多轴驱动重型工程机械液压行走系统的非完整约束特性与综合协调控制

针对用于高速铁路施工和航空航天及船舶等重大装备制造业中的承担重型轨道梁和重型不可拆结构件的搬运、安装和高精度移位等任务的重型搬运机械的自主设计制造的需求，围绕其涉及的多轴驱动电液比例行走系统的综合协调、路径跟踪和高效可靠运行等问题，以多轮驱动单底盘车、模块化多底盘组合车和无线通信连接多模块车班组为研究对象，建立多轴驱动移动机器人液压行走系统和机器人组的动态模型，研究多轴行走机构之间所应满足的非完整约束特性，提出具有强鲁棒和易于工程实现的电液比例行走系统的综合协调控制和队形与路径跟踪控制策略；研究基于GPS/RTK和无线-有线混合通信网络的机器人位置定位和协调控制设计理论与控制策略；研究反映电液比例行走系统性能损伤的特征量提取和高效可靠运行策略与控制策略的叠加机制；开发一个支持系统综合控制策略研究的半物理仿真平台，并结合自主研制装备的行走控制系统进行实际应用研究。

本项目以多轴驱动重型工程机械液压行走系统的控制与操纵为应用背景，研究多轴驱动电液比例行走系统的综合协调控制、多轴驱动类车机器人路径跟踪控制、多机器人组行驶队列控制及重型机械工作状态的在线监测与控制等问题。建立了描述多轴驱动工程车辆采用的闭式泵控并联马达液压驱动系统的数学模型，提出了通过变量泵实现系统压力控制和变量马达实现转速控制的复合控制体系架构以及期望驱动压力规划。针对多轴驱动所存在的同步问题，引入相邻耦合误差控制策略减小各轴间的同步误差，并提出了带有干扰观测器的强鲁棒滑模速度控制策略。提出了一种适用于工程车辆的分层协调控制体系结构，并对泵控马达驱动系统的最优加减速驱动、防滑驱动和泵源的流量控制问题和负载敏感系统的转向控制问题展开了研究，提出相应控制策略，通过数字仿真验证了所提出的控制策略的有效性和可行性。针对车辆在下长坡工况下的速度控制问题，设计了一种液压缓速制动方案，在所搭建的最小实验系统上进行了实验研究，并在所开发的隧道管片车上进行了应用。分析了多轴类车机器人所具有的非完整约束特性的特点，采用非线性反馈精确线性化方法建立了机器人动力学模型，将基于制导路径跟踪理论评价跟踪误差的方法应用到多轴驱动机器人的路径跟踪控制中，提出了相应的路径规划方法，设计了带有干扰观测器的滑模变结构速度跟踪控制律。采用RTK-GPS实现车辆的位姿信息检测，基于所开发的多轴驱动机器人，建立了单车路径跟踪行驶定位控制系统和多机器人队形保持控制体系架构。针对工程车辆的高效可靠性运行需求，开发了基于现场总线和无线网络的重型工程机械远程故障诊断系统和基于FPGA的高性能网络主控节点；提出了以瞬时污染颗粒数作为污染控制的传递量的污染度建模方法和以图像光测技术实现油液污染在线检测的方法，设计了相应的污染度在线检测与预报系统。项目所取得的研究成果为实现工程车辆驱动系统的高性能控制、车辆的路径跟踪与定位控制、多机器人协同作业控制、工程车辆的故障诊断与健康管理奠定了基础。结合项目研究工作的进行，项目主持人作为专题主编在著名国际学术期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics的2013年第6期编辑出版“土木工程机械中的机械电子学”专刊。依托本基金项目，2011年获批国际合作与交流项目在2011年国际流体动力与机械电子学会议资助大会主题报告和工程机械液压控制专题讨论。