（机械设计及理论专业论文）挖掘机器人分布式控制技术研究.pdf

浙江大学碗士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ec o n t r o lo ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o ra n dr e v i e w i n g t h ea s p e c t so f t h eh y d r a n l i ce x c a v a t o ra u t o c o n t r o la n di t sd e v e l o p m e n t ，t h ea u t h o rb r i n gf o r w a r da n e x vp l a nf o rt h er o b o t i ce x c a v a t o rc o n t r 0 1w h i c hi sn a m e d r o b o t i ce x c a v a t o rd i s t r i b u t ec o n t r o i s y s t e m i nt h ep a p e r ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ed e s i g nt e c h n o l o g y o f t h ep l a ni nd e t a i l sa n ds t u d i e s t h er o b o te x c a v a t o rd i s t r i b u t ec o n t r o lm e t h o da n dt e c h n o l o g yd e e p l y t h i sp a p e rc o n s i s t so ft h e f o l l o w i n gp a r t s ： 1 、f i r s ts u m m a r i z et h ea p p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ed i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ， i n t r o d u c et h ec h a r a c t e ro ft h e h y d r a u l i c e x c a v a t o rc o n t r o la n dr e v i e w t h e a s p e c t s o ft h e h y d r a u l i ce x c a v a t o ra u t o - c o n t r o lt e c h n o l o g y a n di t sd e v e l o p m e n t ，t h e np o i n tt h a tt h ed e v e l o p m e n t o ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o ra u t o - c o n t r o li st ob ea st h e “r o b o t i ce x c a v a t o r f i n a l l y t h e na u t h o r b r i n g sf o r w a r d t h e r o b o t i ce x c a v a t o rd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m t or e a l i z et h eh y d r a u l i ce x c a v a t o r c o n t r o 2 、i n t r o d u c ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h er o b o t i ce x c a v a t o r , s h o wt h ec o n s i s t sa n dt h e f u n c t i o no ft h er o b o t i ce x c a v a t o rd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s i so ft h i s ，a c c o m p l i s ht h e d e s i g no f t h es t d i c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dc o m p l e t et h ef u n c t i o na s s i g nt ot h ei n t e l l i g e n t n o d e s c h o s et h er i g h tn e tt y p ea n db u st y p e ，s oa st oc o m p l e t et h ep l a nd e s i g n 3 、w i t hk n o w i n ga b o u tt h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o na s s i g nt ot h ei n t e l l i g e n tn o d e so ft h e r o b o t i ce x c a v a t o rd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ，c o m p l e t et h eh a r d w a r ed e s i g no f t h ei n t e l l i g e n tn o d e s ， a n ds h o wt h er e l e v a n tk e yc i r c u i td e s i g na n dp a ya t t e n t i o nt ot h ep r o b l e mo ft h eh a r d w a r e r e l i a b i l i t ya n dk e e p i n gd i s t u r b a n c e ，a n dc o m p l e t et h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no f t h ec o m m u n i c a t i o n n e tw h i c hi sb a s e dc a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) b u s e x p l o i tt h es o f t w a r et om a n i p u l a t et h e h a r d w a r eo ft h er o b o t i ce x c a v a t o rc o n t r o s y s t e m t h es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e st h es e r v o c o n t r o l s u b - s y s t e m ，c o m m u n i c a t i o ns u b - s y s t e ma n dc o n t r o ls u b - s y s t e m e m p h a t i c a l l yi n t r o d u c et h ec a n c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li nu s e rl a y e rb a s e do nm u l t i - h o s tc o m p e t i t i o na n db u sa r b i t r a t i o n ，a n d s t a t et h ed i s t r i b u t es o f t w a r em e c h a n i s mw h i c ha p p l i e st h ev x d ( v i r t u a lxd e v i c e ) t e c h n o l o g y w h i c hw o r ki nr i n g oo ft h ew i n d o w so p e r a t i o ns y s t e mt or e a l i z et h er e a l - t i m ec o n t r o lo ft h e r o b o t i ce x c a v a t o r 4 、s h o wt h ee f f e c to ft h er o b o t i cr o b o td i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m s t a t et h ed i e s e l - p u m p m i x - c o n t r o lt h e o r ya n ds t r a t e g yw h i c hb ea p p l i e dt oe n e r g y s a v i n gn o d ei nd e t a i l sa n ds h o wt h e e f f e c t a tl a s t ，t h er o b o t i ce x c a v a t o rr e m o t ec o n t r o la sac a s ew a sg i v e n ，i nt h ef a c t ，t h ee f f e c ti s g o o d k e y w o r d s ：r o b o t i ce x c a v a t o r ；d i s t r i b u t ec o n t r o l ；r e a lt i m ec o n t r o l ；c a nb u s i i 浙江 学顷i 一学止论文 第一章绪论 【摘要】阐述本课题的研究意义及国内外的研究状况，在分析挖掘机器人控制特点及功能要 求的基础上明确研究方向和要解决的问题。 1 1 课题的提出及其研究意义 液压挖掘机的自动控制技术得到了日益广泛的研究，对具有挖掘、倾倒、修 整、升降重物等功能的复杂机器而言，自动控制技术的发展使那些以往只有熟练 技师才能完成的任务如成形挖掘能够自动的执铲。1 1 2 1 ，极大的提高了机器的操纵 性，降低了工人的劳作强度。具备这样控制技术的挖掘机被称为“机器人化的挖 掘机【3 l p 2 】1 3 5 l ，j ，或“挖掘机器人”。由于机械结构参数的变化，液压执行器件的非 线性因素和土壤环境的影响使挖掘机器人的控制非常困难【l l 。而且，其动力系统 控制、成形挖掘、自主控制需要大量的运算并要求控制的实时性、可靠性。为解 决上述问题，研究人员运用智能控制策略和采用分布式控制模式【3 【砰“。随着微 电子技术的发展和现场总线技术成熟，使得设计微型的，可靠的分布式控制用于 机器人的控制，也得到了广泛的应用 7 8 】【8 。】 8 2 】。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 分布式控制简介 分布式控制系统的产生与发展 最初的工业过程控制是通过单元组合仪表采用原始分散控制，各控制回路相 互独立，其优点是某一控制回路出现故障时，不影响其它回路的正常工作，缺点 是硬件过多，自动化程度不高，难以实现整个系统的最优控制。随后出现集中控 制，它是通过计算机将控制回路的运算、控制及显示等功能集于一身，其优点是 硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易实现系统的最优控制，缺点是危险集 中局部出现故障会影响整体。鉴于以上原因，人们开始研究集中分散控制，随 着控制技术、计算机技术、通信技术、图像显示技术的发展，7 0 年代中期吸收 原始分散控制和集中控制两者优点，产生了以“分散控制，集中管理”为特征的 分布式控$ l l t 4 6 1 t 副州。 现今，工业用的大型分布式控制产品已经经历了从初始到发展再到成熟的三 个阶段，形成了一系列标准和系列，在化工、冶金等工业领域得到广泛应用。同 浙江 学顷i 一学止论文 第一章绪论 【摘要】阐述本课题的研究意义及国内外的研究状况，在分析挖掘机器人控制特点及功能要 求的基础上明确研究方向和要解决的问题。 1 1 课题的提出及其研究意义 液压挖掘机的自动控制技术得到了日益广泛的研究，对具有挖掘、倾倒、修 整、升降重物等功能的复杂机器而言，自动控制技术的发展使那些以往只有熟练 技师才能完成的任务如成形挖掘能够自动的执铲。1 1 2 1 ，极大的提高了机器的操纵 性，降低了工人的劳作强度。具备这样控制技术的挖掘机被称为“机器人化的挖 掘机【3 l p 2 】1 3 5 l ，j ，或“挖掘机器人”。由于机械结构参数的变化，液压执行器件的非 线性因素和土壤环境的影响使挖掘机器人的控制非常困难【l l 。而且，其动力系统 控制、成形挖掘、自主控制需要大量的运算并要求控制的实时性、可靠性。为解 决上述问题，研究人员运用智能控制策略和采用分布式控制模式【3 【砰“。随着微 电子技术的发展和现场总线技术成熟，使得设计微型的，可靠的分布式控制用于 机器人的控制，也得到了广泛的应用 7 8 】【8 。】 8 2 】。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 分布式控制简介 分布式控制系统的产生与发展 最初的工业过程控制是通过单元组合仪表采用原始分散控制，各控制回路相 互独立，其优点是某一控制回路出现故障时，不影响其它回路的正常工作，缺点 是硬件过多，自动化程度不高，难以实现整个系统的最优控制。随后出现集中控 制，它是通过计算机将控制回路的运算、控制及显示等功能集于一身，其优点是 硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易实现系统的最优控制，缺点是危险集 中局部出现故障会影响整体。鉴于以上原因，人们开始研究集中分散控制，随 着控制技术、计算机技术、通信技术、图像显示技术的发展，7 0 年代中期吸收 原始分散控制和集中控制两者优点，产生了以“分散控制，集中管理”为特征的 分布式控$ l l t 4 6 1 t 副州。 现今，工业用的大型分布式控制产品已经经历了从初始到发展再到成熟的三 个阶段，形成了一系列标准和系列，在化工、冶金等工业领域得到广泛应用。同 浙江大学顺j 学出论立 时，“分散控制，集中管理”的控制思想被广泛的应用于机器人控制领域，如在 文献 3 1 8 0 】中，均运用了该控制思想。 分布式控制系统与集中式控制系统的比较 集中式控制系统是第一代过程控制系统【5 1 【“l ( c e n t r a l i s e dc o n t r o ls y s t e m ) ，它 指的是单机系统，既一台计算机对多个对象或设备进行集中管理和控制，有时称 为群控。分布式控制系统( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) ，指的是多机系统，既多台 计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络 互连关系。从整个系统来说，在功能上、逻辑上、物理上以及地理位置上都是分 散的。它的特点是各子系统间有密切的联系与信息交换，系统对其总体目标和任 务可以进行综合协调与分配。同集中式控制相比，分布式控制系统被称为第三代 过程控制系统1 5 】。在工业控制领域中，无论是集中式控制系统还是分布式控制系 统都得到十分广泛的应用，表1 1 罗列了分布式控制系统和集中式控制系统在各 方面的比较。 表1 1 分布式控制与集中式系统的比较 集中式控制系统分布式控制系统 管理集中管理和控制集中管理，分散控制 资源所有系统资源为主机所有各子系统间资源共享 通信数据通信量小数据通信量太，需增加连网设备 技术要求低高需要解决系统软、硬件的特殊问题及 系统总体的调度、协调和优化 性价比大、中型系统对主机要求高，小型系由微机构成，其价格为同等功能的太 统对主机要求低 中型集中式控制系统的l ，3 一l ，4 0 适应性与系统布线多，无效开销大缺乏扩展采用局域网为通讯介质，各控帝4 单元 灵活性的灵活性为节点式，布线少，采用模块化控制， 扩展性好 可靠性可靠性低，主机损坏影响全局子系统故障不影响全局，具容错机制 分布式控制系统的设计 设计分布式控制系统主要要解决如下方面的问题： 1 、选择与分析系统的结构如分级分布式系统、环形系统等。它表明在整 个系统中，各子系统之间的关系及其所处地位，也指明了系统中各计算机之间的 网络连接方式。各类结构分别有其功能和优缺点，必须全面分析比较后，合理的 设计和选取h 6 l 【5 2 1 1 6 0 1 。 2 、系统内的通信和连网技术系统内各计算机之间必须连网通信，进行信 息交换。网络类型与数据传送的方式及其速率也是多种多样的。必须根据系统的 要求，设计和选择合理的网络通信技术，减少用于数据的开销，以满足系统总体 的技术要求。近年来随着微型计算机的局部网络的迅速发展，使得总线式和环 浙江走学硕士学位论文 形结构逐渐成为分布式计算机控制与管理系统中占主导地位的互连结构。 3 、分布式软件的设计与开发，主要是分布式操作系统与分布式文件管理系 统，分布式数据库及其管理系统，分布式语言等。这些软件系统分别有其特点， 在技术上有相当大的难度，必须进行专门的设计与开发，才能满足分布式控制系 统的要求。 4 、系统中各子系统的功能分配，系统总体性能的实现与优化，保证系统的 控制与管理功能以及对可靠性、安全性、保密性等方面的要求。 1 2 2 液压挖掘机控制特点 液压挖掘机的执行器件包括动臂、斗杆、铲斗、回转、行走等部分，其中动 臂、斗杆、铲斗为主要的受控器件。执行器件由液压元件所驱动，所有的液压元 件构成液压系统，动力由柴油机泵提供。从控制的角度来讲主要进行柴油机泵 一阀联合控制、液压系统控制、机器人路径规划控制等。有关挖掘机器人细节可 参阅文献 4 2 ， 液压挖掘机的工作特点是工作循环时间短，各执行机构制动频繁，负载变化 大、震动冲击多，野外作业工作环境温度变化大、维护条件差唧j 。而且，正是由 于作业环境和作业对象的非结构性、非预知性决定了其控制上的非线性。这一点， 从执行器件的运动过程能够直观表现出来。执行器件在运动过程中随着关节角的 变化其惯性力、重力( 如有无负载) 、离心力、偏向力呈非线性变化，并且还受 关节间耦合因素的影响。这些力中离心力和偏向力的影响较小，惯性力和重力 的影响较大，不仅绝对数值大，而且变化呈严重的非线性( 】。不仅如此，控制执 行器件的液压器件也具有多种非线形因素。 液压器件至少存在三种非线性因烈】 4 2 1 1 2 7 1 9 0 】： l 、阀特眭 阀是液压油从液压泵流往液压缸的必 经器件。阀的流量q 是阀开口面积a ，进 出口压差a p 的函数( q ：c 面，c 一系 数) 。万和a ( 见图1 1 ) 都是呈非线性 变化的，因此阀的压力流量特性是非线性 的。 2 、死区 图1 1 为用于浙江大学机械设计研究 所开发的w y - 3 5 挖掘机器人应用的六通 阀阀心位移与开口面积特性。图中的f 段 j ( 阀心位移，m , t 1 ) 图1 1 阀心位移与开口面积特性 浙江走学硕士学位论文 形结构逐渐成为分布式计算机控制与管理系统中占主导地位的互连结构。 3 、分布式软件的设计与开发，主要是分布式操作系统与分布式文件管理系 统，分布式数据库及其管理系统，分布式语言等。这些软件系统分别有其特点， 在技术上有相当大的难度，必须进行专门的设计与开发，才能满足分布式控制系 统的要求。 4 、系统中各子系统的功能分配，系统总体性能的实现与优化，保证系统的 控制与管理功能以及对可靠性、安全性、保密性等方面的要求。 1 2 2 液压挖掘机控制特点 液压挖掘机的执行器件包括动臂、斗杆、铲斗、回转、行走等部分，其中动 臂、斗杆、铲斗为主要的受控器件。执行器件由液压元件所驱动，所有的液压元 件构成液压系统，动力由柴油机泵提供。从控制的角度来讲主要进行柴油机泵 一阀联合控制、液压系统控制、机器人路径规划控制等。有关挖掘机器人细节可 参阅文献 4 2 ， 液压挖掘机的工作特点是工作循环时间短，各执行机构制动频繁，负载变化 大、震动冲击多，野外作业工作环境温度变化大、维护条件差唧j 。而且，正是由 于作业环境和作业对象的非结构性、非预知性决定了其控制上的非线性。这一点， 从执行器件的运动过程能够直观表现出来。执行器件在运动过程中随着关节角的 变化其惯性力、重力( 如有无负载) 、离心力、偏向力呈非线性变化，并且还受 关节间耦合因素的影响。这些力中离心力和偏向力的影响较小，惯性力和重力 的影响较大，不仅绝对数值大，而且变化呈严重的非线性( 】。不仅如此，控制执 行器件的液压器件也具有多种非线形因素。 液压器件至少存在三种非线性因烈】 4 2 1 1 2 7 1 9 0 】： l 、阀特眭 阀是液压油从液压泵流往液压缸的必 经器件。阀的流量q 是阀开口面积a ，进 出口压差a p 的函数( q ：c 面，c 一系 数) 。万和a ( 见图1 1 ) 都是呈非线性 变化的，因此阀的压力流量特性是非线性 的。 2 、死区 图1 1 为用于浙江大学机械设计研究 所开发的w y - 3 5 挖掘机器人应用的六通 阀阀心位移与开口面积特性。图中的f 段 j ( 阀心位移，m , t 1 ) 图1 1 阀心位移与开口面积特性 浙江大学顾卜学位论文 即为死区，是阀心左右行程的交叠区域， 当阀心处于该区域时液压阀处于关闭状 态。以图1 1 为例，阀心位移s 从0 到行 2 _ 0 程f - k 的过程中，f 段对油缸进油口来一 讲为无效行程，是控制上的死区。它的 01 0 设计方便了操作者，但在控制上带来了茎 非线性【”。 3 、时间延迟 从手柄操作给出泵排量指令，到泵 排量实际输出，再经液压管道、阀到达 图1 2 液压泵流量输出时滞现象 液压缸，传递的过程需要时间，在控制上形成时间延迟。并且控制量越小时间延 迟越大1 1 】 这一点在图1 2 中有明显的体现。图中起始阶段泵的实际排量g 高于 泵的设定排量a 是因为泵有最小排量限定，多出的流量通过旁路回油通路回油 箱。 挖掘机器人的操作对象是情况难以预知的土壤和重物等，给挖掘机器人的控 制带来困难，也是产生非线性的重要因素。 1 2 3 国外液压挖掘机控制技术的研究 液压挖掘机控制技术的研究最终目的是机器人化，实现全自动运转。当今世 界各国挖掘机厂家的机电一体化技术的发展，主要是致力于改善司机作业环境， 提高机器性能、能量损失、完善机器运行管理、提高机器自动化程度等。目前， 较为成功的有电子检测、监控及故障诊断系统，电子操纵系统，电子控制的新液 压系统，节能控制器，无线遥控系统及自动、半自动挖掘控制系统。 节能控制技术的研究 目前，对挖掘机节能控制系统的研究主要集中在对挖掘机动力传动系统进行 控制。按元器件分可分为发动机控制系统、液压泵控制系统、液压阀控制系统、 执行元件控制系统和整机控制系统1 4 9 】。 柴油发动机控制的目的是控制油门开度的大小来实现柴油机输出转速的调 节。常有的控制形式有以下三种6 5 】【删： 1 ) 电磁阀和液压缸来控制发动机的油门开度。 2 ) 步进电机或伺服电机控制发动机的油门开度，这是目前应用最多的一种 形式。 3 ) 发动机电子调速器。用电子控制器对发动机燃料系统和泵的变量系统进 行控制，令泵的流量与柴油机转速始终达到合理的匹配，达到高性能和节能的目 浙江大学顾卜学位论文 即为死区，是阀心左右行程的交叠区域， 当阀心处于该区域时液压阀处于关闭状 态。以图1 1 为例，阀心位移s 从0 到行 2 _ 0 程f - k 的过程中，f 段对油缸进油口来一 讲为无效行程，是控制上的死区。它的 01 0 设计方便了操作者，但在控制上带来了茎 非线性【”。 3 、时间延迟 从手柄操作给出泵排量指令，到泵 排量实际输出，再经液压管道、阀到达 图1 2 液压泵流量输出时滞现象 液压缸，传递的过程需要时间，在控制上形成时间延迟。并且控制量越小时间延 迟越大1 1 】 这一点在图1 2 中有明显的体现。图中起始阶段泵的实际排量g 高于 泵的设定排量a 是因为泵有最小排量限定，多出的流量通过旁路回油通路回油 箱。 挖掘机器人的操作对象是情况难以预知的土壤和重物等，给挖掘机器人的控 制带来困难，也是产生非线性的重要因素。 1 2 3 国外液压挖掘机控制技术的研究 液压挖掘机控制技术的研究最终目的是机器人化，实现全自动运转。当今世 界各国挖掘机厂家的机电一体化技术的发展，主要是致力于改善司机作业环境， 提高机器性能、能量损失、完善机器运行管理、提高机器自动化程度等。目前， 较为成功的有电子检测、监控及故障诊断系统，电子操纵系统，电子控制的新液 压系统，节能控制器，无线遥控系统及自动、半自动挖掘控制系统。 节能控制技术的研究 目前，对挖掘机节能控制系统的研究主要集中在对挖掘机动力传动系统进行 控制。按元器件分可分为发动机控制系统、液压泵控制系统、液压阀控制系统、 执行元件控制系统和整机控制系统1 4 9 】。 柴油发动机控制的目的是控制油门开度的大小来实现柴油机输出转速的调 节。常有的控制形式有以下三种6 5 】【删： 1 ) 电磁阀和液压缸来控制发动机的油门开度。 2 ) 步进电机或伺服电机控制发动机的油门开度，这是目前应用最多的一种 形式。 3 ) 发动机电子调速器。用电子控制器对发动机燃料系统和泵的变量系统进 行控制，令泵的流量与柴油机转速始终达到合理的匹配，达到高性能和节能的目 浙江大学硕l 学位论文 的。国外已有一些成熟的产品，如美国康明斯公司的发动机电子调速器。 对液压泵的控制都是通过调节泵的变量摆角来实现的。按其控制形式可分 为：功率控制、流量控制、组合控制等。国外新一代的液压挖掘机液压泵的控制 系统大多采用功率控制和流量控制的组合控制。其中有： 1 ) 总功率控制、负流量控制和压力切断控制的组合控制。如日本小松公司 的中小型挖掘机采用了此控制方法。 2 ) 挖掘机作业模式的选择。据作业工况的不同，改变发动机转速和泵的排 量，以适应挖掘机工况，目的是节能和降低噪音，如日立公司的e x 2 0 0 型挖掘 机。 3 ) 极限负荷控制、压力切断控制和回转扭矩控制的组合控制。为充分利用 发动机功率，又不使发动机超载，大型挖掘机广泛采用极限负荷控制，为节能， 还采用回转扭矩控制和压力切断控制。 电子检测、监测和故障诊断系统 所谓电子检测、监控技术就是对挖掘机的动力装置、传动装置、工作装置、 制动装置等运行状态进行检测和参数值显示，对机器异常运行状态进行自动分 析、诊断、并提示司机排除故障的方法。它可以及时、准确给司机提各种隋报， 改善司机作业环境，提高维修准确性、减少维修时间，有利于对机器管理，并为 l b l l l 5 c a 图1 3 日本小松公司监控装置表板图 进一步的自动控制打下基础。美国卡特彼勒公司于1 9 7 3 年第一次将电子监控产 品用于工程机械，它是最早在工况监测中应用电子技术的公司之一。该公司在 1 9 7 8 年也将微处理器用于挖掘机的故障报警中。 目前，电子监测和故障诊断技术已普遍应用于国外挖掘机产品上，而且监测 浙江大学硕士学也论文 系统的范围及功能也日益广泛，如美国卡特彼勒公司研制的用于3 2 5 系列的监控 系统，它是按照人机工程学的观点设计的。它的监控仪表扳能不断地向司机显示 机器的实时工况并且可容纳大部分的机器系统控制装置。此外，日本的日立、小 松公司，德国德马克公司，韩国三星、大宇公司，加拿大r o r s e m o u n t 公司都开 发了自己的电子监测系统。 现今，电子检测、监控及故障诊断系统正向着建立在计算机辅助诊断基础上 的多功能自动化系统诊断进而有人工智能的专家系统的方向发展。 遥控 为满足液压挖掘机在危险作业现场、核辐射、水下、有毒等场合下施工的需 要，采取遥控作业是一种可行的方式。在八十年代初期，美国的德雷公司和约 翰迪尔公司就开始生产和销售遥控挖掘机。美国德雷公司生产的军用遥控挖掘 机的遥控距离为1 6 9 0 米。约翰迪尔公司的6 9 0 0 r 型遥控液压挖掘机是八十年 代典型的遥控挖掘机，该机采用迪尔6 4 6 6 t 型柴油机作为动力，功率为1 2 5 马力， 机重1 8 6 吨，挖掘半径9 4 5 米，挖深6 1 米，无线遥控作业范围达1 5 2 5 米，也 可用同轴电缆在3 0 5 米的范围内完成作业。该机的无线控制系统由控制台发射 接收部分和机上发射接收部分组成。控制台包括图象声音接收器，为处理输入 信号所需要的译码装置，它也包括控制装置和编码装置，以产生和接收命令。机 上仪器接收控制信号，并将这些信号转换为比例电磁阀和摄像机控制所需的信 号，其发射部分则将电视图象信号通过天线发送给远方的操纵人员。 八十年代末，日本也推出了遥控挖掘机，如日本自石株式会社、东海电气株 式会社共同研制的深基础自动挖掘机对于简单可均匀挖掘的环境可以采用离线 编程自动挖掘的作业方式，而对于复杂作业环境可以通过打开机体作业装置上的 电视摄象机，由操纵者在地面进行手动有线遥控。瑞典霍尔摩海多公司的反铲挖 掘机，也采用了无线遥控装置，可以进行人类不能从事的危险作业。 遥控挖掘机的所有执行机构全部采用电信号控制，这是液压挖掘机机器人化 的基础。 自动控制 实现液压挖掘机的自动控制不但可以减轻操纵者劳动强度，提高作业效率， 对一般司机也能实现高精度的水平挖掘。日本三菱公司研制的挖掘机的挖掘轨迹 自动控制系统，司机可在控制板上任意设定铲斗的运动轨迹，经过微机处理后， 可以实现铲斗在与水平面成3 0 。内的直线挖掘以及铲斗卸料后自动进入挖掘 姿态等连续动作。 液压挖掘机的机电一体化的最终目的是机器人化，实现全自动运转。在这方 面，国外研究者们广泛的在成形挖掘、规划控制、遥控控制等发面应用了智能控 制和分布式控制。文献 3 6 1 0 0 应用模糊控制对自动采矿机器人成形挖掘进行了研 6 浙江大学硕士学位论文 究，在模糊规则不复杂的情况下对简单的挖掘环境取得了不错的效果。h a j j 盯 d 等应用神经网络自适应控制研究挖掘机器人的规划控制2 9 1 ，在仿真试验中，在挖 掘过程对系统加载，比同样条件下的p i d 控制器效果好得多。i s h i k a w 等应用前 馈控制进行了柴油机转速感应控制，取得较好效果。s t r u c k m a n 运用神经网络 控制微波成相挖掘机器人，使其能够识别埋入地下5 厘米的铝盘1 2 3 】。s u n g - u kl e e 等应用切换动作的时间延迟控制和采用死区时滞补偿措施，使2 0 吨挖掘机器人 的直线掘进能以0 5 m s 的工作速度良好运行1 1 】。 1 2 4 国内液压挖掘机控制技术的研究 我国的工程机械机电一体化工作实际上早在7 0 年代初已经开始，这个时 间接近发达工业国家起步时间，但主要工作集中在工程机械的电子监控系统上。 而由于种种原因，我国工程机械的机电一体化进展缓慢，和国外工业发达国家的 差距越来越大。我国的液压挖掘机机电一体化技术起步更晚，虽然在某些局部也 取得了一些进展，但在产品商品化方面仍远远落后于工业发达国家。 下面介绍一下国内液压挖掘机机电一体化技术的进展和国内液压挖掘机机电 一体化现状。 节能控制 我国挖掘机行业在液压挖掘机节能控制方面的研究取得了一定的成果。1 9 9 4 年，上海建筑机械厂曾宣布已开发出“液压挖掘机空载节能装置”，但该装置并 没有在挖掘机行业推广：19 9 5 年，浙江大学机械设计研究所与广西玉柴机器股 份有限公司合作开发了用于m y 2 0 y c 液压挖掘机上的节能控制装置并装机成 功，该装置实现了柴油机的电子油门控制：1 9 9 5 年开始，四川长江挖掘机厂开 始与浙江大学机械设计研究所开始合作开发液压挖掘机节能控制系统；2 0 0 0 年 开始，浙江大学机械设计研究所在节能控制理论上取得较大进展，并成功自主开 发了液压挖掘机节能控制器和电子油门执行器，现已经形成产品，向商品化方向 发展迈出了重要一步。 系统监控 我国的挖掘机行业在系统监控方面取得不少进展。1 9 9 0 年济南军区研制成 功能简单、实用的c j q - i i 型工程机械检测仪；后期天津工程机械研究所研制出 比c j q i i 更为先进的e m s a 型电子监测仪；1 9 9 2 年同济大学与合肥矿山机械 厂合作开发的液压挖掘机故障显示电子系统：1 9 9 3 年浙江大学与长江挖掘机厂 合作，开发了具有液晶汉字显示、故障自动判断、报警记录与微机通讯等功能的 智能式工况实时监测与故障诊断系统，并于1 9 9 4 年通过四川省科技成果鉴定； 1 9 9 4 年浙江大学与广西玉林柴油机厂合作开发m y 2 0 - y c 液压挖掘机上的监控 7 浙江大学硕士学位论文 究，在模糊规则不复杂的情况下对简单的挖掘环境取得了不错的效果。h a j j 盯 d 等应用神经网络自适应控制研究挖掘机器人的规划控制2 9 1 ，在仿真试验中，在挖 掘过程对系统加载，比同样条件下的p i d 控制器效果好得多。i s h i k a w 等应用前 馈控制进行了柴油机转速感应控制，取得较好效果。s t r u c k m a n 运用神经网络 控制微波成相挖掘机器人，使其能够识别埋入地下5 厘米的铝盘1 2 3 】。s u n g - u kl e e 等应用切换动作的时间延迟控制和采用死区时滞补偿措施，使2 0 吨挖掘机器人 的直线掘进能以0 5 m s 的工作速度良好运行1 1 】。 1 2 4 国内液压挖掘机控制技术的研究 我国的工程机械机电一体化工作实际上早在7 0 年代初已经开始，这个时 间接近发达工业国家起步时间，但主要工作集中在工程机械的电子监控系统上。 而由于种种原因，我国工程机械的机电一体化进展缓慢，和国外工业发达国家的 差距越来越大。我国的液压挖掘机机电一体化技术起步更晚，虽然在某些局部也 取得了一些进展，但在产品商品化方面仍远远落后于工业发达国家。 下面介绍一下国内液压挖掘机机电一体化技术的进展和国内液压挖掘机机电 一体化现状。 节能控制 我国挖掘机行业在液压挖掘机节能控制方面的研究取得了一定的成果。1 9 9 4 年，上海建筑机械厂曾宣布已开发出“液压挖掘机空载节能装置”，但该装置并 没有在挖掘机行业推广：19 9 5 年，浙江大学机械设计研究所与广西玉柴机器股 份有限公司合作开发了用于m y 2 0 y c 液压挖掘机上的节能控制装置并装机成 功，该装置实现了柴油机的电子油门控制：1 9 9 5 年开始，四川长江挖掘机厂开 始与浙江大学机械设计研究所开始合作开发液压挖掘机节能控制系统；2 0 0 0 年 开始，浙江大学机械设计研究所在节能控制理论上取得较大进展，并成功自主开 发了液压挖掘机节能控制器和电子油门执行器，现已经形成产品，向商品化方向 发展迈出了重要一步。 系统监控 我国的挖掘机行业在系统监控方面取得不少进展。1 9 9 0 年济南军区研制成 功能简单、实用的c j q - i i 型工程机械检测仪；后期天津工程机械研究所研制出 比c j q i i 更为先进的e m s a 型电子监测仪；1 9 9 2 年同济大学与合肥矿山机械 厂合作开发的液压挖掘机故障显示电子系统：1 9 9 3 年浙江大学与长江挖掘机厂 合作，开发了具有液晶汉字显示、故障自动判断、报警记录与微机通讯等功能的 智能式工况实时监测与故障诊断系统，并于1 9 9 4 年通过四川省科技成果鉴定； 1 9 9 4 年浙江大学与广西玉林柴油机厂合作开发m y 2 0 - y c 液压挖掘机上的监控 7 浙江大学硕卜学位论文 系统：1 9 9 5 年浙江大学与长江挖掘机厂合作研制了应用于w y _ 1 6 0 b 液压挖掘机 上的便携，固定式液压挖掘机工况监测和故障查找装置；2 0 0 0 年浙江大学开发出 可商品化的工况监控系统，并应用p d a 开发了自动故障诊断系统。 自动化控制及智能控制 1 9 8 6 年同济大学最早开发了微机操纵的挖掘机正铲试验台，进行挖掘机规 划控制方面的研究；1 9 8 8 年浙江大学机械设计研究所研制了微机操纵的反铲液 压挖掘机试验台，并在规划控制、力反馈规划控制、自动避障、局部自主控制等 方亟取得很大进展。1 9 9 5 浙江大学机械设计研究所在挖掘机智能神经网络伺服 控制方面也取了一定成绩。2 0 0 0 年，浙江大学机械设计研究所以w y - 3 5 实验型 智能挖掘机器人为研究平台，在节能控制策略、故障诊断、机器人规划控制方面 取得进展1 4 2 】【5 i 】。 无线遥控 国内关于工程机械遥控操作方面的公开报道不太多见。7 0 年代初，天津工 程机械研究所与塘沽盐场合作研制出我国第一台3 m 水深，无线电遥控水陆两用 推土机。解放军8 9 0 0 1 部队在八十年代中期曾经研制出g j w l l 有线遥控轮式挖 壕机和y h 一5 0 有线遥控多用途养护工程车，前者遥控半径为1 1 米，其手持式遥 控盒具有较全面的功能，包括了工作装置的所有作业动作以及发动机转速和机器 行走。后者遥控半径为1 0 米，手持式控制盒可咀控制压路滚的所有作业动作【l ”。 1 9 9 5 年浙江大学机械设计研究所成功实现了液压挖掘机的近距离无线遥控。 该系统遥控半径在2 0 米左右，通过人眼观测挖掘工作面，利用无线电传播开关 信号来控制液压挖掘机各工作油缸来完成简单作业。从9 5 年到现在它们继续从 事液压挖掘机的远距离遥控及商品化工作【5 】。 总的来说，我国的液压挖掘机的机电一体化工作已经取得了较大进展。比如 说，浙江大学机械设计研究室在液压挖掘机的自动控制领域达到或接近国外的先 进水平，并向商品化方向上有了一定的进展。但在各方面与国外挖掘机机电一体 化技术的差距仍然十分明显。在总体上尤其是商品化应用上要落后还远远的落后 于国外。 1 3 课题研究的主要内容 浙江大学机械设计研究所于2 0 0 0 年9 月成功开发w y 一3 5 实验型挖掘机器 人。机器人的控制系统选择了军用p c 为核心的集中式控制系统，研究人员运用 该系统成功的进行了机器人节能控制策略和机器人规划控制的初步开发。但由于 挖掘机器人工况比较复杂，工作环境完全在室外而且震动较大，该系统可靠性不 高，功能不强的缺点使得它不能够继续胜任后继的科研工作。为了迸一步开发挖 浙江大学硕卜学位论文 系统：1 9 9 5 年浙江大学与长江挖掘机厂合作研制了应用于w y _ 1 6 0 b 液压挖掘机 上的便携，固定式液压挖掘机工况监测和故障查找装置；2 0 0 0 年浙江大学开发出 可商品化的工况监控系统，并应用p d a 开发了自动故障诊断系统。 自动化控制及智能控制 1 9 8 6 年同济大学最早开发了微机操纵的挖掘机正铲试验台，进行挖掘机规 划控制方面的研究；1 9 8 8 年浙江大学机械设计研究所研制了微机操纵的反铲液 压挖掘机试验台，并在规划控制、力反馈规划控制、自动避障、局部自主控制等 方亟取得很大进展。1 9 9 5 浙江大学机械设计研究所在挖掘机智能神经网络伺服 控制方面也取了一定成绩。2 0 0 0 年，浙江大学机械设计研究所以w y - 3 5 实验型 智能挖掘机器人为研究平台，在节能控制策略、故障诊断、机器人规划控制方面 取得进展1 4 2 】【5 i 】。 无线遥控 国内关于工程机械遥控操作方面的公开报道不太多见。7 0 年代初，天津工 程机械研究所与塘沽盐场合作研制出我国第一台3 m 水深，无线电遥控水陆两用 推土机。解放军8 9 0 0 1 部队在八十年代中期曾经研制出g j w l l 有线遥控轮式挖 壕机和y h 一5 0 有线遥控多用途养护工程车，前者遥控半径为1 1 米，其手持式遥 控盒具有较全面的功能，包括了工作装置的所有作业动作以及发动机转速和机器 行走。后者遥控半径为1 0 米，手持式控制盒可咀控制压路滚的所有作业动作【l ”。 1 9 9 5 年浙江大学机械设计研究所成功实现了液压挖掘机的近距离无线遥控。 该系统遥控半径在2 0 米左右，通过人眼观测挖掘工作面，利用无线电传播开关 信号来控制液压挖掘机各工作油缸来完成简单作业。从9 5 年到现在它们继续从 事液压挖掘机的远距离遥控及商品化工作【5 】。 总的来说，我国的液压挖掘机的机电一体化工作已经取得了较大进展。比如 说，浙江大学机械设计研究室在液压挖掘机的自动控制领域达到或接近国外的先 进水平，并向商品化方向上有了一定的进展。但在各方面与国外挖掘机机电一体 化技术的差距仍然十分明显。在总体上尤其是商品化应用上要落后还远远的落后 于国外。 1 3 课题研究的主要内容 浙江大学机械设计研究所于2 0 0 0 年9 月成功开发w y 一3 5 实验型挖掘机器 人。机器人的控制系统选择了军用p c 为核心的集中式控制系统，研究人员运用 该系统成功的进行了机器人节能控制策略和机器人规划控制的初步开发。但由于 挖掘机器人工况比较复杂，工作环境完全在室外而且震动较大，该系统可靠性不 高，功能不强的缺点使得它不能够继续胜任后继的科研工作。为了迸一步开发挖 浙江大学颐f 1 学垃论文 掘机器人控制策略，对液压挖掘机的智能化发展做出拓进陛工作，浙江大学机械 设计研究所采用分布式控制系统进行进一步的研究工作。 本文作者承担控制系统的开发工作，主要内容如下： 1 、挖掘机器人分布式控制系统的方案选择。在解析挖掘机器人功能要求和 体系结构的基础上选择合适的网络拓扑结构和通信总线，并设计控制系统的总体 结构和完成各智能节点的功能分配。 2 、挖掘机器人分布式控制系统硬件体系设计。挖掘机器人是集机械、电子、 通信等多学科的复杂设备，同时，挖掘机器人的工况恶劣，静电干扰和噪声影响 较大。因此，机器人的系统控制要求具有较高的实时性和可靠性。以此为前提， 依据分布式控制系统的设计方案，完成控制系统硬件选型、电路设计和调试，最 终完成系统的组装。 3 、开发挖掘机器人分布式控制系统的分布式软件机制。探讨系统的实时控 制机制和研究系统伺服控制、通讯规则以及规划控制和人机交互的协同机制。 4 、进一步开发机器人柴油机一泵复合控制策略，实现节能控制的独立运行， 使机器人能够可靠、节能的运作。构筑系统伺服控制运行框架，为进一步开发机 器人控制程序提供基础。 9