【文章內(nèi)容簡介】 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)簡單，漸開線履齒對沉積物的作用如同齒輪與齒條嚙合，對沉積導(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，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 第一章 緒論 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)測障聲納、一個(gè)磁通門羅盤、一臺(tái)多普勒測速儀、兩個(gè)測速編碼器、一臺(tái)深海攝像頭。 幾何參數(shù)：長 ，寬 3米，高 2米。 圖 德國錫根大學(xué)研制的 深海人 （ 3） 法國梭型潛水 深海機(jī)器人 1980年前后，法國 Vertut等人研制了一種梭型潛水 深海機(jī)器人 （見圖 ）。為得采礦靠自身重量下行，一般與豎直方向成一定角度。壓倉物貯存在結(jié)核倉內(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。法國所設(shè)計(jì)的第二代梭型潛水遙控 深海機(jī)器人 模型機(jī) PLA2型外形尺寸為 、重 16t（包括壓艙物）。由于系統(tǒng)投資大，產(chǎn)品價(jià)值不高，法國大洋結(jié)核研究開發(fā)協(xié)會(huì)（ AFERNOD）于 1983年已停止研究。 圖 法國梭型潛水 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（見圖 ） 。但經(jīng)過多年研究，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 第一章 緒論 準(zhǔn)備轉(zhuǎn)身自行走 深海機(jī)器人 的研究。 圖 深海機(jī)器人 （ 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。通過與德國錫根大學(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。圖 深海機(jī)器人 模型。該 機(jī)器人 長 3160mm，寬 2950m，重 10t，最大速度 。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。 圖 深海機(jī)器人 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)深海機(jī)器人控制技術(shù)研究始于 “八五 ”計(jì)劃。 “八五 ”期間，我國在綜合研究國基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第一章 緒論 外深海機(jī)器人作業(yè)行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，長沙礦山研究院在 “八五 ”期間研制了一臺(tái)自行式履帶車模型機(jī)（見圖 (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， 外形尺寸 ，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)多根電纜和信號纜相互間的纏繞扭曲嚴(yán)重、密水接頭過多、主要依賴觀測手段操作等薄弱環(huán)節(jié)，為 “九五 ”擴(kuò)大研究奠定了基礎(chǔ)。 “九五 ”期間，由我國自行設(shè)計(jì)，與法國 Cebyic公司合作，研制了第二代深海機(jī)器人（見圖 (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)，采用國際合作的技術(shù)路線，各控制環(huán)節(jié)初步形成，于 2020年研制出我國第二代深海機(jī)器人控制系統(tǒng)?？刂葡到y(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 2020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。 2020 年，中國大洋協(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)、長沙礦山研究院、長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)。 “十一五 ”計(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 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，力爭深海采礦技術(shù)能面向多種資源。 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 第一章 緒論 圖 深海機(jī)器人 圖 深海機(jī)器人 我國深海采礦的工藝流程 我國采用的采礦系統(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（見圖 ）。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)過脫泥后輸送到破碎機(jī)構(gòu)的料倉中；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 處理過的礦結(jié)核提供一基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第一章 緒論 個(gè)暫存和中轉(zhuǎn)的場所，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 深海機(jī)器人 的集礦過程、行走速度和方向、以及海面采礦船之間的相對位置、 深海機(jī)器人 上的碰壁聲納進(jìn)行控制。 深海機(jī)器人 上的定位聲納用來確定和顯示 深海機(jī)器人 在采礦區(qū)相對中繼站的位置，多波聲納用來探測前進(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。 論文組成 由于深海機(jī)器人對整個(gè)采礦方案有著舉足輕重的作用，因此，開展對深海機(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)。 6000m 圖 深海底多金屬結(jié)核采集系統(tǒng)示意圖 采礦船 揚(yáng)礦管 復(fù)合電纜 提升泵 中間倉 輸送軟管 深海機(jī)器人 ～ ～ 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 圖 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)的檢測原理為： 上的光電編碼器來進(jìn)行檢測的。通過測量編碼器兩個(gè)相鄰脈沖時(shí)間間隔，就可以測得深海機(jī)器人左右履帶的速度。 2. 深海機(jī)器人的當(dāng)前實(shí)際線速度是通過安裝在深海機(jī)器人的地輪來進(jìn)行檢測的。其檢測原理是：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檢測輪子的轉(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。 當(dāng)前行駛方向角是由安裝在深海機(jī)器人上的數(shù)字羅盤檢測得到。數(shù)字羅盤是通過檢測磁阻的變化來確定深海機(jī)器人當(dāng)前方向角的傳感器。數(shù)字羅盤的接口簡單，可以通過 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，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 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。 中斷 主控制器 ARM ARM RS232 RS485 RS232 UART1 LDATA0~7 EINT0~5 UART0 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器 上位機(jī) RS232 D/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 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) 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 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，對于深海復(fù)雜的環(huán)境來說并不適合，而 DSP 是專門用來處理數(shù)字信號的，在語音合成和編碼器中有廣泛的應(yīng)用，用來控制深海機(jī)器人行走也不合適。所以對于深海機(jī)器人的 行走 控制來說選用 ARM 控制器是最佳的選擇。 Samsung公司的 S3C2410 處理器是一款 ARM9 系列的處理器，基于 ARM9TDMI處理器核，采用 ， 存儲(chǔ)器供電， 外部 I/O 口供電。 這