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矿用悬臂式掘进机器人控制系统研制

刘永伟  
【摘要】:悬臂式掘进机作为综掘工作面的核心设备,其自动化、智能化是提高掘进质量和效率的关键。国内外在掘进机自动成形截割关键技术及工程运用方面做了大量的研究工作,但是掘进机控制系统缺少针对综掘工作面自动化的特性,难以满足自主定位定向、自动路径跟踪以及远程监控等方面的需求。因此研发适用于煤矿井下的悬臂式掘进机器人控制系统可促进巷道掘进中的定位、定向和成形截割技术的发展,对提升悬臂式掘进机业效率降低掘进难度具有重要意义。论文对悬臂式掘进机器人的控制系统进行需求分析,提出了 DSP+机载计算机的悬臂式掘进机器人控制系统解决方案,采用DSP完成工况数据采集、控制量输出、截割轨迹计算、截割路径规划以及控制决策等功能,机载计算机完成截割头姿态测量、人机交互和工况数据的存储与显示等功能。针对截割头姿态测量问题,提出一种基于机器视觉的截割头位姿测量方法,研究了基于红外标靶的截割头非接触式动态测量,论文分析了单目成像原理,建立基于共面特征点的三维坐标测量模型和基于对偶四元数的误差模型,通过解算获得截割臂姿态角。最后研究了单目视觉测量精度问题,建立了卡尔曼滤波方程,实现对姿态角的估计。针对振动工况下悬臂式掘进机控制系统鲁棒性问题,提出一种反演滑模控制的设计方案,以悬臂式掘进机器人为研究对象,建立统一运动学和动力学模型,设计了掘进机控制系统的控制策略,以反演滑模自适应控制器补偿系统动力学不确定问题;对控制器急定性进行了分析,并通过计算机仿真和实验测试验证了算法的有效性。最后,搭建了悬臂式掘进机器人控制系统实验平台,对系统各功能模块进行了验证,实验表明所研制的控制器达到了设计要求,能初步满足巷道掘进中的自控要求。


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