液压挖掘机铲斗轨迹控制

专题论述
ＳＵＲＶＥＹｌ ＮＧ
液 压 挖 掘 机 铲 斗轨 迹控 制
张 大庆 ，郝
（ 中南 大学
鹏 ，何清华 ，施圣 贤
长沙 ４ １ ０ ０ ８ ３ ）
机 电工程学 院 ，湖南
［ 中图分类 － ｇ － － １ Ｔ １ ） ４ ２ ２ ． ２
［ 文献标 识码 ］Ｂ
［ 文章￣ － ｇ － － １ １ ０ ｛ ） １ — ５ ５ ４ Ｘ（ ２ ０ ０ ５ ） ０ １ — ０ ０ ６ １ － ０ ３
面情况 ，识别障碍物 等 ，同时该 学院还提 出一 种 用于 实 时轨迹规 划和执行复 杂挖掘运 动 的参 数化 过程 方法。这
种方法建 立在挖掘任 务可 以被描 述为 一系列 简单 的步 骤 或过程的观测 资料 的基础上 ，它是一种通 用 的模 板 ，通 过 它可 以把一系列的挖 掘任务 编码成 知识 。这些过 程 以
阶段 ，因此要想形 成一个 完善 的控制方 法 ，还 有很 多工 作要做。
度 ，而模糊滑 模 控 制和 力／ １ 殂抗控 制均 有较 好 的控 制 精 度 ，其精度在 ２ ０ ｃ ｍ 以 内。对 于液 压 系统 的非线性 及 系
统 的不确定性 有较 好的鲁棒性。 波兰华沙的施工机械化 和矿业 学院应 用负载 独立液 压 阀控制挖掘过程 ，来避免使 用传感器的 闭环控制 系统 。
学方程 （ 反铲和正铲 ） ：国内典型的如 ：浙江大学对挖掘
这一 阶段是挖 掘机机 器人化发 展 的最终方 向 ，控 制 结构同样也分为 ２级 ，高级控 制 中的控制器 进行在 线规 划 ，而低级控 制器执行高 级控 制器输 出的动作 。即在挖 掘机进行工作前 ，只需输入 挖掘任 务 ，也就是 只要告诉 挖掘机需要 完成什 么任务 ，而 其余如 怎样完成 及具体 的 操作步骤均 由挖掘机 自主 完成 ，整个 过程 无需操作 手的
建冠札拭 ２ ０ ０ ５ ． ０ １
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在此基础上提 出基 于规则 的路 径规 划方法和 按时 间间隔 对关节进行采样 的轨迹规 划方法。
２ ． ２ 铲斗轨 迹跟踪控制 铲斗轨迹跟踪控 制是建 立在轨迹 规划基础 上 的 ，该
测距仪 ，用来对卡车 进行确认 和准 确定位 ，观 测土壤 表
外典型 的如 ：Ｋ ｏ ｉ ｖ ｏ ｌ ９ ９ ４年 在 Ｄ—Ｈ （ Ｄ ｅ ｎ ａ ｖ ｉ ｔ —ｈ ａ ｒ ｔ ｅ ｎ —
这 类机 器人化作业挖 掘机 主要是 实现机器 的局部 自 主性 ，如 直线挖 掘、 自动装 载等局部 自主化 功能 。该 类
挖掘机 运用了外部 传感器 ，因此对外 部环境 有一定 的适
跟踪 ，而且在整个挖掘过程 中无需操作手的干涉。 国内在这方面 的研究起 步较 晚，典 型的有 ：解 放军 理 工大学 的研究者在其建 立的 ４自由度的运动学模型上 ， 提 出模糊参数 自整定的 Ｐ Ｉ Ｄ控制算法。
综合国内外液压 挖掘机铲 斗轨迹 控 制可 以看 出 ，虽
然世界各国的研究 水平参 差不齐 ，但 是 多数处 在实验室
Ｂ ｕ ｃ ｋ ｅ ｔ ｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｅ ｘ ｃ ａ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ
ＺＨＡＮＧ Ｄａ — ｑ ｉ ｎ ｇ， ＨＡＯ Ｐ ｅ ｎ ｇ， ＨＥ Ｑｉ ｎ ｇ — ｈ ｕ ａ ，Ｓ ＨＩ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ — ｘ ｉ ａ ｎ
设 备试 运行显示 ，整个 轨迹跟踪 过程 中挖掘机 工作 装置 运动平稳光 滑 ，基本 不 振 动 ，铲 斗尖 的运 动 速 度 可 达
０ ． １ ｍ／ ｓ 。
原哈尔滨建筑大学提 出了基 于模糊 算法 的示 教再现 控制方法 ，由熟 练工 人引 导 工作 装 置沿 挖掘 轨迹 运 动 ， 并 由计 算机记录运动轨迹所对应的工作 装置 的位 置信息 ， 在 由计算机控制重复前述 运动轨迹 。
武汉科技 大学设计 了基于 知识 的挖 掘机 多模 式综 合
பைடு நூலகம்
（ ２ ）基于模型的铲斗轨迹跟踪控制。 这种方法的基本 思路是 ：对挖 掘机工作 装置及 其液 压系统建 立简化 的数学模型 ，在 此基础 上推导 出控制算
法 ，以达到对期望轨迹的精确跟踪 。
国外已有多个 挖掘 机器 人化研究 机构进 行这方 面的
轨 迹跟踪控 制系统 。其 出发 点是考虑 到挖掘机 器人 的工 作运动存在很强 的非线性 、不 确定性和 时变性 ，且 工况
工作 ，如澳大利亚机器人技术 中心通过对 Ｐ Ｃ ０ ５—７小松
微型挖掘机进行液压系统 改造 （ 见图 １ ） ，将 驾驶室和所
复杂、外界干扰大、难 以建立 精确 的控 制模型。若 为 了 在精确 的数学模型基础 上提高轨 迹跟踪 性能 ，则 整个控
美 国匹兹堡 ・ 卡内基 ・ 梅隆 大学 的机 器人 学院设计
图 １ 改造后 Ｐ Ｃ Ｏ ５ —７挖掘 机 的伺 服 阀组
提出 ２ 级控 制结构 ，高级 控制进 行工作 规 划 ，而低
级控制执行高级控 制的指令 ，实现对挖掘机 铲斗 的控制 。
了 自动 装载 的挖掘机 器人 。该机 器人使 用 ２个 激光扫 描
行控制 ，可见挖掘机铲 斗 的控 制是 实现挖掘机 自动化 的 关键工作之一。
１ 液 压挖 掘机 机器 人化 发展 的 ３个 阶段
根 据挖掘机 的技术 水平可把 挖掘机 的机器 人化研 究 分为 ３ 个 阶段 ： （ １ ）挖掘机 的简单 自动化。 在此阶段的研究 中，只是利 用反映机 器 自身状态 的 内部传感器信 息 ，而无反映环境状况的外部传感器信息 ；
建芄札拭 ２ ０ ０ ５ ． 叭
建立挖掘机工作装 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 ，在研 究中给 出多种控 制策略 ，从传统 的 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 ，到反馈线性 控 制 ，再 到滑 模控 制 、模 糊 滑 模控 制， 最后给 出力／ １ 抗控 制 ，对于每种控制方法都给 出仿真结 果和试验 结果。最后通 过对试 验结 果分析得 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 的精
（ ２ ）挖掘机的半 自主化 。
３自由度或 ４自由度 的机 器手 来处理 。对 铲斗轨 迹 的控 制 ，相 当于通过 控 制机 器手 的末 端来 达到 期望 的轨 迹 ， 因此期望轨迹被称为铲 斗轨迹 控制 中的 目标值 。由机 器 人知识可知 ，要控 制铲 斗达 到期望轨迹 ，首先需把 目标 值转换成挖掘机工作 装置各关 节 的空间坐标 ，并满 足一 定 的速度 、加速 度等动 态特性 ，形 成运动轨 迹 ，这 个过 程称为挖掘机铲斗轨 迹规 划。运动学模 型则 主要解决 转 换问题 ，因此挖掘机 的运动学模型是其轨迹规 划的基础。 关于挖掘机的运动模 型 ，国内外已有相 当 多的研究 ，国
分为微机和液压单 元 （ 泵 ＋负载 独立 阀 ）２个 部分 。通
３ 液压 挖掘 机 轨迹控 制 的研 究趋 势及 关键 技术
３ ． １ 研 究趋势 （ １ ）广泛采 用微 电子技术 、传感 器技术 、实 时控 制
技术 ，以提高控制精度。 （ ２ ）采用计算机 ２级控 制结 构 ，高级控 制 主要 用于 完成规 划任务 ，而低级控制执行高级控 制下发的指令。 （ ３ ）加强 液压 系统及 挖 掘机 执行 机构 的数 学建模 ， 传统的线性控制策略 已经不 能满足控 制的需要 ，重 点放 在非线性控 制策略 的研究上。
应能力 ；以离线 的方式进 行轨迹 规划 ，并 把规 划好 的数 据输入控制系统 ，实现 无人操 纵的 自动控 制，这 是一种 计算机 ２级控制结构 ，也是 目前最 典型 的挖掘机 器人控
制结构 。 （ ３ ）挖掘机的全 自主化 。
ｂ ｅ ｒ ｇ ）齐次 变换矩 阵法基 础上建 立 了完整 的挖掘机 运动
阶段 的工作 主要是控 制挖 掘机 的铲斗跟 踪轨迹规 划阶段
所形成的 目标轨迹 点 ，并达 到所需精 度。但是 ，由于 液
压挖掘机 自身的特 点 ，使得 其铲斗轨 迹控 制比一般 工业 机器人的轨迹控制更难 。液 压挖 掘机 的特殊 性在 于其执 行器直接 由液压工作装 置驱动 ，而 工业机器 人一般 由电 动机驱动。液压驱 动执行器 的液压 工作装 置动 力学具有 高度非线性性和低 阻尼性 ；另外 铲斗与 土壤相 互作 用具 有不确定性 ，挖掘 力受 土壤 的黏性 、均 匀性 以及 内部摩
制系统会变得很 复杂 ，从 而增加设 备的初 投资 ，影响 系
统 的可靠性 。该系统具有 “ 砰一砰控 制” 、维持控 制、非
有的操作手柄都取消 ，原 由人工操 纵 的方 向控 制阀被 电 液伺服 阀所代 替 ，增 加 了包 括带卸荷 阀 的蓄能器 、电动
换 向阀和油 一空散热 器等 辅助设备 。并 在机器 上安装 了 编码器 、负载传感 器和控 制器 ，对 自动挖掘进 行理论 和 实践 的研究。
２ ａｉ ｒ ｎ ，因此效 果良好。
擦力的影响 ，进一步 增加 了对挖掘机铲 斗轨迹 进行 精确
跟踪控制的难度。因此常规 的机器 人控制 技术难 以满足 自动挖掘的运动控 制要求。对 于该控 制技术 ，国 内外都 作 了一定的研究。主要有 ２ 种： （ １ ）基于知识的铲 斗轨迹跟踪控制。
参数 的形式接收外部环 境参 数，并 结合模板 中的变量来 处理 当前 的任务。通 过这 种方法 可 以很容 易地 处理挖 掘 机环境 中的变化 ，而且还 能 以子过 程 的方式添 加挖掘机 的新任 务 ，从而使 其可 以处 理挖掘 机 的异 常工况 ，并 运 用到实际操作 中 ，结果表 明 ，在相 同的情况 下使 用该 系 统装满一 卡 车 需 要 １ ５ ～１ ６ ｓ ，而 熟 练 的 操 作 手 也 需 要