履带式集矿车软底质行走行为及模拟试验系统研究.pdf

中图分类号T P 2 3 U DC 6 2 1 博士学位论文 学校代码 Q 5 3 3 履带式集矿车软底质行走行为及模拟试验系统研究 R e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lo f r u n n i n gb e h a v i o rf o r t r a c k e dv e h i c l ec o l l e c t o ri nt h es o f ts e d i m e n ta n d s i m u l a t i o nt e s t 作者姓名曾谊晖 学科专业机械工程 研究方向 深海机械专用技术及理论研究 学院 系、所 机电工程学院 指导教师刘少军教授 副指导教师 论文答辩E l 期2 Q 1 3 8 ．1 3答辩委员会主席 中南大学 2 0 13 年8 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，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教育机构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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名纽塑多日期趁眨年丛月垦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全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并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名琊导师签名 日期垃年丛月』一日日期立』堡年丝月乡．日 万方数据 博士学位论文摘要 履带式集矿车软底质行走行为及模拟试验系统研究 摘要深海底采矿机器车的复杂性以及作业环境的特殊性决定了在 实际开采之前必须进行多个阶段不同程度的各种模拟试验研究，通过 试验对仿真结果进行验证，为实际的工程应用积累经验和提供指导作 用。为此，本文以国务院大洋专项国际海底区域研究开发“十一五” 项目【D Y X M ．11 5 0 4 ．0 2 ．0 1 ] 和湖南省自然科学基金项目【1 1 J J 3 0 5 9 ] 为 依托，对履带式集矿车软底质行走行为模拟试验系统进行研究，论文 的主要研究内容如下 1 提出了包括集矿车履带与软底质海底沉积物“压力- 下陷”、 最佳滑转率、行走动力学性能、障碍物模式识别和行走系统控制等在 内的整体试验方案，为深海采矿作业中履带式集矿车软底质海底行走 行为问题解决提供了必要的前提条件和技术基础。 2 设计了既可反映集矿车履带与软底质海底沉积物相互作用 实际状态又便于操作的模拟试验方案，并依据我国大洋多金属结核合 同矿区海底表层实际情况开展了模拟履带板与模拟沉积物的压力．沉 陷特性试验研究，得到了集矿车履带与软底质海底特定层位沉积物之 间相互作用的压力．沉陷力学特性关系曲线及其相关参数值，为深海 沉积物承载力的计算方法奠定了基础。 3 结合模拟沉积物与模拟履带板之间相互作用的剪切特性试 验结果，得到了表征海底沉积物剪切应力一剪切位移关系的数学模型 和相应参数，揭示了沉积物可提供给海底行走作业时集矿车的牵引力 与打滑率间的耦合规律，为集矿车软底质海底作业行走性能分析提供 重要参考。 4 结合构建的履带式集矿车软底质海底行走虚拟机构和典型 的海低虚拟地形建立了履带式集矿车软底质海底行走行为模拟试验 系统仿真模型，对履带式集矿车软底质海底直线行驶、转向行驶和爬 坡行驶过程进行了动力学性能仿真研究，试验结果较好地验证了仿真 结果的有效性和合理性。 5 利用车载超声波对障碍物进行探测，进而根据去噪后超声 波回波信号确定深海障碍物的确定位置，针对障碍物复杂的深海环 境，采用势流理论模拟出复杂的深海海流环境，进行混沌粒子群算法 在复杂深海环境避障控制的应用研究，利用混沌粒子群的方法得到有 利于降低路程花费，易于实现的履带式集矿车深海作业时的避障控 万方数据 博士学位论文摘要 制。 6 结合构建的模糊P I D 控制器和S i m u l i n k 仿真模型，设计了 履带式集矿车的半主动悬架系统和转向系统的控制系统，控制性能分 析结果表明该控制系统不但能对车体垂直振幅、俯仰角、车体垂直 加速度以及转向行驶轨迹等均实现有效控制，而且具有较好的稳定 性、快速性和精准性。 关键词履带式集矿车；软底质海底沉积物；行走；模拟试验系统； 仿真 分类号T P 2 3 I I I 万方数据 博士学位论文 A B S T R A C T R e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lo fr u n n i n gb e h a v i o rf o rt r a c k e d v e h i c l ec o l l e c t o ri nt h es o f ts e d i m e n ta n ds i m u l a t i o nt e s t A b s t r a c t T h e c o m p l e x i t y o fd e e ps e a b e d m i n i n gv e h i c l e a n dt h e p a r t i c u l a r i t yo fo p e r a t i n ge n v i r o n m e n td e t e r m i n et h a ti tm u s tc a r r yo u t y e v e r yk i n do fs i m u l a t i o nt e s ti nm u l t i p l es t a g e sa n dt ov a r y i n gd e g r e e s b e f o r ea c t u a le x p l o i t a t i o na n dv e r i f yt h es i m u l a t i o nr e s u l t sS Oa st og a t h e r e x p e r i e n c e a n do f f e rr e f e r e n c ef o ra c t u a l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ． T h e o r e c t i c a lm e a n si n c l u d i n gt h es i m u l a t i o nv i r t u a lt e c h n o l o g ya n d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yh a v eu n i q u ea d v a n t a g e s o ns o l v i n g p r o b l e m sa b o v ea n da r ee x p e c t e dt oo f f e ra n e ww a yt os o l v et h e m ． T h e r e f o r e ，s u p p o r t e db yt h eS t a t e C o u n s i l ’SO c e a nS p e c i a lP r o j e c t o nI n t e r n a t i o n a lS e a b e dR e g i o nR e s e a r c h D e v e l o p m e n td u r i n gt h e E l e v e n t hF i v e Y e a rP e r i o d N o ．D Y X M - 115 0 4 0 2 一0 1 a n dP r o j e c to f P r o v i n c i a lN a t u r a l S c i e n c eF u n do fH u n a n N o ．11J J 3 0 5 9 ，t h er e s e a r c h o nas i m u l a t i o nt e s t i n gs y s t e mo ft r a c k e dm i n i n gv e h i c l e sw a l k i n go ns o i l s e d i m e n t sW a sc a r r i e do u ti nt h ed i s s e r t a t i o n ．I t sm a i ni n n o v a t i o np o i n t s a r e1 i s t e da sf o l l o w s 1 Aw h o l et e s t i n gp r o g r a mi n c l u d i n gt h e ‘ p r e s s u r e - s i n k a g e “ c h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et r a c ko ft r a c k e dm i n i n gv e h i c l e a n ds o f ts e a b e ds e d i m e n t s ，o p t i m u ms l i p ，w a l k i n gd y n a m i cp e r f o r m a n c e ， o b s t a c l ep a t t e r nr e c o g n i t i o na n dw a l k i n gs y s t e mc o n t r o l ，w h i c ho f f e r s n e c e s s a r yp r e c o n d i t i o na n dt e c h n o l o g i c a lb a s ef o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo f a t r a c k e dm i n i n gv e h i c l ew a l k i n go ns o f ts e a b e ds e d i m e n t sd u r i n gi t s d e e p - s e am i n i n go p e r a t i o n ，w a sp r o p o s e d ． 2 As i m u l a t i o nt e s t i n gp r o g r a mw h i c hr e f l e c t st h ea c t u a ls t a t eo f i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et r a c ka n ds e d i m e n t sa sw e l la si sc o n v e n i e n tt o o p e r a t e w a s d e s i g n e d a n d r e l a t i o n s h i p c u r v e sf o r p r e s s u r e - s i n k a g e c h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et r a c ko ft r a c k e dm i n i n gv e h i c l e a n ds o f ts e a b e ds e d i m e n t sa n dr e l a t e dp a r a m e t e r st h a tl a yt h ef o u n d a t i o n f o rc a l c u l a t i o no ft h eb e a r i n gc a p a c i t yo fd e e p s e as e d i m e n t sw e r e o b t a i n e da f t e rt h et e s t i n gi n v e s t i g a t i o no np r e s s u r e - s i n k a g ec h a r a c t e r i s t i c s o fi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es i m u l a t i n gt r a c kp l a t ea n ds e d i m e n t sw a s c a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls t a t eo fs e a b e ds u r f a c el a y e ri nC h i n a ’S 万方数据 博士学位论文A B S T R A C T o c e a l lp o l y 。m e t a l l i cm i n i n gc o n t r a c ta r e a ． 3 A f t e rc o m b i n e dw i t hs h e a rc h a r a c t e r i s t i c st e s t i n gr e s u l t so f i n t e r a c t i o nb e t w e e n s i m u l a t i n g s e d i m e n t sa n dt r a c k e d p l a t e s ，a m a t h e m a t i c a lm o d e ld e m o n s t r a t i n gt h es h e a rs t r e s s s h e a rd i s p l a c e m e n t r e l a t i o n s h i p o fs e a b e ds e d i m e n t sa n dc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e da n dt h ec o u p l i n gp r i n c i p l eo ft r a c t i o nw h i c hi so f f e r e db y s e d i m e n t sf o rt h em i n i n gv e h i c l eo p e r a t e do nt h es e a b e da Sw e l la st h e s l i pw a sr e v e a l e d ，c o n s e q u e n t l y ，v i t a lr e f e r e n c ec o u l db es u p p l i e dt ot h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i so f t h em i n i n gv e h i c l ew o r k i n ga n dw a l k i n go ns o f t s e a b e ds e d i m e n t s ． 4 As i m u l m i o nm o d e lo ft h es i m u l a t i o nt e s t i n gs y s t e mo ft r a c k e d m i n i n gv e h i c l e sw a l k i n go ns o f t s e a b e ds e d i m e n t sW a Ss e tu pa f t e r e s t a b l i s h e dv i r t u a lo r g a n i z a t i o n so ft r a c k e dm i n i n gv e h i c l e sw a l k i n go n s o f ts e a b e ds e d i m e n t sb e i n gc o m b i n e dw i t ht y p i c a lv i r t u a ls u b m a r i n e t o p o g r a p h ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n o ft r a c k e dm i n i n g v e h i c l e sw a l k i n go ns o f ts e a b e ds e d i m e n t si nac r o wl i n e ，v e e r i n g l ya s w e l la sw h e ng r a d ec l i m b i n gr e s p e c t i v e l yw a sr e s e a r c h e da n dt h et e s t i n g r e s u l t sv e r i f i e dt h ev a l i d i t ya n dr a t i o n a l i t yo ft h es i m u l a t i o no n e sw e l l ． 5 T h eo b s t a c l ew a sp r o b e dw i t hv e h i c l e - m o u n t e du l t r a s o u n d w a v e sa n dt h e na c c u r a t e p o s i t i o n o fe a c h d e e p - s e ao b s t a c l eW a s d e t e r m i n e da c c o r d i n gt on o i s e r e m o v a le c h os i g n a lo fu l t r a s o u n da sw e l l a sc o m p l e xd e e p - s e ao c e a nc u r r e n t se n v i r o n m e n tw a ss i m u l a t e dd i r e c t e d t o w a r d sc o m pl e xd e e p s e ae n v i r o n m e n to fo b s t a c l ew i t hp o t e n t i a lf l o w t h e o r y a n dt h e n a p p l i c a t i o n r e s e a r c ho nc h a o s p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o ni n t h eo b s t a c l ea v o i d a n c ec o n t r o lo fc o m p l e xd e e p s e a e n v i r o n m e n tw a sd o n e ．B e s i d e s ，o b s t a c l ea v o i d a n c ec o n t r o lo ft r a c k e d m i n i n gv e h i c l e sw o r k i n gi nt h ed e e ps e ab a s e do nt h ec h a o sp a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o n ，w h i c hi si nf a v o ro fl o w e rd i s t a n c ec o s ta sw e l la s e a s yt or e a l i z e ，w a so b t a i n e d ． 6 Ac o n t r o ls y s t e mo ft r a c k e dm i n i n gv e h i c l e s ’s e m i - a c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e ma sw e l la ss t e e r i n gs t e mw a sd e s i g n e da f t e re s t a b l i s h e d f u z z yP I Dc o n t r o l l e ra n dS i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d e lb e i n gc o m b i n e d ． T h er e s u l to fc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n a l y s i ss h o w st h a ti tC a nn o to n l y r e a l i z ee f f e c t i v ec o n t r o lt ot h ev e r t i c a la m p l i t u d eo fv e h i c l eb o d y , p i t c h V 万方数据 博士学位论文 A B S T R A C T a n g l e ，v e r t i c a l a c c e l e r a t i o no fv e h i c l eb o d ya sw e l la st h es t e e r i n g t r a j e c t o r y , b u ta l s oh a v eg o o ds t a b i l i t y , r a p i d i t ya n da c c u r a c y ． K e y w o r d s T r a c k e dm i n i n gv e h i c l e ；S o f ts e a b e ds e d i m e n t s ；W a l k i n g ； S i m u l a t i o nt e s t i n gs y s t e m ；S i m u l a t i o n V I 万方数据 博士学位论文 目录 原创性声明 摘要⋯⋯⋯⋯ 目录 1 绪论 目录 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯】【 ⋯Ⅱ V Ⅱ 1 ．1 课题来源 1 ．2 研究意义与研究目的⋯。 1 ．3 国内外海底集矿车行走行为实验系统研究现状 1 ．4 海底履带式集矿车动力学研究现状 1 ．4 ．1 履带车动力学分析现状 1 ．4 ．2 集矿车动力学分析现状 l l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯】【 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．j } ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ； 1 ．5 海底行走车避障路径规划研究的基本问题及研究现状 1 ．6 履带式集矿车行走过程系统控制方法研究现状 研究内容与论文框架⋯⋯。 ⋯6 2 履带式集矿车软底质海底行走行为模拟试验系统方案研究 2 ．1 管道提升式深海采矿系统介绍 2 ．2 履带式集矿车软底质海底行走动力学问题⋯。 8 9 ⋯．．1 2 1 4 ⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 。1 5 2 ．3 履带式集矿车软底质海底行走行为模拟试验系统基本构成及实现方案 1 6 2 ．3 ．1 软底质海底行走行为模拟试验系统功能要求和基本构成⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．2 实验样车的基本构成及实现方案 ．⋯．．．．．⋯⋯．．1 9 2 ．3 ．3 模拟试验系统远程监控方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 3 2 ．3 ．4 实验样车控制系统方案⋯⋯ 2 ．4 履带式集矿车软底质海底行走模拟试验方案研究 ．．．．．．．．．．．⋯．．．2 5 ⋯⋯．．2 8 2 ．4 ．1 集矿车履带与软底质海底沉积物“压力．下陷”模拟试验方案研究2 8 2 ．4 ．2 履带式集矿车在软底质海底行走最佳滑转率模拟试验方案研究．3 l 2 ．4 ．3 履带式集矿车软底质海底行走动力学性能模拟试验方案研究⋯．3 3 2 ．4 ．4 履带式集矿车软底质海底行走系统控制模拟试验方案研究⋯⋯⋯3 5 2 ．4 ．5 履带式集矿车软底质海底障碍物模式识别模拟试验方案研究⋯．3 7 2 ．5 本章小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．3 8 3 集矿车履带与软底质海底沉积物“压力．下陷”模型 3 ．1 集矿车履带与地面相互作用力学理论基础⋯⋯⋯⋯。 3 ．2 软底质海底沉积物参数与车辆集矿车履带性能关系 V I I ⋯3 9 3 9 4 0 万方数据 博士学位论文目录 软底质海底沉积物参数分析 3 ．2 ．2 软底质海底承压影响因素研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 ．3 试验方案与系统简介⋯⋯⋯⋯⋯ 3 ．3 ．1 我国大洋多金属结核合同矿区沉积物土工特性 试验模拟沉积物配制⋯。 ．．4 0 ．．4 1 3 ．3 ．3 压陷试验系统构成与物理力学特性． 3 ．3 ．4 试验方案设计与系统组成 3 ．3 ．5 试验原理 3 ．4 软底质海底行走集矿车履带“压力- 下陷“ 智能校正模型 3 ．4 ．1 集矿车履带与沉积物压陷特性模型建立 4 5 4 5 4 5 4 6 4 6 ⋯⋯4 7 3 ．4 ．2 集矿车履带与沉积物压陷特性模型智能校正 3 ．5 模型应用 3 ．6 本章小结 4 履带式集矿车在软底质海底行走最佳滑转率模拟试验 4 ．1 剪切应力．剪切位移理论模型⋯⋯． 4 ．2 剪切特性测量的试验方案与系统 4 7 4 7 5 0 5 l 5 2 ⋯．5 3 4 ．2 ．1 我国大洋多金属结核合同矿区沉积物土工特性 4 ．2 ．2 配置试验模拟沉积物 ．．．．．．．．．．．．．5 4 4 ．2 ．3 试验方案设计与系统组成⋯ 4 ．3 软底质海底沉积物的剪切应力．剪切位移模型⋯⋯⋯⋯ 4 ．3 ．1 履带式集矿车工作过程⋯⋯。 5 4 5 5 5 7 ⋯．5 8 4 ．3 ．2 剪切应力．剪切位移试验数据分析及关系式推导⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．4 履带板、履齿与软底质海底沉积物的粘附过程机理分析 4 ．4 ．1 土壤和非土壤材料之间的粘附行为⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯．．6 0 4 ．4 ．2 软底质海底沉积物在履带板、履齿问粘附的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯。6 l 4 ．4 ．3 履带板、履齿与软底质海底沉积物的粘附过程． 4 ．5 集矿实验车总牵引力与打滑率关系分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． ⋯6 2 ⋯⋯．6 3 5 履带式集矿实验车软底质海底行走行为试验系统动力学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．1 履带式集矿实验车的研制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 ⋯⋯⋯．6 8 5 ．1 ．1 履带行走系统关键零部件的结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 5 ．1 ．2 履带的结构参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 ．1 ．3 履带式集矿实验车动力及传动系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 5 ．1 ．4 履带式集矿实验车总体结构设计 V I I I ．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．7 8 万方数据 博士学位论文目录 5 ．2 履带式集矿车虚拟样机以及仿真海泥路面模型 。8 0 5 ．2 ．1 履带式集矿车虚拟样机模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 5 ．2 ．2 海泥路面模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 5 ．2 ．3 海底地面- 履带式集矿车辆系统模型 ．．．．．．．．⋯⋯⋯．8 1 5 ．3 履带式集矿车软底质海底行走行为模拟试验系统动力学性能仿真分析 ．．8 3 5 ．3 ．1 履带式集矿车快速动力学仿真及验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯昭 5 ．3 ．2 履带式集矿实验车直线行驶过程仿真分析 5 ．3 ．3 履带式集矿实验车转向行驶过程仿真分析 5 ．3 ．4 履带式集矿实验车爬坡行驶过程仿真分析 5 ．4 软底质海底行走行为模拟试验系统动力学性能试验验证 5 ．4 ．1 履带式集矿车软底质海底行走行为模拟试验系统 8 4 8 6 8 8 8 9 8 9 5 ．4 ．2 试验结果与仿真结果的比较分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 l 5 ．5 本章小结⋯⋯ 6 基于车载超声波测距的履带式集矿车深海避障算法研究 6 ．1 履带式集矿车车载超声波软底质海底障碍物探测。 6 ．1 ．2 超声波测距系统的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯．．9 4 ．．．⋯⋯．．．9 4 ．9 4 6 ．1 ．2 履带式集矿车的深海环境坐标系建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 6 6 ．1 ．3 障碍物的分离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 6 ．1 ．4 深海障碍信息的抽取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 6 ．2 超声波回波信号的去噪⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 6 ．2 ．1H i l b e r t - H u a n g 变化信号重构原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 9 6 ．2 ．2 超声波回波信号的H i l b e r t - H u a n g 变化重构 6 ．3 履带式集矿车深海智能避障算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 ⋯1 0 1 1 0 4 6 ．3 ．1 混沌粒子群先进性验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 5 6 ．3 ．2 基于C P S O 算法的深海避障模型⋯⋯⋯⋯． ⋯⋯⋯⋯．1 0 7 6 ．3 ．3 仿真试验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 0 6 ．4j | 章州、2 吉．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 1 7 履带式集矿实验车深海海底行走过程系统控制策略研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 7 ．1 模糊P I D 控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． ．．．．．．．．．．．．1 1 2 7 ．1 ．1 模糊控制基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 7 ．1 ．2P I D 控制机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 4 7 ．1 ．3 模糊P I D 控制器的设计⋯⋯⋯⋯⋯． 7 ．2 履带式集矿实验车半主动悬架模糊P I D 控制研究⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 6 万方数据 博士学位论文 目录 7 ．2 ．1 履带式集矿车半主动悬挂系统模型⋯⋯。 7 ．2 ．2 履带式集矿半主动悬架的模糊P I D 模型 ⋯⋯⋯⋯1 1 7 1 1 8 7 ．2 ．3 履带式集矿实验车半主动悬架的模糊P I D 控制数值仿真⋯⋯⋯1 2 0 7 ．3 履带式集矿实验车的转向模糊P I D 控制研究 7 ．3 ．1 履带式集矿实验车转向运动方程 ⋯⋯1 2 2 7 ．3 ．2 履带式集矿实验车转向模糊P I D 控制器模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 3 7 ．3 ．3 履带式集矿实验车转向的模糊P I D 控制数值仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 4 7 ．4 本章小结 8 结论与建议 8 ．1 结论 8 ．2 建议 参考文献 ．．．．．．．．1 2 9 攻读博士学位期间从事课题及发表论文情况 从事课题情况 论文发表情况 致谢 ．．．．．．1 3 0 ⋯⋯1 3 1 1 4 0 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 0 ．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．1 4 0 X 1 4 2 万方数据 博士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题来源 作为地球最后一片未开发区域的深海蕴藏着丰富的资源，现已成为世界各国争取海 洋权益、发展高新技术、开展国际合作及展示自身实力的重要场所，海洋采矿也成为全 世界共同的课题1 1 - 2 1 。 海洋占地球表面积的7 1 ％，随着地球陆地矿产资源枯竭等问题的日益加剧，开发海 洋矿产资源日益引起人们的关注。海洋矿产包括含锰、铜、钴、镍、金、银等1 0 多种 矿物，已探明储量多达150 0 0 亿t 的锰结核，是目前海底矿产资源开发的一个热点【3 巧】。 锰结核赋存于水深40 0 0 - - 一60 0 0m 的深海底表面，表现为直径为0 ．5 “ - 2 5c m 的黑色矿物 块群。已知的赋存海域广泛分布于从东太平洋的夏威夷群岛到北美大陆之间的深海底以 及印度洋等。 在人类开发海底矿产资源的系统方案中，集机械学、密封技术、声学传感技术、机 器人技术、水下精确导航与定位技术和人工智能等诸多学科为一体的深海底采矿机器车 扮演了重要的角色。深海底采矿机器车作为深海底智能作业机器人的先行者，其研究开 始于2 0 世纪7 0 年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和试验产品。深海底采矿 机器车的发展，推动了深海底作业机器人的发展，也促进了水下机器人技术、水下图像 处理、声学传感技术、水下精确定位与导航技术的发展。 深海底采矿机器车的复杂性以及作业环境的特殊性决定了在实际开采之前必须进 行多个阶段不同程度的各种模拟试验研究，通过试验对仿真结果进行验证，为实际的工 程应用积累经验和提供指导作用。 因此，本文以国务院大洋专项国际海底区域研究开发“十一五”项目 【D Y X M ．1 1 5 ．0 4 ．0 2 ．0 l 】和湖南省自然科学基金项目[ 11 J J 3 0 5 9 1 为依托，主要针对履带式集 矿车子系统，建立基于软底质海底行走的履带式集矿车动力学模型，对虚拟样车进行动 力学仿真，分析样车在软底质海泥上行驶性能，研究在加入了较大履带打滑的情况下， 集矿车如何保证跟踪预定路径、路径偏差范围达到控制精度的要求。并开发海底集矿车 避障控制算法，将模糊控制与P I D 控制相结合，研制出软底质海底履带式集矿样车，以 及履带在打滑严重和压陷较深时应采取的措施。力争在软底质海底履带式集矿车的稳定 行走、避障、路径规划等关键技术上取得突破，形成我国富钻结壳和多金属硫化物海底 集矿车新技术。 1 ．2 研究意义与研究目的 我国采矿区主要位于太平洋中部，其中富钴结壳和多金属硫化物是我国海洋采矿的 万方数据 博士学位论文1 绪论 主要目标，矿区为典型的深海平原，其上覆盖着很厚的淤泥及沉积物。海底沉积物不同 于陆地底质，剪切强度较低，具有搅动流体特性、塑性特性。作为深海采矿系统关键技 术的海底集矿车将携带采矿机构，破碎机，液压系统，电子仓和长软管等设备行走于复 杂的海底地形上，在行走作业过程中将受到海底复杂地形及地质特性多变等因素的影 响，尤其是在软底质海底路状下，如果深海履带式集矿车的行驶驱动力与沉积物特性不 匹配，将出现偏转、履带过度打滑现象，且集矿车难以同步于采矿船作业区域，按照预 定开采路径行走，直接影响采矿工作的顺利进行。严重时，集矿车将可能深陷入沉积物 中并被其吸附，不能行走或者丧失采矿功能，使整个采矿系统瘫痪。因此，为保证集矿 车的安全行走，应使行走驱动力适合沉积物特性的变化。履带式集矿车行走控制成为整 个采矿系统的关键技术之一，寻求一种有效的行走控制方法使集矿车按预定开采路径行 走具有重要意义。本文旨在研制出一套履带式集矿车软底质行驶过程模拟实验系统，并 在此平台的基础上，对软底质海底条件下集矿机行走的防滑控制、定位、路径规划和跟 踪等行驶