滑模變結構在礦井監測機器人中的應用與研究

朱曉克

（撫順礦務局職工工學院，遼寧 撫順 113006）

瓦斯是井下采煤中出現的一種氣體，它是成煤過程中植物產生的煤巖層氣體。由于高溫高壓和地質變化的作用，碳產生的同時，大量的瓦斯隨之產生。瓦斯的存在，嚴重威脅到井下作業人員的安全，對于瓦斯的監測就尤為重要。在一些小規模的礦井中，有專門的瓦斯監測人員，他們是分段監測，各負責本段內瓦斯的濃度、溫度、濕度等，以及“一通三防”等設施的保養和運行情況。由于瓦斯監測人員一般先于采煤作業人員進入巷道，其攜帶瓦檢儀、溫度計、檢查棍、膠皮管、記錄表格等工具。但是不確定瓦斯濃度的情況下，監測機器人的出現極大的緩減了人員的勞動強度，降低了監測人員的安全風險[1-3]。

目前，監測機器人采用的是履帶式隔爆型機器人，其特點是體積小，適應各種復雜的地形，能涉水，不受遙控距離的限制，通過傳感器的采集記錄信息，在采集一段距離的數據后及時返回，監測人員從數據記錄器中得到巷道瓦斯濃度、溫度和濕度等信息，方便監測人員采取相應的措施。由于地形的復雜程度不同，瓦斯通常吸附在煤層的斷面或煤堆的縫隙里，監測機器人在行進的過程中必須貼著煤層斷面，才能采集到準確的數據。或者出現無法逾越的地方，或行進道路比較蜿蜒曲折，這樣機器人就無法進行正常工作。

本文采用滑模變結構中的冪次趨近律控制監測機器人的行進軌跡，以便能準確的采集到關鍵信息。當機器人在行進中出現卡滯，或無法逾越的地形時，滑模變結構就迫使其沿著設定的軌跡行進，也就是沿著巷道的邊沿到達采煤的端面。滑模變結構是在20世紀70年代引入國內，我國學者高為炳對其進行了細化，列出了一般趨近律、等速趨近律、指數趨近律和冪次趨近律等四種趨近律。由于四種趨近律各有優缺點，所以應用到不同的控制系統中。由于監測機器人是一個典型的非線性系統，具有很多干擾和不確定性，而變結構是一種很好的解決非線性系統的方法，對于任何的干擾和不確定性都能很好的屏蔽，當機器人出現一些如卡滯或止步不前，變結構就迫使機器人行進在設定軌跡內，讓機器人拜托困境，采集到有用的數據。

1 冪次趨近律

微分形式

把時間t進行剝離，則：

由于變結構中對系統軌跡到達滑模面的時間有特定的要求，所以

設定滑模面s(t ) =0，從而時間可以簡化為

（1.4）中可以看出，時間t取決于k,α，這兩個值都是常數，可以經過仿真選取最優的值。所以系統軌跡可以在有限的時間內到達滑模面，符合監測機器人的特點，具有較好的擬合性。

2 冪次趨近律應用于監測機器人仿真實例

監測機器人是搭載了履帶地盤機構的機器人，采用防爆電池供電，這種電池采用高安全系數材料制造，有效遏制電池爆炸，并能持續供電。機器人的控制系統是一塊單片機控制板，其固封在一個密閉的透明盒子內，與外界隔離，單片機控制板上有電源指示燈。選取履帶機器人前端履帶間的中軸坐標和與x軸夾角θ作為輸入，兩條履帶的線速度和角速度為數學模型的參考輸入，輸出的坐標與履帶間的中軸坐標點進行比較，使機器人保持一個平穩的運行狀態。

圖1 履帶機器人的位姿圖

考慮一階非線性微分方程設計監測機器人的運動學模型

其中v和w 為左右履帶的線速度和角速度，引入坐標變換，得到監測機器人的位姿方程：

實際監測機器人行進軌跡是兩條履帶間坐標的變換軌跡，兩條履帶是由單片機控制下的兩臺直流電機驅動，如果兩條履帶的線速度相同，那么機器人一直向前行進；一條停止，另一條以相應的角速度轉動，那么機器人就在轉圈，從而機器人向左向右就可以實現。

仿真曲線如圖所示：

圖2 跟蹤曲線

從曲線來看，當監測機器人出現卡滯等情況時，變結構控制將根據兩條履帶的線速度和角速度作為控制的輸入介入機器人的移動軌跡，圖2可以看出介入是機器人抖振較大，不是來回穿越后停留在控制面上的，而是直接無限趨近后，停在控制面上。這樣機器人系統有可能出現一小段的抖動后，趨于正常控制，輸出曲線和趨近律引入前輸出保持一致。

3 結論

近年來，對于礦井中瓦斯的控制與檢測提出了很多的方法，但往往由于環境的影響和人為的因素使得瓦斯的監控還是使用原始的方法。

本文引入監測機器人配合監測人員工作，監測人員將機器人采集回來的數據作為參考，結合傳統的監測辦法進行實時數據匯總，極大的降低了監測人員的風險。

將變結構應用于監測機器人，這種控制方法在理論上是可行的，利用科學的方法監測出的數據是客觀的，從圖像上來看，這種方法可以使機器人在行進中不受影響，就可以不間斷的記錄實時數據。