煤礦井下探測機(jī)器人路徑規(guī)劃和運(yùn)動控制的研究.pdf

1、煤礦井下探測機(jī)器人的主要作用是替代人員進(jìn)入災(zāi)后的礦井，探測井下的環(huán)境信息以及人員的傷亡情況，并將其發(fā)送到指揮中心。因此，煤礦井下探測機(jī)器人的研究對減少人員傷亡和煤礦救災(zāi)工作的順利開展有重要意義。課題來源于山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目“煤礦井下搜救探測機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)研究”，本文研究的路徑規(guī)劃和運(yùn)動控制技術(shù)是該課題研究的關(guān)鍵技術(shù)，是煤礦井下探測機(jī)器人順利完成其探測任務(wù)的保障。
　　 煤礦井下探測機(jī)器人路徑規(guī)劃的主要任務(wù)是在災(zāi)后井下障礙物不確

2、定的環(huán)境中，尋找一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的安全避碰路徑，且所走路徑較短、能源消耗最少。結(jié)合煤礦井下探測機(jī)器人的特點(diǎn)，首先，本文采用了基于柵格的機(jī)器人局部環(huán)境建模方法；其次，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)微粒群算法容易陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn)，通過對微粒的重新隨機(jī)初始化，改進(jìn)了微粒群的算法，并通過仿真驗(yàn)證了改進(jìn)算法的可行性；再次，在研究微粒群算法的基礎(chǔ)上，提出了基于行為學(xué)和微粒群算法的煤礦井下探測機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法，根據(jù)行為學(xué)把機(jī)器人的路徑規(guī)劃行為分解為駛向目標(biāo)的行為

3、和避障行為，同時(shí)根據(jù)滾動掃描區(qū)域里障礙物信息的不同來確定機(jī)器人的行為，并通過應(yīng)用兼顧全局的子目標(biāo)的確定方法，也使該路徑規(guī)劃在保證局部最優(yōu)的同時(shí)兼顧了全局最優(yōu)；最后，通過對基于行為學(xué)和微粒群算法的路徑規(guī)劃方法的MATLAB仿真，驗(yàn)證了本文算法的有效性。
　　 根據(jù)煤礦井下探測機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，把煤礦井下探測機(jī)器人的運(yùn)動控制主體分為了主驅(qū)動模塊和搖臂驅(qū)動模塊。首先，根據(jù)輪式機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，推導(dǎo)出了主驅(qū)動模塊的運(yùn)動學(xué)方程和在直行、

4、轉(zhuǎn)彎時(shí)兩個(gè)履帶的速度公式；其次，通過把機(jī)器人的搖臂簡化為空間連桿開鏈機(jī)構(gòu)，推導(dǎo)出了機(jī)器人搖臂模塊的運(yùn)動學(xué)方程；再次，結(jié)合煤礦井下探測機(jī)器人的工作條件和自身特點(diǎn)，對其運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì)，其中，經(jīng)過對軟件系統(tǒng)中的“路徑動態(tài)顯示”窗口和“圖像采集窗口”的調(diào)試，不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人合理路徑、障礙物信息和井下環(huán)境的可視化，并也為機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制奠定了基礎(chǔ)；最后，應(yīng)用Pro-Engineer軟件建立了煤礦井下探測機(jī)器人的