一种基于虚拟现实技术的轮式装载机的建模与控制

一种基于虚拟现实技术的轮式装载机的建模与控制本文提出了动态建模、控制器设计和虚拟现实为基础的轮式装载机控制系统中的实时仿真。特别地，被认为是带有电液驱动的装载机。一个详细的非线性动力学液压系统与装载机连杆机构模型。液压模型包括负荷传感泵，阀门和气缸。联动模型代表着具有自由度的升降和倾斜功能的装载机。基于线性二次型高斯鲁棒控制器设计为自动斗调平，以协助运营商在动臂处于运动的时候，保持一定的角度运动于平地。闭环系统在实时虚拟现实仿真系统中，对控制系统的设计进行了测试。在虚拟现实的模拟中，运营商使用操纵杆输入数据进行模型的控制。这个应用虚拟现实技术，将装载机的连杆几何图形实时显示给操作者。对这个在虚拟现实环境中的控制器的性能进行了评估。正如预期的那样，控制器被发现提供了一个显着的改善精度的条件，特别是在一个新手操作控制联动运动的情况下。原型无法消除，虚拟现实模拟相结合，现实的物理和控制动态提供了一个有用的工具，用于评估液压系统和控制对原型机器的依赖性较小。1、 引言在施工和土方机械设计过程中，一个重要的步骤是测试的原型与人相互作用。作为原型步骤的一部分，运营商提供有价值的对设计人员对机器性能的反馈，布局和人机工程学。然而，建筑原型是昂贵和耗时的。因此，它需要建立较少的原型和更多的依赖于计算机模拟。得到从运营商的有价值的反馈而不牺牲原型，虚拟现实虚拟机模拟可以非常有效地使用。目前，机器的概念可以在虚拟现实环境中进行评估再被实现为实际硬件。虚拟现实实现包括查看和交互的静态机器几何。此外，还有一些工作要做，让一种被称为建筑设备的人在VR使用操纵杆和其他输入设备的液压挖掘机图1,2。甚至有虚拟现实模拟的机器可以交互于他们的环境中挖掘力图3。这样的模拟是非常有用的在开发和测试在原型建造前，机器控制及相关系统。在过去的虚拟现实模拟的主要障碍之一是实时仿真计算速度要求。一些对装载机底盘和液压模型进行了工作基于多速率融合的虚拟现实环境系统整体模型的执行图4。现代桌面计算机能够允许复杂的模拟实时运行。液压驱动系统是先进的学科控制系统，应用在过去图5。例如，氢气和氢的控制设计，提出了水力发电列车图6。类似的工作在这里，线性二次高斯LQG设计过程中使用上述引文。然而，这些努力集中在缺乏系统的系统典型的移动液压系统中发现的一些特性如负荷传感泵的机器，在这工作。这项工作的目的是模拟动力学和控制轮式装载机的系统见图1，使机器特性可以在虚拟现实与高逼真度模型的情况下建造原型。因此，更多的设计决策可以在原型阶段之前，从而减少原型的数量机器和对样机的修改。一个真实的动态模型的机器包括几个组件，如发动机，发动机控制，挖掘力，轮胎，传动系统，牵引力，然而，对于本文所代表的工作，动力系统是有限的电液压轮式装载机与联动。研究的三个主要目标提出如下。首先，我们希望展示一个实时以轮式装载机为例进行虚拟现实的动态仿真。下一步，电液控制算法开发的联动协调。最后一个闭环控制器响应虚拟现实环境在循环中被证明。本文其余部分的组织如下。美国证券交易委员会。2简要介绍了轮式装载机模型液压与连杆机构动力学。3、控制设计过程讨论和一个桶调平运动控制采用LQG控制器设计描述。4、仿真给出了包括一个人在循环模拟使用虚拟现实系统对闭环系统设计的能力。5、虚拟现实接口的详细说明模型实时运行，并与虚拟现实显示操纵杆。6、结论与未来工作讨论。2、 模型本节重点发展的非线性模型和考虑下的轮式装载机系统的线性化模型。整体模型包括液压和连杆机构动力学。首先推导出一个完整的非线性水力模型，然后在Simulink中建立。联动的模式写成一个MATLAB数据的连锁模型，然后线性化和插入在Simulink模型随着液压系统。这个整个Simulink模型进行线性化的目的是控制设计。动态模型的详细推导给于7。对于完整性的目的，一些重要部分的推导在这里转载。2.1连杆机构。装载机连杆机构由八个机构组成。5受约束，包括三个运动循环，2个全自动自由度。运动约束方程被淘汰，通过选择一组最小的独立坐标，等于多到全机构的自由度连锁。从7的运动方程可能是形式表达哪里代表外部力量，是惯性矩阵，问表示广义位置坐标，和总部，问描述离心力，科氏力，和潜在的力量。2.2连杆机构和液压模型。动态Eqs.。1：11以上，包括方程的联系和液压系统可以组合成一个多输入多输出状态空间系统。由此产生的方程用于创建一个Simulink框图。注意一个线性化在组合模型中使用的链接模型Simulink。下面的模型方程中给出的状态变量和将在本节后面线性化。输入状态向量的定义为 在表1中也给出了状态。动力学方程该系统的状态变量可以改写如下：控制系统的设计使用的线性化模型的装载机连杆机构和液压系统。数值线性化技术是用来寻找13个状态的线性模型的非线性微分方程组。操作点选定为典型的水位升降条件，用阀门开启，造成吊杆向上抬起慢慢向上倾斜慢慢向上。这个操作点类似于目前在所需的水平电梯运行的装载机。这个操作点和输入的方程是线性化的由此产生的线性化工厂的形式在这里，你输入是的状态向量，以输入的状态向量输出。输出矢量，是由倾斜角位置升角速度。状态向量和输入线性化模型和非线性状态模型是一样的。这个线性模型是关于工作点的一个扰动模型。3、模拟系统模拟测试系统的能力跟踪多个参考输入，同时如图8和9的步进命令，给出了所需的倾斜角位置与动臂举升角位置。图8显示了响应线性化形式。图9非线性形式的反应给出模型。在这两种情况下，该系统跟踪参考稳态误差小的输入。注意，有一个较大位置跟踪的超调。再者倾斜位置跟踪中有一些颤振。可能是不停的抖动，由于在阀门的死区，可以采取照顾使用结合抖动和死区的消除技术。对于下一组的模拟，水平提升功能表现。所需的斗角位置是一个函数动臂举升角位置，使斗底保持水平随着运动的发展。水平提升代表运动协调双位执行器。水平升降控制系统在运行过程中模拟实时虚拟现实环境与性能的比较，是一个控制虚拟现实装载机仿真的新手操作人员自动控制装置。在闭环电路操纵情况下，动臂举升参考角位置成比例在操纵杆位置的积分，而斗角位置基准是由方程14给出。在开环按比例控制液压阀的电流比例为每个功能的操纵杆位置。在图10、11斗倾斜角度位置相对于底盘2绘制。请注意，2是相同的斗位置，错误是因为它希望的斗是水平或与垂直底盘2 。此外，电路位置，1，是绘制出的热潮是通过一个大范围的运动。带与不带升降控制器，操作员用操纵杆控制升降功能的速度。这个新手操作人员很难维持一个水平的斗，如图所示在图10。请注意，新手操作人员可以控制这个斗是水平仅凭视觉而不准确。跟踪误差低的情况下，电路控制器图11。绘制输出和反馈的组合在进行虚拟现实模拟的操作人员经验来评估水平升降控制器的潜在用途。 斗调平控制和升降位置控制功能线性和非线性模型的独立性虚拟现实程序。所需的油缸之间的差异位置和实际油缸位置绘制在图12和13。在图12、13臂缸位置为给定的显示，热潮移动通过其范围的大部分作为仿真进展，误差降低到低水平的两个倾斜和提升功能。注意，在线性情况下，稳定状态错误永远不会降为零。这是可能的，以减少通过仔细选择步骤稳定状态误差为零在控制设计过程中的问题。然而，鲁棒性当实现较低的跟踪误差会产生不利影响。这个LQG控制系统设计中有相当强大的稳定性和性能。有轻微的性能下降，之间的线性和非线性模型模拟如图8、9，如预期。然而，性能的退化足够小，可以接受。4、实时虚拟现实接口虚拟现实接口包括一个操纵杆接口，通信模型和VR程序，称为EDS之间的接口，与定时系统来控制模型的执行模拟会以一种似乎是实时的方式运行如操作员图14。在模型部分的接口，所有的接口功能，实现了使用一个自定义编程的“功能”，在Simulink块的输入是模拟时间和气缸位置，而输出的操纵杆信号。在EDS部分的接口，通信通过使用脚本语言，Python实现，运行在EDS上。装载机模型与虚拟现实接口相结合LQG控制器创建为一个完整的模型虚拟现实仿真。该模型被转换成编程代码和编译，创建一个独立的可执行程序。该模型运行速度快，作为一个独立的可执行的标准模型，使模拟更可能执行实时的要求。 4.1实时执行。必要的近似确保了该模型将实时运行。例如，具有非常快频率的小流体体积在某些情况下，在液压建模过程中消除。此外，线性版本的联动模型被用于实时仿真，因为线性化模型比非线性约束的封闭链模型快得多。使用固定步长欧拉模型方程进行了综合方法。要选择时间步长，模型的极点位置被检查。选择相应的时间步长为0.5毫秒，一种频率超过满足奈奎斯特准则。通过研究确定了Nyquist频率线性化系统的最大频率。选定的时间步长小于16倍最大频率。创建一个模拟程序，实时执行，一个定时方案的开发，这是由一个函数控制在每个模拟时间步长。给出了流程图图15用于控制定时和通信的功能，模型与虚拟现实显示。定时方案是基于系统的个人电脑时钟。模拟被允许这一次是实时显示步进运行20毫秒，DT显示时间步长是指目标的实时更新时间间隔虚拟现实显示，是看在每个20毫秒的实时步骤，操纵杆信号，缸位置与EDS千斤顶，和仿真被允许运行20毫秒的模拟时间。一旦20毫秒的仿真时间完成，从实时系统的PC时钟极化到下一步达到即20毫秒的实时已经过去了。这个过程可以重复下去或者指定一段时间。注意20步时间被选为这项研究，但可以改变其他工作。 4.2通信和操纵杆接口。模型模拟发送的双缸功能的扩展位置，升降倾斜。虚拟现实显示接收信息和在一个由2个气缸决定的配置中显示装载程序位置。模型可执行文件与虚拟现实显示是通过使用窗口套接字实现的。使用套接字通信，在不同的计算机上的程序或同一台计算机可以互相通信。沟通代码被写入自定义的虚拟接口S-Function模块随着操纵杆接口代码。操纵杆所用的有2个轴，而且是模拟的。模型读取操纵杆使用模拟数字转换器板。 4.3虚拟现实显示。虚拟现实显示计算的连接位置从模拟的双缸位置允许操作员看到模拟从任何角度，使用立体头盔显示器。显示更新快，每20毫秒就有一次作为新的数据来自于模型执行同时对虚拟现实显示。图16是一张从在EDS环境轮式装载机几何看操作者的客舱图片。图17显示从侧面看虚拟现实显示的画面。请注意，它是很难说明斗是否是水平的，从舱里看的话。5、结论和今后的工作结果表明，模拟机器的物理和控制系统实时显示的几何图形是可行的。一个复杂的轮式装载机模型仿真控制系统能够实时地进行通信与虚拟现实显示，同时运行。使用当前的设置，在虚拟现实显示中没有明显的滞后性。一个有用的平台，创建作为一个虚拟原型在一个真正的原型之前，对液压控制系统的设计进行评估建造。虚拟现实仿真中的操作员的水平提升算法提供了显着的改善新手操作维护的能力。虚拟现实仿真结果使设计人员能够更好地进行于未来发展的决定，如调整的水平电路功能，其他控制系统的特点，以及液压系统。在一般情况下，虚拟现实模拟可以用来减少需要原型机械测试概念。当然会有总是需要测试真实的机器。虚拟现实模拟可以用于减少原型过程中耗费的时间和资源阶段，通过在分析设计阶段解决更多的问题。对于未来的工作，在几个方面上的