挖掘机机器人化及实验研究

论文摘要

挖掘机是工程机械中主流的产品之一,被称为“工程机械之王”。它在工业和民用建筑、交通运输、水利水电和军事施工等工程中发挥着重要作用。但是挖掘机的作业环境恶劣,如噪音、粉尘等。作业过程中需要操作人员精神高度集中,以免走神发生事故。有时,挖掘机操作人员还要身临险境之中,如地震、泥石流等未知环境中去疏浚河道、清理公路等。这些环境对操作人员的生命构成了威胁。因此,将操作人员从中解救出来,是人们的夙愿和要求。本文的研究目的就在于此。本文主要是对挖掘机器人的任务规划做了研究。挖掘机器人采用基于行为的控制,采用基于行为的控制便于将复杂的任务分解为简单的动作序列,而动作序列可以用挖掘机的基本动作表示出来。控制结构可以分为两层,上层为轨迹规划,下层采用模糊控制。轨迹规划通过有限状态机来实现。通过观察挖掘机操作人员的挖掘动作,用有限状态机表示出来,状态之间的迁移条件是传感器反馈回来的角度和油缸压力信号。底层采用模糊控制,模糊控制器会根据当前油缸压力的大小输出送给比例放大器的电压,从而控制比例阀阀芯的开度,以适应软硬不同物料的挖掘情况。论文中设计了挖沙行为和遇到石头时挖掘动作的模型。遇到石块时,挖掘机选择向下挖的方式,通过动作调整试图将石头从底层抠出来,挖掘循环三次。实验平台是基于MALAB/xPC Target的半实物仿真平台,实验样机是改造后的小松PC02-1迷你型挖掘机。通过实验对比了挖掘机在细沙和沙砾挖掘情况下模糊控制器的作用,以及挖掘机在遇到石块等障碍物情况下的处理情况。实验表明挖掘机能够按照规划的动作序列执行,并且在遇到石块时可以调整三次,试图从石块底面将其抠出。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的和意义
• 1.2 研究状况
• 1.2.1 国外的研究状况
• 1.2.2 国内的研究状况
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第2章 挖掘机器人行为控制相关理论
• 2.1 机器人的范式与挖掘机器人范式的选择
• 2.1.1 机器人的范式及分类
• 2.1.2 基于行为的控制
• 2.2 有限状态机FSM（Finite State Machines）理论
• 2.2.1 有限状态机FSM
• 2.2.2 有限状态机的图形化实现工具——状态流Stateflow
• 2.3 模糊控制技术
• 2.3.1 模糊控制技术
• 2.3.2 MATLAB模糊逻辑工具箱
• 2.4 本章小结
• 第3章 挖掘机器人实验平台
• 3.1 小松PC02-1挖掘机机器人化的改造
• 3.1.1 小松PC02-1挖掘机
• 3.1.2 液压回路的改造
• 3.1.3 倾角传感器
• 3.2 基于xPC Target的半实物仿真
• 3.2.1 半实物仿真
• 3.2.2 实时工作间RTW（Real-Time Workshop）
• 3.2.3 xPC Target控制平台
• 3.3 本章小结
• 第4章 挖掘机器人行为控制实验模型的建立
• 4.1 挖掘机器人的控制体系结构
• 4.2 挖掘机器人的动作序列
• 4.2.1 基本动作
• 4.2.2 基本动作模糊控制器的设计
• 4.2.3 模糊控制器的仿真
• 4.3 挖掘机器人的轨迹规划
• 4.3.1 挖沙行为模型建立
• 4.3.2 挖石头行为模型建立
• 4.4 本章小结
• 第5章 挖掘机器人行为控制实验研究
• 5.1 挖石子行为实验
• 5.2 挖石头行为实验
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢