硕士学位论文-液压挖掘机器人轨迹跟踪综合控制策略方案研究.pdf

浙江大学 硕士学位论文 液压挖掘机器人轨迹跟踪综合控制策略方案研究 姓名 朱圣兵 申请学位级别 硕士 专业 机械设计及理论 指导教师 冯培恩 潘双夏 20060201 五 j 辨 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得澎鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 撇文惴名 研乃蕴蝴期 们占年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授 权滥鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影 印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者躲位力夏 签字日期 a 们1 年 月1 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 暖和L 签字日期 多 年 月妒日 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 摘要 本文主要描述了液压挖掘机器人的轨迹规划优化及其轨迹跟踪控制方法 介 绍了国内外液压挖掘机机电一体化技术的最新研究进展 并针对我所的W Y 3 5 型多功能液压挖掘机器人 分析了当前在轨迹跟踪控制研究中存在的问题 提出 了本课题的研究方向和主要任务 最后根据提出的挖掘机器人轨迹跟踪控制综合 策略 进行了相关试验和数据分析 总体来说 本文主要研究了下面几个方面的内容 1 提出了一种规划和控制相集成的综合控制策略 在传统的轨迹规划器 中 加入轨迹优化模块 在关节伺服控制中 采用基于规则的智能P I D 控制策 略 在泵控制中 采用改进的负流量节能控制技术 以达到在不损失液压挖掘机 器人跟踪效率的前提下提高轨迹跟踪的平稳性和轨迹跟踪精度 2 针对传统的轨迹规划策略存在的单纯以实现运动轨迹为目的 缺乏对液 压系统操作平稳性和节能效果综合考虑的缺陷 提出了一种综合考虑液压系统操 作平稳性和节能效果的规迹规划优化方法 建立了相应的系统模型 开发了相应 的规迹规划优化软件 达到减小油缸往复运动所引起的剧烈振动和抖动现象 从 而使操作过程更加平稳和获得更好的节能效果 并符合实际切削角度的要求 3 关节伺服控制算法研究 由于传统的数字P I D 控制算法 无法满足对挖 掘机器人轨迹跟踪精度以及操作平稳性的要求 提出了基于规则的智能P I D 控 制策略 在A D A C S l 2 单片机上实现了该控制算法 并实际运用于我所的液压挖 掘机器人 同时也介绍了一种新颖的 对非线性系统有很强适应性的T D C 控制 方法 并进行了M A T L A B 仿真 4 综合策略试验 在我所的W Y 3 5 型液压挖掘机器人上做了相关综合策 略下的轨迹跟踪试验 包括角关节位置跟踪实验 以及直线运动和三角形运动实 验 并进行了实验数据分析 与我所早期的实验进行了对比 证实了相关方案和 策略的有效性和可行性 关键字 挖掘机器人机电一体化轨迹跟踪轨迹优化智能P I DT D C 浙江大学硕士学位论文 A b s t r a c t T h eo p t i m i z e dt r a j e c t o r yp l a n n i n ga n dt r a j e c t o r yt r a c k i n gc o n t r o lo ft h er o b o t i c h y d r a u l i ce x c a v a t o ra r es t u d i e di nt h i sp a p e r T h el a t e s tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti n m e c h a t r o n i ct e c h n o l o g yo fh y d r a u l i ce x c a v a t o r si sa l s oi n t r o d u c e d T h er e s e R r c h d i r e c t i o na n dt a s ko f t h i st h e s i si sg i v e ni nt h el i g h to f t h ep r e s e n ts i t u a t i o no f W Y 3 5 H y d r a u l i cE x c a v a t o ri nM e c h a n i c a lD e s i g nI n s t i t u eo fZ h e j i a n gU n i v e r s i t y A tl a s t a c c o r d i n gt o t h ec o m p r e h e n s i v es t r a t e g yb r o u g h to u tf o rt r a j e c t o r yt r a c k i n ga n d c o n t r o lo ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o r 8 0 m er e l a t i v ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e d a n dr e s u l t sf r o me x p e r i m e n t sh a v eb e e na n a l y s e d T h e f o l l o w i n gi t e m sa r cm a i n l yi n t r o d u c e d 1 A nc o m p r e h e n s i v es t r a t e g yo f t r a j e c t o r yt r a c k i n gc o n t r o lo f t h er o b o t i ce x c a v a t o r i sg i v e n i nt h el i g h to f t h es t r o n gn o n l i n e a r i t yo f d e v i c e sa n dh y d r a u l i cs y s t e mo f t h er o b o t i ce x c a v a t o r I nt h et r a d i t i o n a lt r a j e c t o r yp l a n n i n g a no p t i m i z a t i o n m o d e li sj o i n e d T h ei n t e l l i g e n tP I Dc o n t r o lb a s e do ns o m er u l e si sa d o p t e di nt h e j o i n ts e v o c o n t r o l s A n dt h en e g a t i v ec o n t r o li sa d o p t e d i nt h ep u m ps e v o c o n t r 0 1 2 A no p t i m i z a t i o nm o d e lo ft r a j e c t o r yp l a n n i n g I nt r a d i t i o n a ls t r a t e g i e sf o r t r a j e c t o r yp l a n n i n g t h ep e r f o r m a n c eo f o p e r a t i o na n de n e r g ys a v i n go f h y d r a u l i c s y s t e m sw e r en o tc o n s i d e r e dc a r e f u l l y S oag o o dc o n t r o ls t r a t e g yw i t hs p e e da n d a c c e l e r a t i o no p t i m i z a t i o ni sb m u g h to u t a n ds o m er e s t r a i n sa r ea l s o j o i n e di nt h i s s t r a t e g y 3 M e t h o d so f j o i n ts e r v c o n t r 0 1 F o rat r a d i t i o n a ld i g i t a lP I Dc o n t r o lC a nn o ts a t i s f y o u rr e q u i r e m e n t so fg o o dp r e c i s i o no ft r a j e c t o r yt r a c k i n ga n dg o o dp e r f o r m a n c e o f o p e r a t i o n t h ei n t e l l i g e n td i g i t a lP I Dc o n t r o lb a s e do ns o m er u l e si sa d o p t e di n t h e j o i n ts e v o c o n t r o l s A tt h es a m et i m e T i m eD e l a yC o n t r o l T D C w h i c hh a s a g o o dr o b u s tc a p a b i l i t ya n ds t r o n ga p p l i c a b i l i t yt on o n l i n e a r i t ys y s t e m s i sa l s o i n t r o d u c e da n ds i m u l a t e d 4 E x p e r i m e n t sa b o u tc o m p r e h e n s i v es t r a t e g i e s S o m ee x p e r i m e n t sh a v e b e e n c o n d u c e do nt h eW Y 3 5H y d r a u l i cE x c a v a t o r i n c l u d i n gm u l t i j o i n t sm o t i o n l i n e m o t i o na n dt r i a n g l em o t i o n T h er e l m i v ep l a n sa n dm e t h o d sa p r o v e dv a l i dv i a t h ea n a l y s i so f r e s u l t sf r o me x p e r i m e n t s K e y w o r d s r o b o t i ce x c a v a t o r m e c h a t r u n i c s t r a j e c t o r yt r a c k i n g t r a j e c t o r y o p t i m i z a t i o n i n t e l l i g e n tP I D T D C 2 0 一绷秦 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 液压挖掘机机电一体化技术的发展现状 液压挖掘机是一种典型的工程机械机器人 广泛运用于矿山开掘 矿场开采 交通设施 水电工程以及土建工程等领域 机电一体化作为一项综合性高新技术 从2 0 世纪末以来 其快速发展给工程机械 也给液压挖掘机器人领域的发展带 来了新的技术变革 由于单纯液压技术的局限性 使开发现代化的高性能 高精 度 高节能的工程机械成为瓶颈 而机电一体化技术的引入 使液压技术和电子 技术相结合 是工程机械发展的客观需要 也是必然趋势 在液压挖掘机中加入 电子化 自动化和智能化的机电一体化技术 这种技术变革是把机械 液压 电 子与信息等相关技术进行有机的组织 协调和综合 从而实现一个最佳系统 上世纪8 0 年代以来 随着液压技术 微电子技术 传感技术 内燃机技术 以及自动控制技术的兴起和成熟 推动了国内外液压挖掘机制造技术的迅速发 展 应用机电一体化技术对液压挖掘机进行相关控制 主要包括电子检测 监控 电子节能控制 轨迹跟踪控制 自主挖掘控制以及智能控制 1 1 1 国外机电一体化技术在液压挖掘机上的应用 机电一体化技术在液压挖掘机上的应用 在国外发达国家发展较早 特别是 美国 日本 俄罗斯以及法国 德国等欧洲发达国家 1 电子监测 监控技术 电子监控是用电子技术 传感技术对液压挖掘 机的工作状态 工作参数进行监测监控 以便随时掌握液压挖掘机的各个状态参 数 从而对液压挖掘机操作运行过程中出现的故障进行自动分析和自我诊 断 并提醒操作员排除故障 它可以较好地提高挖掘机维修的准确性和管理的有 效性 它是在液压挖掘机上应用机电一体化技术的基础和基本应用 美国卡特波 勒公司1 9 7 8 年就研制出了用于挖掘机的电子监控系统 日本的日立和小松公司推 出的液压挖掘机电子监控和自动诊断系统 可随时显示挖掘机的各种作业状态 并可进行发动机转速 液压流量和所有电气系统的瞬时监测 可针对某个具体故 障显示出相应可采取的措施 并发出警报提醒操作员 德国O K 公司推出的电 浙扛大学硕士学位论文 子监控系统设有预防性管理 不仅具备监测 记录和诊断功能 还可以直接发出 操作指令 并在监控系统的数据传输方面率先采用卫星通讯技术 可将液压挖掘 机的工作状态 故障信息通过卫星传回管理维修中心位 2 电子节能控制技术 电子节能技术是对监测到的挖掘机状态输入微电 子处理系统进行处理分析 然后再去控制挖掘机的状态 使之在提高工作效率的 同时达到节能效果 电控节能绝大部分采用泵一发动机电子载荷传感系统 通过观察挖掘的作业对象和对作业速度的要求 由节能控制系统实现对液压挖掘 机泵的排量和发动机输出功率的匹配 日本日立的E X 型液压挖掘机的微机处理 系统 把处理后的指令信号通过控制器传输给控制电机 电磁阀等 对发动机 液压泵及伺服阀等进行精确控制 使挖掘机操作速度与工作方式和负载条件相适 应 实现了对功能动作的精确控制及发动机输出功率与负载需求的匹配 从而实 现挖掘机作业的高效率 并可有效降低油耗实现节能 3 美国林肯贝尔特公司 新C 系列L S 5 8 0 0 型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统 可自动调节流量 避免了驱动功率的浪费 并且安装了C A P S 计算机辅助功率系统 提高了挖掘 机的作业功率 更好地发挥液压系统的功能等等 另外 电子自动怠速装置 在节能控制技术应用中也相当普遍 当液压挖掘机的两个操纵手柄中立时间超过 某一设定值时 发动机实现自动怠速 以实现减少能耗 降低噪音6 1 3 轨迹跟踪和自主挖掘控制技术 轨迹跟踪控制是使液压挖掘机的挖掘 轨迹按照操作员预设要求进行 1 自主挖掘控制是指液压挖掘机在操作员进行 相关参数设定后 实现自主作业 比如平整作业 挖坑作业等 日本三菱公司研 制的轨迹自动控制系统 可实现直线挖掘 4 智能控制技术 目前无线遥控技术和局部自主控制技术已经被有效地 运用于液压挖掘机 较好地满足了挖掘机在人类危险环境下的施工需要 上世纪 约翰迪尔公司推出了6 9 0 遥控挖掘机 小松公司推出了P C 2 0 0 R 2 主从式液压挖掘 机 1 然而由于作业环境的多变和非结构性以及作业任务的难确定性 要实现 液压挖掘机作业过程的完全自动化不太现实 1 1 2 国内机电一体化技术在液压挖掘机上的应用 虽然我国液压挖掘机的生产研制有着近4 0 年的发展历史 然后在液压挖掘机 6 浙江大学硕士学位论文 机电一体化的进程中 远远落后于国外发达国家 如今借着加入世界贸易组织之 风 我国液压挖掘机机电一体化技术正面临着一个飞速发展时期 自上世纪末以来 由于国内有关科研单位 高等院校以及液压挖掘机企业的 高度重视 投入了大量的人力 物力和财力进行机电一体化技术的研究和相关机 电一体化产品的开发研制 取得了可喜的成绩 其中包括工况报警系统 节能控 制系统 半自动控制和无线遥控等机电一体化技术 我所即浙江大学机械设计研究所 在液压挖掘机机电一体化技术方面取得了 优异的成绩 1 9 8 8 年开展了机器人智能规划控制方面的研究 研制了国内第一个 微机操纵的液压挖掘机实验台 1 9 9 3 年与长江挖掘机厂合作 开发完成了智能式 工况实时监测与故障诊断系统 1 9 9 4 年与玉林柴油机厂合作开发了具有节能控 制 参数显示以及故障报警的液压挖掘机 另外 同济大学与合肥矿山机器厂合作开发了液压挖掘机故障显示电子系 统 常州现代工程机械有限公司生产出了具有世界先进水平的 高度机电一体化 性能的液压挖掘机 引进国外的先进技术和经验 也是提高我国液压挖掘机机电一体化技术的一 条捷径 日本小松 德国雪孚 韩国大宇以及瑞典V o l v o 等世界著名挖掘机公司 先后在我国建立了中外合资和外商独资的挖掘机生产企业 这对于我国发展自己 的机电一体化技术产品会有很大的帮助和促进 1 1 3 浙江大学机械设计研究所的吖3 5 液压挖掘机 浙江大学机械设计研究所自主研制的W Y 3 5 型履带式多功能小型液压挖掘 机 结构简图见图l l 实物图见图I 2 其斗容量为0 1 m 3 其液压系统中使用 的主要液压元件都由液压件厂配套 而主要的元件如 A P 2 D 2 1 L V I R S 6 9 6 7 串联 泵 7 0 1 T 1 F 回转马达 G F T S T A 1 0 0 1 行走马达 S M l 2 多路阀 左右行走和合 流先导阀 推土先导阀以及左右先导阀等均选用进口批量产品 我所的小型液压挖掘机主要运用于非结构环境移动机器人的集成化智能控 制关键技术研究 国家8 6 3 计划资助项目 配有多个压力传感器和角度传感器 并安装了无线通讯装置以及视频装置 控制箱装有各关节 泵控制器以及泵 阀 放大器等 见图1 3 其已经较好的实现了挖掘机的性能自动监测 自动怠速节 7 浙江大学硕士学位论文 能控制 任务规划以及远程遥控等功能 但是在轨迹规划 轨迹跟踪控制方面仍 然存在着轨迹规划不够合理 轨迹跟踪精度不够的缺点 图1 1W Y 3 5 液压挖掘机结构简图图1 3 控制箱 图1 2w Y 3 5 型履带式小型液压挖掘机 1 2 课题的提出及其意义 由于液压挖掘机运用领域以及操作者的客观限制 比如缺乏训练有素的操作 新江大学硕士学位论文 者 工作环境复杂 恶劣 危险 常常伴有强烈的振动 噪音和尘埃 有时甚至 面临塌方 核辐射等威胁 有些工作环境人类甚至无法直接进入 以及培养 一名熟练操作人员所需要大量的时间和精力 另外 从机器人工程学的观点来看 液压挖掘机是一台由液压驱动的空间操作器 挖掘机的自动化控制和工业机器人 的控制在某些方面是极其相似的强 而且 很多学校 实验室和科研单位已经 投入到了液压挖掘机的机电一体化技术研究 这些都促使和加快发展了液压挖掘 机机电一体化技术 因此 在自动化技术高度发展的今天 由于人类因素的限制 以及相关技术的高度发展 更加促进并推动了这种自动化发展的可能性 2 0 世纪7 0 年代 为了节约能源以及减少对环境的污染 使挖掘机操作更加 简便并实现安全作业 以及改善操作者的工作条件 逐步在挖掘上应用了电子和 自动化控制技术 而对挖掘机的工作效率 节能环保 可靠耐用 安全作业等方 面要求的提高 促使了自动化控制技术和机电液一体化技术在挖掘机上的应用 进入8 0 年代 由于自动化技术和微电子技术的高速发展 特别是微机 微处理 器在控制器中的运用 使现代挖掘机拥有了发动机自动怠速与油门控制系统 功 率优化系统 操作模式控制系统 监控系统等电控系统 而无线控制传输技术的 加入 更是实现了挖掘机从半自动化向智能化机器人的发展 总之 由于作业环境的恶劣性 作业动作的非重复性 作业对象的多变未预 知性 造成了工作人员劳动强度大 危险系数高 以及缺乏训练有素的操作人员 完成高质量要求的作业 所以实现挖掘机器人的自动挖掘是十分必要的 要实现挖掘机的自动化作业 即自动挖掘 其关键技术之一就是轨迹跟踪控 制 包括轨迹规划技术和自动控制技术 规划 控制技术水平的高低 是决定智 能挖掘机器人实际作业能力的关键因素 1 一个完善的作业规划和控制系统将 使机器能识别环境 理解任务 自动形成完成任务的动作序列并实时地控制工作 机构完成任务 近年来 微电子技术 自动控制技术 接口技术 传感器技术和 机电液一体化技术的高速发展以及其在工程机械领域不断应用所积累的大量经 验 使自动化控制技术在液压挖掘机器人上的实现成为可能订1 综上所述 液压挖掘机器人的轨迹跟踪控制 即轨迹规划技术和自动控制技 术对于挖掘机的自动挖掘以及采掘工业的自动化 有着巨大的影响和基础作用 9 浙江大学硕士学位论文 进而对国民经济的发展都具有重大意义 1 3 本课题的研究方向和主要任务 浙江大学机械设计研究所自主研制的W Y 3 5 型试验型挖掘机器人 采用了现 代控制技术以及机电液一体化技术 实现了挖掘机的性能自动监测 电子节能控 制 任务规划 轨迹规划 轨迹优化 轨迹跟踪以及远程遥控等功能 但是 在 挖掘机器人的轨迹跟踪实验过程中 我们发现针对不同的目标轨迹 传统的轨迹 规划方法在节能 油缸往复运动所引起的振动 操作平稳性方面存在很多的缺点 E 1 0 1 而在关节伺服控制中 传统的数字P I D 控制方法 无法满足快速 精确的 轨迹跟踪控制 并且在操作过程中 伴有执行机构抖动 振荡等不稳定现象 因此 针对液压挖掘机器人工作装置和液压系统高度非线性 单一的控制策 略不能实现有效精确控制的特点 提出了挖掘机器人轨迹跟踪控制的综合策略 在传统的轨迹规划器中 加入轨迹优化模块 以解决传统轨迹规划器得出的关节 运动参数无法保证有效的切削角度 并引起油缸往复运动时的剧烈振动从而不利 于挖掘机操作平稳性的缺点 在关节伺服控制中 采用基于规则的智能P I D 控 制 结合从轨迹优化模块得出的最优轨迹方案 有效地解决在关节控制中存在的 运动过冲等问题 提高挖掘机器人的轨迹跟踪控制精度以及鲁棒性能 在泵控制 中 采用改进的负流量节能控制技术 具有良好的节能性 1 3 1 轨迹规划优化 轨迹规划由轨迹规划器完成 在国内外的研究中 多数挖掘机器人的轨迹规 划策略为 从起始点开始 保持切削后角不变 当该后角变为盲角时调整切削角 消盲 该规划策略单纯以实现运动轨迹为目的 缺乏对油缸运行平稳性和有效节 能控制的考虑 而我所早期的控制策略是选择起点和终点的姿态角 然后均分 该运行过程的姿态角到各个位置 使姿态角平稳变化 从而达到控制油缸平稳运 行的目的 虽然比国内外早期研究有了较大的改进和提高 但如果采用速度 加 速度优化控制策略 并加入各关节特征指标极值约束 位姿角行程约束以及 切削角约束 则对液压系统操纵平稳性和节能效果将有一个很大的改善和提高 1 0 1 浙江大学硕士学位论文 华中理工大学的李兰生以中国一拖集团有限公司的W Y 2 0 型液压挖掘机反铲 装置为例编制了微机程序 进行了运动学分析和轨迹规划 该程序包括挖掘范围 模块 轨迹规划模块和仿真模块 但是这仅仅是通过动态仿真去校验轨迹规划的 正确性 局限于为实现轨迹控制做一些理论准备 值得一提的是 我所师兄吴为民等提出的一种高效的机器人相平面建模方 法 该高效的相平面建模方法是对相平面进行处理 通过采用B 样条曲线构成路 径 依据B 样条曲线参数划分相平面 利用运动约束限制建模区域 为启发式搜 索提供启发信息以加快搜索进程 这一过程是寻找最优相平面路径以确定机器人 沿固定路径的最优轨迹 即机器人最优轨迹规划过程中的一个关键步骤 吴为民 等在微机上对该建模方法进行了仿真研究 仿真结果证明了该相平面建模方法是 高效的 能初步地解决采掘机器人最优运动轨迹地实时性问题u 3 川们 图1 4 为我所液压挖掘机器人的轨迹规划流程简图 从上位机轨迹规划器规 划出来的轨迹点进入轨迹优化模块 得出最优轨迹方案 通过无线传输进入下位 机的轨迹点管理机 经管理机通过C A N 通讯传入各关节点 团一营一圄 图l 4 轨迹规划流程简图 1 3 2 跟踪控制算法的改进和提高 由于常规数字P I D 控制对于具有非线性特性 时变不确定性的系统 难以建 立精确模型 不能达到理想的跟踪控制效果 而液压挖掘机器人是一种典型的工 程机械机器人 它的液压系统具有高度的非线性特性 并且挖掘机器人本身是一 种典型的非线性时变系统 精确的数学控制模型难以建立 n 再加上挖掘机是 一个大惯量系统n 所以要实现精确的轨迹跟踪控制 异常困难 随着现代控制理论 例如智能控制 自适应模糊控制和神经网络技术等 的 发展 为控制复杂无规则系统开辟的新途径 作者使智能控制与常规P I D 控制 相结合 形成一种基于一定规则的 具有自适应型的智能P I D 控制 并运用于 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机器人这种复杂对象的控制 并与常规数字P I D 控制算法进行实验比 较 证明基于规则的智能P I D 控制算法运用于挖掘机器人轨迹跟踪控制方案的 可行性 目前国内外关于关节伺服控制技术的典型例子有 1 基于知识的轨迹跟踪 控制方法 武汉科技大学设计了基于知识的挖掘机多模式综合轨迹跟踪控制系统 抽1 该系统具有 砰一砰控制 维持控制 非线性死区补偿控制和模糊P I D 参数自适应控制等模式 根据挖掘机轨迹跟踪的误差和误差变化率的反馈 系统 基于知识智能地选用合适的控制模式 实现平稳和高精度的轨迹跟踪控制 斗齿 尖的运动速度可达0 1 m s 2 基于模型的轨迹跟踪控制方法 本控制方法通 过对挖掘机工作装置以及液压系统建立简化的数学模型 以制定出适合该液压挖 掘机的控制算法 以达到对期望轨迹的精确跟踪 澳大利亚机器人技术中心通过 对P C 0 5 7 b 松微型挖掘机进行液压系统改造 建立了挖掘机工作装置的动力学模 型 将挖掘机连杆的运动与关节力矩和外力联系起来 并建立了液压伺服系统的 模型 在关节伺服控制系统中尝试了多种控制策略 并进行了仿真实验和实际物 理样机试验 得出传统的P I D 控制不能满足实际挖掘过程中的轨迹跟踪控制精度 而模糊滑模控制则具有较好的控制精度和鲁棒性能n 钉 另外 作为一种新型的 适用于具有非线性时变系统 无明确动力学方程的 像机器人这种复杂对象控制的T D C T i m eD e l a yC o n t r 0 1 控制方法的出现 也 为改进和提高底层关节伺服控制提供了一条新路 浙江大学硕士学位论文 第二章综合控制策略方案 2 1 早期的控制策略 对于我所W Y 3 5 型多功能液压挖掘机器人的轨迹跟踪控制 我们早期的控 制策略包括上下位机两个部分 上位机的核心技术即为轨迹规划部分 即轨迹规 划器的设计 下位机的关键技术主要是液压泵控制以及关节伺服控制 2 1 1 轨迹规划器 上位机的轨迹规划器 是根据不同的作业任务要求 将任务规划变成一个无 碰撞的操作运动路径 在我们确定完预定轨迹和轨迹分段数目n 之后 对预定轨 迹进行等步长分割 从而确定每一点 总计n l 点 的位置空间 x y 厶势7 值 这样将路径变成了挖掘机器人各关节的空间坐标以y z 孝 7 并满足一定的速 度 加速度等动态特性 7 1 形成运动轨迹 最后计算出各关节运动参数 吼 钆9 2 9 3 7 其中善是位姿角 吼 g l 9 2 9 3 分别代表回转 R o t a t e 动臂 A r m 斗杆 B o o m 和铲斗 B u c k e t 关节 我所早期的控制策略是选择起点和终点的姿态角 然后均分该运行过程的 姿态角到各个位置 使姿态角平稳变化 从而达到控制油缸平稳运行的目的 正 是由于在各种情况下都采用均分姿态角的方法 所以得出的位姿角 通常存在着 某些不合理性 比如无法保证有效的切削角度 或者这样的 可能会引起油缸往 复运动时的剧烈振动 从而不利于挖掘机操作的平稳性以及轨迹跟踪精度 在实际的角关节位置跟踪实验和直线运动实验中 在下位机控制策略确定的 情况下 发现这样的轨迹规划器得出的关节运动参数 在通过R S 2 3 2 或者无线通 讯送入下位机以后 液压挖掘机的轨迹跟踪效果不是非常理想 实验例子分析见 第五章 1 不能保证足够的跟踪精度C 2 跟踪过程伴有明显的振动和抖动 我们曾尝试着在轨迹规划器中加入轨迹校正模块 6 包括整条曲线校正和突变 点校正两种模式 即在确定规划点数n 之后 得出了轨迹每一点 n 1 对应的关节 运动参数 吼 吼 g q 3 7 但是这样的规划在挖掘机正常运行速度下不能满足足够 乜 qo 浙扛大学硕十学位论文 的跟踪精度要求 因此加入轨迹点校正 整条曲线校正是对符合校正条件的所有 轨迹点进行插值校正 而突变点校正只是对符合校正条件的开始和最后的若干轨 迹点进行插值校正 实验表明这种策略虽然在某种程度上提高了液压挖掘机的轨 迹跟踪精度 但是在轨迹点密集区域存在着显著的抖动等运行不平稳现象 并且 牺牲了时间降低了液压挖掘机的轨迹跟踪速度 校正前后的轨迹跟踪速度见下式 l 和2 y v n A A t 国 1 V V n 十五址 址 回 2 其中v 和矿分别是校正前后的速度 世是斗齿尖滑过的轨迹 栉是规划点数 x 是轨迹校正点数 出是下位机的采样时间 子代表和液压系统 操作机构 负 载 和控制算法等有关的未知参数 轨迹校正的意义是通过牺牲轨迹跟踪效率和 运行平稳性来提高轨迹跟踪精度 2 1 2 关节伺服控制 关节伺服控制即关节控制模块 其控制对象是回转 动臂 斗杆和铲斗 相 应模块为回转控制模块 动臂控制模块 斗杆控制模块和铲斗控制模块 其中后 三种关节控制模块无论从物理结构还是软件功能上 它们都是极其相似的 在关 节伺服控制中 各关节控制器接收来自管理机 管理节点 的位置指令序列 然 后控制各关节对一系列的位置点进行跟踪 从而完成规划好的轨迹肼 在我所早期的关节伺服控制策略中 采用的是工业界广泛应用的常规数字 P 1 D 控制策略 其P I D 参数的确定首先是依据系统的数学模型 经过理论计 算进行得到 然后在实际轨迹跟踪实验中进行调整和修改 虽然通过大量的轨迹 跟踪实验获得了最佳的P I D 值 但是在轨迹跟踪精度方面仍然有明显的不 足 无法满足我们的要求 实验证明 一般的轨迹规划器和常规数字P I D 控制策略已经无法满足液压挖 掘机器人在正常运行速度下的轨迹跟踪精度要求 必需采取有效的措施 比如在 上位机中进行轨迹规划的优化寻找出合理有效的最优轨迹方案 在下位机中采用 适用于液压挖掘机器人的优秀的控制方法 在不损失液压挖掘机器人跟踪效率的 1 4 i j 0 豺日 日d d J a目 自馥 d d d 浙江大学硕士学位论文 前提下提高轨迹跟踪效率 2 1 3 液压泵控制 在挖掘机器人的轨迹跟踪控制中 液压泵的控制是一个十分重要的环节 泵 控策略的好坏 直接影响到系统克服负载能力的大小 以及整个伺服控制响应速 度的快慢 间接的影响控制精度 并且对系统的节能性也有很大的影响 本液压 系统采用的是三位六通多路阀 为提高挖掘机器人克服负载的能力以及液压系统 效率 采用了负流量控制策略 叩 在负流量控制中 为获得较好的伺服控制效果 采用了提高旁路回油压力的 措施 这样可以提高挖掘机器人克服负载的能力 缺点是增加了旁路回油损失 这种策略 既保证了伺服控制中较高的克服负载能力 又具有良好的节能性 为 挖掘机器人的伺服控制提供了良好的动力源阱 2 2 综合控制策略方案的提出 针对液压挖掘机器人工作装置和液压系统高度非线性 单一的控制策略不能 实现有效精确控制的特点 提出了挖掘机器人轨迹跟踪控制的综合策略 在传统 的轨迹规划器中 加入轨迹优化模块 以解决传统轨迹规划器得出的关节运动参 数无法保证有效的切削角度 并引起油缸往复运动时的剧烈振动从而不利于挖掘 机操作平稳性的缺点 在关节伺服控制中 采用基于规则的智能P I D 控制 结 合从轨迹优化模块得出的最优轨迹方案 有效地解决了在关节控制中存在的运动 过冲等问题 提高了挖掘机器人的轨迹跟踪控制精度以及鲁棒性能 在泵控制中 依然采用改进的负流量节能控制技术 具有良好的节能性 我所自主研制的W Y 3 5 型履带式多功能小型液压挖掘机 具有像普通挖掘 机一样的铲斗 斗杆 动臂和回转四种工作装置 液压系统采用双泵系统 每一 个泵同时绘两个关节供油 泵一给铲斗 动臂关节供油 泵二给斗杆 回转关节 供油 其中一个泵组的液压伺服控制结构见图2 1 7 1 1 这样 整个过程的执 行机制如下 经上位机主端控制软件中的轨迹规划器 计算出初步的各关节运动 参数 输入到轨迹规划优化模块 轨迹规划优化模块以反映运行平稳性的运动加 速度和工作效率的油缸运动量为目标 得出最优轨迹方案 全部送入管理机 同 口i q LJ 疆疆誓I 一 j d I f o目 浙江大学硕士学位论文 时下位机液压泵控制中执行改进的负流量节能控制技术 各关节伺服控制器接收 来自管理机的运动指令 执行采用基于规则的智能P I D 控制策略 同时接收各关 节位置传感器信号构成闭环控制回路 通过控制三位六通阀使各关节按预定的轨 迹运动 执行机构有关参数 r 一一一一一 备关 I冒兀 l I 一 l i i l j 操作机构关节运动参数 一一一一 一 一 1 苎哥差 飑趋鲍筝构喀 廖坦墅唆螂 图2 1W Y 3 5 型挖掘机器人液压伺服控制结构图 下面两章将详细介绍在轨迹跟踪综合控制策略下的轨迹规划优化以及液压 挖掘机器人的关节伺服控制 星告 浙江大学硕士学位论文 第三章挖掘机器人轨迹规划优化 3 1 机器人轨迹规划的基本概念 机器人的轨迹规划是机器人学中的一个非常重要的研究领域 所谓轨迹 是 指机器人执行装置在工作过程中的位移 速度和加速度 规划是指一种问题求解 技术 就是机器人根据自身的任务 求得完成这一任务的解决方案的过程 这里 所说的任务 具有广义的概念 既可以指机器人要完成的某一具体任务 也可以 是机器人的某个动作 比如手部或关节的某个规定的运动等 酣 即从某个特定 问题的初始状态出发 构造一系列操作步骤 或算子 使之达到解决问题的目标状 态 而机器人的轨迹规划是指根据作业任务的要求 作业规划 机器人末端执行 器在工作过程中位置和姿态变化的路径 取向以及它们变化速度和加速度的人为 设定m 机器人的规划是分层次的 从高层的任务规划 到动作规划和手部轨迹规划 再到路径规划以及最后的关节轨迹规划 最后是底层的轨迹跟踪控制 而实际上 对一些有特殊要求的工业机器人来说 仅仅以实现运动轨迹为目的是远远不能满 足要求的 往往要加入对力的大小的控制 这时 除了手部或者关节的轨迹规划 还要加入手部和关节输出力的规划 总之 智能化程度越高 则规划的层次就越 多 一般对工业机器人来说 高层的任务规划 动作规划和路径规划一般是依赖 人来完成的 由于一般的工业机器人也不具备力反馈 所以工业机器人通常只具 有轨迹规划和底层控制功能 对于一般工业机器人来说 操作者可能只输入机械手末端的目标位置和方 位 有点也给出一些中间点 而规划的任务就是确定出达到目标的关节运动轨迹 的形状 运动的时间以及速度等 这里所说的 轨迹 是指随时间变化的位置 速度和加速度 它和 路径 不同 路径只是指空间曲线 没有时间的概念 所以 机器人的操作过程 就是通过规划 将要求的任务变成期望的运动和 力 由底层控制环节根据期望的运动以及力的信号 产生相应的控制作用 使机 器人输出实际的运动和力 从而完成期望的任务n 这一操作过程是个闭环控 制 如图3 l 所示 浙江大学硕士学位论文 广 二世 3 2 机器人轨迹规划方法 近几年来 国内外的机器人轨迹规划方法发展迅速 比如线性规划 具有过 渡曲线的线性规划 多项式规划 三次多项式 高阶多项式等 B 样条规划 圆弧规划等等 1 但是归根到底 轨迹规划主要有以下两种 6 1 1 关节空 间法 2 直角坐标空间法 但是 前面两种规划方法只是用到了机器人的运动学模型 这样规划的结果 往往不能充分发挥机器人的潜力 因而需考虑机器人的动力学模型 譬如在有些 规划方法中 需给出各关节的最大加速度 但各个关节的最大加速度并不是定值 它随机器人执行装置的运动情况而改变 因此 为了实现期望运动 只能选用较 小的加速度 从而使机器人的潜力不能得到充分发挥 若考虑动力学方程则可以 获得机器人执行装置的最优轨迹规划 如最短时间轨迹规划 最小能量轨迹规划 等 不过机器人的最优轨迹规划是非线性动态优化问题 因此求解比较复杂 6 1 另外 关于空间机器人的运动规划问题 N a k a m u r a 等提出了一个针对空间机 器人末端效应器的轨迹规划方案 钉 但是此方案未能摆脱局部规划方法的缺陷 值得一提的是 我所师兄吴为民提出的一种空间机器人位姿空间分层量化建模方 浙扛大学硕士学位论文 法 有效地解决了由于空间机器人在位姿空间的不完全可控性带来的困难 相对 于N a k a m u r a 等提出的轨迹规划方案 它能够实现全局规划 并且由于是在位姿 空间进行规划 可不用考虑克服机械手的奇异状态 通过一个空间机器人模型给 出的位姿空间建模的实例 证明了基于这种建模方法能够有效地解决空间机器人 的运动规划问题 埘 3 3 挖掘机器人轨迹规划优化 轨迹规划器在我们确定完预定轨迹和轨迹分段数目n 之后 对预定轨迹进行 等步长分割 从而确定每一点 总计n l 点 的位置空间 x y z 毋7 值 但是 此时得出的位姿角 通常存在着某些不合理性 比如无法保证有效的切削角度 或者这样的 可能会引起油缸往复运动时的剧烈振动 从而不利于挖掘机操作的 平稳性以及轨迹跟踪精度 即这样的E 不是最优位姿角 轨迹规划优化模块解决 了上面的问题 通过优化模块可以寻找出每一点的最优位姿角 本所挖掘机器人主控程序中 智能挖掘机远程控制系统 的轨迹优化模块框 架 主要剥落于浙江大学机械设计研究所开发的广义优化平台n 如一柔性优化体 统中的 搜索 模块 见图3 2 和3 3 下面具体介绍轨迹优化模块的数学模型 和其相关程序 广义优化平台一柔性优化系统 图3 2 3 3 1 数学模型 1 1 目标函数 智能挖掘机远程控制系统 图3 3 1 9 浙江大学硕士学位论文 1 加速度目标 1 1 Q 1 m i n 塞 窆I K D o 1 其中f 表示某个具体关节 盯表示轨迹分段数目 在轨迹跟踪过程中 油缸活塞的运动速度剃度越小 越有利于减少油缸往复 运动引起的剧烈振动 从而使运动过程更加平稳 有利于提高跟踪精度 目标函数 C Z l r a i n d o u b l eC P a t h P l a n 0 4 C Z l m i n d o u b l ef R e t V a l u e 0 0 表示运动速度剃度 i n t i C J o i n t P o st e m p l l l l o o C C a t e s i a n P o st e m p l 1 0 0 f o r i 0 i n u m i t t r a n s X P o s i Y P o s i Z P o s i F A n g l e i t e m p i J R o b o t P l a n J o i n t F r o m C a t e s i a n t e m p l l I l l t e m p l J 转换为转角 Z Z Z t e m p l1 i 辟 换为油缸进程 f o r i 0 i n u m 2 i f R e t V a l u e f a b s f a b s t e m p l l i 2 1 q l t e m p l l p l q 1 f a b s t e m p l l I 1 q l t e m p l 叩1 q 1 f R e t V a l u e f a b s f a b s t e m p I1 i 2 1 q 2 t e m p l1 叶1 q 2 f a b s t e m p l q q 2 t e m p l1 i l q 2 f R e t V a l u e f a b s f a b s t e m p I1 i 2 q 3 t e m p l1 1 j q 3 f a b s t e m p l1 f l 1 q 3 t e m p i1 I q 3 r e t u r nf R e t V a l u e 3 2 油缸活塞进程目标 Q m i n T lA t 力1 J OJ l 对于实现相同的操作目的 油缸活塞的运动行程越短越有利于减少能量损 耗 这个目标函数的制定 主要从节能的角度出发 为可选项 目标函数 C Z 2 m i n 0 d o u b l eC P a t h P l a n 0 4 C Z 2 m i n t d o u b l ef R e t V a l u e 0 o 表示油缸活塞的运动行程 i n t i 一 j 浙江大学硕士学位论文 C J o i n t P o st e m p l l l l o o C C a t e s l a n P o st e m p l 1 0 0 f o r i 0 i n u m i t r a n s X P o s i Y P o s i Z P o s i E A n g l e i t e m p l i 1 R o b o t P l a n J o i n t F r o m C a t e s l a n t e m p l1 i t e m p l i 转换为转角 Z Z Z t e m p l1 i 辟专换为油缸进程 f o r i 0 i n u m 1 i f R e t V a l u e f a b s t e m p l l 1 q l t e m p l l 阿iq 1 f a b s t e m p l l 1 l q 2 t e m p l1 i 1 q 2 f a b s t e m p l1 I 1 q 3 t e m p l1 n q 3 r e t u r nf R e t V a l u e 1 2 约束条件 1 轨迹线约束 y z 0 轨迹线方程是通过轨迹规划器得出的 是戎们的期望轨迹 可以是直线 抛物线或者是三角形 不规则弧线 圆以及它们的复合曲线等 当然这个曲 线是挖掘机可实现的轨迹 即轨迹规划器成功规划出来的轨迹 2 位姿角 铲斗姿态 允许范围约束心 挖掘机的位姿角善在一定的范围 之内 即手 缸 其中当吼 g l m a x