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举高消防车时间最优控制策略研究
| 论文题名： | 举高消防车时间最优控制策略研究 |
| 关键词： | 举高消防车;最优控制;轨迹规划;拉格朗日函数;凸优化模型 |
| 摘要： | 近年来，我国城市化进程不断加快，城市环境越来越复杂，城市高层建筑也越来越多，当面对失火险情时，传统消防车已力有未逮。大高度举高消防车的出现为高层建筑快速消防救援提供了便利，但由于缺乏良好的控制策略，其工作性能并没有得到充分发挥，作业时间长、宜人性低、安全可靠性小等问题依然是该类产品有待突破的关键技术问题。 为提高举高消防车的作业性能，本文以某百米级举高消防车为研究对象，以最优控制为研究目标，在运动学、动力学及优化理论的基础上，确定时间最优的目标函数，考虑速度、加速度、驱动力、驱动力矩等约束项，建立优化模型，并通过对优化模型进行求解得到大高度举高消防车臂架系统的时间最优控制策略。 论文主要工作与成果如下： （1）对具有复杂结构的大高度举高消防车，提出一种运动及动力学建模方法。首先，基于Denavit-Hartenberg方法推导关节向量与臂架位置的映射关系，并求得雅可比矩阵。然后以运动模型为基础，构造拉格朗日函数，求得动力学方程。最后，采用ADAMS软件进行仿真，对比理论结果与仿真结果，证明了建模方法的有效性。该方法考虑了复杂臂架的同步伸缩，计算效率高、通用性强，可应用于大高度举高消防车的精确控制中。 （2）为提高举高消防车作业的及时性、可靠性与安全性，提出一种考虑动作平稳、无冲击的时间最优轨迹规划算法。首先，引入伪位移参量s表示路径，利用B样条曲线对举高消防车臂架系统各个关节运动离散点进行拟合，构造连续运动几何路径。然后结合连续路径，以s及其对于时间的各阶导数表示时间最优目标函数与速度、加速度、驱动力、驱动力矩等约束项，建立凸优化模型。最后，利用B样条曲线以有限维向量x表示轨迹，采用内点法对凸优化模型进行求解，得到满足约束条件的最优解，进而得到各个关节的时间最优运动轨迹。 （3）应用本文算法对某型大高度举高消防车进行轨迹规划算例仿真，以验证算法可行性。根据约束项的不同设计三种工况，在三种工况下分别规划时间最优运动轨迹。对所得轨迹进行分析表明，本文算法可在有效满足运动及动力学各类约束的条件下实现时间最优轨迹规划，可行性高，适用性强。 |
| 作者： | 李玉鑫 |
| 专业： | 微机电工程 |
| 导师： | 滕儒民 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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