负载口独立挖掘机的智能控制系统研究

摘要

液压挖掘机是功能典型、结构复杂、用途广泛的工程机械之一。随着计算机控制和通讯技术的飞跃，挖掘机也正在向更节能、更智能演进。智能挖掘机可提高作业精度与效率，也可应用于危险、恶劣的特殊环境。负载口独立控制技术利用两个换向阀分别控制执行元件的进、出油口，进而控制执行元件的运动速度。将负载口独立技术应用于挖掘机，利用增加的控制自由度提升挖掘机液压系统的节能性以及控制性能，是负载口独立技术研究的重点之一。
　　本文以挖掘机智能控制系统及负载口独立阀控制器为研究对象。首先架构系统各节点的软硬件方案，并重点对数据链路的设计实现进行研究。接着，建立工作装置的运动学模型，研究其轨迹规划方法。搭建挖掘机实体三维仿真环境，采用骨骼动画方法实现模型的精确控制。最后，提出负载口独立多路阀控制器的功能需求并进行软硬件设计。搭建模拟负载测试回路，通过实验进行主阀芯位移闭环控制的研究。
　　本文各章节主要内容如下：
　　第一章为绪论部分，提出本文的研究背景和意义，介绍了国内外四个层次的挖掘机智能控制系统以及负载口独立控制系统的研究现状。在此基础上，提出本文的研究内容。
　　第二章基于系统各设备端的功能和控制流程，提出数据链路信息流程，讨论各节点的硬件选型及软件功能架构。对数据链路中Redis数据库服务、基于TCP的数据传输服务、基于CAN总线的数据传输服务、Server/Client网络通讯的设计实现进行了研究，提出提高数据传输时效性和无线设备连接可靠性的措施。
　　第三章基于D-H坐标系，建立了工作装置（含回转）的运动学模型，推导其驱动空间与铲斗齿尖笛卡尔空间坐标系之间的正逆解解算算式。通过编写轨迹规划程序，研究加速度连续的铲斗齿尖直线轨迹和单关节轨迹的规划方法。
　　第四章基于OGRE图形引擎与骨骼动画方法，搭建目标挖掘机可运动学操控的三维实体仿真环境，实现精确的模型运动参数化控制和反馈。通过在仿真环境中复现轨迹规划结果，分析了仿真误差及其来源。
　　第五章基于负载口独立多路阀控制器的设计需求，选型控制核心和传感器，设计相关电路原理并制作控制器电路板。基于DSP TMS320F28335控制核心和SYS/BIOS嵌入式操作系统，进行阀控制器多任务实时控制软件架构的研究。搭建基于溢流阀与节流阀的模拟负载测试回路，通过主阀芯位移阶跃响应和正弦信号跟随实验，分析中位卸荷机能先导阀的主阀芯控制问题并提出优化方案，还探讨了多种改进PID算法对阀芯控制效果的提升。
　　第六章总结全文，对下一步工作进行展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 挖掘机智能控制系统研究现状

1．2．2 负载口独立控制系统研究现状

1．3 课题主要研究内容

2 智能控制系统架构与数据链路设计

2．1 智能控制系统架构

2．1．1 系统各设备端功能

2．1．2 系统控制流程

2．2 数据链路软硬件架构

2．2．1 数据链路硬件

2．2．2 数据链路软件

2．3 基于Redis的数据库服务

2．4 基于TCP的数据传输服务

2．5 基于CAN总线的数据传输服务

2．6 本章小结

3 工作装置运动学建模与轨迹规划

3．1 工作装置运动学建模

3．1．1 工作装置D-H坐标系建立

3．1．2 工作装置运动学正逆解

3．2 工作装置轨迹规划

3．2．1 笛卡尔空间正弦加减速法直线轨迹规划

3．2．2 关节空间与驱动空间轨迹规划

3．2．3 轨迹规划程序设计实现

3．3 本章小结

4 运动学三维仿真环境设计

4．1 OGRE场景搭建与Qt GUI设计

4．2 基于骨骼动画的模型建立

4．3 三维模型运动控制

4．3．1 行走装置模型控制

4．3．2 工作装置模型控制

4．3．3 规划轨迹仿真实验

4．4 本章小结

5 负载口独立阀控制器设计与实验

5．1 负载口独立多路阀工作原理

5．1．1 负载控制策略简介

5．1．2 阀组成与结构

5．2 阀控制器需求分析

5．3 阀控制器硬件设计

5．3．1 控制器核心选型

5．3．2 传感器与执行器

5．3．3 电路原理设计

5．4 阀控制器软件设计

5．4．1 SYS／BIOS嵌入式操作系统

5．4．2 多任务实时控制软件架构

5．5 模拟负载回路设计

5．6 主阀芯位移控制算法设计与实验

5．6．1 主阀芯控制问题分析

5．6．2 基于改进PID的位移控制算法

5．6．3 主阀芯位移控制实验

5．7 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献