一种锚杆钻车铺网单元的控制方法技术

本发明专利技术属于锚杆钻车技术领域，具体是一种锚杆钻车铺网单元的控制方法。包括以下步骤：S100：建立铺网单元控制系统，利用机器视觉技术得到当前网片待安装位置的空间坐标；S200：将机械手爪作为被控对象，对铺网单元姿态建立状态空间模型来描述其当前姿态信息；S300：将当前姿态信息通过跟踪微分器转换为系统中所需的微分量并传递给扩张状态观测器；S400：将复杂巷道环境视作系统的外来扰动，作为扩张状态输入控制系统，通过扩张状态观测器得到当前铺网单元在控制系统中的姿态信息和扰动信息；S500：得到控制指令并发送给执行机构；S600：将修正后当前姿态信息反馈到自抗扰控制器，做出下一步的控制指令，直到姿态信息达到期望值。直到姿态信息达到期望值。直到姿态信息达到期望值。

【技术实现步骤摘要】
一种锚杆钻车铺网单元的控制方法


[0001]本专利技术属于锚杆钻车
，具体是一种锚杆钻车铺网单元的控制方法。

技术介绍

[0002]目前国内条件较好的煤矿多采用锚杆钻车进行巷道内的快速锚杆支护。在锚杆支护过程中，铺网工序必不可少。当前所用的锚杆钻车，尽管其钻孔、紧固动作已实现电液控自动运行，但是在对巷道铺网的整个过程中，通常都是基于作业人员人工操作在巷道顶部和边帮上固定网片以实现巷道的支护，导致传统的巷道铺网操作存在人工成本高，作业效率低，且作业安全性差等问题。
[0003]现有的铺网系统控制方法可以减少人工操作，使得运输过程自动化，但其不足之处在于抗干扰性较差，系统极易被扰动影响。井下环境复杂多变，网片运输过程中易受到干扰，工作效率大打折扣；此外，呼吸性粉尘、操作人员处于空顶区等危险因素严重威胁着作业人员的健康和安全。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有技术中铺网自动化程度不足、系统抗干扰性差等问题，提供一种锚杆钻车铺网单元的控制方法。
[0005]本专利技术采取以下技术方案：一种锚杆钻车铺网单元的控制方法，包括以下步骤：S100：以机械手爪作为被控对象，添加扩张状态观测器和控制器，建立铺网单元控制系统，利用机器视觉技术得到当前网片待安装位置的空间坐标，将空间坐标作为铺网单元机械手爪的末端位置输入到铺网单元控制系统中，通过运动学逆解求取得到铺网单元机械手爪达到末端位置时的姿态信息，将其作为系统的期望姿态信息；S200：将机械手爪作为被控对象，对铺网单元姿态建立状态空间模型来描述其当前姿态信息；S300：将当前姿态信息通过跟踪微分器转换为系统中所需的微分量并传递给扩张状态观测器；S400：将复杂巷道环境视作系统的外来扰动，作为扩张状态输入控制系统，通过扩张状态观测器得到当前铺网单元在控制系统中的姿态信息和扰动信息；S500：将外来扰动和当前姿态信息看作当前系统自抗扰控制器的输入，通过与期望姿态的误差得到控制指令并发送给执行机构，输出控制力矩给到铺网单元，以修正其姿态，使得系统能根据扰动状态实时调整自身姿态，完成自抗扰控制；S600：将修正后当前姿态信息反馈到自抗扰控制器，做出下一步的控制指令，直到姿态信息达到期望值。
[0006]步骤S100中，期望姿态信息表示为：，；
式中，采用单位四元数法表示期望姿态，代表空间中欧拉轴的参考方向，表示铺网单元绕轴旋转的角度，其中，，，，表示被控对象的目标角速度，为常数矩阵，为单位矩阵。
[0007]步骤S200建立状态空间模型的具体过程为，设铺网单元机械手爪姿态变换时角速度矢量为，设J为刚体本身的转动惯量矩阵，控制力矩和外界干扰作用在机械手爪上的总力矩为T=u+d= ，得到其姿态动力学方程如下：，式中
×
为操作符，设，定义得到机械手爪由单位四元数形式表示的姿态模型：；；；式中，是单位四元数的两个分量，为矢量，为标量，代表空间中欧拉轴的参考方向，表示铺网单元绕轴旋转的角度，是控制力矩和外部扰动力矩，I3是一个3
×
3的单位矩阵。
[0008]扩张状态观测器的表述如下：，，式中和是和的初值，表示初始时间，和表示状态空间模型中的被观测量，是观测器的高增益参数，，为常数矩阵，。
[0009]扩张状态观测器的设计过程为：（1）建立机械手爪姿态控制系统所对应的误差系统，设误差系统的姿态追踪误差四元数为，误差四元数同样满足单位四元数约束条件，因此，姿态模型使用误
差信号表述如下：差信号表述如下：差信号表述如下：式中d表示外部扰动输入，表示当前姿态与目标姿态的误差，表示当前角速度与目标角速度的误差，C为常数矩阵；（2）由于运输网片过程中会产生抖动，以及巷道环境的不确定性，外部扰动也会对机械手爪本身的惯量矩阵产生影响，应用变换式，其中表示已知的非奇异的常数矩阵，而就是惯量矩阵的扰动所对应的状态变量，则系统的扩张状态建立如下：式中式中式中；式中K为常数矩阵，，d表示外部扰动输入，角标e表示利用误差建立系统，C为常数矩阵；此时定义，u为控制力矩，与误差系统和联立可以直接得到扩张状态观测器的表达式。
[0010]自抗扰控制器表达形式如下：式中，，为控制器的增益系数，和为被观测状态。
[0011]与现有技术相比，本专利技术新型具有的有益效果为：有效减少作业人员暴露在巷道中的操作，提高铺网过程自动化程度，减少人工成本，降低安全隐患；将巷道复杂环境中的扰动视作系统输入添加到控制过程中，有效提升整个系统的抗干扰性，提高工作效率。
附图说明
[0012]图1为控制系统整体流程图；图2为仿真控制中不加扰动的姿态误差信息跟踪结果；图3为仿真控制中不加扰动的角速度误差信息跟踪结果；图4为仿真控制中添加扰动的姿态误差信息跟踪结果；图5为仿真控制中添加扰动的角速度误差信息跟踪结果。
具体实施方式
[0013]一种锚杆钻车铺网单元的控制方法，包括以下步骤：S100：以机械手爪作为被控对象，添加扩张状态观测器和控制器，建立铺网单元控制系统，建立铺网单元控制系统，利用机器视觉技术得到当前网片待安装位置的空间坐标，将空间坐标作为铺网单元机械手爪的末端位置输入到铺网单元控制系统中，通过运动学逆解求取得到铺网单元机械手爪达到末端位置时的姿态信息，将其作为系统的期望姿态信息。
[0014]期望姿态信息表示为：：式中，采用单位四元数法表示期望姿态，代表空间中欧拉轴的参考方向，表示铺网单元绕轴旋转的角度，其中，，，，表示被控对象的目标角速度，为常数矩阵，为单位矩阵。
[0015]S200：将机械手爪作为被控对象，对铺网单元姿态建立状态空间模型来描述其当前姿态信息。
[0016]建立状态空间模型的具体过程为，设铺网单元机械手爪姿态变换时角速度矢量为，设J为刚体本身的转动惯量矩阵，控制力矩和外界干扰作用在机械手爪上的总力矩为T=u+d=，得到其姿态动力学方程如下：。
[0017]式中
×
为操作符，设，定义得到机械手爪由单位四元数形式表示的姿态模型：；；；式中，是单位四元数的两个分量，为矢量，为标量，代表空间中欧拉轴的参考方向，表示铺网单元绕轴旋转的角度，是控制力矩和外部扰动力矩，I3是一个3
×
3的单位矩阵。
[0018]S300：将当前姿态信息通过跟踪微分器转换为铺网单元控制系统中所需的微分量并传递给扩张状态观测器。
[0019]扩张状态观测器的设计过程为：（1）建立机械手爪姿态控制系统所对应的误差系统，设误差系统的姿态追踪误差四元数为，误差四元数同样满足单位四元数约束条件，因此，姿态模型使用误差信号表述如下：差信号表述如下：差信号表述如下：式中d表示外部扰动输入，表示当前姿态与目标姿态的误差，表示当前角速度与目标角速度的误差，C为常数矩阵。
[0020]（2）由于运输网片过程中会产生抖动，以及巷道环境的不确定性，外部扰动也会对机械手爪本身的惯量矩阵产生影响，应用变换式，其中表示已知的非奇异的常数矩阵，而就是惯量矩阵的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锚杆钻车铺网单元的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，S100：以机械手爪作为被控对象，添加扩张状态观测器和控制器，建立铺网单元控制系统，建立铺网单元控制系统，利用机器视觉技术得到当前网片待安装位置的空间坐标，将空间坐标作为铺网单元机械手爪的末端位置输入到铺网单元控制系统中，通过运动学逆解求取得到铺网单元机械手爪达到末端位置时的姿态信息，将其作为系统的期望姿态信息；S200：将机械手爪作为被控对象，对铺网单元姿态建立状态空间模型来描述其当前姿态信息；S300：将当前姿态信息通过跟踪微分器转换为铺网单元控制系统中所需的微分量并传递给扩张状态观测器；S400：将复杂巷道环境视作系统的外来扰动，作为扩张状态输入铺网单元控制系统，通过扩张状态观测器得到当前铺网单元在铺网单元控制系统中的姿态信息和扰动信息；S500：将外来扰动和当前姿态信息看作铺网单元控制系统的自抗扰控制器的输入，通过与期望姿态的误差得到控制指令并发送给执行机构，输出控制力矩给到铺网单元，以修正其姿态，使得系统能根据扰动状态实时调整自身姿态，完成自抗扰控制；S600：将修正后当前姿态信息反馈到自抗扰控制器，做出下一步的控制指令，直到姿态信息达到期望值。2.根据权利要求1所述的锚杆钻车铺网单元的控制方法，其特征在于：所述的步骤S100中，期望姿态信息表示为：中，期望姿态信息表示为：式中，采用单位四元数法表示期望姿态，代表空间中欧拉轴的参考方向，表示铺网单元绕轴旋转的角度，其中，，，，表示被控对象的目标角速度，为常数矩阵，为单位矩阵。3.根据权利要求1所述的锚杆钻车铺网单元的控制方法，其特征在于：所述的步骤S200建立状态空间模型的具体过程为，设铺网单元机械手爪姿态变换时角速度矢量为，设J为刚体本身的转动惯量矩阵，控制力矩和外界干扰作用在机械手爪...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾运红，杨泽源，鲍文亮，焦晓峰，任晓文，赵辉，韩霏，乔佳伟，王婵娟，李成城，张琪，
申请(专利权)人：山西天地煤机装备有限公司煤炭科学研究总院，
类型：发明
国别省市：