一种电动挖掘机器人的挖掘轨迹跟随自动控制系统与方法技术方案

本发明专利技术提供了一种电动挖掘机器人的挖掘轨迹跟随自动控制系统与方法。本发明专利技术采用了“一阀一泵一电机”的电控液压装置，结构简单，便于控制算法的开发与应用，在此基础上提出一种自动控制系统，结合挖掘轨迹跟随控制方法能够实现对挖掘轨迹的跟随，上位机将铲斗齿间规划轨迹解算为各液压缸期望位移发送给工控机，将传感器所测量的实际位移信息作为负反馈与期望位移的差值构成偏差信号，将此偏差信号通过PID控制形成控制信号，将其输入到I/O模块转换为电信号作用在电控液压阀上，从而控制液压缸位置，实现多自由度系统复杂运动控制，其中PID控制参数使用改进的PSO(粒子群)优化算法进行整定。本发明专利技术能够使电动挖掘机器人实现挖掘轨迹的高效、准确跟随。准确跟随。准确跟随。

【技术实现步骤摘要】
一种电动挖掘机器人的挖掘轨迹跟随自动控制系统与方法


[0001]本专利技术属于工程机械自主作业
，具体涉及一种电动挖掘机器人的挖掘轨迹跟随自动控制系统与方法。

技术介绍

[0002]中国正处在各基础设施建设的高峰期，挖掘作业需求不断增加，与此同时经验丰富的挖掘机驾驶员短缺，培训学习成本高、周期长等问题逐渐显露，而挖掘机器人自动化程度高，具有智能化、无人化的特点，具有广泛的应用前景。挖掘机器人系统具有强非线性、机电液强耦合性、时变等特点；现有挖掘机器人电控液压系统多为通过控制先导油路来控制主控制阀组的间接控制方式，响应较慢，不利于自动控制算法开发；执行复合动作时，一泵多输出的方式能耗高，同时自动控制性能变差，若要提高控制性能，对于原有主控制阀组及控制算法要求较高。因此探索结构简单、执行精确的电控液压系统方案，以及控制性能优良、鲁棒性较好的自动控制算法是解决问题的关健。同时，考虑到电驱动方式具有能源清洁零排放、噪声低、较发动机驱动能量转换损失少等优势，对于电动挖掘机器人的轨迹跟随控制系研究具有重要的现实意义，符合未来趋势。

技术实现思路

[0003]针对现有技术不足，本专利技术提供了一种电动挖掘机器人的挖掘轨迹跟随自动控制系统与方法，技术方案如下：
[0004]一种电动挖掘机器人的挖掘轨迹跟随自动控制系统包括：上位机1、工控机2、传感器3、I/O模块4、电控液压装置、电机Ⅰ7
‑
1、电机Ⅱ7
‑
2、电机Ⅲ7
‑
3、电池10和工作装置9；<br/>[0005]所述的电控液压装置采用“一阀一泵一电机”设计，即电池10为电机Ⅰ7
‑
1、电机Ⅱ7
‑
2和电机Ⅲ7
‑
3供电，电机Ⅰ7
‑
1转动使得柱塞泵Ⅰ6
‑
1向所连接伺服阀Ⅰ5
‑
1输出液压油，电机Ⅱ7
‑
2转动使得柱塞泵Ⅱ6
‑
2向所连接伺服阀Ⅱ5
‑
2输出液压油，电机Ⅲ7
‑
3转动使得柱塞泵Ⅲ6
‑
3向所连接伺服阀Ⅲ5
‑
3输出液压油；伺服阀Ⅰ5
‑
1、伺服阀Ⅱ5
‑
2和伺服阀Ⅲ5
‑
3分别与铲斗液压缸8
‑
1、斗杆液压缸8
‑
2和动臂液压缸8
‑
3相连接，从而驱动工作装置9产生相应动作。
[0006]工作装置9由铲斗9
‑
1、斗杆9
‑
2、动臂9
‑
3组成，铲斗9
‑
1、斗杆9
‑
2、动臂9
‑
3所对应的电控液压系统各自独立，使得电控液压系统结构简单，便于自动控制算法的开发与应用，能够有效的提高复合动作控制性能，提高作业效率，同时“一阀一泵一电机”的方式使得各工作装置运动时所需能量都能较为匹配的得到供给，能够降低能耗。
[0007]所述上位机1将铲斗齿间规划轨迹解算为各液压缸期望位移，将此命令发送给工控机2，工控机2同时接收传感器3所测量的实际位移信息作为负反馈，各液压缸期望位移与实际位移的差值构成偏差信号，将此偏差信号通过PID控制形成控制信号，由I/O模块4接收控制信号并转换为电信号实现对伺服阀Ⅰ5
‑
1、伺服阀Ⅱ5
‑
2和伺服阀Ⅲ5
‑
3的控制，使其相应输出调制的流量，从而实现多自由度系统复杂挖掘运动控制，其中PID控制参数使用改进
的PSO优化算法进行整定。
[0008]工作装置9由动臂9
‑
1、斗杆9
‑
2、铲斗9
‑
3组成，对其挖掘轨迹跟随控制方法展开描述：
[0009]步骤一：通过运动学逆解的方法将已规划的铲斗齿间轨迹转换为各关节处转角，可采用几何法进行求解，具体过程如下：
[0010]基准坐标系{O,X,Y}原点O与动臂和基座的关节点A重合，B点为动臂和斗杆的关节点，I点为斗杆和铲斗的关节点，已知铲斗齿尖在基准坐标系中位姿可得I点坐标为
[0011]根据几何关系可得斗杆转角θ2，∠BOI对应角度ψ，动臂转角θ1，铲斗转角θ3，
[0012][0013][0014][0015][0016]其中a1为A点与B点间距离，a2为B点与I点间距离；
[0017]由此，斗杆转角θ2，动臂转角θ1，铲斗转角θ3与铲斗齿间位姿的关系已知，即可将已规划的铲斗齿间轨迹逆解为各关节处转角；
[0018]步骤二：根据各关节转角与相应液压缸长度几何关系可建立动臂转角θ1、斗杆转角θ2、铲斗转角θ3与动臂液压缸8
‑
3的长度L1、斗杆液压缸8
‑
2的长度L2、铲斗液压缸8
‑
1的长度L3的关系，几何关系如下：
[0019][0020][0021]不同于动臂和斗杆，铲斗不是由铲斗液压缸直接驱动，而是通过摇杆与连杆构成的连杆机构来间接驱动，其几何关系较为复杂，
[0022][0023]其中
[0024][0025]其中，L为下标两点之间的长度，A点为动臂和基座的关节点，B点为动臂和斗杆的关节点，I点为斗杆和铲斗的关节点，C点为动臂油缸与动臂的铰接点，K点为摇杆与连杆的铰接点，D点为斗杆油缸与动臂的铰接点，N点为摇杆与斗杆的铰接点，E点为铲斗油缸与斗杆的铰接点，L点为连杆与铲斗的铰接点，F点为动臂油缸与基座的铰接点，J点为铲斗斗齿齿尖，
[0026]至此，建立起了各关节转角与相应液压缸长度的关系，当各关节转角已知时，便得到了液压缸位移；
[0027]步骤三：求解得到的各液压缸期望位移与传感器所测量的实际位移的差值构成偏差信号，作为PID控制器的输入，形成控制信号。
[0028]其中对PID控制的三个参数：Kp、Ki和Kd进行整定是PID控制的关键工作，本专利技术采用改进的PSO算法对PID控制参数进行整定，首先初始化种群随机粒子，将粒子群个体解码为Kp、Ki、Kd，将Kp、Ki、Kd三者参数输入PID控制器中运行此控制系统得到所选取适应度函数的适应度值，判断是否符合所设定终止条件，若不符合将采用改进的PSO算法的速度、位置更新公式迭代更新粒子种群，直至满足终止条件。
[0029]PSO收敛快，特别是在算法的早期，但存在着后期容易陷入局部最优、易发散等缺点，因此需对粒子群初始化方式、领域拓扑、参数选择等方面进行PSO算法改进，能够解决传统粒子群优化算法后期容易陷入局部最优解、易发散的不足，在更少的迭代次数下得到PID控制的最优参数后，将偏差信号的比例(P)、积分(I)和微分(D)环节通过线性组合构成控制量u(t)，以电信号形式作用在电控液压阀上，对其流量进行控制，从而控制液压缸位移，形成负反馈闭环控制系统，具有良好的控制效果。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电动挖掘机器人的挖掘轨迹跟随自动控制系统，其特征在于，该系统包括：上位机(1)、工控机(2)、传感器(3)、I/O模块(4)、电控液压装置、电机Ⅰ(7
‑
1)、电机Ⅱ(7
‑
2)、电机Ⅲ(7
‑
3)、电池(10)和工作装置(9)；其中，所述的电控液压装置采用一阀一泵一电机设计，即电池(10)为电机Ⅰ(7
‑
1)、电机Ⅱ(7
‑
2)和电机Ⅲ(7
‑
3)供电，电机Ⅰ(7
‑
1)转动使得柱塞泵Ⅰ(6
‑
1)向所连接伺服阀Ⅰ(5
‑
1)输出液压油，电机Ⅱ(7
‑
2)转动使得柱塞泵Ⅱ(6
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2)向所连接伺服阀Ⅱ(5
‑
2)输出液压油，电机Ⅲ(7
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3)转动使得柱塞泵Ⅲ(6
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3)向所连接伺服阀Ⅲ(5
‑
3)输出液压油；伺服阀Ⅰ(5
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1)、伺服阀Ⅱ(5
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2)和伺服阀Ⅲ(5
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3)分别与铲斗液压缸(8
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1)、斗杆液压缸(8
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2)、动臂液压缸(8
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3)相连接，从而驱动由铲斗(9
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1)、斗杆(9
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2)、动臂(9
‑
3)组成的工作装置(9)产生相应动作；上位机(1)用于将铲斗齿间规划轨迹解算为各液压缸期望位移，将此命令发送给工控机(2)，工控机(2)同时接收传感器(3)所测量的实际位移信息作为负反馈，各液压缸期望位移与实际位移的差值构成偏差信号，将此偏差信号通过PID控制形成控制信号，I/O模块(4)接收控制信号并转换为电信号实现对伺服阀Ⅰ(5
‑
1)、伺服阀Ⅱ(5
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2)和伺服阀Ⅲ(5
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3)的控制，使其相应输出调制的流量，从而实现多自由度系统复杂挖掘运动控制。2.根据权利要求1所述的电动挖掘机器人的挖掘轨迹跟随自动控制系统，其特征在于，上位机(1)所执行的铲斗齿间规划轨迹解算的步骤如下：步骤一：通过运动学逆解的方法将已规划的铲斗齿间轨迹转换为各关节处转角，可采用几何法进行求解，具体过程如下：基准坐标系{O,X,Y}原点O与动臂和基座的关节点A重合，B点为动臂和斗杆的关节点，I点为斗杆和铲斗的关节点，已知铲斗齿尖在基准坐标系中位姿可得I点坐标为根据几何关系可得斗杆转角θ2，∠BOI对应角度ψ，动臂转角θ1，铲斗转角θ3，，，，其中a1为A点与B点间距离，a2为B点与I点间距离；由此，斗杆转角θ2，动臂转角θ1，铲斗转角θ3与铲斗齿间位姿的关系已知，即可将已规划的铲斗齿间轨迹逆解为各关节处转角；步骤二：根据各关节转角与相应液压缸长度几何关系可建立动臂转角θ1、斗杆转角θ2、铲斗转角θ3与动臂液压缸(8
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【专利技术属性】
技术研发人员：苏发，王继新，
申请(专利权)人：盐城吉研智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：