混凝土泵车灵巧机械臂运动控制系统关键技术研究及应用

发布时间：2019-10-14 02:25

【摘要】：本文针对现有国产长臂架泵车普遍存在的智能操控问题,在工程机械领域内首次提出灵巧机械臂概念,从运动控制的角度研究适合臂架精准随动操控的轨迹规划算法、臂架末端位置控制方法和非线性时滞补偿算法。具体研究内容及研究结论可概述为以下几个方面:建立泵车正向运动学模型和逆向运动学模型,对泵车臂架进行运动学分析。通过Simulink建立泵车运动规划仿真系统,根据路径最优、能量最省、液压供油最省等目标原则进行泵车臂架轨迹规划研究。将臂架轨迹规划问题转化为一定约束条件下的多目标优化问题,提出一种基于梯度投影-遗传算法的臂架轨迹规划方法,该方法兼顾遗传算法和梯度投影算法的优点,在满足臂架转角约束的情况下,以臂架关节转角绝对值之和最小为优化约束条件,实现泵车臂架的全局最优轨迹规划,仿真及性能对比实验验证该轨迹规划方法的有效性。针对现有泵车臂架无法实现末端位置精准控制的问题,开发一套新的数字式臂架油缸,利用油缸内置的磁致伸缩位移传感器实时检测臂架油缸位移量,根据油缸位移实际值与给定值之间的偏差,调整单节臂位置控制器,实现臂架油缸位置精准控制,进而通过多臂协调联动实现臂架末端位置的闭环控制。基于模糊自整定PID(Proportional-Integral-Derivative)控制策略实现阀控缸位置控制,利用模糊逻辑实时调整PID控制器参数,以应对系统特征变化或外界扰动,仿真及外场试验验证模糊自整定PID控制器在油缸位置跟踪和速度跟踪方面的有效性。基于臂架末端振动位移的历史数据,利用时间序列法对未来一段时间内的臂架振动姿态进行提前预测,动态补偿系统中的非线性时滞,为臂架末端位置控制提供可靠的参考轨迹,仿真及外场试验验证了时滞预测补偿算法在提高臂架操控平顺性和阀控缸响应速度方面的有效性。在以上研究成果的基础上,开发一套泵车灵巧臂系统并实现推广应用。四节臂37米泵车上的多次臂架随动(Follow Me)试验验证灵巧臂系统在臂架末端轨迹跟踪精度和阀控缸响应速度方面的优越性。
【图文】：

通过 Matlab 中的 GUI 建立图形用户界面，利用 Simulink 中的 SimMechanic元件库对五节臂机构进行动态仿真，针对臂架轨迹规划误差、单次迭代的时间耗费以及单位时间内关节转角的绝对值之和这三个性能指标，对上述四种算法的性能进行对比分析。在此基础上，将具有全局寻优能力的遗传算法和单次迭代时间耗费最少的梯度投影算法进行组合，并利用该混合遗传算法对臂架的运动学进行反解，，实现臂架全局最优轨迹规划。性能对比实验验证了混合遗传算法较于普通遗传算法和梯度投影算法的优越性。2.1.1 正向运动学

Scope Arm 5Scope Arm 4Scope Arm 3Scope Arm 2S-FunctionArmPlanning图 2.5 五节臂机构动态仿真图
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU646;TP241

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本文编号：2549032