论文部分内容阅读
挖掘机作为功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一,其在基础工程建设、抢险救灾等任务中发挥着不可替代的作用。为应对精度、效率等方面越来越高的作业要求,适应危险、恶劣的作业环境,智能化、自主化已成为挖掘机未来的主要发展趋势。智能控制系统、工作装置轨迹规划与作业任务的规划决策是挖掘机实现自主作业的基础。本文以挖掘机器人的规划控制为研究重点。首先设计智能控制系统与改装方案,并设计实现无线转有线数据交互的通信链路。然后建立工作装置运动学模型,分析描绘其作业范围,并在笛卡尔空间与关节空间研究挖掘作业的轨迹规划方法。搭建挖掘机器人三维可视化仿真系统,通过软件框架与控制程序实现仿真模型的规划控制与状态监测,并通过模拟实验论证仿真系统与控制程序的可行性。最后,针对典型作业任务,研究任务规划的作业流程,并对其进行仿真测试。本文各章节主要研究内容如下:第一章绪论,分析了本文研究内容的背景与意义,介绍了智能挖掘机器人与轨迹规划方法的国内外研究现状。据此,提出本文的主要研究内容。第二章,提出一种三层智能控制系统,并设计挖掘机改装方案与主要硬件选型。进一步基于TCP/IP网络通信协议、CAN总线协议、多路I/O转接框架等开发三终端间的WiFi与CAN总线数据通信链路,并进行实验测试。第三章与第四章,建立工作装置运动学模型,研究运动学正解、逆解及关节空间与驱动空间的转换关系,基于蒙特卡罗法完成作业范围的分析与描述。基于MATLABRTB建立工作装置仿真模型,并完成挖掘后分段轨迹规划仿真。针对挖掘连续轨迹,提出笛卡尔空间NURBS曲线拟合、关节空间分段多项式插值(33333、33533)及关节空间NURBS曲线插补规划方法,通过仿真分析上述方法的特点,并进一步基于遗传算法研究时间与冲击综合最优的轨迹优化方法。第五章与第六章,基于ROS搭建挖掘机器人三维可视化仿真平台,基于MoveIt!设计工作装置轨迹规划的软件框架与控制程序,通过ros_control规划控制器实现仿真模型的规划控制。基于四自由度机械臂设计工作装置轨迹规划模拟实验,论证仿真系统与控制程序的可行性。第七章,基于典型作业任务分析,对基本作业类型进行任务规划,设计作业流程,并进行相应的仿真分析。同时基于ROS环境下的规划场景监听器,研究工作装置的碰撞检测,提高规划控制的安全性与时效性。第八章总结与展望,总结本文研究内容并给出相应结论,展望进一步研究工作,给出意见与建议。