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基于CAN总线的海底采矿车模型机行走控制系统设计与研究

双志  
【摘要】: 作为深海矿产资源采矿系统中的载体,海底采矿车将行走于数千米深的海底复杂地形上,必须具有良好的远程可控性。针对海底采矿车在采矿过程中远程行走控制的关键技术,基于CAN总线通信方式和虚拟仪器技术,本文开展了海底采矿车模型机行走控制系统研究。 根据海底采矿车模型机技术指标,研究了海底采矿车模型机行走机构液压系统及其比例调速原理,对多路阀与比例减压阀工作特性进行分析,获得了比例减压阀—多路阀调速特性。 根据海底采矿车模型机行走控制系统功能和技术要求,基于CAN现场总线技术,设计了由现场控制系统和监控系统构成的模型机行走控制系统方案。基于CANopen通信协议,开展了模型机行走控制系统总体结构、现场控制系统和监控系统的设计,研究了采矿车模型机行走控制系统核心EPEC 2023控制器、CompactRIO控制器和I/O模块性能及特性,并设计了手动操控台。 基于CoDeSys平台,开展了现场控制系统程序结构和流程研究,以及现场控制系统程序开发,实现了海底采矿车模型机控制与信号的采集和标定;基于LabVIEW图形化编程环境,开展了FPGA底层程序、中间层程序和上层程序开发,实现了操作信号采集和CANopen总线信息接收和发送、实时控制器和FPGA之间的信息传递和控制运算、以太网通信、数据保存以及行走监控等功能。 基于模糊PID理论,开展了行走控制系统的闭环行走速度控制研究,在LabVIEW平台上设计了海底采矿车模型机模糊PID控制器。 开展了采矿车模型机行走控制系统仿真调试和现场调试,结果表明基于CANopen总线通信的行走控制系统工作正常。 开展了模型机在行走控制系统控制下的平地、越障、越沟、爬坡行走性能实验,实验结果表明,所设计的行走控制系统成功地实现了模型机远程行走控制,模型机最大行走速度、越障、越沟和爬坡等性能均超过海底采矿车技术指标要求,且铰接机构可顺利地完成前后车体之间的俯仰运动和转向功能。此外,实验证明所设计的模糊PID控制算法对采矿车模型机速度控制也是有效的。


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