基于CAN总线的挖掘机铲斗轨迹规划与控制(答辩)-共28页PPT课件

1、基于CAN总线的挖掘机铲斗轨迹规划与控制姓 名：陈帅哥 学 号：21111111指导教师：王老师论文研究背景液压挖掘机是功能最为典型、应用范围极大的工程机械。液压挖掘机与土木工程、交通运输、矿产资源开发等方面发挥着极为重要的作用。随着社会进步发展，工程人员对于挖掘机有着更高的要求。 对于恶劣的工作环境，不适宜工作人员进入工作现场的情况，如：矿井，水下作业等，如果有意外情况发生，人身安全会遭到巨大的威胁。 对于施工单位来说，每一台机械都需配备一个熟练操作工人，而操作工人在嘈杂的环境下长时间工作，工作效率下降等现象发生，如此非常容易引发危险。挖掘机在河道中作业挖掘机在悬崖边上作业基于CAN总线的铲

2、斗轨迹规划技术的探究由于这些问题急待解决，能够自主规划运动轨迹的挖掘机变得尤为重要。因此，铲斗轨迹规划技术应运而生。简单地说，就是将挖掘机机器人化，通过指令的发出，能执行指令要求的动作。在实际探究挖掘机自动挖掘的过程中，由于挖掘机结构较复杂，并且工作环境比较恶劣，所以需要一种即简单实用，又稳定可靠的传输路径。CAN总线完全满足上述要求，并且具有很高的实时性，能将挖掘机的状态实时反馈，非常适用于这个控制系统。目 录 一：CAN总线技术的应用四：控制系统软件的设计 三：铲斗轨迹规划二：液压挖掘机控制系统设计一：CAN总线技术的应用CAN总线的介绍： CAN总线：CAN 总线是上个世纪80 年代由德

3、国 Bosch公司开发的有效支持分布式实时控制的总线式串行通信网络。 自动化方面技术提高的关键点就是现场总线，还被称作是自动化方面的电脑局域网。CAN总线的特点以及应用范围易于开发CAN总线在汽车电子、工业控制、电力系统应用广泛具有极高的稳定性。CAN总线制造成本低。具有极高的可靠性。iCAN协议 以ISO/OSI结构的角度来看，CAN总线仅仅定义了第一层（物理层）和第二层（数据链路层）。 由于 CAN 总线底层协议没有规定应用层，本身并不完整；在基于 CAN-bus 的分布式控制系统中，有些附加功能（网络的启动及监控，网络中 CAN 节点的标识和故障识别等）需要一个高层协议来实现。iCAN协

4、议开发的背景 有必要建立一个高层协议，即基于 CAN 总线的应用层协议，能够在 CAN 网络中实现统一的通讯模式，执行网络管理功能，以及提供设备功能描述方式，iCAN 协议由此应运而生。基于连接的 iCAN 网络二、液压挖掘机控制系统设计组成机构：铲斗斗杆动臂回转平台控制对象：铲斗油缸斗杆油缸动臂油缸挖掘机工作的过程 上位机发出指令 下位机接收到信号并进行相关处理 电液比例阀接收到信号并控制油缸运动 铲斗按规划的轨迹动市场需求具有一般液压挖掘机的所有功能，在作业人的控制下实现挖掘任务。具备良好的运算功能，实现运动学运算与轨迹规划。配备良好的通讯模式，确保数据可靠、实时传送。做到远程操控，在人们

5、无法的条件下，作业者能够借助于远程控制进行作业，完成相关的工作。可以做到实时检验机械工作装置情况。硬件的选型上位机：PC电脑，系统主控，对轨迹规划控制。下位机：MTC,数据采集与处理（iCAN-4050模块辅助使用）。无线传输方式：NRF905 无线通信模块，远程传输数据。行程传感器：拉线位移传感器，监测油缸位移量。电液比例阀:控制油缸活塞的伸缩量。I/O模块：输入/输出数据控制系统框图三、铲斗轨迹规划液压挖掘机在作业中最多的工作任务是夯实与平整土壤、沿坡面挖掘与基坑挖掘等。这些工作模式均存在特定规律，能够做到相应的轨迹规划。依照挖掘工作要求测算出希望的铲斗运行轨迹就是轨迹规划，这是达到工作装

6、置运动操控的基础。 轨迹规划模式重点是在D-H法基础上构建其运动学模型，依照早先规划的轨迹对铲斗齿尖的位姿展开运动学逆运算，推算出铲斗尖位姿与每一关节变量的联系，给它的运行轨迹的控制与规划提供了方法与依据。这种方法好处具有很好的通用性，针对不一样的挖掘轨迹与机械型号展开逆解运算时，仅仅把变化的有关轨迹与尺寸输入就行了。动学分析需要解决两个问题根据给定的各关节变量 或液压油缸长度 求解铲斗在基坐标系中的位姿根据给定的铲斗位姿，求解与之相对应的关节变量 或液压油缸长度运动学分析铲斗工作装置的D-H坐标系简图运动学正问题 运动学逆问题如果设定机械的所有连杆机构参数，则可以便捷简单的推出它的所有坐标系

7、或是执行机构末端的所有向量在随便一个坐标系的姿态与位置。只要给出了铲斗的位置与姿态，即关节角的大小，便可得知动臂，斗杆和铲斗油缸此时的长度各机构油缸长度与关节交的关系油缸长度和动臂关节角的关系油缸长度和铲斗杆关节角的关系油缸长度和铲斗关节角的关系 有关挖掘机轨迹的规划都是基于挖掘机的运动范围的，只有在其范围内进行研究，才能达到预期的效果轨迹规划的发展与应用 机器人学中十分关键的探讨部分就是轨迹规划。轨迹就是机器人执行装置运动时候的速度及位移等；规划本质即对一类问题的解答方式，就是在相应的作业地域里自动产生的从开始状况到目标状况必须的轨迹、运动路径与动作序列。 目前的挖掘机市场的发展运动中，它只

8、是具有部分的智能性，可以减少劳作的强度，还能够增强生产效率。但人们的需求远不如此。良好的市场前景促使了人们对它展开了机器人化的钻研。在挖掘作业任务难度不大以及工作环境影响因素较小时，十分有可能做到自动化或半自动化工作。只有对运动轨迹进行规划与控制，才能实现它的自动或半自动化工作。最终才能达到期望值，做到任务和路径规划。四、控制系统软件设计 本系统基于VB语言对下位机中的程序进行编译，使其能够实现轨迹的规划和油缸长度序列的计算，并完成对轨迹实现的控制。其界面如图所示。 实现的功能根据目标分析计算求得油缸长度序列，并传送给控制器控制器将此序列与拉线传感器传回来的油缸长度进行比对控制油缸伸长/缩回到

9、需要的位置完成规划目标油压监测报 警油压报警电源报警总 结本文以CAN总线为通讯方式，以自主作业的挖掘机为基础，对铲斗轨迹控制和规划策略展开了初步的剖析与探究，做出的大致工作及成果有： (1).对CAN总线其工作原理以及通讯协议进行了分析了解。对未来CAN总线的发展与运用形式有了更清楚的认识。CAN总线的数据通信实时性强，传输通道稳定可靠，并且本文所采用的iCAN高层应用协议为本论文所研究的轨迹规划控制系统带来了更高的灵活性和可检修性。 (2).以液压挖掘机的实际作业环境与系统设计需求为根本，参考目前世界各地有关的自动化控制系统的发展方向，对其展开了具体的功能需求研究，确立了铲斗轨迹控制系统的硬件设计方案。 (3).以挖掘机的轨迹控制与规划需求为基础，对铲斗运动轨迹展开了剖析，基于D-H坐标系对其工作装置展开了运动学正逆问题研究，得出需要求解的轨迹坐标与相应的油缸长度的运动学关系。最后对挖掘机轨迹规划程序进行基于VB语言的编程，最终实现了对轨迹的规划。并且本文研究了一个辅助系统，即iCAN-4050模块和iCANTest测试工具的使用，这能使我们更直