深海底机器人行走防滑控制

作者：时间：2012-08-07 来源：网络收藏

比例电磁铁控制线圈的端电压增量方程：

δu(s)=lsδi(s)+(rc+rp)δi(s)+kesxv(s) (4)

衔铁组件的动态力平衡方程：

kiδi(s)=mts2xv(s)+btsxv(s)+(ks+ky)xv(s)+t(s) (5)

阀芯动态力平衡方程：

t(s)=[mvs2+bvs+(kv+kfv)]xv(s) (6)

式中，l－线圈电感，h；rc，rp－线圈和放大器内阻，ω；ke－线圈感应反电动势系数，v；ki－比例电磁铁电流力增益，n/a；mt－衔铁组件质量，kg；bt－阻尼系数，n·s/m；ks－衔铁组件的弹簧刚度，n/m；mv－阀芯质量，kg；bv－阀芯的粘性阻尼系数，n·s/m；kv－阀芯对中弹簧刚度，n/m；kfv－作用于阀芯上的稳态液动力刚度系数，n/m；δi－线圈电流，a；ky－比例电磁铁的位移力增益和调零弹簧的刚度之和，n/m；t－衔铁外负载，n。

比例方向阀的模型框图如图3所示。

深海作业机器人防滑滑模变结构控制方法

(1)滑模切换函数

履带的纵向滑转率最好控制在略小于理想滑转率λt的一个小区域内，以便充分发挥履带的牵引能力，同时又能保证车辆具有一定的侧向性能。在实现防滑的滑模变结构控制时，若以履带纵向滑转率λ作为控制目标，设控制目标理想滑转率为λt，那么滑模变结构控制履带过度滑转实质上就是调节履带实际纵向滑转率与目标纵向滑转率λt之间的差值，并使之趋近于零。

控制的目标是寻找驱动力矩tm的控制规律，使得滑转率跟踪误差e趋向于零，设λt为海底行走最佳滑转率，则就是最佳滑转率对时间的导数。

假设最佳滑转率已知，控制的目的为控制驱动力矩的输入，使跟踪误差λ(t)-λt(t)趋近于零，所有状态变量有界。

滑模控制器应用切换函数来改变tm的控制规律，定义切换函数为：

(7)

式中c1为待定系数，c1>0，e为驱动轮滑转率的误差变量，e=λ-λt

(2)基于μ-λ曲线形状的λt估计

通过分析可以提出λt的搜寻方法：

(8)

式中，φ是一符号为正的步进常数，当时，λt的值增加φ，同理，当时的λt的值减少φ。这样累计之后就能够得到系统的最佳滑转率。

图4 不同行驶底质附着系数－滑转率关系图

图5 滑转状态相轨迹图

仿真结果

(1)滑转率辨识仿真

图4中显示的是深海底附着系数－滑转率关系的拟合方法仿真结果。点虚线为根据附着系数定义由纵向牵引力得到的附着系数精确值c=2500；k=0.3；kr=0.45；a=3.25；g=50000；。划线虚线为根据burckhardt公式得到的拟合值，c1=0.3016；c2= 23.129；c3=0.121可以看出在附着系数的上升段拟合值和精确值几乎完全重合，该段对于最佳滑转率的识别是最有意义的一段，所以文中所用的拟合方法有很高的准确性。

(2)滑转率跟踪仿真

图5为滑转率跟踪控制的相轨迹图，如图中所示，在控制过程中，其相轨迹迅速趋于切换线，并在到达切换线之后将沿切换线快速滑向设定的理想值(λt，0)，从而达到控制的要求。

结论

本文以深海作业机器人为研究对象，以车辆地面力学为基础，分析了深海作业机器人在深海底行走的特点，并在此基础上建立了作业机器人的动力学模型。分析了履带防滑控制的原理，确立了以滑转率控制为核心的控制方案。基于曲线形状的最佳滑转率辨识方法，根据附着系数对滑转率的导数正负来辨识滑转率的情况，从而推导出由可测参数马达转矩和履带角加速度来间接得到导数的正负值从而辨识出最佳滑转率值。以matlab为平台，对液压驱动系统进行了建模和仿真，验证所建模型的合理性。

作者简介

于欣(1986－) 女硕士在读，研究领域：人工智能，计算机控制，深海机器人等。

参考文献

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[3] 刘志新，张大卫，李幼德，等．基于滑转率的四轮驱动汽车防滑模糊控制仿真[j]．农业机械学报，2005，36(12)：21～24．

[4] 张克健．车辆地面力学[m]．北京：国防工业出版社，2002．