智能挖掘机器人任务与运动规划方法研究
发布时间：2021-04-02 18:05
能够自主理解任务,结合环境信息实现对任务和自身运动的规划是智能挖掘机器人实现自主作业的前提。本文以三一集团智能挖掘机器人项目为背景,主要研究智能挖掘机器人任务规划和运动规划问题。本文的主要工作如下。首先建立了空间坐标系并给出坐标系之间的转换关系;建立了智能挖掘机器人机体与工作装置的运动学模型,给出任务规划与运动规划的问题描述;设计了任务层与执行层架构。其次,对任务层的规划问题进行了研究。将任务层的规划问题分解为挖掘任务点的规划问题及智能挖掘机器人工作装置挖掘任务工作路径的规划问题,针对前者给出了基于兴趣点地图和图论的挖掘任务点规划算法;针对后者分析了工作装置的工作空间,给出了挖掘动作的关键节点位置序列。然后,对执行层的规划问题进行了研究。将执行层的规划问题分解为工作装置的运动规划问题和挖掘机器人行走轨迹规划问题,针对前者设计了基于RRT*的路径规划算法和基于五次多项式和二次规划的路径平滑算法;针对后者设计了基于Hybrid A*的路径规划算法、基于梯度下降的路径平滑算法、基于Frenet坐标系的重规划和轨迹生成算法。最后,给出整体算法的框架设计,搭建了智能机器人自主挖掘任务的仿真平台对...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
抢险救灾现场
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-1抢险救灾现场面对诸多难以解决的现实问题，人们有着对智能挖掘机器人越来越强烈的需求[4]。具有自动化作业能力的挖掘机不但能使人们远离恶劣的施工环境，同时也能满足高精度的挖掘作业任务，减少人力成本，提高作业效率。由于市场的强烈需求和现有技术水平的制约，针对液压挖掘机器人智能化、自主化方向的研究也逐渐成为相关研究领域的热点问题。图1-2三一智能挖掘机针对上述问题，国内外研究工作者提出了许多将人工操作的挖掘机器人改造为拥有半自动或者全自动作业能力挖掘机器人的解决方案。挖掘机器人能够进行自主作业的前提是挖掘机器人具备一定的规划与控制技术[5,6]，这些技术在实现挖掘机器人自主作业中扮演者至关重要的角色。其中，可以应用于生产实践中的智能挖掘机器人应当具备完备的规划能力，其中包括将施工作业任务任务转化为数-2-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文器人系统，实现行走-写字和交互-行走功能，即智能挖掘机器人以一定方式绘制给定字样和根据操作人员的手动输入或者预设轨迹进行机动演示。1.2国内外研究现状1.2.1挖掘机器人智能化研究MSI1600挖掘机[11]是日本MITSUBISHI公司研制的能够通过自动化控制完成自主挖掘功能的经典产品，具备自主巡航及返回、沿直线挖掘、自主装卸等功能。同一时期，日本HitachiConstructionMachinery和Yamazaki公司分别实现了铲斗齿尖的位置规划控制和关节空间规划控制等功能。卡耐基梅隆大学的AStentz等人[12]通过在挖掘机器人机体上加装激光雷达的方式，实现了在扬尘环境下的环境感知功能，并且可以实现对于工作装置轮廓的实时监测，提前对可能产生的碰撞进行判断。同时，该团队还提出了一种实现对轨迹的实时规划与对挖掘机器人复杂动作跟踪控制的规划与控制方法。该方法将规划与控制进行了参数化，使其更具备通用性。但是该挖掘机器人系统无法实现挖掘机器人本身的行走，只能进行原地的挖掘装载任务。图1-3卡耐基梅隆大学挖掘机器人样机澳洲野外机器人中心（ACFR）的Q.P.Ha和Q.H.Nguyen等人[13–15]，将实现全自动挖掘作业问题分为任务规划、环境感知、整机控制三类，并通过加装激光雷达、角度编码器、应变力传感器的方式对KomatsuPCOS-7微型液压挖掘机器人进行改造，实现了环境感知、土壤识别和实时的工作装置挖掘力与位置反馈等功-4-
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种改进骨架提取的Voronoi路径规划[J]. 蒋林,李峻,马先重,聂文康,朱建阳,雷斌. 机械工程学报. 2020(13)
[2]基于改进A*算法的无人车路径规划[J]. 祁玄玄,黄家骏,曹建安. 计算机应用. 2020(07)
[3]基于改进D* Lite遗传算法路径规划研究[J]. 李俊,舒志兵. 机床与液压. 2019(11)
[4]浅谈液压挖掘机智能化发展[J]. 严茂林. 中国新技术新产品. 2019(03)
[5]中国工程机械市场由超预期增长步入稳定发展阶段[J]. 杨志芳. 今日工程机械. 2018(05)
[6]基于改进势场蚁群算法的机器人路径规划[J]. 王晓燕,杨乐,张宇,孟帅. 控制与决策. 2018(10)
[7]小型液压挖掘机工作装置与液压系统的分析研究[J]. 渠国良. 科技经济导刊. 2017(25)
[8]挖掘机机械臂轨迹规划分析[J]. 钟星. 山东工业技术. 2017(09)
硕士论文
[1]基于视觉SLAM的履带式液压挖掘机行走轨迹跟踪控制研究[D]. 章晓伟.浙江大学 2019
[2]基于VSLAM的挖掘机器人的自主导航避障研究[D]. 胡伟辰.浙江大学 2019
[3]智能挖掘机器人轨迹规划与任务决策研究[D]. 张良壮.浙江大学 2019
[4]挖掘机器人工作装置作业运动规划技术研究[D]. 王亚杰.浙江大学 2019
[5]挖掘机动力臂挖掘轨迹规划方法研究[D]. 郭子阳.太原科技大学 2017
[6]负载口独立挖掘机的智能控制系统研究[D]. 刘禹廷.浙江大学 2016
[7]液压挖掘机自主挖掘技术研究[D]. 宋军.中南大学 2013
[8]基于GPRS和C/S+B/S的挖掘机远程监控及故障诊断系统的初步研究[D]. 冯海隆.浙江大学 2006
本文编号：3115712
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
抢险救灾现场
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-1抢险救灾现场面对诸多难以解决的现实问题，人们有着对智能挖掘机器人越来越强烈的需求[4]。具有自动化作业能力的挖掘机不但能使人们远离恶劣的施工环境，同时也能满足高精度的挖掘作业任务，减少人力成本，提高作业效率。由于市场的强烈需求和现有技术水平的制约，针对液压挖掘机器人智能化、自主化方向的研究也逐渐成为相关研究领域的热点问题。图1-2三一智能挖掘机针对上述问题，国内外研究工作者提出了许多将人工操作的挖掘机器人改造为拥有半自动或者全自动作业能力挖掘机器人的解决方案。挖掘机器人能够进行自主作业的前提是挖掘机器人具备一定的规划与控制技术[5,6]，这些技术在实现挖掘机器人自主作业中扮演者至关重要的角色。其中，可以应用于生产实践中的智能挖掘机器人应当具备完备的规划能力，其中包括将施工作业任务任务转化为数-2-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文器人系统，实现行走-写字和交互-行走功能，即智能挖掘机器人以一定方式绘制给定字样和根据操作人员的手动输入或者预设轨迹进行机动演示。1.2国内外研究现状1.2.1挖掘机器人智能化研究MSI1600挖掘机[11]是日本MITSUBISHI公司研制的能够通过自动化控制完成自主挖掘功能的经典产品，具备自主巡航及返回、沿直线挖掘、自主装卸等功能。同一时期，日本HitachiConstructionMachinery和Yamazaki公司分别实现了铲斗齿尖的位置规划控制和关节空间规划控制等功能。卡耐基梅隆大学的AStentz等人[12]通过在挖掘机器人机体上加装激光雷达的方式，实现了在扬尘环境下的环境感知功能，并且可以实现对于工作装置轮廓的实时监测，提前对可能产生的碰撞进行判断。同时，该团队还提出了一种实现对轨迹的实时规划与对挖掘机器人复杂动作跟踪控制的规划与控制方法。该方法将规划与控制进行了参数化，使其更具备通用性。但是该挖掘机器人系统无法实现挖掘机器人本身的行走，只能进行原地的挖掘装载任务。图1-3卡耐基梅隆大学挖掘机器人样机澳洲野外机器人中心（ACFR）的Q.P.Ha和Q.H.Nguyen等人[13–15]，将实现全自动挖掘作业问题分为任务规划、环境感知、整机控制三类，并通过加装激光雷达、角度编码器、应变力传感器的方式对KomatsuPCOS-7微型液压挖掘机器人进行改造，实现了环境感知、土壤识别和实时的工作装置挖掘力与位置反馈等功-4-
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种改进骨架提取的Voronoi路径规划[J]. 蒋林,李峻,马先重,聂文康,朱建阳,雷斌. 机械工程学报. 2020(13)
[2]基于改进A*算法的无人车路径规划[J]. 祁玄玄,黄家骏,曹建安. 计算机应用. 2020(07)
[3]基于改进D* Lite遗传算法路径规划研究[J]. 李俊,舒志兵. 机床与液压. 2019(11)
[4]浅谈液压挖掘机智能化发展[J]. 严茂林. 中国新技术新产品. 2019(03)
[5]中国工程机械市场由超预期增长步入稳定发展阶段[J]. 杨志芳. 今日工程机械. 2018(05)
[6]基于改进势场蚁群算法的机器人路径规划[J]. 王晓燕,杨乐,张宇,孟帅. 控制与决策. 2018(10)
[7]小型液压挖掘机工作装置与液压系统的分析研究[J]. 渠国良. 科技经济导刊. 2017(25)
[8]挖掘机机械臂轨迹规划分析[J]. 钟星. 山东工业技术. 2017(09)
硕士论文
[1]基于视觉SLAM的履带式液压挖掘机行走轨迹跟踪控制研究[D]. 章晓伟.浙江大学 2019
[2]基于VSLAM的挖掘机器人的自主导航避障研究[D]. 胡伟辰.浙江大学 2019
[3]智能挖掘机器人轨迹规划与任务决策研究[D]. 张良壮.浙江大学 2019
[4]挖掘机器人工作装置作业运动规划技术研究[D]. 王亚杰.浙江大学 2019
[5]挖掘机动力臂挖掘轨迹规划方法研究[D]. 郭子阳.太原科技大学 2017
[6]负载口独立挖掘机的智能控制系统研究[D]. 刘禹廷.浙江大学 2016
[7]液压挖掘机自主挖掘技术研究[D]. 宋军.中南大学 2013
[8]基于GPRS和C/S+B/S的挖掘机远程监控及故障诊断系统的初步研究[D]. 冯海隆.浙江大学 2006
本文编号：3115712
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