液压挖掘机铲斗轨迹控制器SOC原型研究

摘要

当今液压挖掘机机器人化已成为国内外研究的热点，并在实际应用中逐步体现出其优势。本文在此背景下，结合最新出现的片上系统(SOC)技术，对液压挖掘机铲斗轨迹控制器原型进行了研究。 论文首先对液压挖掘机运动学进行了分析，考虑到采用数字PID控制方法会导致参数调节难度大的缺点，选取基于递推增量控制的轨迹控制算法。在实际控制中液压挖掘机的减压比例阀动态特性可以忽略，因而得到减压比例阀近似电流-流量模型，为半实物仿真中电流到工作装置状态转化提供了理论基础。 轨迹控制器本质上属于运动控制器，其设计上采用SOC技术相比传统的嵌入式开发，具有更低的功耗，更高的性价比和更快的上市时间，能提高系统整机的性能，降低了成本和体积。常见的SOC设计方法有基于IP核和基于平台两种，本文对两种方法进行了对比，指出采用基于平台的设计方法，在完全可编程环境下既具有基于平台设计方法的降低设计复杂度的优点，又具有基于IP核设计方法的高灵活性。 通过上述分析，本文采用基于平台的SOC设计方法，对液压挖掘机轨迹控制器进行研究。在Altera，公司推出的可编程平台Stratix开发板(可配置Nios Ⅱ软核CPU)上实现了轨迹控制器原型系统：Excavator Controller。根据实际控制需求，采用软硬件协同设计的方法，在SOC开发环境中研究和设计了相关IP核，并将各IP核最终都综合到软核CPU Nios Ⅱ中，从而Excavatoi Controller将控制器的绝大部分功能在单个芯片上实现，具有低功耗、小体积等优点。在软件设计中编写了各功能函数和递推增量控制算法程序。为了提高控制的实时性，在系统中移植了μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统进行多任务管理。 最后论文采用Visual C++6.0基于OpenGL开发了液压挖掘机虚拟现实VR软件，与轨迹控制器原型共同组成半实物仿真环境。在半实物仿真环境下，对轨迹控制器进行了水平从外向内走直线的实验，通过不断的调整控制参数，最终达到较好的控制效果。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章绪论

1.1引言

1.2课题来源及研究意义

1.3国内外挖掘机自动化研究概况

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4液压挖掘机自动化控制器的发展趋势

1.5本论文的主要研究内容

1.6本章小结

第二章液压挖掘机轨迹控制器控制算法

2.1液压挖掘机运动学模型

2.2挖掘机器人轨迹控制策略

2.3减压比例阀电流-流量模型

2.4本章小结

第三章轨迹控制器原型设计方案研究

3.1方案简介

3.2 SOC设计方法选择

3.2.1基于IP核的SOC设计方法

3.2.2基于平台的SOC设计方法

3.3开发环境及开发流程

3.3.1硬件开发环境

3.2.2整合开发环境和开发流程

3.4本章小结

第四章轨迹控制器SOC原型系统实现

4.1引言

4.2系统功能模块划分

4.3控制器计算控制处理单元模块实现

4.3.1 Nios Ⅱ嵌入式处理器配置

4.3.2存储组件及接口配置

4.3.3定时器单元配置及软件编程

4.4 I/O接口模块的实现

4.4.1控制器内部接口单元及软件编程

4.4.2板外I/O接口硬件电路设计

4.5 μ C/OS-Ⅱ嵌入式操作系统在控制器中的应用

4.6系统综合及控制算法的实现

4.7本章小结

第五章半实物仿真实验研究

5.1引言

5.2半实物仿真实验平台搭建

5.3虚拟现实VR软件的实现及测试

5.3.1 VR软件实现

5.3.2主要软件开发技术及软件测试

5.4仿真实验调试

5.5半实物仿真结论

5.6 μ C/OS-Ⅱ嵌入式操作系统实时性实验分析

5.7本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

附录

致谢