CN115184047A - 水下履带式作业车行走性能测试与分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水下履带式作业车行走性能测试与分析系统及方法，通过采集作业车在行走测试期间的环境数据以及测试路径时的定位数据，将所述定位数据与所述测试路径数据进行比对，计算所述作业车的控制调整量和行走性能数据，并将行走性能数据、所述环境数据以及预存的控制系统参数、车体结构数据进行融合同步，得到同步性数据，再根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析。本发明实现了结构、控制、环境的因素对行走性能影响的综合分析，为技术人员对作业车行走性能的问题进行定位、分析提供数据参考与支撑，通过行走性能分析，能针对车体结构和控制系统进行优化设计，从而不断促进作业车行走性能整体提升。

Description

水下履带式作业车行走性能测试与分析系统及方法

技术领域

本发明涉及履带式车辆行走控制领域，尤其涉及水下履带式作业车行走性能测试与分析系统及方法。

背景技术

在深海采矿和深水清淤领域，因水下稀软底质和复杂地形等因素影响，采矿设备、清淤装备一般都使用履带式作业车作为载体。这类水下作业对工作效率要求很高，因此与效率直接相关的作业车行走性能成为关键技术指标之一。行走性能包含路径跟踪精度、车体姿态、车速等数据，该性能受作业车本体结构、控制系统与控制方法、外部环境等多因素共同影响。目前对深海采矿、深水清淤等水下履带式作业车的开发和研制还处于较为初级的阶段，体现在车体结构、控制系统与控制方法、环境因素测量等各个部分的设计和实验基本都是独立进行，各部分数据不具备同步性，相互之间无法参考，因此难以对作业车行走性能的变化原因进行定位和分析，难以从整体角度出发来提高水下履带式作业车行走性能，因此技术改进空间很大。

发明内容

本发明提供了水下履带式作业车行走性能测试与分析系统及方法，用于解决目前水下履带作业车各部分数据不同步，相互之间无法提供参考，对本部分和其它部分的设计都缺乏指导依据，不利于行走性能整体提升的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种水下履带式作业车行走性能测试与分析系统，包括：土工力学测量采集子系统、作业车反馈子系统、作业车控制子系统、行走测试子系统、行走性能分析子系统，所述土工力学测量采集子系统、作业车控制子系统、作业车反馈子系统以及行走性能分析子系统均与所述行走测试子系统建立通信，所述作业车控制子系统还与所述作业车反馈子系统建立通信；

所述土工力学测量采集子系统，用于采集作业车在测试期间的环境数据，并将所述环境数据发送给所述行走测试子系统；

所述作业车反馈子系统，用于采集所述作业车在测试期间的定位数据，并将所述定位数据发送给作业车控制子系统；

所述作业车控制子系统，用于确定预设的测试路径数据对应的控制量，并根据所述定位数据与所述控制量之间的差值不断调整输出量，使所述作业车按测试路径行走；并将所述定位数据发送给所述行走测试子系统；

所述行走测试子系统，用于将所述定位数据与所述测试路径数据进行比对，计算所述作业车的行走性能数据，并将所述行走性能数据、所述环境数据以及预存的车体结构数据进行融合同步，得到同步性数据，并将所述同步性数据发送给所述行走性能分析子系统；

所述行走性能分析子系统，用于根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析。

优选的，所述行走测试子系统包括人机界面模块、通讯处理模块、融合与处理模块，所述人机界面模块、通讯处理模块分别与所述融合与处理模块连接，所述通讯处理模块分别与所述土工力学测量采集子系统、作业车控制子系统、作业车反馈子系统建立通信；

所述人机界面模块供用户输入测试指令和测试路径数据，并将所述测试指令发送给所述土工力学测量采集子系统，将所述测试路径数据发送给所述作业车控制子系统；

所述通讯处理模块，用于接收所述作业车反馈子系统发送来的定位数据，接收所述土工力学测量采集子系统发送来的环境数据；

所述融合与处理模块，用于将所述定位数据与所述测试路径数据进行比对，计算所述作业车的行走性能数据，并将所述行走性能数据、所述环境数据以及预存的车体结构数据进行融合同步，得到同步性数据，并将所述同步性数据发送给所述行走性能分析子系统。

优选的，所述行走性能分析子系统包括：数据库、环境与控制模块、控制与结构模块、环境与结构模块；

所述数据库，用于存储所述同步性数据；

所述环境与控制模块，用于从所述数据库中分析在车体结构相同情况下，不同地质环境对控制系统参数的影响或控制系统参数对地质环境改变的适应性；

所述控制与结构模块，用于从所述数据库中分析在地质环境相同情况下，车体结构改变对控制系统的影响或控制系统参数对车体结构的改变是否适应；

所述环境与结构模块，用于从所述数据库中分析控制系统参数相同情况下，地质环境对车体结构的影响或车体结构针对当前地质环境设计是否适应。

优选的，所述环境数据包括：作业车行走地质的贯入阻力、表面剪切力；所述土工力学测量采集子系统包括：控制模块、贯入测量模块、剪切测量模块以及数据反馈模块；所述贯入测量模块、剪切测量模块以及数据反馈模块均与所述控制模块连接；所述数据反馈模块与所述行走测试子系统的通讯处理模块建立通信；

所述控制模块用于接收所述行走测试子系统发送来的测试指令，根据所述测试指令控制所述贯入测量模块测量作业车行走地质的贯入阻力，并将采集的贯入阻力通过数据反馈模块发送给所述行走测试子系统的通讯处理模块；还用于根据所述测试指令控制所述剪切测量模块测量作业车行走地质的表面剪切力，并将采集的表面剪切力通过数据反馈模块发送给所述行走测试子系统的通讯处理模块。

优选的，所述作业车控制子系统包括：控制与处理模块、数据采集模块、液压驱动模块以及执行机构；所述数据采集模块、液压驱动模块均与所述控制与处理模块连接，所述液压驱动模块与所述执行机构连接，所述数据采集模块分别与所述行走测试子系统的通讯处理模块、作业车反馈子系统建立通信；

所述数据采集模块用于接收所述作业车反馈子系统输出的定位数据；

所述控制模块包含有路径行走控制算法，用于根据所述路径行走控制算法计算所述测试路径数据对应的控制量，并接收作业车反馈子系统的输出作为反馈量，不断对液压驱动模块调整输出量；

所述液压驱动模块用于根据所述控制量驱动执行机构使得作业车行走、转动，确保车体按照行走测试子系统要求的路径行进。

优选的，所述定位数据包括车体位置数据、姿态数据以及速度数据；所述作业车反馈子系统包括：车体位置反馈模块、状态反馈模块；所述车体位置反馈模块、状态反馈模块均与所述作业车控制子系统的数据采集模块建立通信；

所述车体位置反馈模块用于对所述作业车的车体位置进行定位，并将定位得到的车体位置数据发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述状态反馈模块用于测量所述作业车的姿态数据、速度数据，并将所述姿态数据、速度数据发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述车体位置反馈模块包括：声学定位单元与差分GPS定位单元；声学定位单元与差分GPS定位单元均与所述作业车控制子系统的数据采集模块建立通信；

所述声学定位单元用于作业车在深水行走时进行车体定位，并将定位得到的车体位置数据发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述差分GPS定位单元用于在浅水或无水场地进行车体定位，并将定位得到的车体位置数据发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述速度数据包括履带的传动速度、对地驱动轮的速度；

所述状态反馈模块包括陀螺仪、轮速以及带速测量传感器；陀螺仪、轮速传感器以及带速测量传感器均与所述作业车控制子系统的数据采集模块建立通信；

所述陀螺仪用于采集所述作业车的姿态数据，并将所述姿态数据发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述带速传感器用于采集作业车履带的传动速度，并将所述传动速度发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述轮速测量传感器用于采集作业车对地驱动轮的速度，并将所述对地驱动轮的速度发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块。

一种水下履带式作业车行走性能分析方法，包括以下步骤：

获取作业车的目标行走性能数据、目标环境数据、目标控制系统参数以及目标车体结构数据；

将所述目标行走性能数据、目标环境数据、目标控制系统参数以及目标车体结构数据进行融合同步，得到目标同步性数据；

根据所述目标同步性数据对所述作业车行走性能进行分析。

优选的，根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，包括环境与控制分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的目标车体结构数据对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的同车体结构数据、且同性能等级的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的环境数据均值和行走性能数据均值；

计算所述同步性数据中的目标环境数据相对于所述环境数据均值的偏离程度d₁，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₂，定义Δ₁ = λ₁×d₁+（1-λ₁）×d₂，其中λ₁<1且可调,将该Δ₁的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的所有Δ₁值中进行降序排序，Δ₁的排名反映了控制系统的参数相对于环境改变的鲁棒性，排名越靠前越有利于提高行走性能，根据Δ₁值的变化趋势检验控制参数整定的合理性，或根据变化趋势改进控制参数整定并进行行走测试验证。

优选的，根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，包括车体结构与控制分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的目标环境数据对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的环境数据相似、且同性能等级的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的车体结构数据均值和行走性能数据均值；其中，任意两个环境数据相似是指二值之间差值不大于预设阈值；

计算所述同步性数据中的目标车体结构数据相对于所述车体结构数据均值的偏离程度d₃，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₄，定义Δ₂ = λ₂×d₃+（1-λ₂）×d₄，其中λ₂<1且可调，将该Δ₂的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的相应Δ₂值中进行降序排序，Δ₂的排名反映了控制系统的参数整定相对于当前车体结构数据的合理性，排名越靠前越有利于提高行走性能，根据Δ₂值的变化趋势检验控制参数整定的合理性，或根据变化趋势改进控制参数的整定并进行行走测试验证。

优选的，据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，包括环境与结构分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的控制系统参数对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的控制方法以及控制方法中的控制参数相同、且性能等级相同的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的行走性能数据均值和环境数据均值；

计算所述同步性数据中的目标环境数据相对于所述环境数据均值的偏离程度d₅，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₆，定义Δ₃ = λ₃×d₅+（1-λ₃）×d₆，其中λ₃<1且可调，将该Δ₃的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的所有Δ₃值中进行降序排序，Δ₃的排名反映了车体结构设计对当前环境的设计的有效性，排名越靠前越有利于提高行走性能，根据所述所有Δ₃值的变化趋势检验车体结构设计是否合理，或根据变化趋势改进车体结构的设计并进行行走测试验证。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中的行走性能测试与分析系统及方法，提供可编辑和选择的路径跟踪测试方法，用于获得作业车行驶与定位数据；该系统还提供土工力学的测量和采集装置，用于获得外部环境数据；该系统实现了车体结构、环境因素和控制系统的数据同步采集与保存；该系统对结构、控制、环境的因素对行走性能影响的综合分析，为技术人员对作业车行走性能的问题进行定位、分析提供数据参考与支撑，通过行走性能分析，能针对车体结构和控制系统进行优化设计，从而不断促进作业车行走性能整体提升。

在优选方案中，使用本发明可进行多种路径的行走测试，来验证不同路径条件下的水下履带作业车的行走性能；水下行走环境远比陆地复杂多样，本发明考虑了行走时的环境数据测量和获取，实验获得的行走性能数据有更高可信度；本发明实现了环境、结构、控制各子系统数据的同步，数据价值大幅提高，各子系统数据之间实现了相互参考和印证；本发明实现了作业车行走时所有相关数据的永久保存，为持续设计提供了历史参考；分析方法可以分析由于作业车各部分的改变对行走性能的影响程度，对于作业车车体结构、控制系统与控制方法的改进方向提供了数据支撑。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1 为本发明实施例提供的水下履带式作业车行走性能测试与分析系统结构图；

图2 为本发明实施例提供的水下履带式作业车行走性能测试与分析系统工作流程图。

图中标注：

1、土工力学测量采集子系统，11、控制模块，12、贯入测量模块，13、剪切测量模块，14、数据反馈模块；

2、作业车反馈子系统，21、车体位置反馈模块，211、GPS定位单元，212、声学定位单元，22、状态反馈模块；221、陀螺仪，222、带速传感器，223、轮速传感器；

3、作业车控制子系统，31、控制与处理模块，32、数据采集模块，33、液压驱动模块，34、执行机构；

4、行走测试子系统，41、人机界面模块，42、通讯处理模块，43、融合与处理模块；

5、行走性能分析子系统、51、数据库，52、环境与控制模块，53、控制与结构模块，54、环境与结构模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一：

在本实施例中，提供一种水下履带式作业车行走性能分析方法，包括以下步骤：

获取作业车的目标行走性能数据、目标环境数据、目标控制系统参数以及目标车体结构数据；

将所述目标行走性能数据、目标环境数据、目标控制系统参数以及目标车体结构数据进行融合同步，得到目标同步性数据；

根据所述目标同步性数据对所述作业车行走性能进行分析。

其中，根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，包括环境与控制分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的目标车体结构数据对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的同车体结构数据、且同性能等级的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的环境数据均值和行走性能数据均值；

计算所述同步性数据中的目标环境数据相对于所述环境数据均值的偏离程度d₁，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₂，定义Δ₁ = λ₁×d₁+（1-λ₁）×d₂，其中λ₁<1且可调,将该Δ₁的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的所有Δ₁值中进行降序排序，Δ₁的排名反映了控制系统的参数相对于环境改变的鲁棒性，排名越靠前越有利于提高行走性能，设计人员可以根据Δ₁值的变化趋势检验控制参数整定的合理性，也可进根据变化趋势改进控制参数的整定并进行行走测试验证。

在优选方案中，根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，包括车体结构与控制分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的目标环境数据对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的环境数据相似、且同性能等级的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的车体结构数据均值和行走性能数据均值；其中，任意两个环境数据相似是指二值之间差值不大于预设阈值；

计算所述同步性数据中的目标车体结构数据相对于所述车体结构数据均值的偏离程度d₃，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₄，定义Δ₂ = λ₂×d₃+（1-λ₂）×d₄，其中λ₂<1且可调，将该Δ₂的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的相应Δ₂值中进行降序排序，Δ₂的排名反映了控制系统的参数整定相对于当前车体结构数据的合理性，排名越靠前越有利于提高行走性能，根据Δ₂值的变化趋势检验控制参数整定的合理性，或根据变化趋势改进控制参数的整定并进行行走测试验证。

在优选方案中，根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，还包括环境与结构分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的控制系统参数对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的控制方法以及控制方法中的控制参数相同、且性能等级相同的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的行走性能数据均值和环境数据均值；

计算所述同步性数据中的目标环境数据相对于所述环境数据均值的偏离程度d₅，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₆，定义Δ₃ = λ₃×d₅+（1-λ₃）×d₆，其中λ₃<1且可调，将该Δ₃的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的所有Δ₃值中进行降序排序，Δ₃的排名反映了车体结构设计对当前环境的设计的有效性，排名越靠前越有利于提高行走性能，设计人员可以根据所述所有Δ₃值的变化趋势检验车体结构设计是否合理，也可根据变化趋势改进车体结构的设计并进行行走测试验证。

在本实施例中，性能等级判断区间包括高、中、低三个区间，取值范围分别为[H-δ_H，H+δ_H]、[M-δ_M，M+δ_M]、[L-δ_L，L+δ_L]（H、M、L和各δ的值可调），其中，H、M、L是行走路径跟踪精度阈值，各δ为调整值。

在本实施例中，所述环境数据包括：作业车行走地质的贯入阻力、表面剪切力；所述车体结构参数包括履齿宽度。

实施例二：

如图1所示，本实施例中，公开了水下履带式作业车行走性能测试与分析系统，由土工力学测量采集子系统1、作业车反馈子系统2、作业车控制子系统3、行走测试子系统4、行走性能分析子系统5共5个部分组成；

土工力学测量采集子系统1：该子系统的功能是用于环境因素测量，对于履带式作业车而言比较重要的是剪切力和贯入力。由控制模块11、贯入测量模块12、剪切测量模块13、数据反馈模块14四部分组成。剪切测量模块13由驱动电机和传感器组成，用于测量作业车行走地质的表面剪切力，贯入测量模块12由驱动电机和传感器组成，用于测量地质的贯入阻力，数据反馈模块14用于存储剪切测量模块13和贯入测量模块12的数据并最终上传到行走测试子系统4，控制模块11负责本子系统整体程序逻辑处理。

作业车反馈子系统2：该子系统的功能是提供作业车行走时的目标位置、姿态、速度等数据信息，一方面被作业车控制子系统3采集并作为控制反馈量使用，同时也被行走测试子系统4获取进行路径计算处理。由车体位置反馈模块21、状态反馈模块22组成。车体位置反馈模块21由差分GPS定位单元211与声学定位单元212组成，差分GPS定位单元211用于在浅水或无水场地进行车体定位，声学定位单元212用于作业车在深水行走时进行车体定位，车体位置反馈模块21的输出为作业车在实验区域内的平面坐标。状态反馈模块22由陀螺仪221、带速传感器222、轮速传感器223组成，陀螺仪221的输出为车体方位角度、俯仰角度、横滚角度等，带速传感器222输出的是履带的传动速度，轮速传感器223输出的是对地驱动轮的速度。

作业车控制子系统3：该子系统的功能是控制作业车按照行走测试子系统4要求的路径行进。由控制与处理模块31、数据采集模块32、液压驱动模块33、执行机构34组成。数据采集模块32用于接收作业车反馈子系统2的反馈数据，控制与处理模块31接收行走测试子系统4的路径指令，根据行走测试子系统4的路径指令确定控制量，并使用作业车反馈子系统2的输出作为反馈量，并使用路径行走控制方法进行计算和控制，不断对液压驱动模块33调整输出量，液压驱动模块33驱动执行机构34使得作业车行走和转动。

行走测试子系统4：该子系统的功能是选择或编辑要求作业车行走的路径，对环境、控制、行走性能等各子系统的数据进行采集处理，并融合成同步性数据。由人机界面模块41、通讯处理模块42、融合与处理模块43组成。人机界面模块41实现作业车行走路径的编辑、保存、调用和控制指令下发，通讯处理模块42采集土工力学测量采集子系统1、作业车反馈子系统2、作业车控制子系统3的目标数据，融合与处理模块43将采集到的目标数据进行融合处理，形成同步性数据。

行走性能分析子系统5：该子系统的功能是将行走测试子系统4提供的数据保存到数据库中，并提供分析方法，针对环境、结构、控制等不同部分的改变和行走性能的关系进行比较和分析。该系统由数据库51、环境与控制模块52、控制与结构模块53、环境与结构模块54组成。环境与控制模块52侧重分析控制系统及控制方法对外部环境改变的适应性和鲁棒性，控制与结构模块53侧重分析控制系统及控制方法与车体结构的关系，环境与结构模块54侧重分析车体结构对环境的适应性。

其中，数据库51构建的索引关键词包括，车体结构关键字段、外部环境关键字段以及控制部分比较的关键字段，其中，车体结构关键字段包括履带参数、驱动机构参数、配重重量等静态数据，外部环境关键字段包括剪切力、贯入力等，控制部分比较的关键字段包括控制方法、控制方法的整定参数等。数据库51可以实施精确比对、模糊比对、范围比对，可由人工对范围阈值进行一些调整来获得更客观的分析结果。

其中，环境与控制模块52用于从行走性能分析子系统5的数据库51中筛选出一组历史记录{B}，这些记录具有和图1中的数据记录A等同的车体结构数据，将A插入{B}并按照路径跟踪精度划分为高（H）、中（M）、低（L）三个区域，对应区间为[H-δ_H，H+δ_H]、[M-δ_M，M+δ_M]、[L-δ_L，L+δ_L]（H、M、L和各δ的值可调），根据记录A所在的区域，可获得行走控制方法优劣的初步定性评价，然后将A所在区域按照剪切力（环境数据）的升序进行排列，剪切力越小对控制系统参数要求越高，由此获得行走控制方法中的控制参数整定是否有效的定性评价，最后计算目标数据记录的剪切力相对于剪切力均值的偏离程度、路径跟踪精度相对于路径跟踪精度均值的偏离程度，根据偏离程度获得控制参数有效程度的定量评价，该分析角度侧重于分析控制方法以及控制方法中的控制参数对地质环境的发生改变的适应性。

其中，控制与结构模块53用于从行走性能分析子系统5的数据库51中筛选出一组历史记录{C}，这些记录具有和数据记录A相近的剪切力（环境数据），相近的判断标准阈值可由人工输入或调整，将A插入{C}并将这些记录按照路径跟踪精度划分为高（H）、中（M）、低（L）三个区域，对应区间为[H-δ_H，H+δ_H]、[M-δ_M，M+δ_M]、[L-δ_L，L+δ_L] （H、M、L和各δ的值可调），根据记录A所在的区域，可获得行走控制方法优劣的初步评价，然后将所在区域按照履齿宽度（车体结构数据）的升序进行排列，齿宽越小对控制系统参数要求越高，由此获得行走控制方法中的控制参数整定是否有效的定性评价，最后计算目标数据记录的齿宽相对于齿宽均值的偏离程度、路径跟踪精度相对于路径跟踪精度均值的偏离程度，根据偏离程度获得控制参数有效程度的定量评价，该分析角度侧重于分析控制方法以及控制方法中的控制参数对车体结构发生改变的适应性。

其中，环境与结构模块54用于从行走性能分析子系统5的数据库51中筛选出一组历史记录{D}，这些记录和数据记录A在控制方法以及控制方法中的控制参数相同，将数据库中符合条件的记录按照路径跟踪精度（行走性能数据）划分为高（H）、中（M）、低（L）三个区域，对应区间为[H-δ_H，H+δ_H]、[M-δ_M，M+δ_M]、[L-δ_L，L+δ_L] （H、M、L和各δ的值可调），根据记录A所在的区域，可获得车体结构设计的初步评价，然后将所在区域按照剪切力的升序进行排列，剪切力越小对结构设计要求越高，由此获得车体结构数据是否有效的定性评价，最后计算目标数据记录的剪切力相对于剪切力均值的偏离程度、路径跟踪精度相对于路径跟踪精度均值的偏离程度，根据偏离程度获得车体结构数据有效程度的定量评价，该分析角度侧重于车体的结构设计对地质环境的发生改变的适应性。

例如，对于水下采矿或清淤最常使用的直线行走路径，使用本发明水下履带式作业车行走性能测试与分析系统进行工作的流程如图2所示：

S1：由行走测试子系统4发起测量指令到土工力学测量采集子系统1，土工力学测量采集子系统1的控制模块11按顺序依次驱动贯入测量模块12和剪切测量模块13并测得所需的数据后，停止机械结构的动作，将数据通过数据反馈模块14传递给行走测试子系统4，行走测试子系统为接收到的数据新建一条记录A，该记录由两部分组成，第一部分为车体结构数据和控制系统的预设数据，从人机界面模块41中选择，第二部分为获得的力学测量数据；

S2：从行走测试子系统4的人机界面模块41中进行即将测试的路径选择，并下发控制指令到作业车控制子系统3。作业车控制子系统3的控制与处理模块31解析指令得到所需的行进速度和方位角度，并计算在此速度下对应的控制量，并控制液压驱动模块33驱动执行机构34调整作业车到正确方位；

S3：作业车反馈子系统2不断进行测量和计算，将车体位置、车体姿态、行进速度、驱动速度这些数据目标传递给作业车控制子系统3的数据采集模块32并由其转发给控制与处理模块31，控制与处理模块31根据这些反馈数据进行处理，获得作业车精确定位数据，通过精确定位数据与设定的速度、方位的偏差，进行液压驱动模块33输入量的调整来确保按给定路径行走，同时将精确定位数据传递给行走测试子系统4的通讯处理模块42。若是车体姿态危险或驱动打滑无法行进，控制与处理模块31则直接将液压驱动模块33置零自动停止驱动执行机构34；

S4：从行走测试子系统4的人机界面模块41中下达停止行进指令或者发生S3所述自动停止行进时均代表路径测试的结束，融合与处理模块42将采集到的车体定位数据与界面设定的路径数据进行比对计算，得到方位偏差、距离偏差等统计性数据并附加于S1所述的记录A，形成一条融合后的数据记录。

S5：行走性能分析子系统5将接收到的记录A存储于数据库51中，并将根据环境与控制模块52或控制与结构模块53或环境与结构模块54的选择对行走测试子系统的数据库进行数据筛选、排序和分析工作。

在本实施例中，还提供一种水下履带式作业车行走性能分析方法，包括以下步骤：

获取作业车的目标行走性能数据、目标环境数据、目标控制系统参数以及目标车体结构数据；

将所述目标行走性能数据、目标环境数据、目标控制系统参数以及目标车体结构数据进行融合同步，得到目标同步性数据；

根据所述目标同步性数据对所述作业车行走性能进行分析。

优选的，根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，包括环境与控制分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的目标车体结构数据对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的同车体结构数据、且同性能等级的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的环境数据均值和行走性能数据均值；

计算所述同步性数据中的目标环境数据相对于所述环境数据均值的偏离程度d₁，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₂，定义Δ₁ = λ₁×d₁+（1-λ₁）×d₂，其中λ₁<1且可调,将该Δ₁的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的所有Δ₁值中进行降序排序，Δ₁的排名反映了控制系统的参数相对于环境改变的鲁棒性，排名越靠前越有利于提高行走性能，设计人员可以根据Δ₁值的变化趋势检验控制参数整定的合理性，也可进根据变化趋势改进控制参数的整定并进行行走测试验证。

其中，根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，包括车体结构与控制分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的目标环境数据对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的环境数据相似、且同性能等级的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的车体结构数据均值和行走性能数据均值；其中，任意两个环境数据相似是指二值之间差值不大于预设阈值；

计算所述同步性数据中的目标车体结构数据相对于所述车体结构数据均值的偏离程度d₃，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₄，定义Δ₂ = λ₂×d₃+（1-λ₂）×d₄，其中λ₂<1且可调，将该Δ₂的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的相应Δ₂值中进行降序排序，Δ₂的排名反映了控制系统的参数整定相对于当前车体结构数据的合理性，排名越靠前越有利于提高行走性能，设计人员可以根据Δ₂值的变化趋势检验控制参数整定的合理性，也可根据变化趋势改进控制参数的整定并进行行走测试验证。

其中，根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，还包括环境与结构分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的控制系统参数对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的控制方法以及控制方法中的控制参数相同、且性能等级相同的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的行走性能数据均值和环境数据均值；

计算所述同步性数据中的目标环境数据相对于所述环境数据均值的偏离程度d₅，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₆，定义Δ₃ = λ₃×d₅+（1-λ₃）×d₆，其中λ₃<1且可调，将该Δ₃的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的所有Δ₃值中进行降序排序，Δ₃的排名反映了车体结构设计对当前环境的设计的有效性，排名越靠前越有利于提高行走性能，设计人员可以根据所述所有Δ₃值的变化趋势检验车体结构设计是否合理，也可根据变化趋势改进车体结构的设计并进行行走测试验证。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下履带式作业车行走性能测试与分析系统，其特征在于，包括：土工力学测量采集子系统、作业车反馈子系统、作业车控制子系统、行走测试子系统、行走性能分析子系统，所述土工力学测量采集子系统、作业车控制子系统、作业车反馈子系统以及行走性能分析子系统均与所述行走测试子系统建立通信，所述作业车控制子系统还与所述作业车反馈子系统建立通信；

所述土工力学测量采集子系统，用于采集作业车在测试期间的环境数据，并将所述环境数据发送给所述行走测试子系统；

所述作业车反馈子系统，用于采集所述作业车在测试期间的定位数据，并将所述定位数据发送给作业车控制子系统；

所述作业车控制子系统，用于确定预设的测试路径数据对应的控制量，并根据所述定位数据与所述控制量之间的差值不断调整输出量，使所述作业车按测试路径行走；并将所述定位数据发送给所述行走测试子系统；

所述行走测试子系统，用于将所述定位数据与所述测试路径数据进行比对，计算所述作业车的行走性能数据，并将所述行走性能数据、所述环境数据以及预存的车体结构数据进行融合同步，得到同步性数据，并将所述同步性数据发送给所述行走性能分析子系统；

所述行走性能分析子系统，用于根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析。

2.根据权利要求1所述的水下履带式作业车行走性能测试与分析系统，其特征在于，所述行走测试子系统包括人机界面模块、通讯处理模块、融合与处理模块，所述人机界面模块、通讯处理模块分别与所述融合与处理模块连接，所述通讯处理模块分别与所述土工力学测量采集子系统、作业车控制子系统、作业车反馈子系统建立通信；

所述人机界面模块供用户输入测试指令和测试路径数据，并将所述测试指令发送给所述土工力学测量采集子系统，将所述测试路径数据发送给所述作业车控制子系统；

所述通讯处理模块，用于接收所述作业车反馈子系统发送来的定位数据，接收所述土工力学测量采集子系统发送来的环境数据；

所述融合与处理模块，用于将所述定位数据与所述测试路径数据进行比对，计算所述作业车的行走性能数据，并将所述行走性能数据、所述环境数据以及预存的车体结构数据进行融合同步，得到同步性数据，并将所述同步性数据发送给所述行走性能分析子系统。

3.根据权利要求1所述的水下履带式作业车行走性能测试与分析系统，其特征在于，所述行走性能分析子系统包括：数据库、环境与控制模块、控制与结构模块、环境与结构模块；

所述数据库，用于存储所述同步性数据；

所述环境与控制模块，用于从所述数据库中分析在车体结构相同情况下，不同地质环境对控制系统参数的影响或控制系统参数对地质环境改变的适应性；

所述控制与结构模块，用于从所述数据库中分析在地质环境相同情况下，车体结构改变对控制系统的影响或控制系统参数对车体结构的改变是否适应；

所述环境与结构模块，用于从所述数据库中分析控制系统参数相同情况下，地质环境对车体结构的影响或车体结构针对当前地质环境设计是否适应。

4.根据权利要求1所述的水下履带式作业车行走性能测试与分析系统，其特征在于，所述环境数据包括：作业车行走地质的贯入阻力、表面剪切力；所述土工力学测量采集子系统包括：控制模块、贯入测量模块、剪切测量模块以及数据反馈模块；所述贯入测量模块、剪切测量模块以及数据反馈模块均与所述控制模块连接；所述数据反馈模块与所述行走测试子系统的通讯处理模块建立通信；

所述控制模块用于接收所述行走测试子系统发送来的测试指令，根据所述测试指令控制所述贯入测量模块测量作业车行走地质的贯入阻力，并将采集的贯入阻力通过数据反馈模块发送给所述行走测试子系统的通讯处理模块；还用于根据所述测试指令控制所述剪切测量模块测量作业车行走地质的表面剪切力，并将采集的表面剪切力通过数据反馈模块发送给所述行走测试子系统的通讯处理模块。

5.根据权利要求1所述的水下履带式作业车行走性能测试与分析系统，其特征在于，所述作业车控制子系统包括：控制与处理模块、数据采集模块、液压驱动模块以及执行机构；所述数据采集模块、液压驱动模块均与所述控制与处理模块连接，所述液压驱动模块与所述执行机构连接，所述数据采集模块分别与所述行走测试子系统的通讯处理模块、作业车反馈子系统建立通信；

所述数据采集模块用于接收所述作业车反馈子系统输出的定位数据；

所述控制模块包含有路径行走控制算法，用于根据所述路径行走控制算法计算所述测试路径数据对应的控制量，并接收作业车反馈子系统的输出作为反馈量，不断对液压驱动模块调整输出量；

所述液压驱动模块用于根据所述控制量驱动执行机构使得作业车行走、转动，确保车体按照行走测试子系统要求的路径行进。

6.根据权利要求5所述的水下履带式作业车行走性能测试与分析系统，其特征在于，所述定位数据包括车体位置数据、姿态数据以及速度数据；所述作业车反馈子系统包括：车体位置反馈模块、状态反馈模块；所述车体位置反馈模块、状态反馈模块均与所述作业车控制子系统的数据采集模块建立通信；

所述车体位置反馈模块用于对所述作业车的车体位置进行定位，并将定位得到的车体位置数据发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述状态反馈模块用于测量所述作业车的姿态数据、速度数据，并将所述姿态数据、速度数据发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述车体位置反馈模块包括：声学定位单元与差分GPS定位单元；声学定位单元与差分GPS定位单元均与所述作业车控制子系统的数据采集模块建立通信；

所述声学定位单元用于作业车在深水行走时进行车体定位，并将定位得到的车体位置数据发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述差分GPS定位单元用于在浅水或无水场地进行车体定位，并将定位得到的车体位置数据发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述速度数据包括履带的传动速度、对地驱动轮的速度；

所述状态反馈模块包括陀螺仪、轮速以及带速测量传感器；陀螺仪、轮速传感器以及带速测量传感器均与所述作业车控制子系统的数据采集模块建立通信；

所述陀螺仪用于采集所述作业车的姿态数据，并将所述姿态数据发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述带速传感器用于采集作业车履带的传动速度，并将所述传动速度发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块；

所述轮速测量传感器用于采集作业车对地驱动轮的速度，并将所述对地驱动轮的速度发送给所述作业车控制子系统的数据采集模块。

7.一种水下履带式作业车行走性能分析方法，应用于权利要求1-6中的任一水下履带式作业车行走性能测试与分析系统中，其特征在于，包括以下步骤：

获取作业车的目标行走性能数据、目标环境数据、目标控制系统参数以及目标车体结构数据；

将所述目标行走性能数据、目标环境数据、目标控制系统参数以及目标车体结构数据进行融合同步，得到目标同步性数据；

根据所述目标同步性数据对所述作业车行走性能进行分析。

8.根据权利要求7所述的水下履带式作业车行走性能分析方法，其特征在于，根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，包括环境与控制分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的目标车体结构数据对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的同车体结构数据、且同性能等级的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的环境数据均值和行走性能数据均值；

计算所述同步性数据中的目标环境数据相对于所述环境数据均值的偏离程度d₁，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₂，定义Δ₁ = λ₁×d₁+（1-λ₁）×d₂，其中λ₁<1且可调,将该Δ₁的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的所有Δ₁值中进行降序排序，Δ₁的排名反映了控制系统的参数相对于环境改变的鲁棒性，排名越靠前越有利于提高行走性能，根据Δ₁值的变化趋势检验控制参数整定的合理性，或根据变化趋势改进控制参数整定并进行行走测试验证。

9.根据权利要求7所述的水下履带式作业车行走性能分析方法，其特征在于，根据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，包括车体结构与控制分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的目标环境数据对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的环境数据相似、且同性能等级的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的车体结构数据均值和行走性能数据均值；其中，任意两个环境数据相似是指二值之间差值不大于预设阈值；

计算所述同步性数据中的目标车体结构数据相对于所述车体结构数据均值的偏离程度d₃，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₄，定义Δ₂ =λ₂×d₃+（1-λ₂）×d₄，其中λ₂<1且可调，将该Δ₂的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的相应Δ₂值中进行降序排序，Δ₂的排名反映了控制系统的参数整定相对于当前车体结构数据的合理性，排名越靠前越有利于提高行走性能，根据Δ₂值的变化趋势检验控制参数整定的合理性，或根据变化趋势改进控制参数的整定并进行行走测试验证。

10.根据权利要求7所述的水下履带式作业车行走性能分析方法，其特征在于，据所述同步性数据对所述作业车行走性能进行分析，包括环境与结构分析步骤：

调用预存的、与所述目标同步性数据的控制系统参数对应的性能等级判断区间；

将所述同步性数据的目标行走性能数据与所述性能等级判断区间进行比较，确定所述同步性数据的性能等级；

调用预存的、与所述目标同步性数据的控制方法以及控制方法中的控制参数相同、且性能等级相同的所有历史同步性数据，计算所述的所有历史同步性数据的行走性能数据均值和环境数据均值；

计算所述同步性数据中的目标环境数据相对于所述环境数据均值的偏离程度d₅，计算所述目标行走性能数据相对于所述行走性能数据均值的偏离程度d₆，定义Δ₃ = λ₃×d₅+（1-λ₃）×d₆，其中λ₃<1且可调，将该Δ₃的数值在所述同性能等级的所有历史同步性数据的所有Δ₃值中进行降序排序，Δ₃的排名反映了车体结构设计对当前环境的设计的有效性，排名越靠前越有利于提高行走性能，根据所述所有Δ₃值的变化趋势检验车体结构设计是否合理，或根据变化趋势改进车体结构的设计并进行行走测试验证。

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