混凝土泵车浇筑路径规划研究

论文摘要

混凝土泵车的作业可分为三类：第一类,已知泵车的起始和终止姿态,从初始姿态经过一系列的动作到达终止姿态；第二类,己知泵车的起始姿态和终止时刻末端软管的浇筑位置,从初始姿态开始,通过各臂架及转台的动作使末端软管到达指定浇筑位置；第三类,使末端软管沿着给定的轨迹动作。泵车操作人员通过手动操作转台及各节臂架的角度变化量来完成以上三类作业将十分困难,尤其是在复杂环境下,即要使混凝土泵车不与环境发生碰撞又要使整个动作过程代价较小,对操作者的经验要求更加严格。因此有必要研究泵车浇筑路径的自动生成(路径规划),以提高泵车的安全性及工作效率。本文首先对混凝土泵车路径规划问题进行数学建模,包括定义泵车路径规划问题,在C空间内表示混凝土泵车的状态并定义两状态间的距离度量函数,这些工作是研究泵车路径规划问题的前期准备。对于给定起始及终止姿态的混凝土泵车路径规划问题,本文采用一种双向多步扩展快速随机搜索树算法(RRTConCon)来解决此问题,并通过更换地基浇筑场地和高楼顶部浇筑两个案例证明了RRTConCon算法解决此问题的有效性。给定起始及终止姿态的混凝土泵车路径规划问题在实际工作中并不常见,本文解决此问题的目的在于为后面两个问题的解决奠定基础。对于给定起始姿态及臂架末端目标就位位置的混凝土泵车路径规划问题,本文首先提出了泵车的逆向运动学求解方法,然后提出一种基于目标约束的多棵树双向RRT算法(GoalRestMutiConRRT)来解决此问题。最后将GoalRestMutiConRRT算法应用于高楼进窗浇筑和转换浇筑窗体两个案例中,实验证明了应用此算法可以在短时间内找到一个满足要求的泵车动作序列。对于末端轨迹给定的泵车路径规划问题,本文首先对给定的路径进行离散化处理,然后采用一种多个姿态点与单个轨迹离散点相映射的双向多步扩展RRT算法(TraceGivenConConRRT)来解决此问题,最后通过末端轨迹为往复直线和正弦曲线的两个案例来证明应用TraceGivenConConRRT算法解决此类问题的可行性和有效性,并分析了逆向运动学最大执行次数HnvNum和结束逆向运动学循环的阈值d2的选取,对整个路径质量的影响。本文应用两种改进的RRT方法分别解决了两类泵车路径规划问题,应用本文的方法可以为泵车的实际浇注任务提供一个安全可靠的动作方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 混凝土泵车概述
• 1.1.1 混凝土泵车需求现状
• 1.1.2 混凝土泵车结构介绍
• 1.2 路径规划方法简介及混凝土泵车路径规划研究现状
• 1.2.1 路径规划方法简介
• 1.2.2 混凝土泵车路径规划研究现状
• 1.3 RRT及其改进方法综述
• 1.3.1 基本RRT算法
• 1.3.2 改进RRT算法
• 1.4 本文研究意义与主要内容
• 1.4.1 本文研究意义
• 1.4.2 主要研究内容及本文结构安排
• 2 混凝土泵车路径规划问题的数学模型
• 2.1 混凝土泵车路径规划问题定义
• 2.2 混凝土泵车状态描述
• 2.3 混凝土泵车路径长度表示
• 2.4 本章小结
• 3 给定起始及终止姿态的混凝土泵车路径规划
• 3.1 问题描述
• 3.2 问题解决策略
• 3.2.1 RRTConCon算法
• 3.2.2 路径优化方法
• 3.3 典型案例分析
• 3.3.1 相关参数设置
• 3.3.2 典型工况案例介绍
• 3.3.3 典型案例的泵车路径规划效果
• 3.4 本章小结
• 4 给定起始姿态及臂架末端目标就位位置的混凝土泵车路径规划
• 4.1 问题描述
• 4.2 问题解决策略
• 4.2.1 求解泵车逆向运动学方法
• 4.2.2 GoalRestMutiConRRT算法
• 4.3 典型案例分析
• 4.3.1 典型案例介绍
• 4.3.2 典型案例泵车路径规划效果
• 4.4 本章小结
• 5 臂架末端轨迹给定的混凝土泵车路径规划
• 5.1 问题描述
• 5.2 问题解决策略
• 5.2.1 给定轨迹的离散化处理
• 5.2.2 TraceGivenConConRRT算法
• 5.3 典型案例分析
• 5.3.1 典型案例介绍
• 5.3.2 典型案例的泵车路径规划效果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢