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深海底机器人行走防滑控制

2020-10-09 17:23

  、采集锰结核的智能履带车辆,两条履带由安装在后轮上的两台液压马达分别驱动,用变量泵调节速度。我国采矿区位于太平洋中部,为典型的深海平原,其上覆盖着很厚的淤泥及沉积物[1]。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。如果深海作业的行驶驱动力与沉积物特性不匹配,将出现履带过度打滑现象。为保证深海作业驱动力适合沉积物特性的变化。基于上述问题,深海履带式作业机器人行走技术的研究开发,将提升深海采矿系统安全作业水平。

  国外机器人行走防滑技术的相关研究,daegun hong和paljoo yoon[2]提出了一种基于制动观测器的系统。制动观测器负责评估车轮制动力,侧滑力和摩擦系数的变化。国内相关研究,刘志新、张大卫、李幼德[3]建立了四轮驱动汽车加速过程的数学模型,以滑转率为调节对象,提出一种基于模糊pid控制的驱动防滑控制asr算法。目前国内外对履带车辆防滑控制相关技术尚处于起步阶段,对复杂地形下的深海作业机器人,势必要求人们对机器人与地面相互作用特性,行驶底质识别以及防滑控制做更深入的研究,也必将促进人们对这些问题的认识。

  本文根据深海作业机器人行走的特点和海底环境的特点,建立了深海作业机器人的力学模型,并根据机器人驱动系统的结构和特点建立了液压系统模型,设计了机器人防滑控制系统,并提出最佳滑转率的辨识方法。基于matlab仿真平台,对整个深海作业机器人防滑控制系统进行仿真。

  深海作业机器人履带与海泥的作用十分复杂,图1为典型的海泥沉积物变形过程示意图,s为海泥应变,p为海泥所受压力。海泥受压时的破坏可分为三个过程[4]:

  直线变形阶段(压密阶段):当履带对海泥的压载小于临界荷载时,海泥被压紧,地面能够表现为弹性状态。如图1示,a点之前。

  局部剪切阶段(开始塑性变形):当履带对海泥的压载大于临界荷载而小于海泥的极限承载力时,海泥出现塑性变形,随着压力的增大,塑性变形区逐渐扩大。如图1示,a点与b点之间。

  完全破坏阶段(塑性变形区连成连续的滑动面):当压力继续增大,超过海泥的极限承载力,塑性变形区连成连续的滑动面,海泥被挤出来。如图1示,超过“b”点后,应力增加一微小量,应变便显著增加。这种显著增加的应变,构成塑性流动。塑性流动以前的状态,通常称为塑性平衡状态。从塑性平衡状态转变为塑性流动状态,表示物质被破坏。

  由以上分析可知,深海机器人应该工作在局部剪切阶段才能较好的利用海泥提供的牵引力行走。

  当驱动履带,在接触面的地面上产生剪切作用。如图2所示,为了预测车辆的牵引力和滑转率,需要了解地面的剪切应力和剪切变形之间的关系。这个关系可由剪切试验来确定。在剪切试验中可用剪切板代替履带刺的剪切作用。

  经测定我国矿区内的海泥剪切特性存在明显大于0的残余剪切力。wong提出以下公式来表示改型土壤:

  式中,k-水平剪切变形模数,m;j-剪切位移,m。kr-残余剪切应力与最大剪切应力比r/max。

  设机器车重心和几何中心重合,接地段的土壤特性为各向同性,履带接地段的负荷和土壤分布为均匀分布。

  式中,m-深海机器人单侧模型质量,kg;j-履带驱动轮相对于转轴的转动惯量,kgm2;-履带的转动角速度,rad/s;fxl-履带与海底地面间的附着力,n;fyl-履带的压实阻力,n;ftl-履带的推土阻力,n;fw-深海机器人海水阻力,n;tml-左履带马达驱动力矩,nm;r-驱动有效半径,m。

  在机器车行驶系统中采用变量泵-定量马达的容积调速回路。其中,电控变量泵由电液比例方向阀控制液压缸改变柱塞泵斜盘倾角的方式改变柱塞泵的排量,从而实现液压系统的流量控制。电液比例方向阀数学模型,采用电-机械转换元件直接驱动阀芯运动,从而将输入电压信号u转变为阀芯的位移量xv。