海底采矿车路径跟踪和点镇定行走控制研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 主暨垦日期吐年上月』日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期过年上月上日 海底采矿车路径跟踪和点镇定行走控制研究 摘要作为深海采矿系统的重要载体，海底采矿车工作在数千米水深 的复杂未知海底表面，其行走控制一直是深海采矿系统的重要技术难 点之一。本文以采矿车的实际工作方式为基础，研究采矿车在复杂工 作环境下的路径跟踪和点镇定行走控制，对其在采矿过程中的行走控 制具有极其重要的意义。 根据采矿车跟踪直线行走采矿工况，开展采矿车的路径跟踪控制 研究。分析采矿车的位姿误差，设计一种路径控制策略，并采用 L y a p u n o v 函数法证明了位姿误差能够稳定收敛到零，采用 A D A M S ／A T V 模块建立了采矿车动力学模型，最后利用 M A T L A B ／S i m u l i n k 软件平台建立采矿车路径跟踪机械．控制协同仿真 模型，开展协同仿真，结果说明所设计的路径控制策略是正确的。 针对采矿车在不同路径和位姿之间的转换行走工况，开展点镇定 控制研究。在极坐标下分析采矿车位姿误差，选用合适的状态变量， 设计一种点镇定控制律，并采用L y a p u n o v 函数法分析系统的稳定性。 根据M A T L A B ／S i m u l i n k 平台，以基于A D A M S ／A T V 建立的采矿车动 力学模型为被控对象，开展采矿车点镇定机械一控制协同仿真，结果 表明所设计的点镇定控制律是合理的。 以铰接式履带车为实验平台，基于所设计的路径控制策略和点镇 定控制律，应用L a b V I E W 软件编写采矿车自动行走控制程序，开展 采矿车路径跟踪和点镇定行走控制实验，结果表明所设计的控制律和 自动行走控制系统是有效的。图4 4 幅，参考文献7 3 篇。 关键词海底采矿车；L y a p u n o v 理论；路径跟踪；点镇定；协同仿 真 分类号T D 4 2 4 S t u d yo f P a t hT r a c k i n ga n dP o i n tS t a b i l i z a t i o nD r i v i n g C o n t r o lf o rS e a b e dM i n i n gV e h i c l e A b s t r a c t A sa ni m p o r t a n tc a r r i e ro fd e e ps e am i n i n gs y s t e m ，s e a b e d m i n i n gv e h i c l ew o r k su n d e rt h o u s a n d sm e t e r sd e p t ho fw a t e ri n c o m p l i c a t e da n du n k n o w no c e a ne n v i r o n m e n t ．t h ed r i v i n gc o n t r 0 1i So n e o ft h ei m p o r t a n tt e c h n i c a lp r o b l e m s ．I nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ep r a c t i c a l w o r k i n gw a y s ，p a t ht r a c k i n ga n dp o i n ts t a b i l i z a t i o nc o n t r o la r es t u d i e d ， a n di ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h ed e e ps e am i n i n gs y s t e m ． I nt h em i n i n gc o n d i t i o no ft r a c k i n gs t r a i g h t ，p a t ht r a c k i n gc o n t r o li s s t u d i e d ．T h em i n i n gv e h i c l ep o s t u r ee r r o ri sa n a l y z e d ，ac o n t r o ll a wo f p a t ht r a c k i n gi sp u tf o r w a r d ，a n dt h ep o s t u r ee r r o ri sp r o v e dt oc o n v e r g e t oz e r ob yL y a p u n o vf u n c t i o nm e t h o d ．B a s e do nA D A M S ／A T V , m i n i n g v e h i c l e d y n a m i c s m o d e li s e s t a b l i s h e d ， c o m b i n e d w i t h M A T L A B ／S i m u l i n ks o f t w a r e p l a t f o r m ，t h e M e c h a n i c a l - C o n t r o l C O - s i m u l a t i o no fm i n i n gv e h i c l ep a t ht r a c k i n gc o n t r o li sc a r r i e do u t ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ec o n t r o ll a wi sc o r r e c t ． F o rt h ec o n d i t i o no fm i n i n gv e h i c l et r a n s f o r m i n gb e t w e e nd i f f e r e n t p a t h sa n dp o s i t i o n s ，i ti sn e c e s s a r yt od or e s e a r c ho np o i n ts t a b i l i z a t i o n c o n t r 0 1 ．I np o l a rc o o r d i n a t e s ，p o s t u r ee r r o ri sa n a l y z e d ，ac o n t r o ll a ww i t h a p p r o p r i a t es t a t ev a r i a b l e sf o rp o i n ts t a b i l i z a t i o ni sp u tf o r w a r d ，a n d L y a p u n o vf u n c t i o nm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ． O nt h eb a s eo fM A T A L B ／S i m u l i n k ，ac o n t r o l l e rm o d u l ei sb u i l t ，a tt h e s a m et i m e ，m i n i n gv e h i c l ed y n a m i c sm o d e l ，c h o s e na sc o n t r o l l e do b j e c t ， i se s t a b l i s h e db a s i n go nA D A M S ／A T V , M e c h a n i c a l - C o n t r o lC O - s i m u l a t i o n o f m i n i n gv e h i c l ep o i n ts t a b i l i z a t i o nc o n t r o li sc a r r i e do u t ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep o i n ts t a b i l i z a t i o nc o n t r o ll a wi sf e a s i b l e ． A na r t i c u l a t e dt r a c k e dv e h i c l ei sc h o s e na se x p e r i m e n tp l a t f o r m ， a c c o r d i n g t ot h ep a t ht r a c k i n ga n dp o i n ts t a b i l i z a t i o nc o n t r o ll a w s ，c o n t r o l p r o g r a mf o rm i n i n gv e h i c l ea u t o m a t i cd r i v i n gi sw r i t t e nb yL a b V l E W s o f t w a r e ，p a t ht r a c k i n ga n dp o i n ts t a b i l i z a t i o nc o n t r o le x p e r i m e n ta r e c a r r i e do u t ，t h er e s u ks h o w st h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o ll a w sa r ec o r r e c ta n d t h ea u t o m a t i cc o n t r 0 1s y s t e mo fd r i v i n gi Se r i e c t i v e ． I I I K e y w o r d s s e a b e dm i n i n gv e h i c l e ；L y a p u n o vt h e o r y ；p a t ht r a c k i n g ；p o i n t s t a b i l i z a t i o n ；C O s i m u l a t i o n C l a s s i f i c a t i o n T D 4 2 4 I V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 海底采矿车路径跟踪和点镇定行走控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ，3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 - 3 ．1 海底采矿车运动控制研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 13 。2L y a p u n o v 稳定性理论在运动控制中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．4 研究目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 ．5 研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～5 1 ．5 ．1 本文研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．5 ．2 本文技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．6 本文主要内容与安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 海底采矿车运动特性与L y a p u n o v 理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 采矿车运动特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 2 ．1 ．1 运动学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．2 非完整性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 非完整系统运动控制问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 点镇定控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 2 ．2 ．2 轨迹跟踪控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 ．3 路径跟踪控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 李雅普诺夫稳定性理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．1 系统的平衡点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．2 系统的稳定性理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 海底采矿车路径跟踪控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．1 路径跟踪控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．2 路径跟踪控制律设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．2 ．1 路径跟踪控制问题描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．2 1 2 位姿误差动力学方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．2 ．3 控制律设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 V 3 ．3 路径跟踪系统稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．3 ．1 系统平衡点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．3 ．2 稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．4 机械系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．4 ．1 动力学系统模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．4 ．2 速度限制与延时模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．5 机械．控制协同仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．5 ．1 机械．控制协同仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．5 ．2 控制参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．5 ．3 过单边障碍协同仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．5 ．4 控制律仿真对比及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．5 ．5 跟踪直线路径协同仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 海底采矿车点镇定控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．1 点镇定控制律设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 ．1 点镇定控制问题描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 ．2 位姿误差动力学方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．1 ．3 控制律设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．2 点镇定系统稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 点镇定控制系统模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 ．1 点镇定控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 ．2 协同仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．4 点镇定控制仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 ．1 点镇定控制协同仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．4 ．2 仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5 ．1 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．2 行走控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 实验目的与主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．4 行走实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．4 ．1 路径跟踪行走实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．4 ．2 点镇定行走实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 V I 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 攻读学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 1 V I I 硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 前言 在人类社会发展进程中，采矿工业起着非常重要的作用。随着科学技术的快 速发展，现代采矿工业在广度上和深度上都发生了巨大的变化，采矿设备的不断 更新，采矿效率不断提高，采矿的规模不断扩大，但是陆地上有限的矿产资源却 在目益减少，采矿地质环境也变得越来越差。当前采矿工业主要依赖于陆地上的 矿产资源，受到陆地矿产资源的匮乏和采矿环境恶劣两大因素的制约，人们必须 去寻找和发现新的资源【l ’3 J 。 占地球面积约7 0 ％的海洋蕴藏着人类生存发展所必需的巨大资源。今天，海 洋为人类提供一半以上的食物蛋白，其拥有的能源资源己超过陆地上所有种类、 地上及地下能源总量之和。特别是，在大洋深处同样蕴藏着丰富多样的海底矿产 资源。在陆地上高品位的矿产资源逐渐枯竭的今天，开发海洋矿产就显得格外重 要和具有吸引力一J 。 在占海洋总面积8 9 ％的深海中，其独特的海洋地质环境为金属和非金属矿床 的形成提供了有利的条件。自从1 8 7 2 年～1 8 7 6 年，英国考察船“挑战者”号， 在南太平洋深海海底首次采集到多金属结核以来，人们陆陆续续地发现了更多的 海洋矿产资源，同时也认识到陆地上的许多矿物，在海洋中均有丰富的蕴藏p ，6 J 。 作为一种铁锰矿，富钴结壳与多金属结核矿相似，但它不是结核状，而是常 以覆盖壳的形式发育于海山或水下平顶山的斜坡和山崖的基岩上，产出在 1 0 0 0 ～3 0 0 0 m 水深的海山顶部或斜坡处，厚度多为2 - 5 c m ，最大厚度达2 0 c m ，富 含钴铂镍等多种金属矿产资源。与铁锰结核相比，富钴结壳是一种更具吸引力的 海底矿产，具有明显的开发优势一是它产出浅，且靠近大陆，开采成本低；二 是除主要含F e 、M n 外，还富含C o 、N i 、P t 等贵重金属_ 7 ，8 】。事实上，仅结壳中 的钴的价值就高于结核中锰镍铜的价值之和【9 , 1 0 】，因为结壳中的钴含量高，且钴 的价格是锰的3 0 倍。 据初步统计，仅太平洋西部火山构造隆起带上的富钴结壳的潜在资源量就达 1 ．0 1 0 1 0 k g ，钴金属的含量达数百万吨。钴结壳赋存浅，有价值金属含量高，自 上世纪8 0 年代初期德国开展富钴结壳调查以来，德、日、美、俄等国相继纷纷 投入巨资开展相关资源的勘查研究。我国对钴结壳的资源勘察研究也作了大量工 作，并取得了一定的研究成果【l 卜1 3 】。 我国是海洋大国，但不是强国，人均资源占有量远低于世界平均水平，研究 和开发利用海洋资源既是顺应世界海洋开发的潮流，也是保障我国战略资源需 硕士学位论文 绪论 求，实现可持续发展的必由之路[ 14 1 。上世纪7 0 年代末，我国开始了相关的大洋 勘察，并在1 9 8 1 年申明具备国际海底先驱投资者的资格。8 0 年代，我国开展了 大洋多金属结核调查，并取得了自己的第一手调查资料。1 9 9 1 年3 月，国际海 底管理局和国际海洋法法庭筹备委员会一致同意中国登记为国际海底先驱投资 者，并批准了我国申请的位于太平洋的多金属结核开辟区【15 | 。1 9 9 9 年，我国完 成了开辟区5 0 ％的“区域”放弃工作，从而在我国管辖范围之外拥有了第一块具 有专属勘探权和优先开发权的多金属结核矿区。2 0 1 1 年，国际海底管理局理事 会批准了中国大洋协会提出的多金属硫化物矿区申请，使我国在国际海底区域获 得了1 万平方公里具有专属勘探权的多金属硫化物矿区，并在未来开发时享有优 先开采权【l6 | ，从而进一步拓展了我国战略资源的储备。 1 ．2 课题来源 本课题来源于基金项目国家高技术研究发展计划 “8 6 3 ”计划 课题资助 项目 2 0 1 2 A A 0 9 1 2 0 1 。 1 ．3 国内外研究现状 1 ．3 ．1 海底采矿车运动控制研究现状 自1 8 6 8 年在北冰洋喀拉海发现多金属结核以来，人们逐渐发现大多数海洋 都有多金属结核，随着科学技术的发展，对这些矿产资源的探测取样等研究技术 都有了极大的提升。 从二十世纪六十年代开始，根据不同的战略需求，各国开始大力发展海洋高 科技技术，使得深海采矿技术的研究与开发得以全面展开。几十年来，各国针对 不同的采矿系统进行了大量实验研究，并开展海试以验证采矿系统的技术可行 性，取得了不少研究成果[ 1 7 l 。经过大量的实验研究和试验后，国际社会普遍认为 集矿机与管道提升相结合的采矿系统，将会成为2 l 世纪最具前景深海资源开采 系统。 海底采矿车作为深海采矿系统的重要载体，其在复杂海底环境的运动控制是 完成海底采矿任务的重要技术难点之一。 K ．H e r z o g 等人【1 8 J 针对履带车在软底质上的行走，容易打滑，普通的控制方 法难以实现有效的运动控制的情况，设计采用一种计算打滑的控制器，考虑履带 的打滑，经过控制器计算后，驱动履带车动作，最终能够很好地实现运动控制， 并在模拟测试中得到了验证。 T a e ．K y e o n g 等人[ 1 9 】针对履带车在软底质的环境下行走的打滑情况，将履带 硕士学位论文 车简化为一个刚体，对其运动控制进行分析，并采用两个P D 控制器分别调节位 置和方向角的策略，实现了采矿车的运动路径控制。 S u pH o n g 等人【2 0 J 以运动学为基础，设计了将采矿车的运动控制分为前向速 度和车体朝向两个部分的控制算法，并进行实验验证，说明了该算法的可行性， 同时指出进一步的水下实验中，应采用声纳代替摄像系统，并采用扩展卡尔曼滤 波算法来减小声纳噪声。 近些年来，随着国家对深海矿产资源开采的重视，国内对深海采矿车的控制 应用系统，特别是虚拟仿真、路径规划和行走控制策略等方面进行了大量的研究。 图卜1 铰接式履带车 陈锋1 2 l 】根据采矿车在复杂环境下工作的特殊性，建立了基于M A T L A B 的采 矿车运动模型，并提出一种改进的S U K F 算法，同时采用交叉耦合控制器和模糊 控制器分别作内外环控制器，实现了对采矿车的精确运动控制。赵辉[ 2 2 1 建立了铰 接式履带车虚拟样机模型和相应的路面模型，开展了多种工况下的运动仿真研 究，同时实现了A D A M S ／A T V 与M A T L A B 协同仿真，为铰接式履带车的后续控 制研究奠定了基础。李小飞【2 3 】对A D A M S ／A T V 、M A T L A B ／S i m u l i n k 和 M S C ．E A S Y 5 之间的相关接口技术进行了研究，建立了机电液协同仿真模型，实 现了履带车按预定路径的行走控制。双志【2 4 1 以铰接式履带车模型车为基础，建立 了手动控制系统和基于模糊P I D 的速度控制系统，并进行了实验研究，验证了铰 接式履带车在复杂环境下优异的行走性能，说明了所设计的速度控制算法是有效 的，如图1 ．1 所示。张敏【2 5 】以A D A M S 、M A T L A B 和L a b V I E W 软件平台为基础， 建立了协同仿真模型，提出了A N F I S 外环路径控制和P I D 内环速度控制的轨迹 跟踪控制策略。邹砚湖【2 6 】提出速度内环控制和方位外环控制的双环控制策略，开 展了基于A D A M S ／A T V 和M A T L A B ／S i m u l i n k 平台的协同仿真研究，验证了所设 硕士学位论文 计的双环控制策略是有效的。 1 ．3 ．2L y a p u n o v 稳定性理论在运动控制中的应用 稳定性是研究静态或者动态系统在各种偶然或持续干扰的情况下暖兀，能否保 持预定的状态或理想的运动规律和方式，而不出现振荡或紊乱情形的问题。一个 系统如果不稳定，它可能无法正常工作，甚至会酿成重大灾祸。因此，为确保系 统的稳定性，避免不稳定事件的发生，稳定性研究理所当然地成为非常重要的研 究课题。 在运动控制中，通常需要对误差驱动的闭环系统进行分析，只有误差能够稳 定并能收敛到0 时，才能完成预期的控制目标。采用L y a p u n o v 稳定性理论，分 析误差的稳定性和收敛情况，在运动控制中得到了广泛应用。 Y ．K a n a y a m a 等人详细分析了非完整移动机器人的运动特点[ 4 2 】，提出了一种 非完整移动机器人轨迹跟踪控制律，并采用L y a p u n o v 函数法证明了轨迹跟踪系 统是稳定的，同时开展仿真研究，结果说明了所设计所控制的轨迹跟踪系统是稳 定的，能够跟踪到指定轨迹上来。 M ．A i c a r d i 等人选择特殊状态变量来描述一个两轮行走系统的运动状态【2 引， 设计了控制律，同时应用L y a p u n o v 稳定性理论，证明了系统的误差能够稳定收 敛到0 ，并通过仿真验证了在所设计的控制律作用下，该两轮行走系统能够很好 地的完成转向和路径跟踪等运动。同时说明通过合理地选用状态变量，将有利于 L y a p u n o v 函数的选取，减少稳定性分析的工作量，大大简化系统稳定性分析的 过程。 康亮等人详细分析了履带式移动机器人的受力特点[ 2 9 1 ，根据其动力学模型和 运动学模型，设计了轨迹跟踪控制器，利用L y a p u n o v 稳定判据证明了控制器的 全局稳定性，同时考虑机器人动力学约束，进行仿真研究，结果表明了系统是全 局收敛的，所设计的控制器是有效的。 涂书伟根据月球车的非线性、非完整性特点，分别提出了月球车轨迹跟控制 和点镇定控制控制制3 0 ] ，并应用L y a p u n o v 函数法证明了系统的稳定性，开展仿 真研究，说明了设计的控制律的有效性。 T a n gS h u ．b o 等人针对典型非完整系统【3 ，提出一种非连续的控制器，用来 控制非完整移动机器人跟踪连续的和具有非连续点的两种轨迹，应用L y a p u n o v 函数方法证明了系统是稳定收敛的，并采用S m a r t R o b 2 移动机器人平台开展实 验验证，实验说明了所设计控制器的正确性和可行性。 由上述应用可知，利用L y a p u n o v 稳定性理论分析系统的稳定性，首先应确 定系统的运动方式，选择合适的误差表示形式，设计控制律，再应用L y a p u n o v 4 硕士学位论文 绪论 稳定性理论对误差进行分析，确定控制律作用下的误差是否稳定、能否收敛到O ， 从而确定运动控制能否达到预期目标。 L y a p u n o v 提出的系统稳定性理论，为分析解决系统的稳定性问题以供了新 的方法，但是L y a p u n o v 函数的构造比较麻烦，目前还没有一个通用的行之有效 的方法。因此，应用L y a p u n o v 稳定性对系统进行分析时，其难点在于如何设计 合适的控制律，并选择L y a p u n o v 函数对其稳定性进行分析。 1 ．4 研究目的与意义 采矿车在复杂海底环境行走采矿，要求能够按照预先设定的直线规划路径行 走，遇到障碍，出现偏差和偏移后，能够及时地回到预定的路径上来。 同时，根据不同的矿物丰度，设计了不同的行走轨迹，采矿车将根据不同的 采矿路径规划行走，要求其从某一规划路径的末点平稳而快速地行走至下一规划 路径的起点，且保持在指定方向上。 在现有的采矿车运动控制中，均是研究了采矿车按预定规划路径行走的工 况，为了进一步提高采矿车在行走过程中的智能性，研究采矿车在不同规划路径 之间的切换或不同位置之间的转换是很有必要的。 因此，本文以采矿车的实际采矿工作方式为基础，研究采矿车在复杂工作环 境下的路径跟踪和点镇定行走控制，对深海采矿车在深海采矿过程中行走控制具 有极其重要的意义。 1 ．5 研究方法与技术路线 1 ．5 ．1 本文研究方法 针对海底采矿车在复杂海底环境下的行走方式和运动控制要求，本文对采矿 车按预定路径行走和点镇定行走两种不同的运动控制展开研究。 首先进行采矿车的运动特性分析，确定了采矿车非线性、非完整性特点，指 出其运动控制难点和常用的方法。 对采矿车路径跟踪控制和点镇定控制两种不同的行走方式进行位姿误差分 析，根据不同的控制要求，设计相应的控制律，并采用L y a p u n o v 函数法分别对 路径跟踪系统和点镇定系统进行稳定性分析。 充分利用A D A M S ／A T V 强大的运动学和动力学分析功能，建立采矿车模型 车的动力学模型；同时应用M A T L A B 在控制运算领域强大的计算、灵活的编程 等优势[ 32 ’3 3 】，设计采矿车路径跟踪控制和点镇定控制的控制器及控制系统，通过 它们之间的接口，实现基于两者的机械．控制协同仿真。 硕士学位论文绪论最后以协同仿真研究的结果为基础，应用L a b V I E W 软件平台，开发采矿车按预定路径行走和点镇定行走实验研究。1 ．5 ．2 本文技术路线根据本文的研究方法和基本思路，本文的研究技术路线如图1 2 所示。{墨 兰堡查望型 窒hl 路径跟踪控制研究lI 点镇定控制研究IL 一采矿车L 一J赢飞鲎剖i 丢圈l 路径跟踪位}一I 点镇定位姿I姿误差误差制律r ]性理论广1律L _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ Jo ‘。。。。’’’。’’’一。’’一l 路径跟踪控制器}l 采矿车动力学模型l点镇定控制器M A T L A BA D A M S ／A T VlM A T A L l 3■’I 路径跟踪机械．控制协同ll 点镇定机械．控制协同仿l仿真真r ]t 一铰接式履带车卜- 一降茹匝塑1 ．6 本文主要内容与安排图1 - 2 本文技术路线本文以工作在复杂海底环境的采矿车作为研究对象，以采矿车的实际采矿工作方式为基础，着重分析其运动控制原理与方法，首先开展了采矿车按照预定路径行走研究。同时，为提高采矿车的行走控制智能性，针对采矿车在不同行走路径和位置之间的转换工况，开展点镇定控制研究。对于路径跟踪和点镇定两种不同的工作方式和控制要求，设计了适用的路径跟踪控制律和点镇定控制律，并对稳定性进行分析，建立采矿车的机械．控制协同仿真模型，开展协同仿真研究，实现了采矿车的路径跟踪和点镇定行走控制，并对运动控制算法进行实验验证。本文各章节内容具体安排如下第1 章介绍本课题的研究背景、课题来源、国内外研究现状、研究目的和意义，同时说明本文的主要研究方法和技术路线，介绍了本文主要研究内容与安 硕士学位论文绪论 排。 第2 章对采矿车的运动特性进行分析，对非完整系统的运动控制难点和主 要方法作简要介绍，同时介绍L y a p u n o v 稳定性理论，为后续采矿车路径跟踪与 点镇定控制研究提供必要的理论支持。 第3 章采矿车路径跟踪控制研究。分析采矿车跟踪目标路径过程中的误差， 设计按预定路径行走控制策略，建立位姿误差动力学模型，采用L y a p u n o v 函数 法分析位姿误差的稳定性，同时以我国海底采矿车1 2 0 比例的模型车为基础， 应用A D A M S ／A T v 建立了采矿车的动力学模型，采用M A T A L B ／S i m u l i n k 平台， 建立了采矿车路径跟踪机械．控制协同仿真系统，开展仿真并分析仿真结果。 第4 章采矿车点镇定控制研究。在全局坐标系下，建立了采矿车基于极坐 标表示的位姿误差模型，并进行变量转换，采用合适的状态变量，设计了一种点 镇定控制律。同时应用L y a p u n o v 理论对系统进行稳定性分析，应用采矿车的动 力学模型，建立采矿车点镇定机械．控制协同仿真模型，开展了仿真研究，并对 结果进行分析。 第5 章以现有的铰接式履带车为实验平台，应用L a b V I E W 分别编写了采 矿车按预定路径行走和点镇定自动行走控制程序，开展采矿车按预定路径行走和 点镇定行走实验研究。 第6 章介绍本文主要工作和结论、相关展望。 7 硕士学位论文 海底采矿车运动分析与L y a p u n o v 理论 其中，J C O S 曰 s m 臼 0 P 砌 C O S 臼0 s i n 臼0 01 鞫为变换矩阵，g c V ，w ，7 ’为采矿车的控制输入量。 2 ．1 构建运动学模型，能够直观地描述了采矿车位姿与其运动速度之间的关系。 由运动学方程 2 - 1 可知，只要合理地选择q v ，w 7 ’，采矿车就能够在运动 空间内自由运动。 V ， 一、‘ w ／ 7 J J 。 V 图2 - 2 海底采矿车几何模型 图2 - 2 所示为海底采矿车的几何模型，其中，M 、V r 分别为采矿车左右两 侧履带的速度，v 为采矿车整体的前向线速度，W 采矿车的转向角速度，曰为左 右两履带之间的距离，则可得到采矿车前进速度、转向角速度与左右两侧速度关 系，如式 2 ．2 所示。 2 ．1 ．2 非完整性分析 v 二盥 2 2 ．2 V V ， w 』 B 1 8 9 4 年，德国学者H e r t z 根据不同约束