1.4 深海底采矿机器车运动建模技术研究

深海底采矿机器车的主要任务为从6 000米深的稀软底海底环境中自主、准确、高效地采集多金属结核。6 000米深的海底，存在60兆帕的压力，人不可能直接到海底去进行操作。另外，海底环境复杂多变，表现为复杂的未知地表特征及海底洋流等多种形式的未知扰动。为适应深海稀软底特殊情况，采矿车为特殊设计的大功率电机带动的液压驱动低速履带车辆。由于液压系统固有的严重的非线性、海底稀软底环境的特殊性、履带车辆动力学表现的不完整约束，深海底自行走履带式采矿车运动系统建模和控制是一个较为困难的问题。由于深海采矿为国家战略性课题，出于保密需要，国内外该方面的文献并不多见。同时，以优化车体设计为目的，针对普通地面行驶的中高速履带车辆(工程机械、履带装甲车、坦克等）的计算机建模与仿真研究多见报道；以越野环境下的自动导航为目的，针对中高速地面履带车的动力学建模正引起一些学者的研究兴趣；以浅海环境中的水下自动导航为目的，针对浮游式自动导航机器车(Automatic Underwater Vehicle)的动力学建模研究方兴未艾。虽然本书的研究对象为深海底履带机器车，具有低速性、特种履带、深海底行走的特点，与以上研究对象均不相同，但是上述方面的研究内容也可作为本书研究的参考。

履带车辆早在1770年就已经出现，但是直到十九世纪才引起人们的广泛注意。在第一次世界大战以前，履带车辆发展缓慢。履带车辆的设计和构造主要依赖于汽车工业，履带车辆仅仅是汽车的派生物。在第一次世界大战期间，坦克的出现极大地促进了履带车辆的发展，因此，研究履带车辆的运动规律也就成了必然。

在以优化车体设计为目的的履带车辆动力模型和运动模型发展史上，主要有两个流派，这两个流派的奠基人分别是Merritt和Bekker。

Merritt假设履带和路面均为刚体，并假设履带接地面所受的摩擦力为库仑摩擦力，在此基础上分析履带车辆的运动特性。Merritt的理论后来被Jakobsson以及Gerbert、Ollson所应用。Jakobsson分析了车体沿曲线运动稳态工作时的运动特性。Getbert和Ollson进一步深入了Jakobsson的工作，并分析了车体运动时的动态特性。Thuvesen的研究中，将履带看作一个可以依附在车辆模型上的基本机械元件，将履带—地面作用力的变化考虑为车体的负载扰动。车体速度在履带的中心点被定义为纵向、横向及竖直方向分速度的合成，并推导出其运动方程式，最后将整个履带车系统应用到ADSM(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件中进行仿真和分析。

Bekker主要考虑履带和地面之间的作用力，包括牵引特性和滑移。该理论基于土壤力学，当车辆行驶时，履刺会剪切地面，使地面产生一定的纵向变形，若假设地面是弹性的，该变形就会给车体一个纵向的反作用力，这就是履带车辆前进的主动力。该力不同于地面的摩擦力。摩擦力是由垂直方向上的力(即重力）引起的。Berkker的理论被Wong J.Y.进一步发展，并最先引入计算机做辅助分析。Yamakawa J.的研究中，在利用土壤力学详细分析了履带和地面的作用力之后，建立了高速履带车的三维空间运动分析模型，并进行了数值仿真和试验验证。

以优化车体设计为目的的履带车辆的建模和仿真研究，国内也多见报道。韩宝坤等应用DADS(Dynamic Analysis and Design System)多体系统分析与设计软件，建立了履带车辆的多体模型，并给出了越障仿真结果。史力晨等研究了高速履带车辆悬挂系统动力学建模问题，应用MATLAB软件给出了高速履带车辆在越障和转向行驶时的计算机仿真结果。王学宁、贺汉根等在详细分析坦克直线行驶和转向行驶力学的基础上，建立了坦克的机动性仿真模型，并进行了动态仿真。

随着机器人技术的迅速发展，因为履带车辆具有优越的越野性能，以越野环境下的自动导航为目的，针对中高速地面履带车的动力学建模逐渐成为机器车控制与导航研究的一个重要课题。Anh Tuan Le针对一辆工程履带车(挖掘机），建立了履带车的动力学和运动学方程，引进卡尔曼滤波技术对车体和地面参数进行了估计，构建了远程控制系统，并给出了一些实验结果。Gianni Ferretti、Roberto Girelli等针对一辆农用履带车，建立了一个3D、八自由度的履带车动力学模型，并采用MOSES仿真软件进行了仿真研究。彭晓军、郭齐胜等应用虚拟现实技术，对履带车辆的建模和控制技术进行了仿真研究。

液压系统仿真是计算机仿真技术在液压系统中的一种应用。国外在二十世纪七十年代开始液压系统和元件的计算机数字仿真研究，由于受计算机性能的限制，仅能进行稳态特性的数字仿真，输入数据复杂。随着液压流体力学、控制理论的发展，特别是计算机运算能力的提高，通过理论或试验的方法建立液压系统的数学分析模型，利用计算机进行仿真，对关键参数进行优化，并预测系统的性能，从而给液压系统的设计提供了有利的工具。

二十世纪八十年代后期，开发了许多精度高、速度快、功能多的各类液压系统通用仿真软件包。如美国麦道飞机公司率先开发用以预测液压系统元件和系统性能的AFSS(Advanced Fluid System Simulation)仿真软件包，使液压系统的设计从经验估计提高到定量分析的水平。该软件经CDC公司和明尼苏达大学(University of Minnesota)的修改、补充，成为一个通用液压系统CAD软件包。英国巴斯大学(University of Bath)研制了Hydraulic System Automatic Simulation Program(HASP)，并进一步发展使其成为具有更广泛功能的液压系统自动仿真程序，该程序充分考虑了液压系统中较复杂交互作用的静态和动态问题。此外，其他一些国外大学和公司也开发了许多仿真软件包。

日本机械学会、日本空压学会在1983年到1992年间，研究、开发了动力系统仿真软件Bond Graphic Simulation Program(BGSP),BGSP可以对机、电、液动力系统的键合图作数学模型处理、数值模拟计算与仿真结果显示，尤其适用于非线性机、电、液综合流体动力系统的解析。二十世纪九十年代英国巴斯大学推出了基于PC机的液压仿真软件包BATHFP,该软件包由图形库、元件参数库和模型库等组成。

国内许多高校和研究机构从二十世纪七十年代起就开始进行液压系统和元件的数字仿真研究，取得了一定的成果。如上海工业大学研制的通用液压仿真软件包HYSLL;北京航空航天大学推出的FPS通用仿真程序；上海交通大学研制开发的针对液压系统原理图的仿真软件包HYCAD;浙江大学在引进德国亚琛大学液压元件及仿真系统软件DSH的基础上，开发了液压元件及系统动静态仿真软件、油源CAD软件、三维空间管道布置CAD软件以及液压系统阀板CAD软件等。

随着仿真技术的不断发展，近几年来出现的通用液压系统动态仿真软件包都是在多年来的基础上不断改进逐步发展起来的。这些软件各有其特点，很适合开发者和系统仿真方面的专家使用。但是，这些软件在推广上却遇到了前所未有的困难。其主要原因有：

(1)基于液压元器件参数数据库的建模方法难以满足元器件不断改进的现状。通用动态仿真软件包都要有相应的参数数据库，用户仅以简单的指令即可调用各种典型的物理参数数值以及标准元器件的结构参数数值。但是由于液压系统所涉及的进口和国产软件种类繁多，而不同的厂家所生产的同类元器件其性能也相差很大，数据库难以提供。同时，厂家出于技术保密等原因，某些参数一般不提供。因此，软件开发者所能收集到的数据极其有限，且有很大的局限性，难以满足实际应用的要求。

(2)建模过程复杂。液压系统本身的复杂性决定了液压系统模型的复杂性。传统的将液压系统简化为线性系统进行分析的方法虽然精度受限制，但其应用范围最广，其原因就是这种方法的简单性。而商用的液压系统仿真软件要求使用者有较高的理论和专业知识，需专门进行培训。

(3)性价比低。液压系统一般是单机小批量设计，作为主机的一部分来处理。特别是在我国，一般液压系统的设计任务较少，市场容量有限，高昂的软件价格使其销售量比较低。

随着人类开发海洋步伐的加快，研制高性能的浮游式水下自主机器车(Autonomous Unmanned Vehicle,AUV)已受到各国科技工作者越来越多的关注。1970年，美国最早的“海蜂”号遥控潜水器成功完成了2 000米水下环境的测量工作。在随后的几十年里，研究深海、无缆、高度自治水下机器人成为海洋科学家追求的目标。英国、日本、加拿大、法国等先进国家纷纷开发出了自己的AUV用于海洋调查和科学研究。我国也研制出了6 000米深海水下自治机器人CR-01,并于1997年在太平洋中国矿区完成了各项海底试验调查任务，取得大量数据和资料。目前，针对AUV的建模主要集中在以自动控制和导航为目的的动力学建模研究方面。Pere Ridao、Joan Battle、Marc Carreras针对一辆名为GARBI的AUV,建立了详细的流体环境中基于矩阵的AUV动力学模型，模型的参数辨识采用实验分析的方法取得。Anthony Bei采用有限元方法，针对一辆AUV进行了力学分析和仿真研究。吴旭光等建立了水下自主航行器的通用数学模型，详细论述了模型参数辨识的理论和方法，以及实验数据预处理及相容性检验内容。张禹、刘开周、邢志伟、封锡盛采用VC++语言，建立了AUV半实物实时仿真平台，采用标准的硬件接口，可以直接与真实AUV的自动驾驶计算机连接，由自动驾驶计算机来控制和驱动虚拟AUV实时仿真系统进行实时仿真，根据实时仿真结果对自动驾驶计算机中的自主控制系统和AUV的整体性能进行实时仿真验证和评价，解决了AUV整体性能验证和评价的问题。孟伟、张国印、韩学东、潘瑛、徐德民分别采用Petri网和MATLAB语言对AUV的动力学建模进行了研究。

深海底采矿机器车与普通履带车辆和深海水下自治机器车有共同之处，也有不同之处。其为特殊设计履带车辆，因此可基本参照履带车辆模型进行建模；它的工作环境为深海底，与深海水下自治机器车的工作环境基本相同，可参照AUV的流体环境受力模型。本书对其进行建模研究，将主要从以下几点考虑：

(1)通常履带车辆为内燃机驱动的机械传动系，或内燃机驱动的液压传动系。深海采矿车为高压电机(3 000V)驱动的液压传动系。因此，对其建模只能参考履带车辆与地面之间的相互作用力模型。

(2)通常履带车多为中高速车辆(60km/h)，深海底采矿车为低速履带车辆(0.5m/s)，因此，建模时一些动态特性可适当简化，如不考虑离心力影响等。

(3)深海底采矿车所行驶的海底为极稀的软泥，其履带为满足该种环境进行了特殊设计。因此，一些通常意义下的履带车辆受力经验公式对其不再适用，必须从地面力学角度重新分析。

(4)深海底采矿车的工作环境与AUV基本相同，均为深海环境。因此,AUV的环境参数、流体力学分析思想可作为深海底采矿车建模的借鉴。 h/V5HWj/2tCr43FufA6jhrFqWavAw2oGch2L2paO9A2UULV7Bo+aiXWp95ofxifQ