矿产资源是国家得以快速发展的重要保障,涉及到实体制造领域的方方面面。作为露天矿山的核心开采设备,电铲被广泛应用于各类矿产资源的挖掘与采装作业中。但目前电铲的操作主要依靠人工完成,导致挖掘作业出现挖掘效率低、挖掘耗能大、故障频发等问题。因此针对大型电铲的无人自主技术已经成为各个国家的研究热点。不同的挖掘过程对应不同的堆料面形貌特征,需采用不同的挖掘轨迹进行挖掘作业,故能考虑实际作业环境并以能耗最优为目标的挖掘轨迹规划方法是实现电铲无人自主化的关键技术。针对电铲无人挖掘系统的堆料面建模问题和挖掘轨迹规划问题,本文基于WK-55型电铲1:7缩比样机,提出了一种基于PRS堆料面预测模型,以能耗最优为目标,综合考虑规划时间、挖掘时间以及实际作业因素的挖掘轨迹规划方法,主要研究内容如下:首先,对电铲系统进行分析与建模。针对电铲工作机构的结构特点与运动方式,将三维挖掘轨迹规划问题转化为二维挖掘轨迹规划问题,并提出了一种动态挖掘体积计算方法;针对传统阻力经验公式直接应用于电铲挖掘工况会出现的阻力预测不准问题,提出了基于动态挖掘体积计算的动态挖掘阻力预测模型;基于工作机构受力分析,结合阻力预测模型和工作机构运动学模型,利用拉格朗日方程建立了工作机构的动力学模型。然后,对堆料面建模问题进行了研究。基于堆料面点云数据,进行实验确定PRS和RBF模型的重要参数;针对堆料面建模的建模时间、建模精度和预测时间三要素,基于堆料面点云数据,采用PRS和RBF两种方法进行建模实验,分析两种方法用于堆料面建模场景的优劣性,并根据堆料面形貌特点改进堆料面预测模型。最后,对工作机构挖掘轨迹规划问题进行了研究。针对挖掘过程的平稳性问题,通过PTP的方法,利用高阶多项式对挖掘轨迹进行插值,将终止位置和挖掘时间引入优化变量,完成挖掘轨迹参数化;针对实际挖掘工况,以能耗最优为优化目标,以满斗率等实际作业因素作为约束,建立轨迹优化模型;针对算法寻优的鲁棒和速度问题,利用遗传算法进行仿真实验,确定了优化变量的初始值集和上下界;基于COBYLA算法和轨迹优化模型,进行挖掘轨迹规划,基于无人挖掘系统进行样机实验,证明所建立动力学模型计算结果可靠,所提出的挖掘轨迹方法能实现电铲实时自主挖掘。