基于ARM嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统研究Word文档格式.docx
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第一章绪论1
1.1深海机器人轨迹跟踪研究的意义和目的1
1.2深海机器人轨迹跟踪的国内外研究现状2
1.2.1国外研究现状2
1.2.2国内研究现状5
1.3我国深海采矿的工艺流程7
1.4论文组成8
第二章深海机器人轨迹跟踪系统硬件设计9
2.1深海机器人轨迹跟踪系统硬件框图9
2.2深海机器人轨迹跟踪系统硬件原理图10
2.2.1主控制器的选择10
2.2.2传感器的选择10
2.2.3D/A转换器19
2.2.4RS-232/RS485转换器21
2.2.5其它器件的选择22
2.3硬件抗干扰23
2.4本章小结24
第三章控制算法25
3.1深海机器人行走作业规划及控制要求25
3.2深海机器人轨迹跟踪系统控制算法的研究26
3.2.1专家控制系统27
3.2.2模糊控制系统27
3.2.3专家模糊控制系统28
3.3本章小结30
第四章基于MATLAB的系统仿真及其结果31
4.1模糊控制器的设计31
4.2基于Simulink的模糊控制器仿真及其结果33
4.2.1深海机器人履带液压系统理想数学模型33
4.2.2基于Simulink的仿真模型设计34
4.2.3控制规则在线学习的模糊控制器的实现35
4.3本章小结37
第五章深海机器人轨迹跟踪系统软件设计38
5.1深海机器人轨迹跟踪系统软件设计总体框图38
5.2嵌入式操作系统的选择及移植39
5.2.1嵌入式操作系统的选择39
5.2.2嵌入式操作系统的移植39
5.2.3快速自启动程序的设计42
5.3各应用程序模块的设计43
5.3.1系统主程序设计43
5.3.2速度采集模块程序设计43
5.3.3航向采集模块程序设计43
5.3.4数据处理模块程序设计45
5.3.5履带速度调节模块程序设计46
5.3.6报警模块程序设计47
5.3.7深海机器人上位机程序设计47
5.4软件抗干扰48
5.5结束语49
第六章结论50
参考文献52
致谢54
附录
第一章绪论
1.1深海机器人轨迹跟踪研究的意义和目的
曾有人预言:
“21世纪将是人类开发利用海洋的世纪”。
随着人类社会人口的激增和现代工业的飞速发展,人们正在逐渐地把陆地上有限的矿产资源消耗殆尽。
为了寻求新的矿产资源,人们开始把目光投向了海底丰富的矿产资源。
海洋占地球表面积的70.2%,其蕴藏着几乎取之不尽的生物、能源和矿产资源[1]。
据АВДОНИН(2000)的粗略推算,仅海底的Cu、Ni、Co、Mn金属资源的蕴藏量就可供全球使用千年以上。
然而直到现在为止,人们对海洋金属矿产的开发还处在起步的阶段,因此加快对海洋资源的研究和开发在21世纪成了各国的共识。
在过去的3O年间,包括中国在内的各国完成了千余航次的海上地质调查、取样和海底钻探,对铁锰结核和富钴结壳的分布、物质成分、资源量和采冶工艺进行了全面而深入的研究,使人们对海底矿产的分布、资源量和开发前景有了一个较全面和较准确的了解。
目前探明具有商业开发前景的有多金属结核(锰结核)、富钴结壳和热硫化矿床以及生物基因资源。
多金属结核是一种结核状的铁锰矿,又称为大洋锰结核,它广泛分布于水深3000—6000m海底。
它主要由铁锰物质组成,含有70多种元素(包括工业所需要的铜、钻、镍、锰、铁等金属),其中Ni,Co,Cu,Mn的平均含1.30%,0.22%,1.00%和25.00%,总储量分别高出陆地相应储量的几十倍到儿千倍,具有很高的经济价值,是一种重要的深海矿产资源。
多金属结核在大西洋、印度洋、太平洋等世界几大洋中均有分布,惟太平洋分布最广,储量最大,并呈带状分布,拥有东北太平洋海盆、中太平洋海盆、南太平洋、东南太平洋海盆等4个分区,其中位于东北太平洋海盆内克拉里昂、克里帕顿断裂之间的CC区(Clarion-ClippertonZone)是结核经济价值最高的区域[2]。
目前,国际海底区域资源的竞争愈演愈烈,许多国家都在积极发展海洋高技术,深化海洋资源利用。
海底工业采矿实验的成功,促进了铁锰结核和富钴结壳的工业开采冶炼工艺。
有鉴于此,联合国海洋公约大会于1994年曾将世界海洋划分为200海里专属经济区(EEZ)(这里的资源属主权国)和200海里以外的国际公海。
广阔的国际公海中蕴藏的所有资源是属于“人类的共同财富”,各国可依法进行调查研究和申请开采。
我国的大洋工作起始于20世纪70年代,最初以多金属结核资源调查为主[3]。
70年代中后期,我国大洋调查船先后在太平洋海底采集到锰结核。
80年代初,我国大洋锰结核资源调查工作取得较大进展,1984年开始着手制定我国大洋矿产资源勘查规划,并开始部署相关的科学和技术研究工作。
1991年,以“发展我国深海高新技术,为人类开发利用国际海底资源做出贡献”为宗旨的中国大洋矿产资源研究开发协会(简称中国大洋协会)正式成立,成为组织我国各方面深海科研开发力量,开展大洋工作的主要平台,并代表我国向国际海底管理局和国际海洋法法庭筹备委员会申请矿区登记。
2001年5月,中国大洋协会与国际海底管理局签订了《勘探合同》,以合同形式确定了我国在太平洋CC区拥有专属勘探权和优先商业开采权的7.5万平方公里多金属结核矿区,成为继印度、原苏联、法国、日本之后第5个已登记的国际海底开发先驱投资者。
这一多金属结核矿区的获得,为我国经济可持续发展提供了宝贵的资源战略储备。
1.2深海机器人轨迹跟踪的国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
上世纪60年代以来,西方发达国家先后投入了大量的资金、人力和物力来进行深海采矿技术的系统开发和实验研究,并已对连续绳斗法采矿系统、穿梭艇式采矿系统进行了开发研究,并进行了一系列的试验[4][5][6][7][8]。
1970年国际财团海洋采矿公司(OMA)在大西洋在布莱克海底台地试验了拖曳式水力深海机器人,1978年在太平洋的克拉里昂-克里帕顿断裂带用同样的采矿系统进行了试采。
在1978年,美国海洋管理财团就在太平洋矿区按1/4~1/5工业生产规模进行了海上采矿试验并取得成功,从而奠定了流体提升采矿法的基础。
该采矿法的最大特点是配备了自行遥控采矿车,具有较好的机动灵活性,能避开海底障碍物和不利地形,能实现大规模、高效采矿。
1987年和1990年俄罗斯(前苏联)在黑海79米水深区域采用自行式深海机器人进行了集矿实验。
在实验中,特地在试验区海底抛洒了从太平洋中部水域采集的十余吨锰结核,而其研制的自行式深海机器人采集锰结核的生产能力达到了7.2吨/小时。
1994年起,韩国开始了“深海采矿技术开发和深海环境保护”项目,并进行了大量的研发工作。
韩国开发的复合式深海机器人采用履带行走方式,与我国目前研制的履带式深海机器人不同的是,它的采矿设备是可以相对底盘平移和旋转运动的,而且其运动由底盘行走机构的运动来决定。
与采用固定的方式相比,这种方式集矿效率相对较高,但控制较为复杂。
现在韩国正在对履带式深海机器人进行虚拟样机设计和数字仿真研究。
德国和法国为海洋采矿系统研制了柔性悬挂和刚性悬挂两台海底履带式深海机器人,其研究重点主要在开发,对导航研究涉及甚少。
印度在2000年完成了500m水深海底履带式深海机器人行走试验,采用的是法国研制的机器车底盘。
目前,西方国家具有代表性的深海机器人主要有以下几种:
(1)美国OMCO研制的深海机器人
美国海洋矿产公司(OMCO)研制,于1978年在夏威夷以南海域进行了实验,并成功收集结核。
见图3.1。
行走机构:
液压驱动,阿基米德螺旋行走机构。
其工作原理是螺旋叶片陷入海泥中,螺旋体旋转推动海泥,使行走机构获得向前或向后的推力而前进或后退。
其优点为结构简单、海底通过性好,缺点为行走打滑、承载能力低、功耗大、对海底扰动较大。
集矿方式:
采用转轮和链带机械集矿。
由两根斗链把多金属结核铲起,通过输矿皮带传输到贮矿罐。
其优点为结构简单,耗能低,缺点为集矿效率不高、转速较高时,结核有随水流漂浮现象,一些用圆柱齿制作的工作表面易被细泥堵塞。
传感装置:
一个测障声纳、一个姿态角传感器、一台深海摄像机。
几何参数:
长3415mm,宽2440mm,高2100mm.
图3.1美国OMCO研制的深海机器人
(2)德国锡根大学研制的深海机器人
德国从上世纪七十年代就开始了深海底采矿机器人的研制。
经历几十年研究,形成了具有德国特色的采矿系统。
图3.2为德国锡根大学研制的深海机器人。
该机器人的改进型于1999年7月在印度的浅海实验成功。
液压驱动,渐开线履齿橡胶带行走机构。
该车的特点就是采用了特殊形式的摆动车架,支承轮也能摆动,因此该底盘车能较好地适应海底复杂地形,具有较好的越障能力。
履带结构简单,渐开线履齿对沉积物的作用如同齿轮与齿条啮合,对沉积导扰动较小。
高压水射流集矿。
集矿时,前排射流将结核从沉积层上冲起,后排反向射流挡住冲起的结核往后的去路,并与前排射流产生一向上的合流将结核抬起,并冲向后部的输送机构。
实验表明,该集矿头可在集矿高度100~200mm内工作,高度为140mm时,集矿效率可达100%。
一个测障声纳、一个磁通门罗盘、一台多普勒测速仪、两个测速编码器、一台深海摄像头。
长3.1M,宽3米,高2米。
图3.2德国锡根大学研制的深海人
(3)法国梭型潜水深海机器人
1980年前后,法国Vertut等人研制了一种梭型潜水深海机器人(见图3.3)。
为得采矿靠自身重量下行,一般与竖直方向成一定角度。
压仓物贮存在结核仓内,当深海机器人快到达海底时,释放一部分压舱物以便采矿车徐徐降落。
深海机器人用阿基米德螺旋推进器在海底行走,一边排出压舱物,一边采集等效重量接近零。
当最后一点压舱物被排出,深海机器人在阿基米德推进器作用下返回到海面。
法国所设计的第二代梭型潜水遥控深海机器人模型机PLA-2型外形尺寸为5.5×
3.3×
2.6m、重16t(包括压舱物)。
由于系统投资大,产品价值不高,法国大洋结核研究开发协会(AFERNOD)于1983年已停止研究。
图3.3法国梭型潜水深海机器人
(4)日本拖曳式深海机器人
日本在连续斗系统实验失败后,于八十年初转入拖曳水力射流深海机器人的研究(见图3.4)。
但经过多年研究,日本已认识到拖曳式行走不能满足生产要求,正准备转身自行走深海机器人的研究。
图3.4日本拖曳式深海机器人
(5)印度深海底深海机器人
印度于十九世纪七十年代即开始了多金属结核采矿的研究,但进展缓慢。
通过与德国锡根大学合作,采用锡根大学研制的履带车底盘,并自行研究了独特的集矿头,印度与1999年7月进行了200m浅海实验,并取得了成功。
图3.5为印度深海机器人模型。
该机器人长3160mm,宽2950m,重10t,最大速度0.75m/s。
在机器人顶安装有一个可左右摆动的机械臂,机械臂的下方为一个泥浆泵。
采矿时,通过机械臂的左右摆动,用泥浆泵抽取海底表面的多金属结核。
该机器人除可采集多金属结核外,也可进行海底采沙。
图3.5印度深海底深海机器人
1.2.2国内研究现状
国内深海机器人控制技术研究始于“八五”计划。
“八五”期间,我国在综合研究国外深海机器人作业行走机构的基础上,长沙矿山研究院在“八五”期间研制了一台自行式履带车模型机(见图3.6(a)),该车采用近似渐开线高齿橡胶履带,双浮动悬架和横向摆动梁,双泵全功率供油,液压马达分别驱动,电液比例控制,采用水力机械复合集矿方式,外形尺寸4.6×
3.0×
2.1m,重8t,行驶速度0~1m/s。
结合深海采矿模型深海机器人的研制和实验室研究,于95年成功开发了稀软底履带行走式深海机器人控制系统,浅水试验初获成功,取得了阶段性研究成果。
同时暴露了控制系统水下仪表的执行机构多根电缆和信号缆相互间的缠绕扭曲严重、密水接头过多、主要依赖观测手段操作等薄弱环节,为“九五”扩大研究奠定了基础。
“九五”期间,由我国自行设计,与法国Cebynetic公司合作,研制了第二代深海机器人(见图3.6(b))主要改进表现为采用尖三角齿特种合金履带板,提高了深海机器人在深海软底环境下的可靠性和可行驶性;
改用全水力集矿方式,进一步提高了深海机器人的效率;
增加了控制密水箱和相关传感器,提高了深海机器人的可操作性。
该深海机器人达到了牵引特性理想、牵引力大、承载能力强、跨越或绕过海底障碍容易、能适应软海底行走的预期目标。
研究重点集中于深海中的试深海机器人控制和供电技术的研究开发,旨在打通深海采矿主要子工艺系统的控制流程。
基于技术设计和实验室研发,采用国际合作的技术路线,各控制环节初步形成,于2000年研制出我国第二代深海机器人控制系统。
控制系统基于COMPACT-PCI-IPC组成DCS层次结构,控制功能较为完善。
开发了基于PLC的硬管扬矿监控装置、基于研华一体化IPC的软管控制装置。
各子系统工艺流程基本满足工艺实验室要求,但控制系统功能有待完善。
并于2001年成功进行130m水深湖试。
由于自身和外部环境等因素,在湖试时发现,深海机器人在130m软底是行驶的难度很大,现在人工控制效果很不理想。
2001年,中国大洋协会发布了“十五”深海资源研究开发计划,并向中南大学、长沙矿山研究院、长沙矿冶研究院等研究课题承担单位下达了《深海采矿中试系统监控、动力配置技术设计》研究开发子项目任务,下辖5个子课题,重点仍然集中于深海中试深海机器人控制技术的研究开发。
面向实验室研究和技术设计,旨在打通深海采矿各子工艺系统的控制流程,为“十五”海试控制系统工艺设计和研制开发提供技术支撑。
根据中国大洋协会“十五”计划安排,结合“八五”“九五”研究和技术设计成果,开展深海机器人控制技术深度开发。
“十一五”计划的头两年完成深海采矿系统1000米海试的试验工作,积累海上大型系统施工作业的经验。
试验完成后开展针对6000米的关键技术攻关,为6000米海上试验开采做好准备。
与此同时在“十一五”计划期间展开其他资源的开采方案和部分关键技术的研究,力争深海采矿技术能面向多种资源。
图3.6第一代深海机器人图3.7第二代深海机器人
1.3我国深海采矿的工艺流程
我国采用的采矿系统方案是深海复合式水力提升采矿系统,属于深海机器人加管道输送采矿系统中的一种[9]。
该系统包括三个相互连系部分,即深海底采矿机器车、提升设备和海面设施(见图2.1)。
其基本的工作原理是,集矿子系统(即深海机器人)在海底按预定路径行驶,由深海机器人上的采集头将多金属结核吸入深海机器人并进行破碎。
破碎后的矿浆经输送管到达中间舱,再由水力提升系统将矿浆通过扬矿管(硬管)输送到水面采矿船。
在而在整个采矿系统中,集矿子系统部分是该方案中的一个关键环节,由深海机器人和与之相配套的控制系统及动力配置系统构成。
深海机器人主要包括自行式履带作业车、深海机器人构、破碎机构、液压系统、控制系统、动力装置、软管连接装置。
整个深海机器人行走、姿态调整、采集、破碎的动力都由液压系统提供,采用2台高压水下电机驱动油泵提供压力。
深海机器人是履带式的自行走作业车,采用高尖齿的履带行走,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。
同时,为了在深海机器人收放时控制其姿态,防止其旋转,在深海机器人的前后各安装了一台液压马达驱动的螺旋桨。
深海机器人构安装在作业车的前端,由前后两排相对斜向海底射流的喷嘴、附壁喷嘴、封闭输送管道和排泥隔栅等组成。
采用低压大流量水力冲抬输送原理采集结核,压力水由液压马达驱动的水泵提供。
深海机器人构利用水射流将赋存在海这个底表面的多金属结核扰动、捕获,经过脱泥后输送到破碎机构的料仓中;
破碎机构将多金属结核破碎成满足扬矿输送要求的大小的矿石粒径后进入扬矿输送管道,完成整个集矿作业。
破碎机构采用单齿辊式破碎,由液压马达驱动,同时具有液压自动防卡排除大块装置。
采矿系统还包括一个中继站,中继站为深海机器人处理过的矿结核提供一个暂存和中转的场所,另外,合理地分担了部分设备安装,使深海机器人有最大的机动灵活性。
海面采矿船为集矿和扬矿提供所有操作控制和维护。
整个系统由海面采矿船上的监控中心分别对深海机器人的集矿过程、行走速度和方向、以及海面采矿船之间的相对位置、深海机器人上的碰壁声纳进行控制。
深海机器人上的定位声纳用来确定和显示深海机器人在采矿区相对中继站的位置,多波声纳用来探测前进方向的地形和障碍物。
此外深海机器人上安装的电视摄像机用来观察深海机器人的各种运动和各工作机构的工作情况,以及其周围的地形。
采矿船
~
扬矿管
复合电缆
提升泵
中间仓
输送软管
深海机器人
6000m
图2.1深海底多金属结核采集系统示意图
1.4论文组成
由于深海机器人对整个采矿方案有着举足轻重的作用,因此,开展对深海机器人行
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