挖掘机仿形挖掘关键技术研究

发布时间：2019-08-26 21:08

【摘要】：挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一,在现代化建设中发挥着非常重要的作用。随着挖掘现场环境复杂性的提高及挖掘作业要求多样化的增加,挖掘机的自动化和智能化逐渐成为国内外的研究热点,其中,仿形挖掘机技术是实现挖掘过程自动化的关键技术,对挖掘机自动化和智能化的实现起着决定性作用。本文以提高挖掘机的自动化和智能化为目的,以挖掘机的工作装置为主要研究对象,对挖掘机工作装置的运动学和动力学进行建模。利用先进的PIDCMAC(10)控制算法,并通过研究工作装置的路径规划策略,完成了挖掘机的轨迹控制和规划,提高了挖掘机的自动化和智能化。本文运用D-H坐标系法建立了工作装置的运动学和带挖掘阻力的动力学模型,给出了求解轨迹坐标所对应的液压缸长度的运动学计算方法,并进行了相关仿真;对液压挖掘机工作装置中的动臂、斗杆和铲斗控制子系统进行了建模和仿真,分析了传统PID控制系统的时域和频域特性,针对传统系统存在的缺点,运用小脑模型神经网络PIDCMAC(10)的控制方法可以很好地解决自动轨迹控制的问题;研究分析了挖掘机工作任务的分解和轨迹规划,并建立了关于路径的有约束的非线性规划方程,通过优化方程可以使挖掘机工作装置的各个关节运动更加地平稳;建立了智能挖掘机工作装置的三维实体模型,通过MATLAB与ADAMS的联合仿真,在路径规划的基础上对所设计的控制算法进行仿真分析,对于运动轨迹控制中的直线和斜坡的挖掘轨迹,均能达到良好的控制效果。结果显示采用PIDCMAC(10)控制法的齿尖误差在仿真过程中被控制在10mm以内,经改进后的系统各项性能有显著地提高,具有很好的鲁棒性,响应较快,而且跟踪性能也比较理想,可以在较短的时间内达到预设控制量,能够满足实际工况要求。
【图文】：

再细分为若干挖掘行为，最后挖掘行为分解为一系列的简单动作序列。根据挖掘机操作员的现场作业经验，编写基本挖掘动作程序并编译在指定环境下不同动作及动作顺序的仲裁法则，最后通过模糊控制系统控制工作装置执行动作序列完成作业目标[15]。美国肯耐基梅隆大学学者将一次完整的挖掘任务分为四个阶段：先是切土挖掘、接着是满斗提升、再使工作装置回转卸土和最后空斗返回到下一挖掘点。为挖掘机器人提出了具有高效作业的移动方案，他们分析并指出基于任务挖掘的轨迹规划策略是保证挖掘机高效地完成目标挖掘任务的最佳方法。如果采用基于时间规划的方法，会受到土质和石块等干扰因素的影响，智能挖掘机就不能按着计划的时间完成预期的动作序列。该大学成功地研制出了自动装载系统 ALS(Autonomous Loading System)，在挖掘机连接机构的两侧装上两个激光扫描测距仪，可以检测挖掘的地面、卡车和工作区域的障碍物。挖掘机的控制系统接受测距仪传来的数据后根据作业目标决定“如何挖”、“挖哪里”等如图 1.1 和图 1.2 为试验样机工作示意图[10]。

再细分为若干挖掘行为，最后挖掘行为分解为一系列的简单动作序列。根据挖掘机操作员的现场作业经验，编写基本挖掘动作程序并编译在指定环境下不同动作及动作顺序的仲裁法则，最后通过模糊控制系统控制工作装置执行动作序列完成作业目标[15]。美国肯耐基梅隆大学学者将一次完整的挖掘任务分为四个阶段：先是切土挖掘、接着是满斗提升、再使工作装置回转卸土和最后空斗返回到下一挖掘点。为挖掘机器人提出了具有高效作业的移动方案，他们分析并指出基于任务挖掘的轨迹规划策略是保证挖掘机高效地完成目标挖掘任务的最佳方法。如果采用基于时间规划的方法，会受到土质和石块等干扰因素的影响，智能挖掘机就不能按着计划的时间完成预期的动作序列。该大学成功地研制出了自动装载系统 ALS(Autonomous Loading System)，，在挖掘机连接机构的两侧装上两个激光扫描测距仪，可以检测挖掘的地面、卡车和工作区域的障碍物。挖掘机的控制系统接受测距仪传来的数据后根据作业目标决定“如何挖”、“挖哪里”等如图 1.1 和图 1.2 为试验样机工作示意图[10]。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU621

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘宇;刘春时;张义民;;基于NURBS的挖掘机自主控制铲斗轨迹规划方法[J];中国工程机械学报;2012年02期

2 任志贵;陈进;贺康生;张波;;基于运动学分析的挖掘机器人轨迹规划新方法[J];中国工程机械学报;2012年01期

3 张大庆;李赛白;陈艳军;;从bauma China 2010展看工程机械的发展趋势[J];建设机械技术与管理;2011年01期

4 Mohammad Shahidul Hasan;;Modelling and Remote Control of an Excavator[J];International Journal of Automation & Computing;2010年03期

5 冯国平;周建鹏;谌勇;华宏星;;机械式挖掘机建模及动力学分析[J];机械设计与研究;2008年05期

6 孙刚;韩维国;;挖掘机的静态挖掘阻力分析[J];一重技术;2008年04期

7 李洪;李爱峰;高素荷;;基于VB的矿用挖掘机挖掘阻力评估方法[J];中国矿业;2007年08期

8 陈无畏;时培成;高立新;王其东;陈黎卿;;ADAMS和Matlab的EPS和整车系统的联合仿真[J];农业机械学报;2007年02期

9 张大庆;何清华;郝鹏;陈欠根;;液压挖掘机铲斗轨迹跟踪的鲁棒控制[J];吉林大学学报(工学版);2006年06期

10 何清华;张大庆;郝鹏;朱建新;;液压挖掘机工作装置模型及控制的试验研究[J];中南大学学报(自然科学版);2006年03期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 张大庆;液压挖掘机工作装置运动控制研究[D];中南大学;2006年

2 刘静;挖掘机器人虚拟样机建模技术及其应用研究[D];浙江大学;2005年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 宋军;液压挖掘机自主挖掘技术研究[D];中南大学;2013年

2 游杨;基于电液比例技术的液压挖掘机近地无线遥控系统研究[D];河南科技大学;2012年

3 侯忠成;面向空间捕获的机器人路径规划与控制器设计[D];哈尔滨工业大学;2011年

4 黄仝宇;基于增量启发式搜索的动态车辆路径规划算法的研究与实现[D];广东工业大学;2011年

5 汪亮彬;液压挖掘机工作装置斗尖轨迹控制研究[D];辽宁石油化工大学;2010年

6 王晓丽;MOTOMAN机器人轨迹规划和控制系统的研究与设计[D];西安科技大学;2009年

7 程涛;液压挖掘机的轨迹规划与控制[D];东北大学;2008年

8 邵力平;液压挖掘机器人伺服控制系统研究[D];浙江大学;2006年

9 姜鹏鹏;液压挖掘机工装轨迹自动控制系统的研制[D];哈尔滨工业大学;2006年

10 朱圣兵;液压挖掘机器人轨迹跟踪综合控制策略方案研究[D];浙江大学;2006年

本文编号：2529560