懸臂式掘進機器人高階滑模控制研究.pdf

1、懸臂式掘進機器人是一種用于巷道掘進的特種機器人。論文針對其工作環(huán)境惡劣、危險程度高等問題，根據(jù)巷道掘進質(zhì)量的作業(yè)要求，研究了一種懸臂式掘進機器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了掘進機在巷道或井下等危險、惡劣環(huán)境下的無人操作，自動完成其預定的掘進作業(yè)。
　　 論文以懸臂式掘進機為對象，根據(jù)人工操作下的巷道掘進關鍵技術——懸臂截割控制和行走控制，研究斷面成形和軌跡跟蹤的控制算法，并研究了控制器及系統(tǒng)實現(xiàn)。為研制生產(chǎn)效率高、掘進速度快、適應性強、調(diào)動

2、靈活的智能化、無人化的懸臂式掘進機器人，奠定了理論基礎，提供了實驗平臺。
　　 論文提出了懸臂式掘進機器人控制系統(tǒng)結構，分析了機器人的斷面成形和軌跡跟蹤兩個關鍵技術問題。根據(jù)機器人的工作任務和作業(yè)工藝要求，結合現(xiàn)有高階滑模變控制的研究現(xiàn)狀，提出了新型的高階滑?？刂品椒?，實現(xiàn)了懸臂式掘進機器人的斷面成形和軌跡跟蹤。論文主要進行了如下研究工作：
　　 ①論文研究懸臂式掘進機器人控制系統(tǒng)的總體結構，分析了懸臂式掘進機器人的機械

3、結構和工作原理。根據(jù)工作任務和工藝要求，對機器人的控制系統(tǒng)功能及工作流程進行了分析和設計，并將掘進機器人控制系統(tǒng)分解為截割臂控制系統(tǒng)和行走機構控制系統(tǒng)，建立了截割臂動力學模型和行走機構動力學模型，并提出了控制系統(tǒng)實現(xiàn)的理論問題。
　　 ②針對掘進機器人截割臂控制系統(tǒng)中存在的多變量、非線性等問題，對高階滑?？刂坪鸵活惢谟邢逘顟B(tài)機策略的二階滑?？刂频乃惴ㄟM行了分析。在已有的基于有限狀態(tài)機策略的改進的次優(yōu)二階滑模變結構控制基礎上，將

4、其擴展到幾類多輸入多輸出非線性控制系統(tǒng)，并證明了滑模量漸近穩(wěn)定的充分條件。通過仿真對提出的控制算法進行了驗證。
　　 ③針對掘進機器人行走控制系統(tǒng)中存在的高階非線性、不確定等問題，將Anosov Unstable(AU)和改進的次優(yōu)算法相結合，提出了一種基于有限狀態(tài)機切換的高階滑?？刂品椒?，解決了一類相對階為三的不確定非線性系統(tǒng)的有限時間鎮(zhèn)定問題。通過對滑模量和滑模量一階導數(shù)以及滑模量一階導數(shù)和二階導數(shù)兩個相平面的分析，證明了算

5、法的穩(wěn)定性，給出了保證滑模量有限時間收斂的充分條件。提出的高階滑?？刂品椒軌蛟诨Ａ慷A導數(shù)未知且無狀態(tài)觀測器的情況下，通過在多個有限狀態(tài)機之間進行切換，使得滑模量、滑模量一階導數(shù)和滑模量二階導數(shù)在有限時間內(nèi)收斂到零。通過仿真對提出的控制算法進行驗證。
　　 ④設計并實現(xiàn)了懸臂式掘進機器人截割臂控制系統(tǒng)。根據(jù)工作任務和工藝要求，對機器人斷面成形過程中，截割臂的工作行程進行了分析，設計了截割頭運動軌跡。根據(jù)機器人運動特點，建立了

6、機器人運動的空間幾何關系，分析了機器人自動截割過程中多個坐標系的轉換關系。根據(jù)懸臂式掘進機器人斷面成形任務要求，構建了機器人截割臂控制的硬件系統(tǒng)。利用本文提出的基于有限狀態(tài)機的多輸入多輸出二階滑?？刂品椒ㄔO計并實現(xiàn)了機器人截割臂控制器。通過仿真和實驗對機器人的截割控制進行了驗證。
　　 ⑤設計并實現(xiàn)了懸臂式掘進機器人履帶式行走機構控制系統(tǒng)。分析了履帶式行走機構轉向和跟蹤過程，根據(jù)機器人實際的運行環(huán)境的限制，提出了機器人軌跡跟蹤的

7、控制策略。針對掘進機器人的履帶式行走機構及其驅(qū)動機構的特點，提出了一種分層控制的系統(tǒng)結構，設計了控制系統(tǒng)實時路徑規(guī)劃策略，搭建了機器人履帶行走機構控制的硬件系統(tǒng)。根據(jù)路徑規(guī)劃策略，設計并實現(xiàn)了主控制回路。采用本文提出的基于有限狀態(tài)機切換的高階滑?？刂品椒?，設計并實現(xiàn)了機器人履帶的位置控制器。通過仿真和實驗對機器人的行走控制進行了驗證。
　　 最后，論文對研究工作進行了總結，給出論文主要工作和創(chuàng)新點，對掘進機器人和高階滑?？刂七M行