【摘 要】
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挖掘机作为一种用于挖掘和装卸土石方物料的工程机械设备,被广泛应用在矿山挖掘、抢险救援和城市建设等领域。随着现代化建设的快速发展和人类活动领域的扩展,挖掘机的作业环境愈加恶劣、作业任务愈加复杂、作业时间愈加紧张、作业质量需求也愈加严苛,同时由于近些年计算机技术、电液比例技术、机器人技术和自动控制技术的发展,促使人们对于挖掘机的智能化展开了广泛深入的研究,以克服上述挑战,实现自主挖掘。为此,本文针对于
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挖掘机作为一种用于挖掘和装卸土石方物料的工程机械设备,被广泛应用在矿山挖掘、抢险救援和城市建设等领域。随着现代化建设的快速发展和人类活动领域的扩展,挖掘机的作业环境愈加恶劣、作业任务愈加复杂、作业时间愈加紧张、作业质量需求也愈加严苛,同时由于近些年计算机技术、电液比例技术、机器人技术和自动控制技术的发展,促使人们对于挖掘机的智能化展开了广泛深入的研究,以克服上述挑战,实现自主挖掘。为此,本文针对于智能挖掘的关键技术—轨迹规划技术和轨迹跟踪控制技术展开了研究,以提升液压挖掘机的工作效率和轨迹跟踪精度。本文研究内容如下:（1）为后续进行轨迹规划和轨迹跟踪控制研究,需要对工作装置数学建模。为此本文介绍了工作装置的构成,建立了工作装置的运动学模型,采用D-H法和几何法获得了工作装置在位姿空间、关节空间和驱动空间的运动学描述;基于拉格朗日方程建立了工作装置的动力学模型,解算了动力学矩阵,求解了各关节力矩,基于理论方程计算了动态挖掘阻力,最终得到了各油缸的推力力臂和负载力;（2）对于挖掘机作业轨迹的规划优化分析可有效地提升工作效率。为此本文对于液压挖掘机的工作范围进行了求解,针对于深坑挖掘作业,提出了任务分解方法;并为减少挖掘作业过程中的油缸总行程,对于挖掘关键点处的关节角进行了最优化求解;基于三次样条插值函数对各关节进行了轨迹规划;为提升作业效率,将单次作业时间作为优化变量,建立了作业过程的运动学约束,采用了变尺度混沌优化算法对于挖掘轨迹进行优化。（3）为提升在控制系统不确定性较大情况下的轨迹跟踪控制精度,本文分析了动臂、斗杆和铲斗子液压系统的结构,计算了各子液压系统的传递函数,在未有控制器的情况下对各子系统进行了时域和频域分析。在控制系统不确定性上界值已知时,利用状态反馈法设计了名义模型控制率,并利用滑模变结构控制方法设计了补偿控制器;在控制系统上界值未知的情况下,结合人工智能技术,基于RBF神经网络对不确定性的上界值进行估计,设计了基于RBF网络未知上界值自适应调整的滑模控制器。（4）为了验证控制器的轨迹跟踪性能,本文在液压油缸空载或轻载的情况下,选择了基于已知上界值的滑模变结构控制方法,并基于Simulink软件建立了控制器和液压系统的模型,对于最优挖掘轨迹进行了轨迹跟踪仿真验证;在液压油缸有较大负载的情况下,通过Simulink-Adams联合仿真,建立了控制器、液压系统和动力学模型,比较了基于已知上界值的滑模变结构控制和基于RBF网络未知上界值自适应调整的滑模变结构控制对于最优挖掘轨迹的跟踪效果,仿真结果验证了后者轨迹跟踪误差更小,轨迹跟踪控制效果更优,从而说明了本文设计的轨迹跟踪控制策略的有效性。
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