【正文】 構(gòu)。其工作原理是螺旋葉片陷入海泥中，螺旋體旋轉(zhuǎn)推動(dòng)海泥，使行走機(jī)構(gòu)獲得向前或向后的推力而前進(jìn)或后退。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、海底通過(guò)性好，缺點(diǎn)為行走打滑、承載能力低、功耗大、對(duì)海底擾動(dòng)較大。集礦方式：采用轉(zhuǎn)輪和鏈帶機(jī)械集礦。由兩根斗鏈把多金屬結(jié)核鏟起，通過(guò)輸?shù)V皮帶傳輸?shù)劫A礦罐。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗能低，缺點(diǎn)為集礦效率不高、轉(zhuǎn)速較高時(shí)，結(jié)核有隨水流漂浮現(xiàn)象，一些用圓柱齒制作的工作表面易被細(xì)泥堵塞。傳感裝置：一個(gè)測(cè)障聲納、一個(gè)姿態(tài)角傳感器、一臺(tái)深海攝像機(jī)。幾何參數(shù)：長(zhǎng)3415mm，寬2440mm，高2100mm. 美國(guó)OMCO研制的深海機(jī)器人（2）德國(guó)錫根大學(xué)研制的深海機(jī)器人 德國(guó)從上世紀(jì)七十年代就開始了深海底采礦機(jī)器人的研制。經(jīng)歷幾十年研究，形成了具有德國(guó)特色的采礦系統(tǒng)。該機(jī)器人的改進(jìn)型于1999年7月在印度的淺海實(shí)驗(yàn)成功。行走機(jī)構(gòu)：液壓驅(qū)動(dòng)，漸開線履齒橡膠帶行走機(jī)構(gòu)。該車的特點(diǎn)就是采用了特殊形式的擺動(dòng)車架，支承輪也能擺動(dòng)，因此該底盤車能較好地適應(yīng)海底復(fù)雜地形，具有較好的越障能力。履帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，漸開線履齒對(duì)沉積物的作用如同齒輪與齒條嚙合，對(duì)沉積導(dǎo)擾動(dòng)較小。集礦方式：高壓水射流集礦。集礦時(shí)，前排射流將結(jié)核從沉積層上沖起，后排反向射流擋住沖起的結(jié)核往后的去路，并與前排射流產(chǎn)生一向上的合流將結(jié)核抬起，并沖向后部的輸送機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，該集礦頭可在集礦高度100~200mm內(nèi)工作，高度為140mm時(shí)，集礦效率可達(dá)100%。傳感裝置：一個(gè)測(cè)障聲納、一個(gè)磁通門羅盤、一臺(tái)多普勒測(cè)速儀、兩個(gè)測(cè)速編碼器、一臺(tái)深海攝像頭。幾何參數(shù)：，寬3米，高2米。 德國(guó)錫根大學(xué)研制的深海人（3）法國(guó)梭型潛水深海機(jī)器人1980年前后，法國(guó)Vertut等人研制了一種梭型潛水深海機(jī)器人（）。為得采礦靠自身重量下行，一般與豎直方向成一定角度。壓倉(cāng)物貯存在結(jié)核倉(cāng)內(nèi)，當(dāng)深海機(jī)器人快到達(dá)海底時(shí)，釋放一部分壓艙物以便采礦車徐徐降落。深海機(jī)器人用阿基米德螺旋推進(jìn)器在海底行走，一邊排出壓艙物，一邊采集等效重量接近零。當(dāng)最后一點(diǎn)壓艙物被排出，深海機(jī)器人在阿基米德推進(jìn)器作用下返回到海面。、重16t（包括壓艙物）。由于系統(tǒng)投資大，產(chǎn)品價(jià)值不高，法國(guó)大洋結(jié)核研究開發(fā)協(xié)會(huì)（AFERNOD）于1983年已停止研究。 法國(guó)梭型潛水深海機(jī)器人（4）日本拖曳式深海機(jī)器人日本在連續(xù)斗系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)失敗后，于八十年初轉(zhuǎn)入拖曳水力射流深海機(jī)器人的研究（）。但經(jīng)過(guò)多年研究，日本已認(rèn)識(shí)到拖曳式行走不能滿足生產(chǎn)要求，正準(zhǔn)備轉(zhuǎn)身自行走深海機(jī)器人的研究。（5）印度深海底深海機(jī)器人印度于十九世紀(jì)七十年代即開始了多金屬結(jié)核采礦的研究，但進(jìn)展緩慢。通過(guò)與德國(guó)錫根大學(xué)合作，采用錫根大學(xué)研制的履帶車底盤，并自行研究了獨(dú)特的集礦頭，印度與1999年7月進(jìn)行了200m淺海實(shí)驗(yàn)，并取得了成功。該機(jī)器人長(zhǎng)3160mm，寬2950m，重10t。在機(jī)器人頂安裝有一個(gè)可左右擺動(dòng)的機(jī)械臂，機(jī)械臂的下方為一個(gè)泥漿泵。采礦時(shí)，通過(guò)機(jī)械臂的左右擺動(dòng)，用泥漿泵抽取海底表面的多金屬結(jié)核。該機(jī)器人除可采集多金屬結(jié)核外，也可進(jìn)行海底采沙。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)深海機(jī)器人控制技術(shù)研究始于“八五”計(jì)劃?！鞍宋濉逼陂g，我國(guó)在綜合研究國(guó)外深海機(jī)器人作業(yè)行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，長(zhǎng)沙礦山研究院在“八五”期間研制了一臺(tái)自行式履帶車模型機(jī)（(a)），該車采用近似漸開線高齒橡膠履帶，雙浮動(dòng)懸架和橫向擺動(dòng)梁，雙泵全功率供油，液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，電液比例控制，采用水力機(jī)械復(fù)合集礦方式，重8t,行駛速度0~1m/s。結(jié)合深海采礦模型深海機(jī)器人的研制和實(shí)驗(yàn)室研究，于95年成功開發(fā)了稀軟底履帶行走式深海機(jī)器人控制系統(tǒng)，淺水試驗(yàn)初獲成功，取得了階段性研究成果。同時(shí)暴露了控制系統(tǒng)水下儀表的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多根電纜和信號(hào)纜相互間的纏繞扭曲嚴(yán)重、密水接頭過(guò)多、主要依賴觀測(cè)手段操作等薄弱環(huán)節(jié)，為“九五”擴(kuò)大研究奠定了基礎(chǔ)?！熬盼濉逼陂g，由我國(guó)自行設(shè)計(jì)，與法國(guó)Cebynetic公司合作，研制了第二代深海機(jī)器人（(b)）主要改進(jìn)表現(xiàn)為采用尖三角齒特種合金履帶板，提高了深海機(jī)器人在深海軟底環(huán)境下的可靠性和可行駛性；改用全水力集礦方式，進(jìn)一步提高了深海機(jī)器人的效率；增加了控制密水箱和相關(guān)傳感器，提高了深海機(jī)器人的可操作性。該深海機(jī)器人達(dá)到了牽引特性理想、牽引力大、承載能力強(qiáng)、跨越或繞過(guò)海底障礙容易、能適應(yīng)軟海底行走的預(yù)期目標(biāo)。研究重點(diǎn)集中于深海中的試深海機(jī)器人控制和供電技術(shù)的研究開發(fā)，旨在打通深海采礦主要子工藝系統(tǒng)的控制流程。基于技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，采用國(guó)際合作的技術(shù)路線，各控制環(huán)節(jié)初步形成，于2000年研制出我國(guó)第二代深海機(jī)器人控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)基于COMPACTPCIIPC組成DCS層次結(jié)構(gòu)，控制功能較為完善。開發(fā)了基于PLC的硬管揚(yáng)礦監(jiān)控裝置、基于研華一體化IPC的軟管控制裝置。各子系統(tǒng)工藝流程基本滿足工藝實(shí)驗(yàn)室要求，但控制系統(tǒng)功能有待完善。并于2001年成功進(jìn)行130m水深湖試。由于自身和外部環(huán)境等因素，在湖試時(shí)發(fā)現(xiàn)，深海機(jī)器人在130m軟底是行駛的難度很大，現(xiàn)在人工控制效果很不理想。2001年，中國(guó)大洋協(xié)會(huì)發(fā)布了“十五”深海資源研究開發(fā)計(jì)劃，并向中南大學(xué)、長(zhǎng)沙礦山研究院、長(zhǎng)沙礦冶研究院等研究課題承擔(dān)單位下達(dá)了《深海采礦中試系統(tǒng)監(jiān)控、動(dòng)力配置技術(shù)設(shè)計(jì)》研究開發(fā)子項(xiàng)目任務(wù)，下轄5個(gè)子課題，重點(diǎn)仍然集中于深海中試深海機(jī)器人控制技術(shù)的研究開發(fā)。面向?qū)嶒?yàn)室研究和技術(shù)設(shè)計(jì)，旨在打通深海采礦各子工藝系統(tǒng)的控制流程，為“十五”海試控制系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)和研制開發(fā)提供技術(shù)支撐。根據(jù)中國(guó)大洋協(xié)會(huì)“十五”計(jì)劃安排，結(jié)合“八五”“九五”研究和技術(shù)設(shè)計(jì)成果，開展深海機(jī)器人控制技術(shù)深度開發(fā)?！笆晃濉庇?jì)劃的頭兩年完成深海采礦系統(tǒng)1000米海試的試驗(yàn)工作，積累海上大型系統(tǒng)施工作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)。試驗(yàn)完成后開展針對(duì)6000米的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為6000米海上試驗(yàn)開采做好準(zhǔn)備。與此同時(shí)在“十一五”計(jì)劃期間展開其他資源的開采方案和部分關(guān)鍵技術(shù)的研究，力爭(zhēng)深海采礦技術(shù)能面向多種資源。 我國(guó)深海采礦的工藝流程我國(guó)采用的采礦系統(tǒng)方案是深海復(fù)合式水力提升采礦系統(tǒng)，屬于深海機(jī)器人加管道輸送采礦系統(tǒng)中的一種[9]。該系統(tǒng)包括三個(gè)相互連系部分，即深海底采礦機(jī)器車、提升設(shè)備和海面設(shè)施（）。其基本的工作原理是，集礦子系統(tǒng)（即深海機(jī)器人）在海底按預(yù)定路徑行駛，由深海機(jī)器人上的采集頭將多金屬結(jié)核吸入深海機(jī)器人并進(jìn)行破碎。破碎后的礦漿經(jīng)輸送管到達(dá)中間艙，再由水力提升系統(tǒng)將礦漿通過(guò)揚(yáng)礦管（硬管）輸送到水面采礦船。在而在整個(gè)采礦系統(tǒng)中，集礦子系統(tǒng)部分是該方案中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由深海機(jī)器人和與之相配套的控制系統(tǒng)及動(dòng)力配置系統(tǒng)構(gòu)成。深海機(jī)器人主要包括自行式履帶作業(yè)車、深海機(jī)器人構(gòu)、破碎機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力裝置、軟管連接裝置。整個(gè)深海機(jī)器人行走、姿態(tài)調(diào)整、采集、破碎的動(dòng)力都由液壓系統(tǒng)提供，采用2臺(tái)高壓水下電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵提供壓力。深海機(jī)器人是履帶式的自行走作業(yè)車，采用高尖齒的履帶行走，兩條履帶由安裝在后輪上的兩臺(tái)液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，用變量泵調(diào)節(jié)速度。同時(shí)，為了在深海機(jī)器人收放時(shí)控制其姿態(tài)，防止其旋轉(zhuǎn)，在深海機(jī)器人的前后各安裝了一臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的螺旋槳。深海機(jī)器人構(gòu)安裝在作業(yè)車的前端，由前后兩排相對(duì)斜向海底射流的噴嘴、附壁噴嘴、封閉輸送管道和排泥隔柵等組成。采用低壓大流量水力沖抬輸送原理采集結(jié)核，壓力水由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的水泵提供。深海機(jī)器人構(gòu)利用水射流將賦存在海這個(gè)底表面的多金屬結(jié)核擾動(dòng)、捕獲，經(jīng)過(guò)脫泥后輸送到破碎機(jī)構(gòu)的料倉(cāng)中；破碎機(jī)構(gòu)將多金屬結(jié)核破碎成滿足揚(yáng)礦輸送要求的大小的礦石粒徑后進(jìn)入揚(yáng)礦輸送管道，完成整個(gè)集礦作業(yè)。破碎機(jī)構(gòu)采用單齒輥式破碎，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)具有液壓自動(dòng)防卡排除大塊裝置。采礦系統(tǒng)還包括一個(gè)中繼站，中繼站為深海機(jī)器人處理過(guò)的礦結(jié)核提供一個(gè)暫存和中轉(zhuǎn)的場(chǎng)所，另外，合理地分擔(dān)了部分設(shè)備安裝，使深海機(jī)器人有最大的機(jī)動(dòng)靈活性。海面采礦船為集礦和揚(yáng)礦提供所有操作控制和維護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)由海面采礦船上的監(jiān)控中心分別對(duì)深海機(jī)器人的集礦過(guò)程、行走速度和方向、以及海面采礦船之間的相對(duì)位置、深海機(jī)器人上的碰壁聲納進(jìn)行控制。深海機(jī)器人上的定位聲納用來(lái)確定和顯示深海機(jī)器人在采礦區(qū)相對(duì)中繼站的位置，多波聲納用來(lái)探測(cè)前進(jìn)方向的地形和障礙物。此外深海機(jī)器人上安裝的電視攝像機(jī)用來(lái)觀察深海機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)和各工作機(jī)構(gòu)的工作情況，以及其周圍的地形。采礦船～揚(yáng)礦管～復(fù)合電纜提升泵中間倉(cāng)輸送軟管深海機(jī)器人6000m 深海底多金屬結(jié)核采集系統(tǒng)示意圖 論文組成由于深海機(jī)器人對(duì)整個(gè)采礦方案有著舉足輕重的作用，因此，開展對(duì)深海機(jī)器人行走控制的研究是非常有必要的。為此本文著重對(duì)深海機(jī)器人的行走控制進(jìn)行了研究，研究的內(nèi)容如下：第一章簡(jiǎn)要介紹了深海采礦的背景、工藝流程及深海機(jī)器人在深海采礦中的重要意義及其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。第二章設(shè)計(jì)了基于ARM微處理器的深海機(jī)器人行走控制硬件方案。第三章提出了基于專家模糊控制的深海機(jī)器人行走控制算法。第四章采用MATLAB對(duì)深海機(jī)器人行走控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。第五章設(shè)計(jì)了深海機(jī)器人行走控制系統(tǒng)的軟件方案。第六章總結(jié)。基于ARM嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件框圖中斷主控制器ARMARMRS232RS485RS232UART1 LDATA0~7 EINT0~5 UART0RS232/RS485轉(zhuǎn)換器上位機(jī)RS232D/A電液比例閥增量式光電編碼器（左右履帶、車體線速度）數(shù)字羅盤（航向角采集）左右履帶速度RS232/RS485轉(zhuǎn)換器 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件框圖從深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件框圖可以看出，需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)包括: 左右履帶當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速、深海機(jī)器人的當(dāng)前實(shí)際切向速度和深海機(jī)器人當(dāng)前行駛方向角。這三種參數(shù)的檢測(cè)原理為：。通過(guò)測(cè)量編碼器兩個(gè)相鄰脈沖時(shí)間間隔，就可以測(cè)得深海機(jī)器人左右履帶的速度。2. 深海機(jī)器人的當(dāng)前實(shí)際線速度是通過(guò)安裝在深海機(jī)器人的地輪來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。其檢測(cè)原理是：在深海機(jī)器人中下部安裝一個(gè)拖在地面的可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的輪子，當(dāng)深海機(jī)器人行駛時(shí)，利用安裝在輪子一側(cè)的增量式光電編碼器來(lái)檢測(cè)輪子的轉(zhuǎn)速，從而得到集礦機(jī)的當(dāng)前線速度。由于地輪基本上不發(fā)生打滑現(xiàn)象，因此地輪的轉(zhuǎn)速即反應(yīng)了深海機(jī)器人當(dāng)前的實(shí)際線速度。數(shù)字羅盤是通過(guò)檢測(cè)磁阻的變化來(lái)確定深海機(jī)器人當(dāng)前方向角的傳感器。數(shù)字羅盤的接口簡(jiǎn)單，可以通過(guò)RS232或RS485串口直接讀取深海機(jī)器人當(dāng)前行駛的方向角。主控制器進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的在線采集并存儲(chǔ)，然后根據(jù)相關(guān)控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制電液比例閥的動(dòng)作，從而達(dá)到控制深海機(jī)器人左右履帶的目的。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控深海機(jī)器人的軌跡，通過(guò)RS485與上位機(jī)進(jìn)行通信。由于上位機(jī)的通信端口只有RS232，所以為了與上位機(jī)進(jìn)行通信，必須進(jìn)行RS232/RS485轉(zhuǎn)換。 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件原理圖深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件原理圖見附錄圖1~圖7。 主控制器的選擇 目前世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過(guò)1000種，流行的體系結(jié)構(gòu)包括MCU、MPU等30多個(gè)等系列。其中的典型代表有單片機(jī)、ARM、DSP等。而針對(duì)深海環(huán)境的復(fù)雜性，主控制器的選擇必有具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)任務(wù)支持能力，能夠完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核心的執(zhí)行時(shí)間減少到最低的限度。單片機(jī)、ARM、DSP都具有這樣的特點(diǎn)。但單片機(jī)的抗干擾能力較弱，性能一般，一般用在低端的控制系統(tǒng)中，對(duì)于深海復(fù)雜的環(huán)境來(lái)說(shuō)并不適合，而DSP是專門用來(lái)處理數(shù)字信號(hào)的，在語(yǔ)音合成和編碼器中有廣泛的應(yīng)用，用來(lái)控制深海機(jī)器人行走也不合適。所以對(duì)于深海機(jī)器人的行走控制來(lái)說(shuō)選用ARM控制器是最佳的選擇。Samsung公司的S3C2410處理器是一款A(yù)RM9系列的處理器，基于ARM9TDMI處理器核，。這塊芯片含有非常豐富的片上資源：具備16KB的ICache和16KB的DCache/MMU。外部存儲(chǔ)控制器（SDRAM控制和片選邏輯）；4通道DMA并有外部請(qǐng)求引腳；3通道UART（，16字節(jié)TxFIFO，和16字節(jié)RxFIFO）,2通道SPI；4通道PWM定時(shí)器和1通道內(nèi)部定時(shí)器；看門狗定時(shí)器；117個(gè)能用I/O口和24通道外部中斷源；功耗控制模式：具有普通，慢速，空閑和掉電模式。8通道10比特ADC和觸摸屏接口；S3C2410是目前國(guó)內(nèi)使用較為普遍的ARM處理器，有較為豐富的資源可以參考，同時(shí)，采購(gòu)比較方便，成本低。 傳感器的選擇1. 光電編碼器光電編碼器在現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)中常常用以檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置與速度，是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器[10]。因此深海機(jī)器人左右履帶和整體的速度可以通過(guò)光電編碼器來(lái)測(cè)得。（1）光電編碼器的原理光電編碼器由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，編碼器光源產(chǎn)生的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投射在碼盤上，并與位于碼盤另一面成徑向排列的光敏元件相耦合，經(jīng)放大整形后辦出若干的脈沖信號(hào)。，通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差的兩路脈沖信。透鏡轉(zhuǎn)軸光源光敏元件放大整形碼盤透鏡脈沖輸出 光電編碼器原理圖根據(jù)光電編碼器的刻度和輸信號(hào)的不同，可以分為絕對(duì)式光電編碼器和增量式光電編碼器。1）絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式編碼器可直接輸出數(shù)字量。在它的圓形碼盤上沿徑向有