煤礦抽水蓄能電站水陸兩棲機器人控制系統(tǒng)設(shè)計*

王偉俊，趙凱平，陳強曼，吳曉磊，黃 森，駱元慶

（1.安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.安徽省智能礦山技術(shù)與裝備工程實驗室，安徽淮南232001；3.安徽礦山機電裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽淮南232001；4.鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，鄭州450001）

0 引言

煤炭是我國主體能源結(jié)構(gòu)，經(jīng)過長期大規(guī)模開采，許多煤炭資源趨于枯竭，部分礦井生命周期已經(jīng)或即將結(jié)束，同時隨著去產(chǎn)能的深入推進，大量資源枯竭及落后產(chǎn)能的煤礦礦井和露天礦坑被關(guān)閉，從而形成待轉(zhuǎn)型煤礦[1]。全國69個資源枯竭城市中，煤炭資源枯竭型城市占35座。關(guān)閉礦井中賦存大量可利用資源，直接關(guān)閉或廢棄不僅會造成資源的巨大浪費，還可能引發(fā)安全事故、環(huán)境污染及系列社會問題[2]。為此，謝和平等[3-4]相繼提出在廢棄煤礦井下開展抽水蓄能電站建設(shè)，為未來關(guān)停礦井資源化利用、立體式開發(fā)和全面轉(zhuǎn)型升級提供了新思路，同時，李庭[5]、羅魁等[6]在大量理論和技術(shù)層面論證了利用廢棄礦洞建設(shè)抽水蓄能電站的技術(shù)可行性[7-8]。但電站建設(shè)前期廢棄礦洞地下空間穩(wěn)定性差，人工勘探風(fēng)險大；后期電站建成后，因其地下廠房系統(tǒng)錯綜復(fù)雜、地下水庫空間環(huán)境復(fù)雜，人工維護、巡檢難度大且安全性難以得到保障，亟需專用水陸兩棲機器人。

為掌握水利工程水下結(jié)構(gòu)和設(shè)施的運行狀況，如水下結(jié)構(gòu)損壞、缺失、裂縫、老化，以及不穩(wěn)定體、沖刷沖坑、地形地貌、金屬設(shè)備腐蝕等，本文提出一種具備兩棲通行和巡檢作業(yè)能力的煤礦抽水蓄能電站水陸兩棲機器人，基于模塊化設(shè)計思想，采用全水液壓的沉浮-姿態(tài)調(diào)節(jié)功能一體化系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)布局合理、姿態(tài)調(diào)節(jié)穩(wěn)定、控制穩(wěn)定精確和環(huán)保等優(yōu)點。本文以自行研發(fā)的煤礦抽水蓄能電站水陸兩棲機器人為研究對象，重點研究了其控制系統(tǒng)的設(shè)計，簡要介紹了機器人的總體方案設(shè)計，分別從控制系統(tǒng)的硬件和軟件兩部分展開深入研究，最后通過數(shù)字仿真實驗對控制系統(tǒng)的可行性和正確性進行了驗證。

1 總體方案

1.1 設(shè)計目標(biāo)

總體設(shè)計目標(biāo)如下：（1）最大下潛深度100 m；（2）設(shè)計水平航速不超過3 kn，換算后約為不超過1.5 m/s，能實現(xiàn)4個自由度（進退、潛浮、回轉(zhuǎn)、俯仰）運動；（3）配有水下攝像頭、探照燈、聲吶設(shè)備、傳感器、激光尺度儀對水下環(huán)境進行勘測；（4）配有2個多自由度液壓型機械臂在水下開展特定作業(yè)。

水陸兩棲機器人主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 水陸兩棲機器人主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 設(shè)計思路

根據(jù)煤礦抽水蓄能電站實際工作環(huán)境與作業(yè)需求，以設(shè)計目標(biāo)為引導(dǎo)，水陸兩棲機器人采用模塊化設(shè)計法開展本體框架模塊、運動模塊、沉浮與姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊、水下推進模塊、巡檢作業(yè)模塊、控制模塊的總體設(shè)計，并對其結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、液壓系統(tǒng)動態(tài)性能和水動力性能進行建模及仿真分析，經(jīng)過反復(fù)迭代與優(yōu)化后，確定水陸兩棲機器人定型設(shè)計?？傮w設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計流程

1.3 總體模塊組成

總體模塊主要包括本體框架模塊、運動模塊、水下推進模塊、沉浮與姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊、巡檢作業(yè)模塊和控制系統(tǒng)模塊。圖2所示為機器人總體模塊組成。

圖2 總體模塊組成

2 控制系統(tǒng)

圖3 所示為控制系統(tǒng)框圖。控制系統(tǒng)包括陸上控制系統(tǒng)和水下執(zhí)行系統(tǒng)。其中陸上控制系統(tǒng)由操縱系統(tǒng)、通信系統(tǒng)與電源系統(tǒng)組成，陸上控制系統(tǒng)發(fā)出各種操作指令由水下執(zhí)行系統(tǒng)具體執(zhí)行，主要由巡檢作業(yè)系統(tǒng)、液壓推進系統(tǒng)與水下電力系統(tǒng)組成。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

圖4 所示為控制系統(tǒng)架構(gòu)，陸上控制系統(tǒng)由水面控制箱、電源箱、主控計算機等設(shè)備組成。其中電源箱為陸上控制系統(tǒng)設(shè)備供電，保證系統(tǒng)正常運行，水面控制箱是完成人機交互的重要工具，操作員通過控制箱實現(xiàn)對機器人本體的控制及監(jiān)控，主控計算機負(fù)責(zé)實時顯示水下視頻圖像信息，實時監(jiān)控顯示機器人各項運動姿態(tài)、傳感器信息及安全報警信息[9]。水下執(zhí)行系統(tǒng)是機器人的控制核心，負(fù)責(zé)接收陸上控制系統(tǒng)的控制指令，完成相應(yīng)的運動，并將各個傳感器采集的參數(shù)通過無線通信的方式上傳至水面控制箱，主要包括可充電鋰電池組、水下電源板、電機驅(qū)動板、ARM9主控板、LPC11C24控制板、發(fā)動機組箱、液壓集成閥組、水下推進器、傳感器、液壓型機械臂、攝像頭、照明燈和激光尺度儀等設(shè)備。其中可充電鋰電池組作為水下電力系統(tǒng)為機器人提供動力電源，發(fā)動機組箱驅(qū)動整個履帶行走機構(gòu)，液壓集成閥組控制機器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)，搭載的激光尺度儀可確定壩體缺陷、裂縫的尺寸，配合智能識別與數(shù)據(jù)處理軟件，可直接輸出壩體缺陷尺寸。

圖4 控制系統(tǒng)架構(gòu)

水下電源板為8臺大功率電機提供4 000 W電能，并為ARM9主控板、LPC11C24控制板及照明燈等不同規(guī)格電源等級供電，并設(shè)計電流、電壓、電源溫度采集電路，以保證電機電源模塊的穩(wěn)定安全運行；以EPC-286為核心使用LINUX操作系統(tǒng)，使用無線網(wǎng)絡(luò)通信方式接收水面控制平臺操作信號后通過CAN總線與底層控制板進行通信，將機器人的各個傳感器數(shù)據(jù)、電源電壓電流溫度數(shù)據(jù)、各個模塊報警保護信號等發(fā)送給水面控制平臺[9]；底層驅(qū)動控制板通過CAN總線接收主控制板的控制信號，控制水下推進器、照明燈、攝像頭、激光尺度儀等硬件設(shè)備，并使用AD采樣功能采集信號參數(shù)，將數(shù)據(jù)反饋給主控制板并傳遞給水面控制平臺。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)煤礦抽水蓄能電站實際工作環(huán)境與作業(yè)需求，控制系統(tǒng)硬件由上位機、控制器、傳感器和外設(shè)組成。其中上位機包括水面控制平臺和圖像顯示器；控制器包括單片機和水下電力系統(tǒng)；傳感器包括深度、姿態(tài)、聲吶、溫濕傳感器；外設(shè)包括攝像頭、照明燈、機械手、激光尺度儀、水下推進器。上位機通過水面控制平臺向控制器發(fā)出指令集，控制器控制傳感器和外設(shè)完成巡檢作業(yè)任務(wù)，并將狀態(tài)信息反饋給上位機，攝像頭模擬傳輸水下視覺給圖像顯示器，水下電力系統(tǒng)為水下多功能模塊提供不同等級的動力電源，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)煤礦抽水蓄能電站水陸兩棲機器人控制系統(tǒng)需求情況，將控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)分成控制層、執(zhí)行層、巡檢層與數(shù)據(jù)可溯層4個部分[10]。主要功能包括：與機械臂、水下推進器、各傳感器、照明攝像等輔助設(shè)備以及水面控制平臺進行數(shù)據(jù)通信，各傳感器數(shù)據(jù)處理、水下視覺圖像、巡檢作業(yè)控制以及沉浮與姿態(tài)調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5 數(shù)字仿真實驗結(jié)果

為了驗證控制系統(tǒng)的可靠性，以機器人為控制對象，基于PID算法設(shè)計艏向運動控制系統(tǒng)，以直流電機和螺旋槳推進器為執(zhí)行機構(gòu)，以電子羅盤測得的艏向角為反饋，輸入量和輸出量分別為艏向偏角和控制電壓，使用Matlab Simulink仿真軟件進行了數(shù)字仿真實驗。艏向運動線性反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，圖中R(s)為輸入函數(shù)，Y(s)為輸出函數(shù)，G1(s)為控制器模塊，G2(s)、G3(s)為執(zhí)行模塊，G(s)為對象模塊，H(s)為反饋模塊。在Simulink環(huán)境下，建立了艏向運動線性反饋控制系統(tǒng)仿真模型，如圖8所示。

圖7 艏向運動線性反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8 艏向運動線性反饋控制系統(tǒng)仿真模型

圖9 所示為艏向運動控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線，從圖中可知，系統(tǒng)調(diào)整時間約為10.8 s，系統(tǒng)響應(yīng)時間約為8 s，振幅超調(diào)量僅為6.5%，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差不超過3°，滿足艏向運動控制要求。

圖9 艏向運動控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線

6 結(jié)束語

本文提出了一種煤礦抽水蓄能電站水陸兩棲機器人的總體方案設(shè)計，包括設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計思路和總體模塊組成，對機器人的功能要求和結(jié)構(gòu)布局進行了簡要介紹。重點研究了機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計，完成其控制系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計與實現(xiàn)，通過Matlab Simulink仿真軟件建立了艏向運動線性反饋控制系統(tǒng)仿真模型，并得出艏向運動控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線，由曲線可知系統(tǒng)調(diào)整時間約為10.8 s，系統(tǒng)響應(yīng)時間約為8 s，振幅超調(diào)量僅為6.5%，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差不超過3°，滿足艏向運動控制要求。研究結(jié)果表明控制系統(tǒng)設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，控制精確，可以滿足巡檢工作要求。