深海采矿车的轨迹控制系统、方法及深海采矿车
技术领域
本发明涉及水下移动设备轨迹控制技术领域，具体而言，涉及一种深海采矿车的轨迹控制系统、方法及深海采矿车。
背景技术
随着陆地矿产资源的不断枯竭，越来越多的国家将目光转向了深海多金属结核的开采。多金属结核的开采多通过深海采矿车进行，其多分布于4000至6000米深海底，海底地形复杂多变，工况恶劣，由于海底环境和底质条件的复杂性，集矿作业车大多采用双履带式行走的作业车。
深海海底环境复杂，采矿车在行驶过程中难免出现履带打滑、偏离行走路线、出现行走故障等问题，给深海采矿带来较大困难，一旦采矿车长时间在错误的路线及位置运行，将大大降低其采矿效率，影响采矿车工作的安全性及稳定性，而目前直接用于深海采矿车的轨迹控制系统的研究还是空白，未见任何专利公开。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种深海采矿车的轨迹控制系统、方法及深海采矿车，该轨迹控制系统、方法及深海采矿车能够在大噪声、强干扰的海底环境中进行精确定位，能够使采矿车按照既定路线行走，并且能够在采矿车行驶不正常时停止采矿车运行，以保护采矿车安全。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种深海采矿车的轨迹控制系统，包括轨迹监测模块、轨迹规划模块和运动控制模块；
轨迹监测模块，用于采集采矿车的综合位置数据和运动状态数据，将综合位置数据发送至轨迹规划模块，并将运动状态数据发送至运动控制模块，综合位置数据包括采矿车的实际位置和朝向，运动状态数据包括采矿车的姿态、行驶速度和轮速；
轨迹规划模块，用于根据操作人员给定的采矿车运动规律以及综合位置数据解算采矿车所需运动方向，并将所需运动方向数据发送至运动控制模块；
运动控制模块，用于获取车辆状态监测传感器数据，根据车辆状态监测传感器数据和运动状态数据生成车辆实际运行状态数据，根据车辆实际运行状态数据判断采矿车实际运行是否正常，若采矿车实际运行正常则控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作，若采矿车实际运行不正常则控制采矿车的执行机构降低采矿车行驶速度或停止采矿车运动。
进一步地，轨迹监测模块包括：
超短基线声学定位单元，用于获取采矿车的初始位置信息；
运动状态检测单元，用于采集采矿车的位置、朝向、姿态、行驶速度、轮速信息，根据姿态、行驶速度、轮速信息生成运动状态数据，将位置信息发送至超短基线声学定位单元；
超短基线声学定位单元将位置信息和初始位置信息进行实时解算，获取采矿车的实际位置，根据朝向信息和实际位置生成综合位置数据。
进一步地，超短基线声学定位单元安装在采矿车采矿头的上部，超短基线声学定位单元采取只发射不接收的工作模式，其发射波形为几何梳状波形。
进一步地，运动状态检测单元包括：
激光陀螺仪，用于采集采矿车的位置、朝向和姿态信息，并将位置信息发送至超短基线声学定位单元；
多普勒测速仪，用于采集采矿车的实际行驶速度；
轮速传感器，用于采集采矿车的轮速。
进一步地，轨迹规划模块包括：
轨迹转化单元，用于接收水面操作人员给定的采矿车运动规律，将采矿车运动规律转化为预定行驶目标轨迹点；
轨迹计算单元，用于接收综合位置数据和预定行驶目标轨迹点，以采矿车自身为坐标系中心，实时解算采矿车的所需运动方向数据，并将所需运动方向数据发送至运动控制模块。
进一步地，运动控制模块包括一车辆状态监测单元和一行驶控制单元；车辆状态监测单元用于获取车辆状态监测传感器数据，根据车辆状态监测传感器数据和运动状态数据生成车辆实际运行状态数据，根据车辆实际运行状态数据判断采矿车实际运行是否正常；若采矿车实际运行正常，则将所需运动方向数据及车辆实际运行状态数据发送至行驶控制单元控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作；若采矿车实际运行不正常，则将车辆实际运行状态数据发送至行驶控制单元控制采矿车的执行机构降低采矿车行驶速度或停止采矿车运动。
根据本发明的另一方面，提供了一种深海采矿车的轨迹控制方法，该轨迹控制方法包括：
采集采矿车的综合位置数据和运动状态数据，综合位置数据包括采矿车的实际位置和朝向，运动状态数据包括采矿车的姿态、行驶速度和轮速；
根据操作人员给定的采矿车运动规律以及综合位置数据解算采矿车所需运动方向；
获取车辆状态监测传感器数据，根据车辆状态监测传感器数据和运动状态数据生成车辆实际运行状态数据；根据车辆实际运行状态数据判断采矿车实际运行是否正常；若采矿车实际运行正常，则控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作，若采矿车实际运行不正常，则控制采矿车的执行机构降低采矿车行驶速度或停止采矿车运动；车辆状态监测传感器数据包括采矿车的马达温度、液压系统油压、液压系统油流量、采矿车外部环境的浊度和马达转速。
进一步地，采集采矿车的综合位置数据和运动状态数据，包括：
获取采矿车的初始位置信息，采集采矿车的位置、朝向、姿态、行驶速度、轮速信息，根据姿态、行驶速度、轮速信息生成运动状态数据，将位置信息和初始位置信息进行实时解算，获取采矿车的实际位置，根据朝向信息和实际位置生成综合位置数据。
进一步地，若采矿车实际运行正常，则控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作，包括：
若采矿车实际运行正常，且采矿车车头朝向的方位角小于设定阈值时，采用神经网络算法控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作；若采矿车实际运行正常，且采矿车车头朝向的方位角大于或等于设定阈值时，采用模糊控制算法控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作。
根据本发明的又一方面，提供了一种深海采矿车，包括采矿车本体，采矿车本体上安装有上述的深海采矿车的轨迹控制系统。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的轨迹控制系统及方法可实现对采矿车在大噪声强干扰的海底环境下进行准确的定位。
(2)本发明提供了一种深海采矿车对海底运动轨迹进行规划和控制的方法，解决了深海采矿车在海底行驶路径难以控制的问题。
(3)采用本发明的轨迹控制系统及方法，当采矿车出现故障时，系统可快速相应，停止采矿车运动，保证采矿车运行的安全性。
(4)本发明的轨迹控制系统及方法，采矿车的行驶控制采用神经网络算法控制和模糊控制算法进行多模智能控制，响应快，控制效率高。
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说明书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为本发明实施例的轨迹控制系统的结构图。
图2为本发明实施例的轨迹控制系统中运动控制模块的数据处理流程图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、轨迹监测模块；2、轨迹规划模块；3、运动控制模块；10、超短基线声学定位单元；11、运动状态检测单元；20、轨迹转化单元；21、轨迹计算单元；30、车辆状态监测单元；31、行驶控制单元；111、激光陀螺仪；112、多普勒测速仪；113、轮速传感器；301、温度传感器；302、油压传感器；303、油流量传感器；304、浊度传感器；305、马达转速传感器。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。
参见图1，一种本发明实施例的深海采矿车的轨迹控制系统，该轨迹控制系统主要包括轨迹监测模块1、轨迹规划模块2和运动控制模块3；其中，轨迹监测模块1用于采集采矿车的综合位置数据和运动状态数据，将该综合位置数据发送至轨迹规划模块2，并将该运动状态数据发送至运动控制模块3；该综合位置数据包括采矿车的实际位置和朝向，该运动状态数据包括采矿车的姿态、行驶速度和轮速；轨迹规划模块2用于根据操作人员给定的采矿车运动规律以及综合位置数据解算出采矿车所需运动方向，并将该所需运动方向数据发送至运动控制模块3；运动控制模块3用于获取车辆状态监测传感器数据，根据车辆状态监测传感器数据和运动状态数据生成车辆实际运行状态数据，根据车辆实际运行状态数据判断采矿车实际运行是否正常，若采矿车实际运行正常则控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作，使采矿车按照所需运动方向行驶；若采矿车实际运行不正常则控制采矿车的执行机构降低采矿车行驶速度或停止采矿车运动。
上述的深海采矿车的轨迹控制系统，通过轨迹监测模块1采集采矿车的综合位置数据和运动状态数据后，通过轨迹规划模块2根据操作人员给定的采矿车运动规律以及综合位置数据解算采矿车所需运动方向，再通过运动控制模块3结合车辆状态监测传感器数据和运动状态数据生成车辆实际运行状态数据，根据该车辆实际运行状态数据判断采矿车实际运行是否正常，若正常则控制采矿车按照所需运动方向行驶，若不正常则控制采矿车减速或停止运动。该轨迹控制系统能够实现采矿车在深海环境下按照既定路线行走，能够在采矿车行驶不正常时停止采矿车运行，以保护采矿车安全。
具体来说，在本实施例中，轨迹监测模块1包括超短基线声学定位单元10和运动状态检测单元11。其中，超短基线声学定位单元10用于获取采矿车的初始位置信息；运动状态检测单元11用于采集采矿车的位置、朝向、姿态、行驶速度、轮速信息，根据该姿态、行驶速度、轮速信息生成运动状态数据，并将位置信息发送至超短基线声学定位单元10；超短基线声学定位单元10将位置信息和初始位置信息进行实时解算，获取采矿车的实际位置，实现采矿车的精确定位，并根据朝向信息和采矿车的实际位置生成综合位置数据。通过采用上述的超短基线声学定位单元10和运动状态检测单元11，能够对海底的采矿车进行精确定位，生成综合位置数据和运动状态数据。
由于采矿车在海底运行过程中的噪声较强，声信号可能无法正常接收，为了提高声信号的辨识能力，解决声学定位的噪声问题，在本实施例中，将超短基线声学定位单元10安装在采矿车采矿头的上部，并且超短基线声学定位单元10采取只发射不接收的工作模式，其发射波形采用几何梳状波形。如此设置，能够有效提高声信号的辨识能力，且能够避免采矿车的振动对声信号造成影响，实现在大噪声、强干扰的海底环境中进行精确定位的功能。另外，必要时可通过增大超短基线声学定位单元10的功率，进一步解决声学定位的噪声问题。
具体来说，在本实施例中，运动状态检测单元11包括激光陀螺仪111、多普勒测速仪112和轮速传感器113。其中，激光陀螺仪111用于采集采矿车的位置、朝向和姿态信息，并将采集到的位置信息发送至超短基线声学定位单元10；多普勒测速仪112用于采集采矿车的实际行驶速度；轮速传感器113用于采集采矿车的轮速。上述的激光陀螺仪111、多普勒测速仪112和轮速传感器113均可采用现有设备。
在本实施例中，轨迹规划模块2包括轨迹转化单元20和轨迹计算单元21。其中，轨迹转化单元20用于接收水面操作人员给定的采矿车运动规律，并将该采矿车运动规律转化为预定行驶目标轨迹点；轨迹计算单元21用于接收综合位置数据和预定行驶目标轨迹点，并以采矿车自身为坐标系中心，实时解算采矿车的所需运动方向数据，并将所需运动方向数据发送至运动控制模块3。这样设置，通过轨迹转化单元20将水面操作人员给定的采矿车运动规律转化为预定行驶目标轨迹点，然后由轨迹计算单元21根据采矿车的综合位置数据和预定行驶目标轨迹点解算出采矿车的所需运动方向；通过上述的轨迹规划模块2能够准确地对采矿车在海底的运动轨迹进行规划。
该轨迹转化单元20计算运动方向的原理为：设k点代表上一个目标轨迹点，k+1点代表当前目标轨迹点，A点代表采矿车的实际运动位置，A点到k+1点的目标矢量方向即为采矿车的运动方向；定义方位角的范围为0°到360°，以顺时针方向计算；θ1角为目标矢量的方位角，θ2角为采矿车车头朝向的方位角，θ为采矿车对准目标矢量需要拐过的角度；
则θ角的计算公式为：θ＝360°-θ1+θ2。
采矿车行驶至目标轨迹点后，需进行目标轨迹点的切换，其目标点轨迹点切换原理为：设A点代表采集作业的实际位置，k+1点为当前目标轨迹点，k+2点为下个目标轨迹点；R1为第一大圆环的半径(由操作人员给定，需要合理设置，保证采矿车可以进入到大圆环内)，R2为第二小圆环的半径，小圆环位于大圆环内，大小圆环均以k+1点为中心；
采矿车切换目标点的方式有两种：
第一种为双圆环法：采矿车既进入了大圆环，又进入了小圆环就触发目标点切换；
第二种为大圆环和延时法组合：采矿车进入大圆环，未进入到小圆环；采矿车在进入大圆环之时就进行计时，通过设置一个合理的时间，当时间一到就触发目标轨迹点切换，改变采矿车的所需运动方向。
在本实施例中，运动控制模块3包括一个车辆状态监测单元30和一个行驶控制单元31。其中，车辆状态监测单元30获取车辆状态监测传感器数据，该车辆状态监测传感器数据包括采矿车的马达温度、液压系统油压、液压系统油流量、采矿车外部环境的浊度和马达转速；车辆状态监测单元30综合上述的车辆状态监测传感器数据和运动状态数据，判断采矿车的实际运行状况，生成车辆实际运行状态数据并根据该车辆实际运行状态数据判断采矿车实际运行是否正常；若识别采矿车实际运行正常，则将所需运动方向数据及车辆实际运行状态数据发送至行驶控制单元31，由行驶控制单元31控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作；若识别采矿车实际运行不正常，则将车辆实际运行状态数据发送至行驶控制单元31，由行驶控制单元31控制采矿车的执行机构降低采矿车行驶速度或停止采矿车运动。如此设置，能够精确地判断采矿车是否行驶正常，并在采矿车行驶不正常时停止采矿车运行，以保护采矿车安全。
进一步地，若识别采矿车实际运行正常，将所需运动方向数据及车辆实际运行状态数据发送至行驶控制单元31，由行驶控制单元31通过多模式控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作。
具体地，行驶控制单元31的多模式控制算法采用仿人智能多模态控制结合神经网络算法来实现，其控制原理为：在采矿车车头朝向的方位角偏差较小(小于设定的阈值)，履带打滑对行驶性能影响不大的情况下，采用神经网络控制算法调节采矿车左右履带的速度，确保采矿车的控制精度和控制速度；在采矿车车头朝向的方位角偏差较大(大于或等于设定的阈值)，履带打滑对行驶性能影响较大的情况下，则采用模糊控制算法控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作。这样，既可以保证采矿车在正常行驶时的控制精度和响应速度，又可以在出现大偏差的情况下保证响应速度，在首先保证安全的情况下快而精确地纠正偏差。运动控制模块3的数据处理流程图如图2所示。
在本实施例中，车辆状态监测单元30分别与一个温度传感器301、油压传感器302、油流量传感器303、浊度传感器304和马达转速传感器305连接，该温度传感器301用于监测采矿车的马达温度，油压传感器302用于监测采矿车的液压系统油压，油流量传感器303用于监测采矿车液压系统油流量，浊度传感器304用于监测采矿车外部环境的浊度，马达转速传感器305用于监测采矿车的马达转速。通过上述传感器获得采矿车的马达温度、液压系统油压、液压系统油流量、采矿车外部环境的浊度和马达转速等车辆状态监测传感器数据。上述的传感器均可采用现有的器件。
该深海采矿车的轨迹控制系统的控制方法如下：
通过超短基线声学定位单元10获取采矿车的初始位置信息，通过激光陀螺仪111采集采矿车的位置、朝向和姿态信息，通过多普勒测速仪112采集采矿车的实际行驶速度信息，通过轮速传感器113采集采矿车的轮速信息；运动状态检测单元11根据采矿车的姿态、行驶速度、轮速信息生成采矿车的运动状态数据，将运动状态数据发送至运动控制模块3；轨迹监测模块1将位置信息和初始位置信息进行实时解算，获取采矿车的实际位置，并根据朝向信息和实际位置生成采矿车的综合位置数据，将综合位置数据发送至轨迹规划模块2；
轨迹转化单元20接收水面操作人员给定的采矿车运动规律，并将采矿车运动规律转化为预定行驶目标轨迹点；轨迹计算单元21接收轨迹监测模块1生成的综合位置数据和轨迹转化单元20发送的预定行驶目标轨迹点，以采矿车自身为坐标系中心，实时解算采矿车的所需运动方向数据，并将所需运动方向数据发送至运动控制模块3；
通过温度传感器301、油压传感器302、油流量传感器303、浊度传感器304和马达转速传感器305分别获取采矿车的马达温度、液压系统油压、液压系统油流量、采矿车外部环境的浊度和马达转速等车辆状态监测传感器数据；车辆状态监测单元30根据车辆状态监测传感器数据和运动状态数据生成车辆实际运行状态数据，并根据车辆实际运行状态数据判断采矿车实际运行是否正常；
若采矿车实际运行正常，则由车辆状态监测单元30将所需运动方向数据及车辆实际运行状态数据发送至行驶控制单元31，由行驶控制单元31通过多模式控制算法控制采矿车的执行机构按照所需运动方向动作；若采矿车实际运行不正常，则由车辆状态监测单元30将车辆实际运行状态数据发送至行驶控制单元31，由行驶控制单元31控制采矿车的执行机构降低采矿车行驶速度或停止采矿车运动。
本发明一未图示实施例，提供了一种深海采矿车，该深海采矿车包括采矿车本体，在采矿车本体上安装有上述的深海采矿车的轨迹控制系统。
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。
