CN110409528B - 一种挖掘机铲斗轨迹自动控制装置、方法和计算机可读存储介质 - Google Patents

一种挖掘机铲斗轨迹自动控制装置、方法和计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种挖掘机铲斗轨迹自动控制方法，包括：步骤S1：确定挖掘机的动臂的姿态角速率和斗杆的姿态角速率之间的定量关系；步骤S2：确定所述斗杆的控制阀阀芯的位移量，控制所述斗杆移动；步骤S3：确定所述动臂的姿态角速率；步骤S4：确定所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量；步骤S5：确定所述动臂的控制阀阀芯位移的反馈控制量；步骤S6：确定所述动臂控制阀的阀芯位移控制量，控制所述动臂移动。根据动臂、斗杆的姿态角速率满足的定量关系，将直线挖掘铲斗轨迹控制转化为工作装置姿态角速率的匹配控制，在省去轨迹规划和轨迹到姿态角度的逆运算等复杂计算的同时也提高了控制的频带和响应速度。

Description

一种挖掘机铲斗轨迹自动控制装置、方法和计算机可读存储 介质
技术领域
本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种挖掘机铲斗轨迹自动控制装置、方法和计算机可读存储介质。
背景技术
随着挖掘机电控技术的发展，对挖掘机控制自动化水平提出了越来越高的要求。例如在挖掘机修边坡或地面整平时，需要仅控制一个手柄就实现铲斗轨迹的直线控制，这就要求斗杆和大臂能够自动实现位置的精确匹配控制。
目前针对铲斗自动轨迹控制的研究都是将规划的铲斗轨迹转化为各工作装置的目标角度序列，进而通过工作装置的角度跟踪控制实现铲斗轨迹的跟踪控制。
现有技术中，通过模糊控制动态调整控制参数实现作业轨迹的自动控制，或使用带有低通滤波器的滑膜算法实现了工作装置轨迹跟踪控制。中南大学基于拉格朗日和伯努利方程，建立了工作装置的动力学模型，在SWE85挖掘机平台上分别使用PID控制、滑膜变结构控制和自适应控制技术实现了铲斗轨迹的跟踪控制。解放军理工大学基于笛卡尔空间建立了工装运动学模型，通过离线轨迹规划和在线轨迹跟踪设计了铲斗轨迹控制策略，并针对模型的非线性采用了分段PID补偿控制，基于实验室小型挖掘机平台完成了实验，精度达到了5cm。波兰华沙机械化建设与岩石开采研究所将小型挖掘机K-111改造成负载独立控制系统，实现了铲斗轨迹自动控制，但由于其没有实现位置闭环，铲斗运动速度只能达到2米每分钟，其误差范围在4％到15％。
以上现有技术均基于小型挖掘机平台，其液压系统均为具有出色可控性的负载独立控制系统，对大型正流量系统挖掘机并不适用。正流量系统中工作臂的速度不仅依赖阀口开度还取决于负载压力，复合动作时工作臂之间因为流量耦合存在着速度干扰，协调运动非常困难。
发明内容
因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种挖掘机铲斗轨迹自动控制装置、方法和计算机可读存储介质。
为实现上述目的，本发明提供一种挖掘机铲斗轨迹自动控制方法，包括：
步骤S1：根据挖掘机铲斗位置和挖掘机铲斗轨迹，确定挖掘机的动臂的姿态角速率和斗杆的姿态角速率之间的定量关系；
步骤S2：根据挖掘机操纵手柄的位移量，确定所述斗杆的控制阀阀芯的位移量，控制所述斗杆移动；
步骤S3：确定所述斗杆的姿态角速率，根据S1中所述的定量关系，确定所述动臂的姿态角速率；
步骤S4：根据S3中确定的所述动臂的姿态角速率，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量；
步骤S5：接收动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率，根据S3中确定的动臂姿态角速率和动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率之间的差值，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的反馈控制量；
步骤S6：根据所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量和反馈控制量，确定所述动臂控制阀的阀芯位移控制量，控制所述动臂移动。
进一步地，所述步骤S1包括根据所述挖掘机铲斗的齿间中心的实时位置确定所述挖掘机的动臂和斗杆的姿态角速率之间的定量关系。
进一步地，所述步骤S1进一步包括，分别以挖掘机车体回转中心、动臂绕车体的转轴中心、斗杆绕动臂的转轴中心、铲斗绕斗杆的轴中心为原点建立四个独立坐标系O0x0y0z0、O1x1y1z1、O2x2y2z2、O3x3y3z3；获取所述挖掘机铲斗的齿间中心在O3x3y3z3中的位置坐标(xp3，yp3，zp3)，将该位置坐标(xp3，yp3，zp3)通过其次矩阵转换为在O0x0y0z0中的位置坐标(xp0，yp0，zp0)。
进一步地，通过使铲斗的齿间中心在O0x0y0z0坐标系中的实时位置的代价函数h(xp0，zp0)＝|zp0-tanμ·xp0+tanμ·ap0-cp0|＝0来确定挖掘机的动臂和斗杆的姿态角速率之间的定量关系，其中，μ为挖掘机铲斗的直线挖掘轨迹与O0x0y0z0中x0轴的夹角，所述x0轴与所述挖掘机的上车体的水平指向相同；(ap0，bp0，cp0)为铲斗的齿间中心在所述O0x0y0z0坐标系中初始位置。
进一步地，步骤S4中，利用神经网络算法确定所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量。
进一步地，所述神经网络算法中采用三层BP神经网络系统。
进一步地，步骤S5中，通过比例积分控制器总成来确定所述动臂的控制阀阀芯位移的反馈控制量。
定量关系确定单元，用于根据根据挖掘机铲斗位置和挖掘机铲斗轨迹来确定挖掘机的动臂和斗杆的姿态角速率之间的定量关系；
斗杆控制单元，根据挖掘机操纵手柄的位移量，确定所述斗杆的控制阀阀芯的位移量，控制所述斗杆移动；
动臂姿态角速率确定单元，用于确定所述斗杆的姿态角速率，根据定量关系确定单元确定的所述定量关系，确定所述动臂的姿态角速率；
动臂前馈控制单元，根据动臂姿态角速率确定单元确定的所述动臂的姿态角速率，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量；
动臂反馈控制单元，用于接收动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率，根据动臂姿态角速率确定单元确定的动臂姿态角速率和动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率之间的差值，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的反馈控制量；
动臂控制单元，根据所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量和反馈控制量，确定所述动臂控制阀的阀芯位移控制量，控制所述动臂移动。
本发明还提供一种挖掘机铲斗轨迹自动控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序指令，所述处理器执行所述计算机程序指令时，实现上述任一所述的方法。
本发明还提供一种非瞬时性计算机可读存储介质，存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器调用和执行时，实现上述任一所述的方法。
与现有技术相比，本发明根据工作装置二自由度直线挖掘自动控制中动臂、斗杆的姿态角速率满足的定量关系，将直线挖掘铲斗轨迹控制转化为工作装置姿态角速率的匹配控制，在省去轨迹规划和轨迹到姿态角度的逆运算等复杂计算的同时也提高了控制的频带和响应速度。针对正流量系统各部件复合动作间的流量耦合和速度干扰，实现了动臂姿态角速率到动臂阀芯位移的非线性逼近。外场试验表明，铲斗直线挖掘的轨迹跟踪偏差小于5cm，反复试验结果一致性好，具有很强的工程实用性。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的挖掘机铲斗轨迹自动控制方法流程图。
图2是根据本发明的一个实施例的挖掘机根据D-H坐标系法的规则建立的4个坐标系的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的挖掘机电控系统示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的挖掘机斗杆阀芯位移随杆位移变化曲线图。
图5是根据本发明的一个实施例的利用神经网络算法确定所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量中，BP神经网络拓扑结构图。
图6是根据本发明的一个实施例的一种挖掘机铲斗轨迹自动控制装置的方框图。
图7示出了根据本发明的一个实施例的挖掘机铲斗轨迹自动控制电子设备的示意图。
图8示出了根据本发明的一个实施例的铲斗齿间中心的位置曲线图。
图9示出了根据本发明的一个实施例的铲斗齿间中心的位置误差。
图10示出了根据本发明的一个实施例的挖掘机进行100次挖掘试验，控制的最大误差示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1所示，为本发明的一种挖掘机铲斗轨迹自动控制方法的一个实施例的流程图，包括：
步骤S1：根据挖掘机铲斗位置和挖掘机铲斗轨迹，确定挖掘机的动臂的姿态角速率和斗杆的姿态角速率之间的定量关系；
步骤S2：根据挖掘机操纵手柄的位移量，确定所述斗杆的控制阀阀芯的位移量，控制所述斗杆移动；
步骤S3：确定所述斗杆的姿态角速率，根据S1中所述的定量关系，确定所述动臂的姿态角速率；
步骤S4：根据S3中确定的所述动臂的姿态角速率，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量；
步骤S5：接收动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率，根据S3中确定的动臂姿态角速率和动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率之间的差值，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的反馈控制量；
步骤S6：根据所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量和反馈控制量，确定所述动臂控制阀的阀芯位移控制量，控制所述动臂移动。
目前针对铲斗自动轨迹控制的的现有技术中，都是将规划的铲斗轨迹转化为各工作装置的目标角度序列，进而通过工作装置的角度跟踪控制实现铲斗轨迹的跟踪控制。而本发明首次提出了根据工作装置二自由度直线挖掘自动控制中动臂、斗杆的姿态角速率满足的匹配关系，将直线挖掘铲斗轨迹控制转化为工作装置姿态角速率的匹配控制，在省去轨迹规划和轨迹到姿态角度的逆运算等复杂计算的同时也提高了控制的频带和响应速度。
下面，对本发明中动臂和斗杆的姿态角速率的定量关系进行说明。
首先进行坐标系的转换，将挖掘机铲斗的齿间中心坐标转换为挖掘机车体回转中心的坐标，转换过程如下：
如图2所示，根据D-H坐标系法的规则建立4个坐标系，其中O0x0y0z0的原点O0位于挖掘机车体回转中心，x0与上车体的水平指向相同，z0沿车体回转轴，逆时针为正，O1x1y1z1的原点O1位于动臂绕车体的转轴中心，x1由动臂转轴指向斗杆绕动臂的转轴，z1沿动臂绕车体的转轴，O2x2y2z2的原点O2位于斗杆绕动臂的转轴中心，x2由斗杆转轴指向铲斗绕斗杆的转轴，z2沿斗杆绕动臂的转轴，O3x3y3z3的原点O3位于铲斗绕斗杆的轴中心，x3由原点指向铲斗的齿间中心，z3沿铲斗绕斗杆的转轴。各坐标系的变换可以用齐次变换矩阵
Figure BDA0002142935070000052
来表示，
Figure BDA0002142935070000051
O0x0y0z0到O1x1y1z1的齐次变换矩阵
Figure BDA0002142935070000053
可以表示为
Figure BDA0002142935070000061
其中，(a0，b0，c0)为O1在O0x0y0z0的位置矢量，
同理O1x1y1z1到O2x2y2z2的齐次变换矩阵
Figure BDA0002142935070000067
可以表示为
Figure BDA0002142935070000062
O2x2y2z2到O3x3y3z3的齐次变换矩阵
Figure BDA0002142935070000063
可以表示为
Figure BDA0002142935070000064
O0x0y0z0到O3x3y3z3的齐次变换矩阵
Figure BDA0002142935070000065
可以表示为
Figure BDA0002142935070000066
铲斗齿间中心在O3x3y3z3中的位置坐标为(xp3，yp3，zp3)，在O0x0y0z0中的位置坐标(xp0，yp0，zp0)可表示为：
Figure BDA0002142935070000071
其次，根据铲斗直线挖掘运动分析，获得动臂和斗杆的姿态角速率之间的定量关系：
铲斗直线挖掘运动学分析
O0x0y0z0坐标系中，铲斗初始位置为(ap0，bp0，cp0)，二自由度直线挖掘时xp3、yp3、zp3、θ3为定值，根据式可知铲斗齿间yp0坐标保持不变，xp0和zp0坐标满足直线方程，定义一代价函数h(xp0，zp0)，
h(xp0，zp0)＝|zp0-tanμ·xp0+tanμ·ap0-cp0| (7)
其中μ为直线挖掘轨迹与x0轴的夹角。易知，铲斗初始位置的代价函数h(ap0，cp0)等于0。为了使铲斗稳定地沿着预期的直线轨迹挖掘，铲斗实时位置的代价函数应恒等于0，于是有
Figure BDA0002142935070000072
把式(6)和式(7)代入式(8)展开可得
Figure BDA0002142935070000073
由上就是铲斗直线挖掘中动臂、斗杆的姿态角速率满足的定量关系。其中，
下面，结合图3，对本发明一个实施例中铲斗自动直线挖掘的控制方法电控系统进行说明。如图3所示，手柄位移信号Da通过挖掘速率指令环节得到不同挖掘速率对应的斗杆阀芯位移目标信号Xvc，驱动斗杆运动。斗杆姿态信号θ2、姿态角速率信号
Figure BDA0002142935070000074
挖掘角度信号μ以及动臂姿态信号θ1经动臂姿态角速率指令生成器的综合计算得到与斗杆姿态角速率匹配的动臂姿态角速率指令信号
Figure BDA0002142935070000075
在神经网络前馈控制器和PI控制器的共同作用下得到动臂阀芯位移目标信号Yvc，驱动动臂的运动。至此，实现了铲斗二自由度可变速率直线挖掘的自动控制。
下面，对本发明的挖掘速率指令的一个实施例进行说明：
二自由度直线挖掘时挖掘速率主要取决于斗杆运动速率。
斗杆油缸活塞伸出即阀芯位移xv＞0时，阀芯进油口和出油口的流量方程分别为：
Figure BDA0002142935070000081
Figure BDA0002142935070000082
式中，ps为系统压力，p1为无杆腔压力，p2为有杆腔压力，p0为系统回油压力。当系统负载一定时，ps p1 p2 p0的稳态值变化不大，根据式可知，阀芯位移越大，斗杆挖掘越快。因此挖掘速率指令设计可以转化为斗杆阀芯位移对手柄位移的梯度设计。按照小杆位移低灵敏度和大杆位移高灵敏度的要求，斗杆阀芯位移指令与杆位移成分段比例的变化关系，如图4所示。
动臂姿态是决定整个直线挖掘过程的关键，下面介绍一下动臂姿态角速率指令生成过程
根据公式(9)，与斗杆姿态角速率匹配的动臂姿态角速率指令
Figure BDA0002142935070000083
可以表示为：
Figure BDA0002142935070000084
其中N(θ1，θ2)为
Figure BDA0002142935070000085
D(θ1，θ2)为
(xp3cos(θ1+θ2+θ3)-yp3sin(θ1+θ2+θ3)+l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2))
+tanμ(xp3sin(θ1+θ2+θ3)+yp3cos(θ1+θ2+θ3)+l2sin(θ1+θ2)+l1sinθ1)
在本发明的一个实施例中，为了得到动臂阀芯位移，采用神经网络前馈控制，根据动臂期望姿态角速率来求解动臂阀芯位移指令。正流量系统中，动臂阀芯流量同动臂阀芯位移是一个非线性关系，动臂和斗杆复合运动时彼此存在着速度干扰。因此，动臂姿态角速率同动臂阀芯位移是一个复杂非线性关系。由于BP神经网络可以逼近任意L2范数上的非线性函数，因此采用神经网络对动臂姿态角速率和动臂阀芯位移之间的非线性关系进行泛化。
如图5所示，采用三层BP神经网络系统，输入层由动臂姿态角速率
Figure BDA0002142935070000091
小臂阀芯位移Xv，泵压ps，小臂姿态θ2，动臂姿态θ1等5个节点组成，隐含层由5个节点，输出层1个节点，输出为动臂阀芯位移Yv。隐含层和输出层的激活函数f均为非对称S型函数。
通过复合操纵小臂和动臂，记录挖掘机稳态运动的数据，建立离线训练样本库。神经网络学习算法的步骤如下：
1)设置初始权值系数1w(0)和2w(0)；
2)根据训练样本库的输入输出对，计算网络的输出；
3)计算网络的目标函数；
4)判断学习是否结束；
5)根据梯度下降法对权值1w和2w进行调整。
对以上过程进行反复迭代，直到目标函数小于设定值，训练结束。将最终的1w和2w作为神经网络前馈控制器的权值参数。
由于神经网络前馈控制存在误差，为了获得更精确的结果，根据本发明的一个实施例，采用PI控制器来补偿因扰动和未建模动态引起的神经网络前馈控制的误差，计算公式为
Figure BDA0002142935070000092
kp为比例控制增益，取1～15，kI为积分控制增益，取0.05～0.15。
图6示出了根据本公开的实施例的一种挖掘机铲斗轨迹自动控制装置的方框图。如图6所示，装置包括定量关系确定单元，用于根据根据挖掘机铲斗位置和挖掘机铲斗轨迹来确定挖掘机的动臂和斗杆的姿态角速率之间的定量关系；斗杆控制单元，根据挖掘机操纵手柄的位移量，确定所述斗杆的控制阀阀芯的位移量，控制所述斗杆移动；动臂姿态角速率确定单元，用于确定所述斗杆的姿态角速率，根据定量关系确定单元中确定的所述的定量关系，确定所述动臂的姿态角速率；动臂前馈控制单元，根据动臂姿态角速率确定单元确定的所述动臂的姿态角速率，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量；动臂反馈控制单元，用于接收动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率，根据动臂姿态角速率确定单元中确定的动臂姿态角速率和动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率之间的差值，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的反馈控制量；动臂控制单元，根据所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量和反馈控制量，确定所述动臂控制阀的阀芯位移控制量，控制所述动臂移动。
图7示出了可以用来实施本公开的实施例的电子设备700的示意性框图。设备700可以用于实现图1所所述方法的控制。如图所示，设备700包括中央处理单元(CPU)701，其可以根据存储在只读存储器(ROM)702中的计算机程序指令或者从存储单元708加载到随机访问存储器(RAM)703中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 703中，还可以存储设备700操作所需的各种程序和数据。CPU 701、ROM 702以及RAM 703通过总线704彼此相连。输入/输出(I/O)接口705也连接至总线704。
设备700中的多个部件连接至I/O接口705，包括：输入单元706，例如键盘、鼠标等；输出单元707，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元708，例如磁盘、光盘等；以及通信单元709，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元709允许设备700通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
中央处理单元701执行上文所描述的各个方法和处理，例如，在一些实施例中，方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元708。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 702和/或通信单元709而被载入和/或安装到设备700上。当计算机程序加载到RAM 703并由CPU 701执行时，可以执行上文描述的方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU 701可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行上述方法。
挖掘实验
将设计的控制方法通过车载控制器运行，在挖掘机电控系统中进行铲斗直线挖掘自动控制试验，其中姿态传感器的角度测量精度为0.1度，频率为200HZ，姿态角速率通过姿态角滤波得到。控制器中控制律的计算周期为50ms，将挖掘机操纵到初始状态，通过斗杆按钮锁定初始位置，通过仪表设置挖掘角度，然后仅通过操纵斗杆手柄即可实现自动挖掘，操纵位移越大，挖掘速率越快。将控制器采集的姿态传感器数据代入公式(6)即可得到铲斗齿间中心的位置曲线如图8所示，位置误差见图9。
为了评价控制效果的一致性，在同一种工况下反复进行100次挖掘试验，控制的最大误差如图10所示，统计数据显示，自动挖掘的铲斗齿间位置最大误差4.99cm，最小误差3.51cm，平均误差4.03cm，标准差0.05cm。控制效果一致性很好，具有较强的工程实用性。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
综上，本发明以挖掘机工作装置二自由度直线挖掘为例，基于代价函数最小理论获得铲斗直线挖掘自动控制中动臂、斗杆的姿态角速率满足的定量关系，从而将铲斗轨迹跟踪控制转化为工作装置姿态角速率的实时匹配控制，这样就无需进行轨迹规划和轨迹到姿态角度的逆运算等复杂计算，同时具有更高的控制频带和响应速度，会对误差进行更快的纠正，有利于提高控制精度。此外，针对正流量系统中阀芯流量同阀芯位移的非线性关系，应用BP神经网络对动臂姿态角速率和动臂阀芯位移之间的非线性关系进行泛化，实现了动臂的前馈控制。
试验结果表明，铲斗直线挖掘的控制精度可以达到5cm内，反复试验结果一致性好，具有较强的工程实用性。
尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种挖掘机铲斗轨迹自动控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据挖掘机铲斗位置和挖掘机铲斗轨迹，确定挖掘机的动臂的姿态角速率和斗杆的姿态角速率之间的定量关系；
步骤S2：根据挖掘机操纵手柄的位移量，确定所述斗杆的控制阀阀芯的位移量，控制所述斗杆移动；
步骤S3：确定所述斗杆的姿态角速率，根据S1中所述的定量关系，确定所述动臂的姿态角速率；
步骤S4：根据S3中确定的所述动臂的姿态角速率，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量；
步骤S5：接收动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率，根据S3中确定的动臂姿态角速率和动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率之间的差值，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的反馈控制量；
步骤S6：根据所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量和反馈控制量，确定所述动臂控制阀的阀芯位移控制量，控制所述动臂移动。
2.如权利要求1所述的自动控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括根据所述挖掘机铲斗的齿间中心的实时位置确定所述挖掘机的动臂和斗杆的姿态角速率之间的定量关系。
3.如权利要求2所述的自动控制方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括，分别以挖掘机车体回转中心、动臂绕车体的转轴中心、斗杆绕动臂的转轴中心、铲斗绕斗杆的轴中心为原点建立四个独立坐标系O0x0y0z0、O1x1y1z1、O2x2y2z2、O3x3y3z3；获取所述挖掘机铲斗的齿间中心在O3x3y3z3中的位置坐标(xp3，yp3，zp3)，将该位置坐标(xp3，yp3，zp3)通过齐次矩阵转换为在O0x0y0z0中的位置坐标(xp0，yp0，zp0)。
4.如权利要求3所述的自动控制方法，其特征在于，
通过使铲斗的齿间中心在O0x0y0z0坐标系中的实时位置的代价函数h(xp0，zp0)＝|zp0-tanμ·xp0+tanμ·ap0-cp0|＝0来确定挖掘机的动臂和斗杆的姿态角速率之间的定量关系，其中，μ为挖掘机铲斗的直线挖掘轨迹与O0x0y0z0中x0轴的夹角，所述x0轴与所述挖掘机的上车体的水平指向相同；(ap0，bp0，cp0)为铲斗的齿间中心在所述O0x0y0z0坐标系中初始位置。
5.如权利要求1所述的自动控制方法，其特征在于，步骤S4中，利用神经网络算法确定所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量。
6.如权利要求5所述的自动控制方法，其特征在于，所述神经网络算法中采用三层BP神经网络系统。
7.如权利要求1所述的自动控制方法，其特征在于，步骤S5中，通过比例积分控制器总成来确定所述动臂的控制阀阀芯位移的反馈控制量。
8.一种挖掘机铲斗轨迹自动控制装置，其特征在于，包括：
定量关系确定单元，用于根据挖掘机铲斗位置和挖掘机铲斗轨迹来确定挖掘机的动臂和斗杆的姿态角速率之间的定量关系；
斗杆控制单元，根据挖掘机操纵手柄的位移量，确定所述斗杆的控制阀阀芯的位移量，控制所述斗杆移动；
动臂姿态角速率确定单元，用于确定所述斗杆的姿态角速率，根据定量关系确定单元确定的所述定量关系，确定所述动臂的姿态角速率；
动臂前馈控制单元，根据动臂姿态角速率确定单元确定的所述动臂的姿态角速率，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量；
动臂反馈控制单元，用于接收动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率，根据动臂姿态角速率确定单元确定的动臂姿态角速率和动臂姿态传感器反馈的动臂姿态角速率之间的差值，确定所述动臂的控制阀阀芯位移的反馈控制量；
动臂控制单元，根据所述动臂的控制阀阀芯位移的前馈控制量和反馈控制量，确定所述动臂控制阀的阀芯位移控制量，控制所述动臂移动。
9.一种挖掘机铲斗轨迹自动控制装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序指令，所述处理器执行所述计算机程序指令时，实现权利要求1-7任一所述的方法。
10.一种非瞬时性计算机可读存储介质，其特征在于，存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器调用和执行时，实现权利要求1-7任一所述的方法。
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