王偉俊，趙凱平，陳強(qiáng)曼，吳曉磊，黃 森，駱元慶

（1.安徽理工大學(xué)機(jī)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(shí)驗(yàn)室，安徽淮南232001；3.安徽礦山機(jī)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(guó)主體能源結(jié)構(gòu)，經(jīng)過長(zhǎng)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(shí)隨著去產(chǎn)能的深入推進(jìn)，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(guó)69個(gè)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(huì)造成資源的巨大浪費(fèi)，還可能引發(fā)安全事故、環(huán)境污染及系列社會(huì)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(jí)提供了新思路，同時(shí)，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(xiǎn)大；后期電站建成后，因其地下廠房系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜、地下水庫空間環(huán)境復(fù)雜，人工維護(hù)、巡檢難度大且安全性難以得到保障，亟需專用水陸兩棲機(jī)器人。

為掌握水利工程水下結(jié)構(gòu)和設(shè)施的運(yùn)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(jī)器人，基于模塊化設(shè)計(jì)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(diǎn)。本文以自行研發(fā)的煤礦抽水蓄能電站水陸兩棲機(jī)器人為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹了機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)對(duì)控制系統(tǒng)的可行性和正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 總體方案

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

總體設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：（1）最大下潛深度100 m；（2）設(shè)計(jì)水平航速不超過3 kn，換算后約為不超過1.5 m/s，能實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度（進(jìn)退、潛浮、回轉(zhuǎn)、俯仰）運(yùn)動(dòng)；（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(duì)水下環(huán)境進(jìn)行勘測(cè)；（4）配有2個(gè)多自由度液壓型機(jī)械臂在水下開展特定作業(yè)。

水陸兩棲機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 水陸兩棲機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)煤礦抽水蓄能電站實(shí)際工作環(huán)境與作業(yè)需求，以設(shè)計(jì)目標(biāo)為引導(dǎo)，水陸兩棲機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)法開展本體框架模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、沉浮與姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊、水下推進(jìn)模塊、巡檢作業(yè)模塊、控制模塊的總體設(shè)計(jì)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和水動(dòng)力性能進(jìn)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(jī)器人定型設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)模塊、水下推進(jìn)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(jī)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?？刂葡到y(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(jìn)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(jì)算機(jī)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(yùn)行，水面控制箱是完成人機(jī)交互的重要工具，操作員通過控制箱實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人本體的控制及監(jiān)控，主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示水下視頻圖像信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示機(jī)器人各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、傳感器信息及安全報(bào)警信息[9]。水下執(zhí)行系統(tǒng)是機(jī)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(yùn)動(dòng)，并將各個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)板、ARM9主控板、LPC11C24控制板、發(fā)動(dòng)機(jī)組箱、液壓集成閥組、水下推進(jìn)器、傳感器、液壓型機(jī)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(jī)器人提供動(dòng)力電源，發(fā)動(dòng)機(jī)組箱驅(qū)動(dòng)整個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)，液壓集成閥組控制機(jī)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(shí)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(tái)大功率電機(jī)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(jí)供電，并設(shè)計(jì)電流、電壓、電源溫度采集電路，以保證電機(jī)電源模塊的穩(wěn)定安全運(yùn)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(tái)操作信號(hào)后通過CAN總線與底層控制板進(jìn)行通信，將機(jī)器人的各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)、電源電壓電流溫度數(shù)據(jù)、各個(gè)模塊報(bào)警保護(hù)信號(hào)等發(fā)送給水面控制平臺(tái)[9]；底層驅(qū)動(dòng)控制板通過CAN總線接收主控制板的控制信號(hào)，控制水下推進(jìn)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(hào)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(tái)。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦抽水蓄能電站實(shí)際工作環(huán)境與作業(yè)需求，控制系統(tǒng)硬件由上位機(jī)、控制器、傳感器和外設(shè)組成。其中上位機(jī)包括水面控制平臺(tái)和圖像顯示器；控制器包括單片機(jī)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(jī)械手、激光尺度儀、水下推進(jìn)器。上位機(jī)通過水面控制平臺(tái)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(jī)，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(jí)的動(dòng)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(jì)

根據(jù)煤礦抽水蓄能電站水陸兩棲機(jī)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(gè)部分[10]。主要功能包括：與機(jī)械臂、水下推進(jìn)器、各傳感器、照明攝像等輔助設(shè)備以及水面控制平臺(tái)進(jìn)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)?？刂葡到y(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5 數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可靠性，以機(jī)器人為控制對(duì)象，基于PID算法設(shè)計(jì)艏向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，以直流電機(jī)和螺旋槳推進(jìn)器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以電子羅盤測(cè)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(jìn)行了數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)。艏向運(yùn)動(dòng)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(duì)象模塊，H(s)為反饋模塊。在Simulink環(huán)境下，建立了艏向運(yùn)動(dòng)線性反饋控制系統(tǒng)仿真模型，如圖8所示。

圖7 艏向運(yùn)動(dòng)線性反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8 艏向運(yùn)動(dòng)線性反饋控制系統(tǒng)仿真模型

圖9 所示為艏向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線，從圖中可知，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間約為10.8 s，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為8 s，振幅超調(diào)量?jī)H為6.5%，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差不超過3°，滿足艏向運(yùn)動(dòng)控制要求。

圖9 艏向運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)思路和總體模塊組成，對(duì)機(jī)器人的功能要求和結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。重點(diǎn)研究了機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成其控制系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過Matlab Simulink仿真軟件建立了艏向運(yùn)動(dòng)線性反饋控制系統(tǒng)仿真模型，并得出艏向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線，由曲線可知系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間約為10.8 s，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為8 s，振幅超調(diào)量?jī)H為6.5%，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差不超過3°，滿足艏向運(yùn)動(dòng)控制要求。研究結(jié)果表明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，控制精確，可以滿足巡檢工作要求。