CN213690326U - 海底采矿车行走的闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种海底采矿车行走的闭环控制系统，包括远程操作平台、行走控制单元和采矿车。采矿车包括左、右履带，行走控制单元包括与远程操作平台连接的信号接收单元和分别与所述左、右履带连接的电机伺服单元。信号接收单元用于接收所述远程操作平台发送的控制信号，并通过所述电机伺服单元控制所述采矿车的左、右履带完成直线行驶或差速转向。远程操作平台包括自动转向控制模块和手动转向控制模块，用于通过设定左、右履带的速度并发送给信号接收单元，以实现差速转向。本实用新型能够实现左、右履带驱动轮转速的自适应模糊PID控制，使得采矿车在水下作业时控制信号的响应更快速且少超调，地形行驶适应能力更强。

Description

海底采矿车行走的闭环控制系统

技术领域

本实用新型涉及水下采矿设备轨迹控制技术领域，尤其涉及一种海底采矿车行走的闭环控制系统。

背景技术

在海洋中存在着大量的生物资源和矿产资源。海底主要矿产资源主要有多金属硫化物、多金属结核和富钴结壳壳。世界各国特别是西方发达国家正在对这些资源进行勘探以及试开采。我国自“八五”开始对海底采矿车进行研制，完成了集矿车的湖试，并正着手准备进行多金属结核采矿的1000m海试。

多金属结核矿区地形稀软，整体地形较为平坦，伴有小突起障碍和沟壑，这在速度的实时反馈控制中会带来无规律且不间断的扰动信号。目前多金属结核采矿车履带速度大多是由直接的反馈控制实现，受扰动信号的影响，采矿车左右履带的响应速度过慢，且存在超调现象，难以实现多金属结核采矿车履带速度的实时精准控制。

有鉴于此，有必要设计一种改进的海底采矿车行走的控制系统，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种海底采矿车行走的闭环控制系统。该适用于多金属结核履带车履带速度的控制，用于满足多金属结核采矿车需要在海底的多金属结核矿区完成自行式采集作业要求。

为实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种海底采矿车行走的闭环控制系统，包括远程操作平台、行走控制单元和采矿车，所述远程操作平台还包括模糊控制模块，所述采矿车包括左、右履带，所述行走控制单元包括与所述远程操作平台连接的信号接收单元和分别与所述左、右履带连接的电机伺服单元；

所述模糊控制模块通过自适应模糊PID系统设定控制信号，所述信号接收单元用于接收所述远程操作平台发送的控制信号，并通过所述电机伺服单元控制所述采矿车的左、右履带完成直线行驶或差速转向。

作为本实用新型的进一步改进，所述电机伺服单元包括依次连接的水下电机、闭式液压泵和液压马达，所述液压马达还与所述左、右履带连接；所述水下电机根据所述控制信号驱动所述闭式液压泵，以带动所述液压马达的旋转，进而驱动所述左、右履带完成直线行驶或差速转向。

作为本实用新型的进一步改进，所述电机伺服单元还包括电磁比例阀，所述电磁比例阀通过所述闭式液压泵的变量机构调节所述闭式液压泵的排量和输出方向，进而实现对所述采矿车行走的速度和方向的控制。

作为本实用新型的进一步改进，所述远程操作平台包括自动转向控制模块和手动转向控制模块，用于通过设定所述左、右履带的速度并发送给所述信号接收单元，以实现差速转向；所述自动转向控制模块通过设定转弯半径，计算得到所述左、右履带的设定速度；所述手动转向控制模块用于直接设定所述左、右履带的速度。

作为本实用新型的进一步改进，所述行走控制单元还包括信号采集单元，用于采集所述左、右履带的实际速度，并将采集到的左、右履带的实际速度发送至所述远程操作平台。

作为本实用新型的进一步改进，所述信号采集单元包括霍尔传感器，用于采集所述左、右履带的实际速度。

作为本实用新型的进一步改进，所述模糊控制模块接收所述实际速度与所述远程操作平台的设定速度之间的偏差值及偏差率，并根据预先设定的模糊推理规则，对PID控制的Kp、Ki和Kd三个参数进行二次参数整定，然后将控制信号发送至所述信号接收单元。

作为本实用新型的进一步改进，所述控制信号包括左、右履带的速度以及左右履带的行驶方向。

作为本实用新型的进一步改进，所述远程操作平台的操作界面包括左履带张紧菜单、右履带张紧菜单、前进菜单、后退菜单以及左履带速度菜单和右履带速度菜单，通过在所述操作界面点击相应的菜单向所述行走控制单元的信号接收单元发送控制信号。

作为本实用新型的进一步改进，所述远程操作平台采用的是LabVIEW 平台。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型提供的海底采矿车行走的闭环控制系统，采用自适应模糊 PID系统控制采矿车的直线行驶或差速转向运动，能够实现采矿车在水下作业时控制信号的更快速且少超调响应，使采矿车在强干扰信号的作用下可以完成预设的直线行驶或差速转向。本实用新型能够实现对采矿车的远程调控，满足多金属结核采矿车需要在海底的多金属结核矿区完成自行式采集作业要求，可适用于水下1000～4000米的深海环境作业，也可用于矿山，滨海，地形矿山等非路面作业。

2.本实用新型基于LabVIEW搭建的多金属结核采矿车的电液行走控制系统和远程控制台的界面，并设计了两种控制方法用来能够控制左右履带的速度实现直线行驶或差速转向。克服了现有直接反馈闭环控制速度响应慢且超调大的缺点，通过两种差速转向的控制方法，设定采矿车行驶速度和转弯半径或设定采矿车左右履带的行驶速度，有助于提高采矿车的地形行驶适应能力。

3.本实用新型通过信号采集单元采集左、右履带的实际速度，实际速度与左、右履带速度的设定值形成偏差和偏差变化率，再通过模糊控制模块对Kp，Ki和 Kd三个参数进行二次整定，能够实现对左、右履带速度的实时调整和控制，控制精度更高且更切合实际。

附图说明

图1为本实用新型海底采矿车行走的闭环控制系统的结构框图。

图2为本实用新型海底采矿车行走的闭环控制系统的电机伺服单元的结构框图。

图3为本实用新型海底采矿车行走的闭环控制系统的另一种组成结构框图。

图4为本实用新型海底采矿车行走的闭环控制系统控制原理示意图。

图5为本实用新型海底采矿车行走的闭环控制系统的远程操作平台界面示意图。

图6为本实用新型海底采矿车行走的闭环控制系统的电机伺服单元的结构示意图。

附图标记

1-水下电机；2-闭式液压泵；3-变量活塞；4-比例换向阀；5-高压溢流补油阀；6-补油溢流阀；7-补油泵；8-压力切断阀；9-冲洗阀；10-定量马达。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本实用新型进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在具体实施例中仅仅示出了与本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

请参阅图1至6所示，本实用新型提供的一种海底采矿车行走的闭环控制系统，包括依次连接的远程操作平台、行走控制单元和采矿车。所述远程操作平台还包括模糊控制模块，所述采矿车包括左、右履带，所述行走控制单元包括与所述远程操作平台连接的信号接收单元和分别与所述左、右履带连接的电机伺服单元。所述模糊控制模块通过自适应模糊PID系统设定控制信号，所述信号接收单元用于接收所述远程操作平台发送的控制信号，并传送至电机伺服单元，通过所述电机伺服单元控制所述采矿车的左、右履带的速度，进而控制采矿车的直线行驶或差速转向运动。如此设置，能够实现对采矿车的远程调控，满足多金属结核采矿车需要在海底的多金属结核矿区完成自行式采集作业要求，可适用于水下1000～4000米的深海环境作业，也可用于矿山，滨海，地形矿山等非路面作业。相比于模糊PID控制，自适应模糊PID控制能够实现采矿车在水下作业时控制信号的更快速且少超调响应，使采矿车在强干扰信号的作用下可以完成预设的直线行驶或差速转向。

特别地，所述远程操作平台采用的是LabVIEW平台。基于LabVIEW搭建了采矿车的电液行走控制系统，操作员在远程操作平台直接设定采矿车行走状态，使采矿车沿着预设的直线采集轨迹行驶或实现差速转向。

其中，请参阅图2和图6所示，所述行走控制系统的电机伺服单元包括依次连接的水下电机1、闭式液压泵2和液压马达10，所述液压马达10还与所述左、右履带连接；所述水下电机1根据所述控制信号驱动所述闭式液压泵2，以带动所述液压马达10的旋转，进而驱动所述左、右履带完成直线行驶或差速转向。

特别地，所述电机伺服单元还包括比例换向阀4，所述比例换向阀4通过所述闭式液压泵2的变量机构调节所述闭式液压泵2的排量和输出方向，进而实现对所述采矿车行走的速度和方向的控制。所述电机伺服单元还包括与所述闭式液压泵2连接的补油泵7，用于给所述闭式液压泵2提供冷却油，降低系统温度。

请参阅图6所示，所述电机伺服单元的工作原理为：闭式液压泵2的进油口、出油口通过液压管道连接着液压马达10的进油口与出油口，从而使得液压油在密闭系统中循环。高压溢流补油阀5是防止马达负载突变的安全阀。系统无需换向阀，通过电信号控制比例换向阀4，通过变量活塞3调节闭式液压泵2 的斜盘的角度，改变压力油的流量和方向，从而控制液压马达10的转速和旋转方向。

请参阅图3所示，所述远程操作平台包括自动转向控制模块和手动转向控制模块，用于通过设定所述左、右履带的速度并发送给所述信号接收单元，以实现差速转向。其中，所述自动转向控制模块基于设定好的左、右履带行驶速度，通过设定转弯半径，计算得到左、右履带的设定速度；所述手动转向控制模块用于直接设定左、右履带的速度。通过两种差速转向的控制方法，设定采矿车行驶速度和转弯半径或设定采矿车左右履带的行驶速度，有助于提高采矿车的地形行驶适应能力。

在一些实施方式中，所述行走控制单元还包括信号采集单元，用于采集所述左、右履带的实际速度，并将采集到的左、右履带的实际速度发送至所述远程操作平台。所述信号采集单元优选包括霍尔传感器，用于采集所述左、右履带的实际速度。

所述模糊控制模块接收所述实际速度与所述远程操作平台的设定速度之间的偏差值及偏差率，并根据预先设定的模糊推理规则，对PID控制的Kp、Ki和 Kd三个参数进行二次参数整定，然后将控制信号发送至所述信号接收单元。所述模糊控制模块优选采用自适应模糊PID控制系统。相比于模糊PID控制，自适应模糊PID控制可以对模糊控制输出的Kp，Ki和Kd三个参数进一步整定，能够实现采矿车在水下作业时控制信号的更快速且少超调响应。

本实用新型海底采矿车行走的闭环控制系统，由采矿车行走控制单元确定采矿车履带速度的传递函数，并引入自适应模糊PID控制算法，构建了采矿车履带速度的闭环控制系统。

请参阅图4所示，本实用新型海底采矿车行走的闭环控制系统控制原理为：信号采集单元(霍尔传感器)根据反馈的速度信号采集到采矿车实际的左、右履带速度，与远程操控台的左、右履带速度设定值形成偏差和偏差变化率，该偏差率和偏差变化率被输入给模糊控制模块；模糊控制模块根据已经设定好的模糊推理规则，通过隶属度函数整定自适应模糊PID控制中的Kp，Ki和Kd三个参数；接着偏差率和偏差量再次反馈给输出的Kp，Ki和Kd三个参数，进行二次参数整定；最后传递函数输出相应的信号控制左、右履带的转速。

请参阅图5所示，在一些实施方式中，所述远程操作平台的操作界面包括左履带张紧菜单、右履带张紧菜单、左履带松弛菜单、右履带松弛菜单、前进菜单、后退菜单以及左履带速度菜单和右履带速度菜单，通过在所述操作界面点击相应的菜单向所述行走控制单元的信号接收单元发送控制信号。在另一些实施方式中，还包括紧急停车菜单、张紧电机启停、左履带电机启停、右履带电机启停等。具体控制方法为：

(1)在试验开始前点击LabVIEW界面的左履带张紧和右履带张紧菜单按钮，履带张紧完成后进行行走控制；

(2)当采矿车进行直线行驶时，点击前进或后退菜单按钮确定电机的转向，设定总控制调速控制履带车的行驶速度。

(3)通过设定左、右履带的速度差，实现差速转向。

(4)通过信号采集单元采集所述左、右履带的实际速度，实际速度与左、右履带速度的设定值形成偏差和偏差变化率，再通过模糊控制模块对Kp，Ki和 Kd三个参数进行二次整定，最后再实时调整和控制左、右履带速度。

综上所述，本实用新型提供的一种海底采矿车行走的闭环控制系统，包括远程操作平台、行走控制单元和采矿车。采用自适应模糊PID系统控制采矿车的直线行驶或差速转向运动，能够实现采矿车在水下作业时控制信号的更快速且少超调响应，使采矿车在强干扰信号的作用下可以完成预设的直线行驶或差速转向。本实用新型能够实现对采矿车的远程调控，满足多金属结核采矿车需要在海底的多金属结核矿区完成自行式采集作业要求，可适用于水下1000～4000米的深海环境作业，也可用于矿山，滨海，地形矿山等非路面作业。通过两种差速转向的控制方法，设定采矿车行驶速度和转弯半径或设定采矿车左右履带的行驶速度，有助于提高采矿车的地形行驶适应能力。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种海底采矿车行走的闭环控制系统，其特征在于，包括远程操作平台、行走控制单元和采矿车，所述远程操作平台还包括模糊控制模块，所述采矿车包括左、右履带，所述行走控制单元包括与所述远程操作平台连接的信号接收单元和分别与所述左、右履带连接的电机伺服单元；

所述模糊控制模块通过自适应模糊PID系统设定控制信号，所述信号接收单元用于接收所述远程操作平台发送的控制信号，并通过所述电机伺服单元控制所述采矿车的左、右履带完成直线行驶或差速转向；

所述电机伺服单元包括依次连接的水下电机、闭式液压泵和液压马达，所述液压马达还与所述左、右履带连接；所述水下电机根据所述控制信号驱动所述闭式液压泵，以带动所述液压马达的旋转，进而驱动所述左、右履带完成直线行驶或差速转向。

2.根据权利要求1所述的海底采矿车行走的闭环控制系统，其特征在于，所述电机伺服单元还包括电磁比例阀，所述电磁比例阀通过所述闭式液压泵的变量机构调节所述闭式液压泵的排量和输出方向，进而实现对所述采矿车行走的速度和方向的控制。

3.根据权利要求1所述的海底采矿车行走的闭环控制系统，其特征在于，所述远程操作平台包括自动转向控制模块和手动转向控制模块，用于通过设定所述左、右履带的速度并发送给所述信号接收单元，以实现差速转向；所述自动转向控制模块通过设定转弯半径，计算得到所述左、右履带的设定速度；所述手动转向控制模块用于直接设定所述左、右履带的速度。

4.根据权利要求1所述的海底采矿车行走的闭环控制系统，其特征在于，所述行走控制单元还包括信号采集单元，用于采集所述左、右履带的实际速度，并将采集到的左、右履带的实际速度发送至所述远程操作平台。

5.根据权利要求4所述的海底采矿车行走的闭环控制系统，其特征在于，所述信号采集单元包括霍尔传感器，用于采集所述左、右履带的实际速度。

6.根据权利要求1所述的海底采矿车行走的闭环控制系统，其特征在于，所述远程操作平台采用的是LabVIEW平台。

Images