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海底采矿机器人的智能控制

2012-09-29 10:43
魏丁小陆
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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。

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