大型矿用电铲是指在露天开采中使用的,针对已爆破物料进行挖掘的大型机械式正铲挖掘机,对国家的资源开采和能源保障具有重大意义。现有大型矿用电铲的挖掘作业完全由人工操作,由于电铲体积巨大、操作员视距远且面临复杂多变的矿岩环境,主要存在能耗高、效率低、振动大和挖掘过程不连续等问题。为了解决人工操作导致的上述问题,实现矿用电铲无人操作的自主化作业,保证其“挖得高效、挖得节能、挖得安全”,对大型矿用电铲的轨迹规划和智能化的挖掘系统的研究是实现电铲自主化的关键环节。因此,本文针对无人电铲的自主化作业问题,根据电铲的作业特点建立工作机构的动力学模型,基于此提出一种适应智能化作业的挖掘轨迹的多目标优化设计方法;在此基础上,设计了集感知、决策和控制于一体的能够自主完成挖掘作业的智能化系统,并且通过仿真和实验对理论规划的轨迹性能进行了验证。具体研究内容如下:1)针对电铲的挖掘作业要求,提出一种多目标的挖掘轨迹规划方法。首先对简化的工作机构建立动力学方程,并分析挖掘过程的关键参数为轨迹规划做准备,同时以最小挖掘能耗和最小后角差为目标,利用多项式插值法建立挖掘轨迹的多目标优化模型,在SQP算法之上引入LHS方法进行优化以满足电铲挖掘轨迹的快速规划要求。2)针对电铲自主化作业的要求,基于ROS系统搭建感知、决策和控制的自主挖掘系统,实现电铲实时感知外部环境并且自主规划的智能化挖掘作业。在感知系统中建立基于激光雷达的挖掘环境模型实现电铲能够适应不同的环境进行挖掘;在决策系统中设计电铲多节点硬件之间数据流的实时通讯机制,实现挖掘状态的实时监测和各节点信息的实时传输与交换;在控制系统中建立以STM32微控制器为主控的底层驱动控制以实现系统的操作任务。最后,搭建智能化的前向控制台,实现电铲友好的人机交互操作和可视化的状态监测。3)为实现智能化的实验研究,首先在ROS环境下对电铲建立URDF模型,通过Rviz和Moveit!仿真模拟挖掘过程并与数值仿真对比验证关节的合理运动关系。然后为验证轨迹规划方法和自主挖掘系统的有效性将其应用在实验样机上进行试验,结果表明自主化的挖掘过程较手动操作来说能耗更低、效率更高、挖掘过程连续且更加平稳,而且对应不同的挖掘环境均有最优的挖掘轨迹,对无人电铲的智能化研究具有重要的意义。