一种挖掘机挖机臂动力学控制方法技术

本发明专利技术公开了一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，将挖机臂动力学模型进行线性化，辨识挖机臂动力学参数矩阵的参数，获得辨识后的挖机臂动力学前馈模型。将挖机臂动力学前馈模型输出的前馈信号输入预先构建三环PID控制体系，三环PID控制体系输出挖机臂各关节的控制结果。本发明专利技术提供的一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，采用动力学前馈+三环PID反馈的控制模式，实时计算挖机臂运动时产生的惯性力、科式力、向心力、重力和摩擦力，设计了挖机臂控制系统，其能提高挖机臂运动时的动态精度，提高挖掘机运动时可靠性和稳定性。掘机运动时可靠性和稳定性。掘机运动时可靠性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种挖掘机挖机臂动力学控制方法


[0001]本专利技术涉及一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，属于挖掘机控制


技术介绍

[0002]挖掘机，又称挖掘机械，是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的一种土方机械。其作为一种移动物料的机械，在采矿和建筑领域有广泛的应用。由于其应用的广泛性，挖掘机操作员必须掌握多种多样的操作技术以适应不同的工况和需求。这使得培养合格的操作员成为耗时耗力的工作。此外，由于操作的复杂性和恶劣的工作环境，操作员难以长时间保持高效的工作状态。这使得挖掘机自动化控制的需求愈加高涨。
[0003]目前的几种挖掘机自动控制方案多数使用简单的位置反馈控制方案，某些方案辅之以速度前馈。但这些自动控制方案对反馈信号和目标信号均只有简单处理，并且其前馈模型也较为粗略，难以处理挖掘机的非线性问题，导致这些自动控制方案只能跟踪某几种预设轨迹，且轨迹速度受到极大限制，没能充分利用挖掘机的性能。
[0004]现有挖掘机的自动控制大多是针对一种特定的工况或轨迹进行设计的，想要切换至其它轨迹必须对控制器重新进行设计或训练。此外，由于控制器结构的限制，当前的自动控制系统往往不能充分利用挖掘机的全部功率，只能跟踪一些缓慢运动的轨迹。
[0005]第一种现有技术中一种改进的电机三环控制方法，只涉及到一种改进的电机三环控制方法，并不涉及到动力学前馈，而且在电流环PID输出时也没有加调节因子。
[0006]第二种现有技术中一种机器人控制方法、装置、电子设备及可读存储介质，用的是速度前馈，没有采用力矩前馈，不能做到精确的力控，而且该方案的摩擦力建模，没有考虑库仑摩擦力、粘滞摩擦力和stribeck摩擦力。
[0007]第三种现有技术中一种机器人控制系统，只是概述了一个机器人控制系统，并不涉及到动力学前馈控制和三环PID控制。
[0008]基于以上现有技术，本领域技术人员急需要解决如下技术问题：
[0009](1)解决电磁阀的“死区”的问题。
[0010](2)解决对挖机臂精确控制的问题。
[0011](3)解决低速时“爬行”、高速时精度差的问题。

技术实现思路

[0012]目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，采用动力学前馈+三环PID反馈的控制模式，实时计算挖机臂运动时产生的惯性力、科式力、向心力、重力和摩擦力，设计了挖机臂控制系统，其能提高挖机臂运动时的动态精度，提高挖掘机运动时可靠性和稳定性。
[0013]技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0014]一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，包括如下步骤：
[0015]步骤S1：对预先构建的挖机臂动力学模型进行参数线性化处理，得到挖机臂动力学模型的线性方程。
[0016]步骤S2：对挖机臂动力学模型的线性方程进行重组，得到重组后的线性方程。
[0017]步骤S3：在挖机臂的动臂、斗杆和铲斗上设置传感器，并获取激励轨迹下挖机臂的动臂、斗杆和铲斗的各个关节的力矩、角度、角速度和角加速度数据。
[0018]步骤S4：对各个关节的力矩、角度、角速度和角加速度数据进行滤波处理，并利用滤波后的数据求解重组后的线性方程中的满秩回归矩阵，利用满秩回归矩阵的条件数最小的准则对预先设计的激励轨迹计算公式进行优化，获取激励轨迹计算公式中的参数。
[0019]步骤S5:基于滤波后的数据应用最小二乘法辨识重组后的线性方程中的最小惯性参数矩阵的各参数，将最小惯性参数矩阵作为挖机臂动力学参数矩阵。
[0020]步骤S6：将挖机臂动力学参数矩阵带入重组后的线性方程中，获得辨识后的挖机臂动力学前馈模型。
[0021]步骤S7：将挖机臂动力学前馈模型输出的前馈信号输入预先构建的三环PID控制体系，三环PID控制体系输出挖机臂各关节的控制结果。
[0022]作为优选方案，还包括步骤S8,步骤S8:将三环PID控制体系输出挖机臂各关节的控制结果与预设的挖机臂各关节的控制结果进行匹配，当匹配度小于匹配阈值时，返回步骤S3，重复步骤S3
‑
S6获得更理想的挖机臂动力学前馈模型。
[0023]作为优选方案，所述预先构建的挖机臂动力学模型的计算公式如下：
[0024][0025]其中，为控制力矩，q、分别为挖机臂各个关节的角度、角速度和角加速度，为惯性力矩，为科氏力矩和向心力矩的耦合力矩，为重力矩，为摩擦力矩。
[0026]作为优选方案，
[0027]其中：为对取符号函数，p
c
为库仑摩擦力系数，p
v
为粘滞摩擦力系数，p
s
为stribeck摩擦力系数。
[0028]作为优选方案，所述挖机臂动力学模型的线性方程的计算公式如下：
[0029][0030]其中：为控制力矩，为回归矩阵，q、分别为挖机臂各个关节的角度、角速度和角加速度，为惯性参数矩阵。
[0031]作为优选方案，所述重组后的线性方程的计算公式如下：
[0032][0033]其中，为控制力矩，为满秩回归矩阵，为最小惯性参数矩阵。
[0034]作为优选方案，表示N个关节的动力学参数，P
N
表示第N个关节
的动力学参数。
[0035]关节i的最小惯性矩阵元素可以表示为：
[0036]P
r
＝[I
xx
,I
xy
,I
xz
,I
yy
,I
yz
,I
zz
,mc
x
,mc
y
,mc
z
,m,p
c
,p
v
,p
s
]T
[0037]其中，I
xx
,I
xy
,I
xz
,I
yy
,I
yz
,I
zz
为关节i在x、y、z各方向的惯性张量矩阵的6个参数，m为关节i质量，c
x
，c
y
，c
z
分别为关节i质心位置在关节坐标系x、y、z方向的分量，p
c
为库仑摩擦力系数，p
v
为粘滞摩擦力系数，p
s
为stribeck摩擦力系数，ρ为关节i单元体密度。
[0038]作为优选方案，所述预先设计的激励轨迹计算公式如下：
[0039][0040]其中，w
f
为基频，各关节应选取相同基频保证整个运动的周期性，N表示谐波个数，l表示谐波，t表示时刻，为系数，q
i0
为常数项，i代表关节。
[0041]作为优选方案，获取的激励轨迹计算公式中的参数为q
i0
。
[0042]作为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1：对预先构建的挖机臂动力学模型进行参数线性化处理，得到挖机臂动力学模型的线性方程；步骤S2：对挖机臂动力学模型的线性方程进行重组，得到重组后的线性方程；步骤S3：在挖机臂的动臂、斗杆和铲斗上设置传感器，并获取激励轨迹下挖机臂的动臂、斗杆和铲斗的各个关节的力矩、角度、角速度和角加速度数据；步骤S4：对各个关节的力矩、角度、角速度和角加速度数据进行滤波处理，并利用滤波后的数据求解重组后的线性方程中的满秩回归矩阵，利用满秩回归矩阵的条件数最小的准则对预先设计的激励轨迹计算公式进行优化，获取激励轨迹计算公式中的参数；步骤S5:基于滤波后的数据应用最小二乘法辨识重组后的线性方程中的最小惯性参数矩阵的各参数，将最小惯性参数矩阵作为挖机臂动力学参数矩阵；步骤S6：将挖机臂动力学参数矩阵带入重组后的线性方程中，获得辨识后的挖机臂动力学前馈模型；步骤S7：将挖机臂动力学前馈模型输出的前馈信号输入预先构建的三环PID控制体系，三环PID控制体系输出挖机臂各关节的控制结果。2.根据权利要求1所述的一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，其特征在于：还包括步骤S8,步骤S8:将三环PID控制体系输出挖机臂各关节的控制结果与预设的挖机臂各关节的控制结果进行匹配，当匹配度小于匹配阈值时，返回步骤S3，重复步骤S3
‑
S6获得更理想的挖机臂动力学前馈模型。3.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，其特征在于：所述预先构建的挖机臂动力学模型的计算公式如下：其中，为控制力矩，q、分别为挖机臂各个关节的角度、角速度和角加速度，为惯性力矩，为科氏力矩和向心力矩的耦合力矩，为重力矩，为摩擦力矩。4.根据权利要求3所述的一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，其特征在于：其中：为对取符号函数，p
c
为库仑摩擦力系数，p
v
为粘滞摩擦力系数，p
s
为stribeck摩擦力系数。5.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，其特征在于：所述挖机臂动力学模型的线性方程的计算公式如下：其中：为控制力矩，为回归矩阵，q、分别为挖机臂各个关节的角度、角速度和角加速度，为惯性参数矩阵。
6.根据权利要求5所述的一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，其特征在于：所述重组后的线性方程的计算公式如下：其中，为控制力矩，为满秩回归矩阵，为最小惯性参数矩阵。7.根据权利要求6所述的一种挖掘机挖机臂动力学控制方法，其特征在于：表示N个关节的动力学参数，P
N
表示第N个关节的动力学参数；关节i的最小惯性矩阵元素可以表示为...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁强，高警卫，艾云峰，杨超，
申请(专利权)人：江苏徐工工程机械研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：