煤矿救援机器人多电机驱动与协同控制研究

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1、硕士学位论文煤矿救援机器人多电机驱动与协同控制研究ResearchonMulti-MotorDriveandCoooperativeControlofCoalMineRescueRobot作者：王振导师：朱华教授中国矿业大学二〇〇一六年五月中图分类号TP212学校代码102990UDC密级公开中国矿业大学硕士学位论文煤矿救援机器人多电机驱动与协同控制研究ResearchonMulti-MotorDriveandCooperativeControlofCoalMineRescueRobots作者王振导师朱华教授申请学位工学硕士培养单位机电工程学院学科专业机械设计及理论研究方

2、向救援技术与装备答辩委员会主席评阅人二〇一六年五月论文审阅认定书研究生王振在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢本论文在导师朱华教授的悉心指导下完成。从论文选题、研究内容和方向的确定到论文的撰写、修改和定稿，朱老师都给予了全程的悉心指导和帮助，在论文写作过程中朱老师始终给我以鼓励，让我始终保持昂扬的斗志，克服种种困难，完成论文。在攻读硕士学位的三年期间，朱老师在生

3、活中给予我无微不至的关怀，让我在实验室始终能感受家的温暖。朱老师高尚的做人品格，深厚的学识素养，严谨的治学态度，求是创新的精神，以及无私奉献的工作热情，给我留下了深刻印象，是我人生奋斗前行的灯塔，给我指明前进的方向。在此，谨向我的导师致以崇高的敬意和真挚的感谢！在研究所学习的三年里，感谢实验室的兄弟姐妹们给予的关心和帮助！感谢唐超权老师、杜习波师兄在论文写作上的指导与帮助，感谢李雨潭师兄、周元凯师兄、左雪师姐在学业上的指导和生活上的关心！感谢程新景、庄秀丽、李猛刚、李鹏、赵勇在实验方法和实验过程中的帮助！感谢孙国栋在论文修改上提出的宝贵意见，感谢女朋友冯猜猜在论文写作和生

4、活中无微不至的关心和陪伴！感谢我的家人和朋友对我在学业和生活上的鼓励和支持，他们是我求学生涯中坚实的后盾，给我信心与前进的动力，我的每一步成长都离不开他们的关爱！最后感谢各位专家和学者在百忙之中审阅我的论文，并给予宝贵的指导。在此谨向各位专家和学者表示深深的感谢！摘要煤矿灾害事故发生后，井下地形环境错综复杂，且随时有发生二次灾害的危险，不能让救援人员盲目下井救援。煤矿救援机器人可以替代救援人员进入灾害现场，进行环境探测和协助救援。本文以煤矿救援机器人多电机的驱动与控制为核心，从机器人的行走机构与驱动方式、多电机协同控制建模仿真、电机控制系统、双电机协同驱动系统等四个方面开

5、展研究。煤矿救援机器人在煤矿灾害环境中行走，需要翻越不规则障碍物、爬坡、跨越壕沟、行走泥泞和颠簸路面等。结合实际救援状况，需要在平地上高速前行，不规则路面上低速大扭矩行驶。分析了腿式、轮式、履带式及轮履复合式行走机构的优缺点，在确定履带式行走机构后对几种电机驱动方式进行了研究，决定采用四电机驱动方式，最后确认了采用弹簧履带式四电机驱动的煤矿救援机器人行走与驱动方式。以直流无刷电机为基础，分析了直流无刷电机的结构及工作原理，对电机进行仿真建模，对比分析了开环与闭环的运行效果。结合煤矿救援机器人的双电机前驱与四电机同时驱动两种方式，分别建立了左右履带偏差耦合控制模型。仿真结果

6、表明，采用偏差耦合的控制方法比未采用偏差耦合的控制方法具有较好的控制效果。针对四驱动的煤矿救援机器人，研发基于STM32F107微处理器的运动控制系统，选择设计了系统中的各个组成部分，电池、电机、驱动器等。通过对直流无刷电机转速的PI闭环控制，提升电机抗负载变化的能力，提高煤矿救援机器人在变负载时转速恒定的能力。据机器人在两种驱动模式下采用偏差耦合控制算法，将左右履带转速相互耦合，试验结果表明，机器人在平地上高速前行与颠簸路面上低速前行的直线度得到显著提升。针对一般的多电机协同控制中存在驱动器与机器人控制系统需要各种通讯接口的互联、信息相互交互与解析，消耗了大量时间，对电

7、机同步的实时性有很大影响，且电机驱动器与控制器之间有过多的接线降低了系统的整体可靠性。为克服这些缺点，设计了一款能同时驱动两台电机的直流无刷电机驱动系统，采用高性能专用运动控制芯片TMS320F2811同时驱动控制两台电机，使各种信号采集处理及计算都在同一块芯片中解决，满足了两电机之间转速的同步。该论文有图110幅，表7个，参考文献83篇。关键词：煤矿救援机器人，偏差耦合控制，多电机驱动，协同控制IAbstractAftertheminedisasteraccident,theundergroundterrainenviron