    3.2.2 下坡转向  33
    3.2.3 在纯侧坡向坡上转向  33-36
  3.3 小结  36-37
第四章深海底采矿车斜坡转向控制算法研究与仿真  37-64
  4.1 深海底采矿车斜坡转向控制原理研究  37-38
  4.2 深海底采矿车斜坡转向最优控制器的设计  38-46
    4.2.1 最优控制理论介绍  38-39
    4.2.2 采矿车最优控制器设计理论概述  39-42
    4.2.3 深海底采矿车最优转向控制器设计  42-46
  4.3 采矿车斜坡转向控制系统分模块设计  46-54
    4.3.1 轨迹推算模块设计  46-52
    4.3.2 转向控制系统其余模块设计  52-54
  4.4 深海底采矿车斜坡转向控制系统建模与仿真  54-62
  4.5 小结  62-64
第五章深海底采矿车行走控制系统设计  64-77
  5.1 深海采矿车行走控制系统整体设计  64-68
    5.1.1 深海采矿车行走控制系统原理概述  64-66
    5.1.2 深海采矿车行走控制系统主要硬件设计原理  66-68
  5.2 深海采矿车行走控制系统主要子系统简介  68-71
    5.2.1 定位系统  68-70
    5.2.2 传感系统  70-71
  5.3 深海采矿车行走控制系统软件设计  71-76
    5.3.1 通信系统软件设计  72-74
    5.3.2 定位系统软件设计  74
    5.3.3 数据采集系统软件设计  74-76
  5.4 小结  76-77
第六章结论与展望  77-79
  6.1 研究结论  77-78
  6.2 研究展望  78-79
参考文献  79-84
致谢  84-85
作者攻读硕士学位期间的主要研究成果  85

履带采矿车海底斜坡地形转向控制算法研究

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