海底采矿机器人的智能控制

时间:2019-10-19 15:13       来源: 凡事新闻网

1 引言

  海底世界已被人类认为是未来最大的潜在战略资源基地。近年来,众多国家及跨国财团已投入巨资竞相发展,以待适当时机获取、占有更多的海底资源。最受各国追捧的是海底多金属结核的开采,无论在开采技术和开采成本上,多金属结核被公认为最具有开采价值。然而多金属结核只赋存在水下4000~6000m深度的海底沉积物上。由于受到海水压力、腐蚀、大洋环境、潮汐、海底地形以及矿床位置和海洋气象等诸多因素的影响和限制,各国针对这些特点,研究了各种类型的海底采矿机器人。为达到要求的产量与效率,海底采矿机器人必须按预定的采矿路径行走,海底采矿机器人的控制一直是关键技术。海底采矿机器人要与水面船、扬矿系统紧密配合,通过扬矿管道把采集的矿产输送到水面船上。那么在这一过程中,海底采矿机器人必定会受水下海流、扬矿软管、脐带缆、船体运动和海底沉积物承载力及本身产生的剪切力的变化等诸多因素影响,这无疑使得海底采矿机器人行驶方向发生改变而偏离预定的轨迹。为解决这一问题,一般是采用方向闭环控制,从而保证方向不变,但却不能保证其行走轨迹回到预定轨迹,这一直是海底采矿机器人控制上的一大技术难题。

2 海底采矿机器人控制方面的技术难题平移误差

  海底采矿机器人结构可简化为三大部分:行走机构、采矿机构、控制机构。

  行走机构由两条履带组成,可分别控制机器人前进、后退及变速、转弯,起着机器人的两条机械腿的作用。采矿机构即机械手,专用于采集海底的结核矿。控制机构是机器人的指挥中心,是机器人的大脑。海底采矿机器人的工作方式是根据事先探测好的矿产分布状态,按制定的路线边行走边采矿, 同时将采集的矿石通过管道向海上输送。

  机器人在海底采矿作业时,受海底地质环境、海流、输送管道和电缆线等诸多未知和随机因素的影响,其行走路线会往往严重偏离原方向,如图1所示:

  机器人行走的预定路线如图1中虚线op所示,从o点坐标(0,0)到p点坐标(xp,yp),其与横轴间夹角为q0。当机器人行走到a点时受到外力干扰,改变了原前进方向沿夹角为qa方向前进,为了不使机器人偏离前进方向,方向控制机制经过偏差调节环节在到达b点时又使机器人回到原q0方向继续前进,此时虽然机器人回到了原设定的初始角度,但最终机器人也无法到达预定的p点,从图1中可见,机器人这时走的是平行于预定路线的bp直线,那么两条平行线之间的差值,就定义为平移误差。

3 海底采矿机器人路径设定与轨迹跟踪控制的工作原理

  如何消除平移误差,关键是不能采用单纯的方向控制。我们要赋予给海底采矿机器人以人工智能功能,除了能判别前进方向的偏差,还要能判别是否行走在预定的路线。这样机器人在从甲地到乙地的行进中,不但能知道运行目标,而且也明确到达目标要走哪条路。

  (1) 路径设定

  根据作业海域的地点和范围,设定作业车的运动路径,包括起点、方位角、运算速度、终点和回转行程。

  (2) 路径控制

  根据方位角和运动速度,计算作业车的位置坐标,然后进行路径的反馈控制,保证轨迹跟踪的实现。

  系统路径环调节器的输出作为方位环设定值的修正量,以便根据路径的偏差及时地改变方位角的设定值。同样地,方位环调节器的输出,作为左右轮速度设定值的修正量,以便根据方位角的偏差及时地改变左右轮的速度设定值。从而改变作业车的运动方向,保证路径控制的实现。如图2所示:

4 海底采矿机器人路径控制结构与特点

  为了更有效地实现对路径的直接控制和加快系统的响应速度,本系统采用三环串级控制,主回路为路径环,副回路为方位环和速度环。通过控制左右轮的运转速度来控制方位角,再通过控制方位角来控制路径。如图3所示:

  该系统主要具有如下特点:

  (1) 本系统采用了三环串级控制系统,主回路为路径环,副回路为方位环和速度环。因此这种控制方案具有以下优点:

  由于主回路为路径环,直接对路径进行闭环控制,从而可提高路径控制的精度, 保证了运动轨迹跟踪的实现。

  由于采用了串级控制,副回路的等效时间常数和放大倍数均变小,这样,系统的时间常数减小,而主回路的放大倍数可以提高,从而加快系统的响应速度。

  (2)为了保证正常运行时所需的运行速度,并减小调节过程的速度波动,速度副回路具有设定值r30l和r30r。同样地,为了减小调节过程中方位角的波动,方位副回路也具有设定值r20。这是与通常的串级控制系统的不同之处。

  (3) 本系统采用plc,从而加强了系统的可靠性和过程控制功能,并保证专家控制系统的实现。

  (4)本系统把智能控制的几大块,包括神经网络,模糊控制,专家系统、混沌控制和遗传算法等都应用到系统中去,构成名副其实的智能控制系统,从而提高了系统的智能决策功能,智能控制功能,提高了系统的在线学习功能,提高了系统的鲁棒性和自适应能力,以保证控制目标的实现。

5 海底采矿机器人路经控制动态方程与程序结构

  (1) 海底采矿机器人路经控制动态方程

  海底采矿机器人的模型是一种非线性时变模型,而且海底作业过程中随机干扰较多,因此海底采矿机器人路经控制方程是动态方程。

  被控对象的模型gp,包括g1,g2,g3l和g3r。其中g1为从左、右轮速度y3l、y3r到方位角y1的传递函数;g3l和g3r分别为从左、右轮的输入控制量u3l和u3r到左、右轮速度y3l和y3r的传递函数。

  被控对象的动态过程(差分方程)可描述为:

  y1(k)+a1y1(k-1)+a2y1(k-2)=bl0u3l(k-2)+bl1u3l(k-3)+bl2u3l(k-4)+br0u3r(k-2)+br1u3r(k-3)+br2u3r(k-4)+(k)+c1(k-1)+c2(k-2)

  式中:(k)白噪声干扰;

  这样可得相应的白噪声预测模型为:

  式中:(k+2)白噪声残差。

  (2) 海底采矿机器人路经控制程序结构

  海底采矿机器人路经控制程序结构如图4所示:

6 应用效果

  海底采矿机器人的智能控制系统,根据其作业的特殊性,在充分模拟真实工况的情况下经过计算机仿真,取得了良好效果。随后经过实验室试验和150m水下试验,结果证明,海底采矿机器人的智能控制系统成功地解决了其受海底地质状况、海流、采矿输送管道、电缆拉力等诸多非线性、时变性、模糊性、随机性等因素的干扰,可满足实地作业的要求。采矿机器人智能控制系统的运行曲线如图5、图6所示。

7 结束语

  综上所述,该海底采矿机器人智能控制系统经试验,取得了如下效果:

  (1) 在国际上首次采用路径闭环自动控制,有效地解决了行走方向的平移误差;

  (2) 针对被控对象的特点,采用三级串级环控制,较好地解决了系统响应之后难题;

  (3) 根据海底采矿机器人的运行环境和扰动特点,应用人工智能控制理论,有效地提高了系统的稳定性和动态性能。

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