復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下的深海采礦機(jī)器人軌跡跟蹤研究.pdf

1、隨著陸地礦產(chǎn)資源的不斷枯竭，深入開(kāi)發(fā)各種海洋礦產(chǎn)資源受到世界各國(guó)的重視。在浩瀚的海底，富含一種結(jié)核狀礦石，內(nèi)有錳、鈷、鎳、銅、鉛、鋅、金、銀、鋁等金屬元素，品位非常高。海底采礦機(jī)器人需要攜帶采礦頭、動(dòng)力站、電子設(shè)備、輸?shù)V軟管和電纜等自主行走于稀軟的海底，收集各種礦石。深海采礦機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境很復(fù)雜，如：連接深海采礦機(jī)器人與中繼礦倉(cāng)的輸?shù)V軟管長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米，在作業(yè)過(guò)程中，軟管張緊度不斷變化，引起軟管張力動(dòng)態(tài)變化，中繼倉(cāng)受海浪影響上下起伏，引起

2、軟管產(chǎn)生擺動(dòng)。由于海底稀軟，軟管阻力將引起履帶打滑率及其測(cè)量噪聲的波動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)干擾，作用在深海采礦機(jī)器人組合定位系統(tǒng)與軌跡跟蹤控制系統(tǒng)，影響到深海采礦效率與深海采礦系統(tǒng)安全。
　　 論文針對(duì)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下的深海采礦機(jī)器人軌跡跟蹤所做的主要研究工作和貢獻(xiàn)總結(jié)如下：
　　 1)鑒于海上實(shí)驗(yàn)的困難，為了降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)采礦機(jī)器人在稀軟海底行駛時(shí)打滑嚴(yán)重，打滑率難以準(zhǔn)確測(cè)量等問(wèn)題，基于懸鏈線法，通過(guò)對(duì)超越方程組

3、數(shù)值求解，實(shí)時(shí)計(jì)算軟管阻力，建立了新的深海采礦機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型與履帶打滑率計(jì)算模型，為組合定位與軌跡跟蹤控制系統(tǒng)分析模型的建立奠定了基礎(chǔ)。
　　 2)針對(duì)長(zhǎng)基線聲學(xué)定位受工作噪聲干擾以及航位推算精度受打滑干擾等問(wèn)題，采用附加打滑參數(shù)的履帶機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)湖試數(shù)據(jù)對(duì)定位系統(tǒng)過(guò)程噪聲與測(cè)量噪聲進(jìn)行了描述，利用新息序列實(shí)現(xiàn)噪聲統(tǒng)計(jì)特性自適應(yīng)，然后考慮測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)延帶來(lái)的影響，通過(guò)卡爾曼濾波器將長(zhǎng)基線定位信息與航位推算信息進(jìn)行融合，

4、得到采礦機(jī)器人的位置估計(jì)。研究結(jié)果證實(shí)，該自適應(yīng)卡爾曼濾波器能有效地適應(yīng)過(guò)程噪聲與測(cè)量噪聲統(tǒng)計(jì)特性的變化，比常規(guī)卡爾曼濾波器具有更好的深海采礦機(jī)器人定位效果。
　　 3)針對(duì)擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)在海底采礦機(jī)器人組合定位系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)存在著計(jì)算復(fù)雜、線性化誤差大等問(wèn)題，將無(wú)色卡爾曼濾波(UKF)用于基于長(zhǎng)基線(LBL)與航位推算(DR)的深海采礦機(jī)器人組合定位系統(tǒng)中?？紤]測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)延的影響，組合定位系統(tǒng)融合LBL與DR信息，得到

5、海底采礦機(jī)器人的位置估計(jì)。研究結(jié)果表明UKF方法能夠明顯減少組合定位系統(tǒng)的線性化誤差，提高海底采礦機(jī)器人定位系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。
　　 4)針對(duì)組合定位系統(tǒng)存在的非線性、打滑噪聲變化大、聲納檢測(cè)信息延遲等導(dǎo)致的濾波器性能下降問(wèn)題，采用了一種新的過(guò)程噪聲方差自適應(yīng)調(diào)整方法，并將其與UKF相結(jié)合，形成自適應(yīng)無(wú)跡卡爾曼濾波(AUKF)。研究結(jié)果表明：該方法可以實(shí)時(shí)調(diào)整過(guò)程噪聲方差，有效地避免由于過(guò)程噪聲統(tǒng)計(jì)特性不準(zhǔn)確所帶來(lái)的濾波性能下

6、降的問(wèn)題，其深海采礦機(jī)器人位置估計(jì)效果明顯優(yōu)于常規(guī)UKF方法。
　　 5)基于視線導(dǎo)航方法，得到期望的深海采礦機(jī)器人速度與航向角。考慮履帶打滑的影響，并加入一個(gè)與航向角誤差成正比的分量，建立兩側(cè)液壓馬達(dá)期望角速度的計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)深海采礦機(jī)器人的航向角控制。針對(duì)液壓系統(tǒng)的非線性和不確定性，建立了液壓馬達(dá)角速度控制系統(tǒng)分析模型，提出了參數(shù)自整定模糊PID控制方法與在線自學(xué)習(xí)并積模糊控制方法。研究結(jié)果表明：期望馬達(dá)角速度計(jì)算時(shí)，履帶打