钴结壳采矿车行走路径控制研究.pdf

密级 高校教师硕士学位论文 钴结壳采矿车行走路径控制研究 R e s e a r c ho nT r a c k i n gP r e d e t e r m i n e dP a t hf o r t h eC o b a l tC r u s tM i n i n gV e h i c l e 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 陈波 机械工程 机械电子工程 机电工程学院 李力教授 论文答辩日期趁f 兰g 乙答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 2 年6 月1 0 日 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名匿熊日期出丝年』月卫日 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。 摘要 富钴结壳是一种极具经济价值和战略意义的海洋矿产资源。由于 富钴结壳富存于海山表面，所处地形地貌极其复杂，开采极为困难。 本论文针对钻结壳采矿系统关键技术之一的采矿车行走路径控制问 题进行了研究。本文主要研究工作如下 1 ．采用了车体转向式铰接履带车为钴结壳采矿车行走方案，构 建了采矿车动力学模型，提出了采矿车直线行走控制方案。 2 ．分析了障碍物和采矿车特性对路径规划的影响，采用了障碍 物膨化处理和镜像路径曲线的方法，设计了采矿车路径规划总体方 案，确定了遗传算法的路径编码方式、路径基因初始种群设定、路径 适应度函数和遗传操作等基本环节，设计了基于遗传算法的避障路径 规划最优化方案，采用V C 6 ．0 语言，实现采矿车避障最优化路径 规划仿真，仿真表明，经过4 0 代迭代运算可规划出较优的避障路径， 说明所设计的基于遗传算法的采矿车局部路径规划算法的可行性和 有效性。 3 ．建立了以流量补偿和滑转率实时控制为内环和模糊控制路径 偏差为外环的采矿车行走路径跟踪控制模型，设计了模糊逻辑控制 器、速度换算模块、滑转率补偿与控制模块、流量稳定控制模块、液 压系统模块、位置和方位角模块、路径比较和位置偏差模块。 4 ．开展了采矿车的启动、直线路径跟踪及过单边障碍三种工况 仿真分析，仿真表明，所设计的控制算法能有效地消除方位角误差和 横向位移偏差，可实现采矿车直线路径跟踪。 5 ．进行了采矿车的直线行走实验和跨单边障碍行走实验。实验 表明，采矿车按预定路径行走效果良好，说明，所设计的控制器是有 效的。 关键词钴结壳采矿车，路径规划，遗传算法，路径跟踪，模糊控制 A B S T R A C T C o b a l t ．r i c hc r u s ti Sak i n do f m a r i n em i n e r a lr e s o u r c e sw h i c hi So f h i g h l ye c o n o m i cv a l u e a n d s t r a t e g e t i cs i g n i f i c a n c e ．H o w e v e r , t h e c o m p l i c a t e dl a n d f o r mw h e r ec o b a l t - r i c h c r u s to f t e ne x i s t sm a k e st h e e x p l o i t a t i o nw o r kv e r yd i f f i c u l t ．T h eP 印e rf o c u s e so no n eo ft h ek e y t e c h n i q u e so ft h es y s t e mf o re x p l o i t i n gc o b a l t r i c hc r u s t ，n a m e l y , t h e c o n t r o lp r o b l e mo ft h em i n i n gv e h i c l e s ’m o v i n gp a t h ．A n dt h er e s e a r c h w o r km a i n l yi n l u d e st h ef o l l o w i n g 1 ．I t a d o p t s t h e v e h i c l e - b o d y - - s t e e r i n g - t y p e a r t i c u l a t e dt r a c k e d v e h i c l e sa st h ep r o g r a mf o r t h em i n i n gv e h i c l e s ’p a t ho fe x p l o i t i n g c o b a l t ．r i c hc r u s t ，c o n s t r u c t sad y n a m i c sm o d e lo ft h em i n i n gv e h i c l e s ， a n dp r o p o s e sac o n t r o lp r o g r a mf o rt h em i n i n gv e h i c l e s ’Ss t r a i g h tl i n e m o v i n g ． 2 ．I ta n a l y s e st h ei m p a c to fo b s t a c l e sa n dm i n i n gv e h c l e s ’f e a t u r e so n t h ep a t hp l a n n i n g ，a d o p t st h em e t h o do fo b s t a c l e s ’e x p a n d i n gt r e a t m e n t a n dm i r r o ri m a g ep a t hc u r v e ，d e s i g n st h eo v e r a l lp r o g r a mf o rm i n i n g v e h c l e s ’p a t hp l a n n i n g ，f i x e st h e f u n d a m e n t a ll i n k ss u c ha sg e n e t i c a l g o r i t h m ’Sp a t hc o d i n gm e t h o d ，i n i t i a lp o p u l a t i o ns e t t i n gf o rp a t hg e n e s ， p a t ht of i t n e s sf u n c t i o na n dg e n e t i co p e r a t i o n ，a n dd e s i g n st h eg e n e t i c a l g o r i t h m ．．b a s e do p t i m i z e dp r o g r a m f o ro b s t a c l ea v o i d a n c ep a t hp l a n n i n g ． M o r e o v e r , w i t ht h ea i do fV C 6 ．0l a n g u a g e ，i tr e a l i z e st h es i m u l a t i o no f o p t i m i z e dp r o g r a mf o ro b s t a c l ea v o i d a n c ep a t hp l a n n i n g ．T h es i m u l a t i o n s h o w st h a tab e t t e ro b s t a c l ea v o i d a n c ep a t hC a nb ed e s i g n e da f t e r 4 0 ．g e n e r a t i o ni t e r a t e do p e r a t i o na n dt h er e s u l t sd e m o s t r a t e st h ef e a s i b i l i t y a n de f f e c t i v e n e s so ft h ep a r t i a lp a t hp l a n n i n ga l g o r i t h mo fg e n e t i c a l g o r i t h m ．b a s e dm i n i n gv e h c l e sw h i c hi sd e s i g n e d ． 3 ．I tb u i l d sam i n i n gv e h c l e s ’m o v i n gp a t hf o l l o w i n gc o n t r o lm o d e l w i t hf l o wc o m p e n s a t i o na n ds l i p p a g er a t er e a l - t i m ec o n t r o la st h ei n n e r r i n ga n dw i t hf u z z yc o n t r o lp a t hd e v i a t i o na st h eo u t e rr i n g ．I td e s i g n sa f u z z yl o g i cc o n t r o l l e r , t h es p e e dc o n v e r s i o nm o d u l e ，t h es l i p p a g er a t e c o m p e n s a t i o na n dc o n t r o lm o d u l e ，t h ef l o ws t a b i l i t yc o n t r o l m o d u l e ， h y d r a u l i cc i r c u i tm o d u l e ，t h ep o s i t i o na n da z i m u t hm o d u l e ，a n dt h ep a t h Ⅱ c o m p a r i s o na n dp o s i t i o nd e v i a t i o nm o d u l e ． 4 ．I tg i v e sas i m u l a t e da n a l y s i so ft h et h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n s i n c l u d i n gt h em i n i n gv e h i c l e s ’s t a r t u p ，s t r a i g h tp a t hf o l l o w i n ga n ds i n g l e o b s t a c l e s ．T h es i m u l a t i o ns h o w st h ea l g o r i t h md e s i g n e dC a ne f f e c t i v e l y e l i m i l a t ea z i m u t he r r o r sa n d1 a t e r a ld i s p l a c e m e n tS Oa st or e a l i z et h e m i n i n gv e h i c l e s ’s t r a i g h tp a t hf o l l o w i n g ． 5 ．I tc a r r i e so u tt h em i n i n gv e h i c l e s ’s t r a i g h tm o v i n ge x p e r i m e n t s a n dc r o s s - s i d eo b s t a c l e sm o v i n ge x p e r i m e n t s ．T h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h ee f f e c to fm i n i n gv e h i c l e s ’m o v i n go ns c h e d u l ei S g o o da n dt h a tt h e c o n t r o l l e rd e s i g n e di Se f j f i c i e n t ． K e yw o r d s c o b a l t r i c hc r u s tm i n i n gv e h i c l e ，p a t hp l a n n i n g ，g e n e t i c a l g o r i t h m ，p a t hf o l l o w i n g ，f u z z yc o n t r o l I I I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S n 乙～C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2 采矿车行走路径规划的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 全局路径规划法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 局部路径规划法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 采矿车路径跟踪控制技术的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．5 论文研究的研究思路及内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 第二章采矿车总体方案与控制系统方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 2 ．1 采矿车行走环境与设计指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．1 采矿车行走环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．2 采矿车设计指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 钴结壳采矿车行走设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．2 ．1 采矿车行走机构类型选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．2 履带式行走机构设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．3 铰接机构方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 采矿车控制系统方案分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．1 采矿车控制原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 ．2 采矿车动力学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 第三章基于遗传算法的采矿车路径规划研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 采矿车路径规划分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3 ．1 ．1 钴结壳采矿车特性对路径规划的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 3 ．1 ．2 障碍物特性对路径规划的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 3 ．2 采矿车路径规划总体方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．3 基于遗传算法的采矿车路径规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．3 ．1 遗传算法的运算过程和设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．3 ．2 基于遗传算法的采矿车路径规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 I V 3 ．3 ．3 仿真试验与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 第四章采矿车路径跟踪控制算法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 采矿车路径跟踪控制任务概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．2 采矿车路径跟踪控制算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．2 ．1 采矿车路径跟踪控制系统方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．2 ．2 采矿车路径跟踪控制模型基本参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 采矿车路径跟踪控制系统模块设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．3 ．1 流量稳定控制模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．3 ．2 速度换算模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．3 ．3 路径比较与位置偏差模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．3 ．4 滑转率补偿及控制模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．3 ．5 液压系统模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．4 模糊逻辑控制器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 ．1 模糊控制器的结构选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．4 ．2 采矿车路径环模糊控制器的模糊规则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．4 ．3 模糊推理和解模糊化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．4 ．4 基于M A T L A B ／f u z z y t o o l b o x 的路径环模糊推理系统⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 第五章钴结壳采矿车越障行走仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1 采矿车启动仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 采矿车直线路径跟踪行驶仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 5 ．3 采矿车越障行驶仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 第六章钴结壳采矿车行走实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 6 ．1 实验目的及实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 6 ．2 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 6 ．3 钴结壳采矿车直线行走实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 6 ．3 ．1 实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 6 ．3 ．2 实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 6 ．4 采矿车跨单边障碍实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 6 ．4 ．1 实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 6 ．4 ．2 实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 V 第七章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 8 V I 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 课题背景 第一章绪论 开发大洋矿产资源，开辟新的矿产能源基地，是实现国民新经济建设发展目 标的重要举措之一。在海洋矿产资源的勘探开发日渐紧迫的形势下，富含多种稀 缺矿物的海底多金属结壳开发的重要性也日益凸显。 富钴结壳 又称锰结壳、铁锰结壳 是现代海洋中最具潜在经济价值的矿产 资源之一，其主要形成于水深1 0 0 0 ～3 0 0 0 m ，坡度小于1 5 。的海山斜坡表层， 结壳的厚度不一，约在0 ．5 ～1 5 c m 之间，其中2 c m 左右厚度最为常见【l 】。根据 探测，赤道附近的中太平洋地区海底蕴含的富钴结壳矿产最具开采价值，上世 纪9 0 年代以来，我国也多次出动科考船在太平洋麦哲伦海山区和中太平洋海山 区进行富钴结壳的加密考察【2 1 。富钴结壳结壳矿体富含钴、钛、铈、铂和镍等多 钟金属，其中，钴平均含量高达1 ％，比陆地原生钴矿高几十倍【3 】【4 1 ，据不完全 统计，仅太平洋某火山隆起地带的富钴结壳矿床潜在资源量约1 0 亿吨，是一种 极具发展潜力和现实经济价值的海洋战略资源[ 5 】【6 1 。 钴结壳富存之处的海山斜坡表面处的地形非常复杂，造成钴结壳开采难度很 大。深海钴结壳采矿车是一种在水下工作的自主式移动车辆，承载深海采矿系统 中最重要、最复杂的技术，是深海钴结壳采矿作业的主体所在，对它的研究涉及 多个学科领域，如人工智能、智能控制和传感技术等【7 】，其中采矿车行走控制 路 径规划与控制 是其研究的基础和重点【8 1 。 钴结壳采矿车需要在地形复杂的深海底部按要求稳定行走，在挖掘阻力、水 阻力、软管阻力、复杂的海山表层及其它不确定因素的影响下，采矿车极易发生 打滑，从而偏离原先设定的行驶轨迹[ 9 1 。为了保证采矿车在复杂的工作环境中安 全正常行驶作业，必须根据采矿车的作业需求和海底的特殊环境设计一种安全、 有效的路径规划及控制方法，来满足在极端复杂环境下的行走控制要求[ 1 0 】。 钴结壳采矿车的行走指的是在给定的海底采矿区域，采矿车能够按照预先设 定的路径安全正常地行走，并在行走过程中高效、安全地完成采矿作业，如图1 ．1 所示。采矿车行走控制涉及路径规划和路径跟踪两个方面。路径规划主要包括 两个方面，其一是如何有效地获得作业环境的信息。其二是根据采集到的环境信 息，如何进一步地规划采矿车的行走路径【1 l 】。当路径规划好后，要求钴结壳采矿 车能够跟踪并尽量逼近预定路径行进。由于深海采矿车作业环境的相对复杂，作 业要求具有多样性，采矿车的行走必须充分考虑到以下几个特点【1 2 ] 中南大学硕士学位论文第一章绪论 自由空间法和可视图法等一些环境建模法相继被提出，全局路径规划法才逐渐步 入了成熟阶段n 引。 1 自由空间法 自由空间法 F r e eS p a c eA p p r o a c h 采用预先定义的基本形状构造自由空 间，如广义锥形、凸多边形等，并使用连通图来表示自由空间，采用搜索连通图 的方法来进行路径规划n 引。自由空间法较为灵活，连通图不会因为起始点和目标 点的改变而造成重构，但障碍物的多少与算法的复杂程度二者是成正比的，并且 在有些情况下无法获得最短路径。 2 可视图法 可视图法 V i s i b i l i t yG r a p hM e t h o d 假定障碍物是多边形或者多面体，把机 器人看着一个点，自由空间由n 条直线边缘所围成，将目标点、机器人和障碍物 各顶点进行连接，要求目标点和障碍物各顶点之间、机器人和障碍物各顶点之间 以及各障碍物顶点之间的连线，都不能穿越障碍物，因此直线是可视的乜们乜。最 优路径的问题即为从起始点到目标点经可视直线的最短距离问题。但该法不考虑 机器人的尺寸和大小，当机器人通过障碍物顶点时离障碍物太近甚至接触，导致 搜索时间过长瞳引。 1 ．2 ．2 局部路径规划法 局部路径规划是指在作业环境部分未知或者完全未知的情况下，依赖于传感 器获得的作业区域环境信息所进行的规划，即必须借助于传感器获得的实时信息 才能完成的路径规划乜3 | 。目前，局部路径规划法是路径规划研究的主要方向，采 用的主要方法有遗传算法、人工势场法等口4 2 引。 1 人工势场法 人工势场法 A r t i f i c i a lP o t e n t i a lF i e l d 是对机器人运动环境的一种抽 象描述，将目标点视为引力源，将障碍物和其它机器人视为斥力源，用它们的合 力来控制机器人的运动方向，使机器人朝目标行进，所以人工势场法是一种虚拟 力法瞳引。该法由于结构简单，低层实时控制简便，因此在实时避障和平滑的轨迹 控制方面应用较为广泛。但在局部的路径规划中，由于缺乏全局信息，因而单一 采用人工势场法存在局部极值点的问题，这就有可能导致移动机器人在到达目标 点前就已经停留在局部最优点心7 1 。为避免陷入局部最优，B u m s 和W e i s s 采用用L a p l a c e 微分方程改进势场函数来解决这一问题心引。 2 遗传算法 遗传算法 G e n e t i cA l g o r i t h m 是一种以自然遗传机制和自然选择等生物进 化理论为基础的搜索算法乜钔碍引。它采用选择、交叉和变异来培养控制机构的计算 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 程序，在一定程度上利用数学方式模拟生物进化过程。由于大多数优化算法都是 单点算法，因而很容易陷入局部最优。而遗传算法为多点搜索算法，大大增加了 搜索到全局最优解的可能性。目前采用遗传算法研究机器人路径规划问题比较常 见，对于单机器人静态工作空间和多机器人动态工作空间，都可以用遗传算法及 其派生算法进行求解。算法的整体搜索策略和优化计算都无需应用梯度信息，只 需要利用函数的适应值信息，从而较好的解决了一些其他优化算法无法解决的问 题∞。因此，在移动车辆路径规划方面遗传算法的应用非常广泛。 孙树栋利用遗传算法完成了离散空间下机器人的路径规划，仿真结果较好。 但在处理复杂环境中路径规划问题时，易出现未成熟解，陷入局部最优；初始群 体规模比较大时，收敛速度比较慢，耗时比较长口引。周明提出将遗传算法与模拟 退火算法相结合的一种遗传模拟退火算法，以此来解决机器人路径规划问题，提 高了算法的收敛速度口引。 1 ．3 采矿车路径跟踪控制技术的研究现状 深海钴结壳采矿车按照预定的采矿路径行进是高效率的完成采矿任务的重 要保证。考虑到海底矿区地层的物理力学性质，采矿车利用履带以保证行走特性。 采矿车技术中最基本最重要的功能之一即路径控制技术，其技术基本要求是以较 小的误差跟踪规定的路径。在路径跟踪控制过程中，并不都要求采矿车在特定时 刻到达指定方向、位置，只需能跟踪几何路径，即路径跟踪Ⅲ1 。现有的常用路径 控制算法有P I D 控制、模糊控制以及模糊神经控制和最优控制等等口5 1 。 采矿车是一种特殊的移动车辆，而关于轮式移动车辆路径控制系统的研究对 其具有一定的参考价值阳引。通过研究发现，轮式移动车辆和履带式车辆的转向机 理是一致的，即左边两个轮子的速度一致，右边两个轮子的速度一致。因此，该 移动机器人只存在直线运动 当两侧轮子线速度一致时 或者圆弧运动 当两侧 轮子线速度不一致时 两种运动方式。 出于对海底履带打滑情况的考虑，W o n 提出了基于采矿车运动学模型的路径 规划控制算法口引。作者采用T R A C S I M 软件进行了仿真，并使用膨润土和水的混合 物模拟海泥开展路径控制实验，获得满意的预期效果。 为研究松软土壤上的路径跟踪控制技术，I s h i g a m 等建立了车辆的运动学模 型，并在考虑车辆打滑的情况下，将打滑状态反馈给控制器，控制器则将反馈视 为意外误差，然后加以处理，使得跟踪效果更好口引。 基于模糊神经网络的智能履带车路径跟踪系统是模糊控制和神经网络控制 的有机结合体凹引。该系统不仅保留了常规模糊控制器的自然语言信息处理功能， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 还具有神经控制系统的知识获取和监督学习功能，对工作环境具有更好的适应 性。 1 ．4 课题来源 本课题来源于国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 课题海底富钴结壳和 多金属硫化物采矿车技术研究。 1 ．5 论文研究的研究思路及内容 8 9 1 一张紧轮2 一后车体3 一支重轮4 一驱动轮5 一三自由度主动式铰接机构6 一前车体 7 一履带8 一俯仰液压缸9 一转向液压缸 图1 ．2 基于A D A M S ／A T V 软件构建的钴结壳采矿车样机模型 本文研究对象为钴结壳采矿车，如图1 ．2 所示。钴结壳采矿车长3 ．5 m ，宽 1 ．2 m ，高1 ．5 m ，单边履带宽0 ．2 3 m ，在水中重约1 ．6 吨【4 0 1 。 钴结壳采矿车的路径规划控制方案见图1 ．3 执 障 路路行 碍 径径 机 探 规跟构 测 划踪驱 模 模 模动 块 块块 模 块 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 3 钴结壳采矿车路径规划控制方案框图 针对钴结壳采矿车路径规划控制方案框图，应该着重考虑以下问题 1 钴结壳采矿车如何根据声纳探测器反馈的信息规划出最优的路径。 2 钴结壳采矿车如何在控制系统的作用下沿规划路径行驶。 针对以上所提出的问题，本文从下述方面进行了研究 第一章介绍课题研究背景，以及目前国内外研究现状。 第二章钴结壳采矿车行走方案设计和与控制系统方案设计。 第三章采用障碍物膨化处理和镜像路径曲线的方法提高基于遗传算法路径 规划的控制系统实时性的研究。 第四章钴结壳采矿车路径跟踪控制算法研究。研究采矿车路径跟踪控制算 法，对采矿车路径控制系统的主要模块进行算法设计，以及模糊逻辑控制器设计。 第五章对采矿车的启动、直线轨迹跟踪以及过单边障碍过程进行仿真研究。 第六章开展钴结壳采矿车模型车在硬地上的自动直线行走实验和跨单边障 碍情况下的自动直线行走实验。 第七章总结与展望。 中南大学硕士学位论文第二章采矿车结构设计方案与控制系统研究 第二章采矿车总体方案与控制系统方案分析 2 ．1 采矿车行走环境与设计指标 采矿车工作于4 0 0 0 m 海底，工作环境为特种极限环境。所要承受的大气压 力达到几百个，海底温度低至1 4 0 ，地理环境恶劣，还受到采掘力、水阻力、海 流力和软管阻力等外力的同时作用，对采矿车是个极大的挑战【4 1 1 。 2 ．1 ．1 采矿车行走环境 海底水动力学状况主要有以下三种【4 2 】 1 平缓期水流速度在0 至3 c r r d s 间，速度变化较小。 2 中等程度期水流速度在0 至6 c m ／s 间，变化较大。 3 活跃期水流流速- d , 时的平均值可达1 3 ．1 5 c m ／s ，海流方向也发生显 著的变化。 从以上可以看出，活跃期海底水流速度较大，海流方向也有变化。但从整体 来说，海底矿区的水动力变化较为缓慢。加之，采矿车的结构一般为开放式结构。 故本文忽略海底水动力对采矿车行走的影响。 2 ．1 ．2 采矿车设计指标 钴结壳采矿车的主要技术指标如表2 ．1 所示【4 3 】 表2 ．1 采矿车的主要技术指标 2 ．2 钴结壳采矿车行走设计分析 钴结壳采矿车采用履带式行走方式，该行走方式的主要优点是跨越和绕过 障碍的能力强，操纵性能好，牵引力大，有足够的承载能力，而且对作业区域的 中南大学硕士学位论文 第二章采矿车结构设计方案与控制系统研究 海底环境影响小，能够满足复杂海底采矿要求【4 4 1 。 2 ．2 ．1 采矿车行走机构类型选择 国家“十五”期间大洋项目钴结壳采集模型机关键技术及装备研究课题 对履带式 铰接列车式履带车、车体转向式履带车和刚性履带车等三种 、轮式、 R O V 、步行式四种行走方式进行仿真研究，仿真结果如表2 ．2 和表2 ．3 所示。其 研究结果表明，在复杂的海底环境中，铰接式履带车具有很高的越障爬坡能力， 同时具有很好的行驶机动性能及负载能力。 铰接式车体转向履带采矿车，由前后车体和联接装置组成，在行驶过程中通 过起伏地形时，前后履带车通过铰接机构可以实现在俯仰、侧翻和转向三个方面 的相对运动。在俯仰和侧翻过程中，履带车前后都能与地面接触良好，能够适应 较复杂的地形，从而能够获得优越的通过能力；转向运动使得前后车体呈一定的 角度，在这种情况下，采矿车能够进行小半径转弯，同时转弯过程所消耗的功率 小。所以具有优越越障能力的铰接式方案得到了广泛应用。比如如图2 ．1 所示的 瑞典B v 2 0 6 全地形运输车。因此，钴结壳采矿车方案为铰接式车体转向履带车 [ 4 3 ] [ 4 0 1 。 图2 ．1 瑞典B v 2 0 6 全地形车 表2 2 四种采矿车行走方式行驶性能的仿真结果 中南大学硕士学位论文 第二章采矿车结构设计方案与控制系统研究 2 ．2 ．2 履带式行走机构设计方案 履带式行走机构由车架、动力装置、驱动轮、从动轮、负重轮、支承轮、履 带架、履带等组成。本系统采用液压马达驱动驱动轮，橡胶履带，浮动负重轮悬 挂系统，液压油缸组成铰接机构来实现车体转向。 9 中南大学硕士学位论文第二章采矿车结构设计方案与控制系统研究 2 ．2 ．3 铰接机构方案设计 在行走采矿过程中，应该确保采矿车在前后车体之间的俯仰、侧翻和转向具 有可控性，从而使得采矿车在复杂的海底环境下，提高行走附着力，安全而高效 地工作H3 | 。传统采矿车主要采用万向节、十字铰、关节轴承或者应用球铰等实现 前后车体的相连。但是，这种传统的方法所使用的铰接机构是不可控的，并不能 发挥铰接式的最大优点H 引。 本文采用如图2 - 2 的铰接式机构。该铰接机构由俯仰油缸、转向油缸、摇摆 油缸、联结装置、摆杆、连接件等构成。其存在十二个构件，十三个转动副和四 个移动副，可实现前后履带车转向，俯仰，侧翻相对运动。 C B ⋯ 月’ 7 口口 ／4 8 1 后车联接板；2 俯仰油缸；3 转向油缸；4 支撑架；5 转向圆盘；6 轴。 A A f 为俯仰油缸与后车联接板的铰点B a ’ 为后车联接板与支撑架的铰点； C C ‘ 为转向油缸与支撑架之间的铰点D D ‘ 为俯仰油缸与支撑架间的铰点； E E I 为转向圆盘与支撑架间的铰点；F F 为转向油缸与转向圆盘问的铰点。 图2 - 2 铰接机构运动方案简图 2 ．3 采矿车控制系统方案分析 电液比例控制与其他类型控制系统相比较具有很高的输出力一重量比，同时 电液比例系统的刚性和动态响应速度都较高H 引。钴结壳采矿车是整个采矿系统的 核心设备，其体积庞大，载荷变化大，工作环境恶劣，采矿工艺复杂。因此，采 矿车液压控制采用电液比例方式。 2 ．3 ．1 采矿车控制原理 采矿车的液压控制系统涉及两个部分。一是采矿车液压行走控制部分，二是 采矿车车体转向液压控制部分。 中南大学硕士学位论文 第二章采矿车结构设计方案与控制系统研究 2 ．3 ．1 ．1 采矿车直线行走控制 电液马达角速度 图2 - 3 采矿车液压行走控制框图 采矿车液压行走系统控制原理框图如图2 - 3 所示。其中蜘为马达转速设定 值，Y 为马达转速反馈值，，采用比例阀控制变量泵的排量。在工作过程中，输 入马达设定转速，经智能控制器，通过比例阀控制变量泵的排量，输出至行走马 达，通过安装在液压马达上的转速传感器测量其转速的精确测量，与输入转速量 进行比较，从而，构成行走速度的闭环控制系统，实现行走马达行走自动控制。 2 ．3 ．1