基于空间避障的冗余度高空作业车轨迹规划

发布时间：2017-05-05 08:08

  本文关键词：基于空间避障的冗余度高空作业车轨迹规划，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：百米级大型高空车是用于高层建筑救援与消防的起重举升专用设备,随着居民人身及设备财产安全的保障要求日益得到重视,越来越多的车辆被采购并装备。近年来在我国自主开发大型高空作业车的过程中,衍生出了众多待解决的关键技术,而顺应工程机械控制智能化的发展趋势,多关节冗余度臂架避障轨迹规划问题也应运而生。 本文来源于大连理工大学多年来与各主机厂合作设计研发大高度高空作业车进行的技术探索,从算法的角度提出了基于几何图形学、机器人运动学、启发式路径搜索以及变截面悬臂梁模型的高空作业车臂架避障规划方案。本论文主要工作和研究内容如下： (1)首先根据某百米级高空作业车的实际结构对多自由度的复合臂架系统进行参数化建模,列出了D-H参数与齐次变换矩阵。针对臂架和障碍物的关系,进行空间障碍物模型的简化,提出了空间包络球、有界矩形平面、圆柱体障碍模型与臂架碰撞与避碰的几何规则。作为空间问题的特例,分析了平面内臂架与包络圆及线段障碍的避碰规则。 (2)利用启发式的A*算法在MATLAB中编写了相关程序,在四维关节构型空间内进行了路径搜索。通过算例进行PTP路径规划数值仿真,验证了避障方法的实用可行。对于同时包含变幅转动关节与伸缩关节的高空车臂架系统的路径搜索方法的估价函数的设计进行了研究,得到了搜索点最少、搜索速度最快的寻优路径。得到了关节空间的位姿序列后,根据驱动伸缩油缸实际的速度条件,确定节点间每个关节最短运动时间,对位姿序列进行三次样条插值得到各关节的运动曲线,进行了最优时间规划。 (3)借助PTP问题的思路,提出将特定路径视为障碍物边缘的方法,确定了始末点构型选取的原则,令臂架末端做沿特定路径的运动,实现了CP规划。并对凹图形采用分段选取始末点的方法,通过算例验证了轨迹跟踪的效果。 (4)针对臂架在实际中大臂长作业时发生的大挠度变形,研究了变截面组合臂的力学模型后对算法进行修改,并将考虑变形的规划结果与刚性臂架模型结果进行了对比。
【关键词】：大型高空作业车 避障规划 A~*算法 臂架变形
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH211.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 大型高空作业车概述9-12
• 1.1.1 大型高空作业车结构形式概述9-11
• 1.1.2 高空作业车关键技术研究现状及发展11-12
• 1.2 机械臂轨迹规划及控制研究概述12-14
• 1.2.1 机械臂轨迹规划及控制研究概述12-13
• 1.2.2 冗余度机械臂避障轨迹规划及控制研究概述13-14
• 1.3 本论文研究课题概述14-17
• 1.3.1 本论文的选题意义14-15
• 1.3.2 本论文的研究内容及创新点15-17
• 2 高空作业车避障规划运动学建模17-29
• 2.1 高空作业车运动学模型的建立17-21
• 2.1.1 Denavit-Hartenburg坐标系的建立17-20
• 2.1.2 齐次变换矩阵推导20-21
• 2.2 臂架与空间障碍的碰撞几何判断规则21-28
• 2.2.1 包络球模型碰撞判断规则21-23
• 2.2.2 有界矩形平面障碍模型碰撞判断规则23-24
• 2.2.3 圆柱体障碍模型碰撞判断规则24-26
• 2.2.4 简化的平面障碍表达26-28
• 2.3 本章小结28-29
• 3 基于启发式算法的避障轨迹规划29-48
• 3.1 PTP问题的避障轨迹规划29-34
• 3.1.1 A~*算法及其估价函数介绍29
• 3.1.2 PTP问题的轨迹规划29-32
• 3.1.3 算例仿真及估价函数的优化设计32-34
• 3.2 避障问题的最优时间规划34-38
• 3.2.1 规划序列的三次样条曲线拟合34-35
• 3.2.2 节点间关节运动速度的确定35
• 3.2.3 最优时间规划算例仿真35-38
• 3.3 CP问题的轨迹规划38-45
• 3.3.1 连续路径规划问题38-39
• 3.3.2 基于A~*算法的CP问题方法39-43
• 3.3.3 高空作业车CP规划算例43-45
• 3.4 考虑驱动空间和控制层级的完整规划45-46
• 3.5 本章小结46-48
• 4 考虑臂架变形的避障轨迹规划48-63
• 4.1 高空作业车变截面伸缩臂力学模型48-57
• 4.1.1 变截面梁力学模型48-53
• 4.1.2 高空作业车臂架组合力学模型53-57
• 4.2 考虑臂架变形的避障轨迹规划算例57-62
• 4.3 本章小结62-63
• 结论63-65
• 参考文献65-68
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况68-69
• 致谢69-70

【参考文献】

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本文编号：345975