CN111042244A - 挖掘机工作轨迹控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种挖掘机工作轨迹控制方法和系统，应用于挖掘机控制系统，包括：获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度；目标部件包括以下至少之一：动臂，斗杆和铲斗；获取目标部件的目标倾斜角度；目标倾斜角度为挖掘机沿着预设工作轨迹动作之后目标部件的倾斜角度；基于初始倾斜角度和目标倾斜角度构建滑模变结构控制器；通过滑模变结构控制器输出的控制信号控制目标部件的倾斜角度，以通过控制目标部件的倾斜角度来控制挖掘机的工作轨迹。本发明缓解了现有技术中存在的参数调整费时复杂，无法保证良好的动态控制品质的技术问题。

Description

挖掘机工作轨迹控制方法和系统
技术领域
本发明涉及挖掘机自动控制技术领域，尤其是涉及一种挖掘机工作轨迹控制方法和系统。
背景技术
为了提高挖掘机自动工作效率，根据工作需要设定挖掘机工作轨迹，使挖掘机工作装置高精度追踪参考工作轨迹，现有技术多采用传统比例积分微分(proportional-integral-derivative，简称PID)控制算法，但是该控制算法存在着参数调整费时复杂，无法保证良好的动态控制品质的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种挖掘机工作轨迹控制方法和系统，以缓解了现有技术中存在的参数调整费时复杂，无法保证良好的动态控制品质的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种挖掘机工作轨迹控制方法，应用于挖掘机控制系统，包括：获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度；所述目标部件包括以下至少之一：动臂，斗杆和铲斗；获取所述目标部件的目标倾斜角度；所述目标倾斜角度为所述挖掘机沿着预设工作轨迹动作之后所述目标部件的倾斜角度；基于所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度构建滑模变结构控制器；通过所述滑模变结构控制器输出的控制信号控制所述目标部件的倾斜角度，以通过控制所述目标部件的倾斜角度来控制所述挖掘机的工作轨迹。
进一步地，获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度，包括：通过预先设置在所述目标部件上的倾角传感器获取所述目标部件的初始倾斜角度。
进一步地，获取所述目标部件的目标倾斜角度，包括：获取所述目标部件的尺寸信息；基于所述初始倾斜角度和所述尺寸信息建立所述目标部件的第一控制模型；获取所述挖掘机的预设工作轨迹；基于所述预设工作轨迹控制所述第一控制模型，以使所述第一控制模型沿着所述预设工作轨迹动作，并将动作之后的第一控制模型确定为第二控制模型；获取所述第二控制模型上目标部件的倾斜角度，得到目标倾斜角度。
进一步地，基于所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度构建滑模变结构控制器，包括：基于所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度确定追踪误差；所述追踪误差为所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度的差值；基于所述追踪误差构建滑模变结构控制器。
进一步地，所述滑模变结构控制器的趋近律为等速趋近律，所述滑模变结构控制器中所用滑模面为比例微分滑模面。
进一步地，通过所述滑模变结构控制器输出的控制信号控制所述目标部件的倾斜角度，包括：获取所述滑模变结构控制器输出的控制信号；所述控制信号包括以下至少之一：电磁阀电流，控制泵流量；基于所述控制信号控制所述目标部件的电磁阀的电流，和/或，所述目标部件的控制泵的流量，以通过控制所述电流和/或所述流量来控制所述目标部件的倾斜角度。
第二方面，本发明实施例还提供了一种挖掘机工作轨迹控制系统，应用于挖掘机控制系统，包括：第一获取模块，第二获取模块，构建模块和控制模块，其中，所述第一获取模块，用于获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度；所述目标部件包括以下至少之一：动臂，斗杆和铲斗；所述第二获取模块，用于获取所述目标部件的目标倾斜角度；所述目标倾斜角度为所述挖掘机沿着预设工作轨迹动作之后所述目标部件的倾斜角度；所述构建模块，用于基于所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度构建滑模变结构控制器；所述控制模块，用于通过所述滑模变结构控制器输出的控制信号控制所述目标部件的倾斜角度，以通过控制所述目标部件的倾斜角度来控制所述挖掘机的工作轨迹。
进一步地，所述第二获取模块还包括：第一获取单元，第一模型单元，第二获取单元，第二模型单元和第三获取单元，其中，所述第一获取单元，用于获取所述目标部件的尺寸信息；所述第一模型单元，用于基于所述初始倾斜角度和所述尺寸信息建立所述目标部件的第一控制模型；所述第二获取单元，用于获取所述挖掘机的预设工作轨迹；所述第二模型单元，用于基于所述预设工作轨迹控制所述第一控制模型，以使所述第一控制模型沿着所述预设工作轨迹动作，并将动作之后的第一控制模型确定为第二控制模型；所述第三获取单元，用于获取所述第二控制模型上目标部件的倾斜角度，得到目标倾斜角度。
进一步地，所述构建模块还包括：确定单元和构建单元，其中，所述确定单元，用于基于所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度确定追踪误差；所述追踪误差为所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度的差值；所述构建单元，用于基于所述追踪误差构建滑模变结构控制器。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的方法的步骤。
本发明实施例提供了一种挖掘机工作轨迹控制方法和系统，首先获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度，和获取目标部件的目标倾斜角度，然后基于初始倾斜角度和目标倾斜角度构建滑模变结构控制器，最后通过滑模变结构控制器输出的控制信号控制目标部件的倾斜角度，以通过控制目标部件的倾斜角度来控制挖掘机的工作轨迹。本发明实施例通过构建滑模变结构控制器并通过滑模变结构控制方法来控制挖掘机的目标部件的工作轨迹，因滑模变结构控制方法本身所具有的响应速度快、需调节参数少和鲁棒性能好等优点，使的本发明能够缓解现有技术中存在的参数调整费时复杂，无法保证良好的动态控制品质的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种挖掘机工作轨迹控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种第一控制模型的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种挖掘机工作轨迹控制系统的示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种挖掘机工作轨迹控制系统的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
图1是根据本发明实施例提供的一种挖掘机工作轨迹控制方法的流程图，该应用于挖掘机控制系统。如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
步骤S102，获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度；目标部件包括以下至少之一：动臂，斗杆和铲斗。
可选地，通过预先设置在目标部件上的倾角传感器获取目标部件的初始倾斜角度。可选地，倾角传感器包括：动臂倾角传感器，斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器。
步骤S104，获取目标部件的目标倾斜角度；目标倾斜角度为挖掘机沿着预设工作轨迹动作之后目标部件的倾斜角度。
步骤S106，基于初始倾斜角度和目标倾斜角度构建滑模变结构控制器。
步骤S108，通过滑模变结构控制器输出的控制信号控制目标部件的倾斜角度，以通过控制目标部件的倾斜角度来控制挖掘机的工作轨迹。
本发明实施例提供了一种挖掘机工作轨迹控制方法，首先获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度，和获取目标部件的目标倾斜角度，然后基于初始倾斜角度和目标倾斜角度构建滑模变结构控制器，最后通过滑模变结构控制器输出的控制信号控制目标部件的倾斜角度，以通过控制目标部件的倾斜角度来控制挖掘机的工作轨迹。本发明实施例通过构建滑模变结构控制器并通过滑模变结构控制方法来控制挖掘机的目标部件的工作轨迹，因滑模变结构控制方法本身所具有的响应速度快、需调节参数少和鲁棒性能好等优点，使的本发明能够缓解现有技术中存在的参数调整费时复杂，无法保证良好的动态控制品质的技术问题。
可选地，步骤S104具体包括如下步骤：
步骤S1041，获取目标部件的尺寸信息，其中，尺寸信息包括目标部件的长度信息、宽度信息和厚度信息。
步骤S1042，基于初始倾斜角度和尺寸信息建立目标部件的第一控制模型；例如，图2是根据本发明实施例提供的一种第一控制模型的示意图。如图2所示，该模型为目标部件的二维模型，其中包括：动臂l1、斗杆l2和铲斗l3的位置以及倾斜角度。其中，q1、q2和q3为初始倾斜角度，具体地，q1为动臂与水平方向的夹角，q2为斗杆与动臂的夹角，q3为铲斗与斗杆的夹角。
步骤S1043，获取挖掘机的预设工作轨迹。
步骤S1044，基于预设工作轨迹控制第一控制模型，以使第一控制模型沿着预设工作轨迹动作，并将动作之后的第一控制模型确定为第二控制模型。
步骤S1045，获取第二控制模型上目标部件的倾斜角度，得到目标倾斜角度。
在本发明实施例中，通过对挖掘机的目标部件建立模型，然后将所建立的模型按照预设工作轨迹动作，之后得到第二控制模型，并以第二控制模型的倾斜角度作为目标倾斜角度，即，通过建立模型的方式获取了挖掘机的目标部件完成预设工作轨迹的动作之后的倾斜角度。
可选地，步骤S106具体包括如下步骤：
步骤S1061，基于初始倾斜角度和目标倾斜角度确定追踪误差；追踪误差为初始倾斜角度和目标倾斜角度的差值。
步骤S1062，基于追踪误差构建滑模变结构控制器。
可选地，滑模变结构控制器的趋近律为等速趋近律，滑模变结构控制器中所用滑模面为比例微分(proportional-derivative，简称PD)滑模面。
例如，初始倾斜角度为q，目标倾斜角度为qm，则可以确定追踪误差为e＝qm-q。
可选地，步骤S108具体包括如下步骤：
步骤S1081，获取滑模变结构控制器输出的控制信号；控制信号包括以下至少之一：电磁阀电流，控制泵流量；
步骤S1082，基于控制信号控制目标部件的电磁阀的电流，和/或，目标部件的控制泵的流量，以通过控制电流和/或流量来控制目标部件的倾斜角度。
具体地，倾角传感器实时测量目标部件的倾斜角度，并与预设工作轨迹的目标倾斜角度生成追踪误差，通过滑模变结构控制器基于追踪误差输出控制信号，以通过控制信息控制目标部件的倾斜角度。
可选地，本发明实施例提供的方法还包括：实时显示挖掘机的目标部件的位置信息，显示挖掘机的预设工作轨迹，实时显示追踪误差以及统计显示控制性能。
通过以上描述可知，本发明实施例提供的一种挖掘机工作轨迹控制方法，通过构建滑模变结构控制器并通过滑模变结构控制方法来控制挖掘机的目标部件的工作轨迹，因滑模变结构控制方法本身所具有的响应速度快、需调节参数少和鲁棒性能好等优点，使的本发明能够缓解现有技术中存在的参数调整费时复杂，无法保证良好的动态控制品质的技术问题，达到了响应迅速、需调节参数少和鲁棒性能好的技术效果。
实施例二：
图3是根据本发明实施例提供的一种挖掘机工作轨迹控制系统的示意图，该系统应用于挖掘机控制系统。如图3所示，该系统包括：第一获取模块10，第二获取模块20，构建模块30和控制模块40。
具体地，第一获取模块10，用于获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度；目标部件包括以下至少之一：动臂，斗杆和铲斗。
具体地，通过预先设置在目标部件上的倾角传感器获取目标部件的初始倾斜角度。可选地，倾角传感器包括：动臂倾角传感器，斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器。
第二获取模块20，用于获取目标部件的目标倾斜角度；目标倾斜角度为挖掘机沿着预设工作轨迹动作之后目标部件的倾斜角度。
构建模块30，用于基于初始倾斜角度和目标倾斜角度构建滑模变结构控制器。
控制模块40，用于通过滑模变结构控制器输出的控制信号控制目标部件的倾斜角度，以通过控制目标部件的倾斜角度来控制挖掘机的工作轨迹。
本发明实施例提供的一种挖掘机工作轨迹控制系统，通过第一获取模块获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度，通过第二获取模块获取目标部件的目标倾斜角度，然后通过构建模块基于初始倾斜角度和目标倾斜角度构建滑模变结构控制器，最后通过控制模块利用滑模变结构控制器输出的控制信号控制目标部件的倾斜角度，以通过控制目标部件的倾斜角度来控制挖掘机的工作轨迹。本发明实施例通过构建滑模变结构控制器并通过滑模变结构控制方法来控制挖掘机的目标部件的工作轨迹，因滑模变结构控制方法本身所具有的响应速度快、需调节参数少和鲁棒性能好等优点，使的本发明能够缓解现有技术中存在的参数调整费时复杂，无法保证良好的动态控制品质的技术问题。
可选地，图4是根据本发明实施例提供的另一种挖掘机工作轨迹控制系统的示意图，如图4所示，第二获取模块20还包括：第一获取单元21，第一模型单元22，第二获取单元23，第二模型单元24和第三获取单元25。
具体地，第一获取单元21，用于获取目标部件的尺寸信息。
第一模型单元22，用于基于初始倾斜角度和尺寸信息建立目标部件的第一控制模型。
第二获取单元23，用于获取挖掘机的预设工作轨迹。
第二模型单元24，用于基于预设工作轨迹控制第一控制模型，以使第一控制模型沿着预设工作轨迹动作，并将动作之后的第一控制模型确定为第二控制模型。
第三获取单元25，用于获取第二控制模型上目标部件的倾斜角度，得到目标倾斜角度。
可选地，如图4所示，构建模块30还包括：确定单元31和构建单元32。
具体地，确定单元31，用于基于初始倾斜角度和目标倾斜角度确定追踪误差；追踪误差为初始倾斜角度和目标倾斜角度的差值。
构建单元32，用于基于追踪误差构建滑模变结构控制器。
可选地，滑模变结构控制器的趋近律为等速趋近律，滑模变结构控制器中所用滑模面为比例微分滑模面。
可选地，控制模块40还用于：获取滑模变结构控制器输出的控制信号；控制信号包括以下至少之一：电磁阀电流，控制泵流量；基于控制信号控制目标部件的电磁阀的电流，和/或，目标部件的控制泵的流量，以通过控制电流和/或流量来控制目标部件的倾斜角度。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例一中的方法的步骤。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种挖掘机工作轨迹控制方法，其特征在于，应用于挖掘机控制系统，包括：
获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度；所述目标部件包括以下至少之一：动臂，斗杆和铲斗；
获取所述目标部件的目标倾斜角度；所述目标倾斜角度为所述挖掘机沿着预设工作轨迹动作之后所述目标部件的倾斜角度；
基于所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度构建滑模变结构控制器；
通过所述滑模变结构控制器输出的控制信号控制所述目标部件的倾斜角度，以通过控制所述目标部件的倾斜角度来控制所述挖掘机的工作轨迹。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度，包括：
通过预先设置在所述目标部件上的倾角传感器获取所述目标部件的初始倾斜角度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述目标部件的目标倾斜角度，包括：
获取所述目标部件的尺寸信息；
基于所述初始倾斜角度和所述尺寸信息建立所述目标部件的第一控制模型；
获取所述挖掘机的预设工作轨迹；
基于所述预设工作轨迹控制所述第一控制模型，以使所述第一控制模型沿着所述预设工作轨迹动作，并将动作之后的第一控制模型确定为第二控制模型；
获取所述第二控制模型上目标部件的倾斜角度，得到目标倾斜角度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度构建滑模变结构控制器，包括：
基于所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度确定追踪误差；所述追踪误差为所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度的差值；
基于所述追踪误差构建滑模变结构控制器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滑模变结构控制器的趋近律为等速趋近律，所述滑模变结构控制器中所用滑模面为比例微分滑模面。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述滑模变结构控制器输出的控制信号控制所述目标部件的倾斜角度，包括：
获取所述滑模变结构控制器输出的控制信号；所述控制信号包括以下至少之一：电磁阀电流，控制泵流量；
基于所述控制信号控制所述目标部件的电磁阀的电流，和/或，所述目标部件的控制泵的流量，以通过控制所述电流和/或所述流量来控制所述目标部件的倾斜角度。
7.一种挖掘机工作轨迹控制系统，其特征在于，应用于挖掘机控制系统，包括：第一获取模块，第二获取模块，构建模块和控制模块，其中，
所述第一获取模块，用于获取挖掘机中目标部件的初始倾斜角度；所述目标部件包括以下至少之一：动臂，斗杆和铲斗；
所述第二获取模块，用于获取所述目标部件的目标倾斜角度；所述目标倾斜角度为所述挖掘机沿着预设工作轨迹动作之后所述目标部件的倾斜角度；
所述构建模块，用于基于所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度构建滑模变结构控制器；
所述控制模块，用于通过所述滑模变结构控制器输出的控制信号控制所述目标部件的倾斜角度，以通过控制所述目标部件的倾斜角度来控制所述挖掘机的工作轨迹。
8.根据权利要求7所述的挖掘机工作轨迹控制系统，其特征在于，所述第二获取模块还包括：第一获取单元，第一模型单元，第二获取单元，第二模型单元和第三获取单元，其中，
所述第一获取单元，用于获取所述目标部件的尺寸信息；
所述第一模型单元，用于基于所述初始倾斜角度和所述尺寸信息建立所述目标部件的第一控制模型；
所述第二获取单元，用于获取所述挖掘机的预设工作轨迹；
所述第二模型单元，用于基于所述预设工作轨迹控制所述第一控制模型，以使所述第一控制模型沿着所述预设工作轨迹动作，并将动作之后的第一控制模型确定为第二控制模型；
所述第三获取单元，用于获取所述第二控制模型上目标部件的倾斜角度，得到目标倾斜角度。
9.根据权利要求7所述的挖掘机工作轨迹控制系统，其特征在于，所述构建模块还包括：确定单元和构建单元，其中，
所述确定单元，用于基于所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度确定追踪误差；所述追踪误差为所述初始倾斜角度和所述目标倾斜角度的差值；
所述构建单元，用于基于所述追踪误差构建滑模变结构控制器。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至6任一项所述的方法的步骤。
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CN112982540B (zh) * 2021-02-25 2022-12-23 三一重机有限公司 一种挖掘机轨迹控制方法、装置、挖掘机及存储介质

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