挖掘机工作装置智能控制系统实验研究

论文摘要

液压挖掘机广泛应用在建筑工地、筑路现场、桥梁建设、农田水利、机场港口和危险的抢险现场。通常挖掘机包括三种类型的行为动作：挖掘或搬运、装载和倾倒。这样的工作任务意味着高强度的人类劳动和昂贵的机械设备。在危险的工作环境下,不仅设备暴露在危险之中,人身安全也受到威胁。同时,随着现代工程机械的发展,挖掘机产品所实现功能越来越多,操作越来越复杂,要求操作工在复杂的工作环境下要掌握熟练和最优的操作手法。而挖掘机的自主智能系统提供了一种解决方案,并在未来挖掘机控制发展中将具有重要的意义。本课题就是在这样的背景下,依托辽宁省重点学科基金项目“挖掘机拟人操作系统”,基于Matlab/xPC和Simulink平台搭建的半实物仿真平台,研究和开发以PC02-1小型挖掘机为原型机的智能控制系统,具体的研究工作包括以下几个方面：（1）完善和改进了PC02-1小型挖掘机半实物仿真平台。为了达到对挖掘机进行智能拟人控制的目的,在原有的小松挖掘机电液比例控制改造的基础上,首先经过多次的调试设备,确定了压力变送器和角度传感器不能同时工作问题的所在,为半实物仿真平台选配了大功率的直流稳压电源,过流保护断路器；改变了压力变送器和角度传感器的接线方式和信号采集回路,使小松挖掘机在电控模式下可以进行4自由度的复合动作。为本文后续进行工作装置的智能控制提供了硬件基础。（2）利用半实物仿真技术分析和构建了小松挖掘机智能控制的半实物仿真平台,并调试了小松挖掘机智能控制系统半实物仿真平台。为智能控制系统的实验创建了良好的实验条件。（3）设计了基于行为控制的小松挖掘机智能控制系统。以Simulink/Stateflow为开发工具的闭环逻辑控制系统,采用基于行为控制的思想进行任务规划,通过有限状态机把挖掘任务分解为一系列子任务,编写了以熟练操作工的经验和判断思维为基础的Truth table知识集,模拟了人类思维判断逻辑。（4）利用模糊推理（Fuzzy Inference System, FIS）的GUI编辑器设计了小松挖掘机模糊推理控制器。实现了执行器（液压缸）的智能控制,初步形成了以拟人智能控制为目的的小松挖掘机智能控制系统。并通过仿真和试验进行验证。（5）采用基于行为的控制策略,分别对挖掘机智能控制系统的4个子系统进行Simulink仿真,并对各个子系统分别进行了实验验证,通过不断的优化调整子系统参数,实现了动作目的。最后综合这个智能控制系统进行综合试验,使小松挖掘机初步实现了智能控制挖掘,取得了很好的行为动作效果,并且具有很好的实时数据处理能力和鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 课题研究的国内外发展现状
• 1.2.1 挖掘机智能化的任务规划级研究
• 1.2.2 挖掘机智能化的轨迹规划级研究
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第2章 半实物仿真
• 2.1 半实物仿真概述
• 2.1.1 半实物仿真概念
• 2.1.2 半实物仿真特点
• 2.2 小松挖掘机半实物仿真系统
• 2.2.1 构建小松挖掘机半实物仿真系统需要完成的任务
• 2.2.2 小松挖掘机半实物仿真系统组成
• 2.3 小松PC02-1挖掘机半实物仿真平台
• 2.3.1 基于xPC Target的控制平台的搭建
• 2.3.2 小松PC02-1挖掘机半实物仿真平台电液驱动系统
• 2.3.3 小松PC02-1挖掘机半实物仿真平台电液控制系统
• 2.4 本章小结
• 第3章 挖掘机基于行为控制的系统建模
• 3.1 有限状态机与Stateflow
• 3.1.1 有限状态机
• 3.1.2 Stateflow和真值表（truth table）
• 3.2 小松挖掘机基于行为控制闭环逻辑控制系统建模
• 3.2.1 基于行为控制
• 3.2.2 任务分解与状态评估
• 3.2.3 小松挖掘机的状态识别与行为裁决
• 3.3 本章小结
• 第4章 模糊控制器的设计
• 4.1 智能控制概论
• 4.2 模糊控制（Fuzzy Control）
• 4.2.1 模糊控制理论的产生及发展情况
• 4.2.2 模糊控制的概念和特点
• 4.2.3 模糊集合基础
• 4.3 模糊控制器的设计
• 4.3.1 模糊逻辑工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）概论
• 4.3.2 基于FIS编辑器小松智能控制系统的模糊控制器设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验
• 5.1 小松挖掘机基于行为闭环逻辑控制实验
• 5.2 小松挖掘机模糊控制实验
• 5.3 小松挖掘机位姿自动调整实验
• 5.4 小松挖掘机状态监测与行为仲裁实验
• 5.5 小松挖掘机自主挖掘实验
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 小松挖掘机工作装置智能控制子系统
• 附录B 智能控制子系统状态流图
• 附录C 智能控制子系统真值表