CN111733918A - 挖掘机卸料作业辅助系统及轨迹规划方法 - Google Patents

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CN111733918A CN202010204682.3A CN202010204682A CN111733918A CN 111733918 A CN111733918 A CN 111733918A CN 202010204682 A CN202010204682 A CN 202010204682A CN 111733918 A CN111733918 A CN 111733918A
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Abstract

本发明公开一种挖掘机卸料作业辅助系统及轨迹规划方法，系统设置了数据采集单元、轨迹控制单元、误差控制单元、动作执行单元、人工操作单元、参数输入单元、位置计算单元、轨迹规划单元、数据储存单元、误差计算单元，动作执行单元可执行人工操作或自动操控，轨迹规划方法包括：(1)在挖掘机上建立D‑H坐标系，确定铲斗斗尖位置；(2)在卸料车上建立车体坐标系；(3)建立卸料轨迹约束点；(4)规划卸料轨迹。通过卸料作业辅助系统挖掘机可实现自动卸料。卸料轨迹规划考虑了防碰撞因素，设置了转折点约束，每次路径规划以路径最短为目标对转折点进行选择，以挖掘起点、转折点和目标卸料点为路径约束点，采用插补算法得到防碰撞卸料轨迹。

Description

挖掘机卸料作业辅助系统及轨迹规划方法
技术领域
本发明涉及挖掘机卸料作业控制，具体涉及一种挖掘机卸料作业辅助系统及其控制方法。
背景技术
目前的大型挖掘机操作复杂，对司机的操作技术要求较高，对于新入行的司机而言，要经过相当长的一段时间培训后才可以进行实际操作作业，培训成本高。
为了防止在卸料作业过程中铲斗碰到卸料车，司机必须高度集中注意力，而卸料工况在挖掘机作业时间中占比较大，司机持续卸料作业劳动强度大。
挖掘机的技术发展趋势之一是针对重复出现的特定作业工况而设计专门的作业辅助系统，通过人机协同作业实现效益最大化。
目前针对挖掘机卸料作业，还没有一种能够实现卸料自动控制的作业辅助系统。
发明内容
本发明的目的就是提供一种挖掘机卸料作业辅助系统及轨迹规划方法，通过该系统和方法挖掘机在满足一定条件时可以按目标轨迹进行自动卸料作业，既可以降低操作挖掘机的技术要求，又可以减小司机的劳动强度。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种挖掘机卸料作业辅助系统，设置了数据采集单元、轨迹控制单元、误差控制单元、动作执行单元、人工操作单元、参数输入单元、位置计算单元、轨迹规划单元、数据储存单元、误差计算单元、触控显示屏；
其中，参数输入单元、位置计算单元、轨迹规划单元、数据储存单元、误差计算单元组成上位机，轨迹控制单元和误差控制单元组成控制器，上位机与控制器之间通过CAN通信，上位机通过触控显示屏实现人机对话；
数据采集单元采集机体转台、动臂、斗杆和铲斗绕各自铰接点的旋转角度信息；
动作执行单元包括：油箱、发动机、先导泵、主泵、回转马达、电控方向阀、主阀、铲斗液压油缸、斗杆液压油缸、动臂液压油缸和铲斗、斗杆、动臂、机体；
回转马达驱动上部机体回转，铲斗液压油缸驱动铲斗，斗杆液压油缸驱动斗杆，动臂液压油缸驱动动臂，
电控方向阀通过人工操作单元人工操控，或通过控制器自动操控，
电控方向阀连接主阀，电控方向阀中有四个阀组，主阀中有四个阀芯，分别用于驱动回转马达、铲斗液压油缸、斗杆液压油缸、动臂液压油缸。
进一步地，电控方向阀中的回转阀组联接主阀中的回转阀芯，主泵经回转阀芯联接回转马达；
电控方向阀中的铲斗阀组联接主阀中的铲斗阀芯，主泵经铲斗阀芯联接铲斗液压油缸；
电控方向阀中的斗杆阀组联接主阀中的斗杆阀芯，主泵经斗杆阀芯联接斗杆液压油缸；
电控方向阀中的动臂阀组联接主阀中的动臂阀芯，主泵经动臂阀芯联接动臂液压油缸。
进一步地，所述人工操作单元包括操纵手柄和脚踏板，在操纵手柄上，设置有数据采集单元开启按键和卸料作业辅助系统开启按键；
按下数据采集单元开启按键后，数据采集单元进行采集数据；
按下卸料作业辅助系统开启按键后，只有当卸料目标点位置信息以及卸料起点位置信息都显示为正确时，才会启动自主卸料模式，否则为人工卸料模式。
本发明还提供一种挖掘机自动卸料轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在挖掘机上建立D-H坐标系，并确定铲斗斗尖的位置表述形式；
(2)在卸料车上建立车体坐标系，车体坐标系中的坐标值都用D-H坐标表示；
(3)建立卸料轨迹约束点；
(4)规划卸料轨迹；
其中，在第(2)步中，按如下方法建立车体坐标系：
(2-1)确定两个点，第一个点是靠近驾驶室的货厢底板中心线上前端一点，第二个点是远离驾驶室的货厢底板中心线上末端一点；以第一个点作为车体坐标系原点O，第二个点作为建系辅助点B；
(2-2)车体坐标系X轴方向为O、B两点连线方向，Y轴方向为在货厢底板平面上垂直于X轴的方向，Z轴方向为垂直于货厢底板平面的方向；
其中，在第(3)步中，以卸料起点、卸料目标点和卸料转折点作为路径约束点，
(3-1)卸料起点C(xc,yc,zc)即铲斗斗尖铲起物料时的位置；
(3-2)卸料目标点Pi(xi,yi,zi)按如下算法计算：
Figure BDA0002420647900000031
时；i＝1,2…,表示各个卸料目标点位置
式中，(x0,y0,z0)为车体坐标系原点O坐标值，(xb,yb,zb)为建系辅助点B坐标值，a为卸料步长，综合考虑物料种类和铲斗尺寸人为确定；
(3-3)卸料转折点Nij按如下算法计算：
Ni1(xi1,yi1,zi1)＝(xi,yi+β*d,zi)；
Ni2(xi2,yi2,zi2)＝(xi,yi-β*d,zi)；
N33(x33,y33,z33)＝(xb+a,yb,zb)；
式中，(xi,yi,zi)为卸料目标点坐标值，(xb,yb,zb)为建系辅助点B坐标值，β为防碰撞系数，一般由于转折点最少要往外延伸半个车宽，所以β一般选择大于0.5，d为车体宽度，i表示第i个卸料目标点，j表示车厢某一侧：当j＝1时，表示转折点在车体坐标系Y轴正向一侧；当j＝2时，表示转折点在车体坐标系Y轴负向一侧；当j＝3时，表示转折点在车厢后侧；
并且以满足如下条件确定卸料转折点Nij：
Figure BDA0002420647900000032
使E最小。
在第(1)步中，
(1-1)按如下方法建立D-H坐标系：
在挖掘机机体的回转中心处建立基础坐标系X0Y0Z0，
在挖掘机机体与动臂铰接处建立动臂坐标系X1Y1Z1，
在动臂与斗杆铰接处建立斗杆坐标系X2Y2Z2，
在斗杆与铲斗铰接处建立铲斗坐标系X3Y3Z3，
在铲斗斗尖处建立铲斗斗尖坐标系X4Y4Z4；
(1-2)建立机体、动臂、斗杆、铲斗、铲斗斗尖的四连杆机构；
(1-3)计算基础坐标系下铲斗斗尖的位置：
由X4Y4Z4坐标系向X3Y3Z3坐标系转换：
Figure BDA0002420647900000041
由X3Y3Z3坐标系向X2Y2Z2坐标系转换：
Figure BDA0002420647900000042
由X2Y2Z2坐标系向X1Y1Z1坐标系转换：
Figure BDA0002420647900000043
由X1Y1Z1坐标系向X0Y0Z0坐标系转换：
Figure BDA0002420647900000045
式中，i＝1、2、3、4，Li代表连杆机构各连杆长度，di代表连杆偏移量，αi代表连杆扭转角，θi代表关节角；
则铲斗斗尖相在基础坐标系下的位置为：
Figure BDA0002420647900000044
式中，0P为铲斗斗尖的位置信息，E为4×4的单位矩阵。
在第(4)步中，规划卸料轨迹的方法如下：
以起点C、转折点Nij和目标点Pi为路径约束点，利用RRT算法进行全局路径规划，得到一系列离散的点作为路径关键点，然后利用运动学求逆解得出对应的关节变量θm，m＝1,2,3,4，表示4个关节。
进一步，采用三次B样条函数对离散路径点进行插值计算。
卸料过程还包括对轨迹的修正，方法如下：
误差计算单元对数据采集单元实际所采集的关节变量大小与轨迹规划中所计算出的期望轨迹所需关节变量大小进行实时比较计算误差值U(t)，然后采用PID控制算法对误差值U(t)进行实时修正：
Figure BDA0002420647900000051
其中，e(t)为t时刻输入r(t)与输出y(t)的偏差，e(t)＝y(t)-r(t)，输入r(t)为期望轨迹所对应的关节变量数据，输出y(t)为数据采集单元由传感器采集到的关节变量数据，KP为比例增益，KI为积分增益，KD为微分增益，采用经典的Ziegler-Nichols整定规则在线更新PID控制器参数KP、KI、KD。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明可以通过一次人工卸料作业确定好车体坐标系原点和建系辅助点位置后，即可启动挖掘机卸料作业辅助系统进行后续的自动卸料作业，大大减轻了司机的劳动强度，同时提高了挖掘机的自动化和智能化程度；
2.本发明采用插补算法得到目标卸料点位置，可以使卸料更加均匀，而且卸料步长可以通过参数输入单元进行调整以提高卸料车的满载率；
3.本发明的卸料轨迹规划考虑了防碰撞因素，在起点和目标卸料点之外设置了转折点约束，计算转折点的算法简单，每次按路径最短原则对计算出的转折点进行选择；
4.本发明考虑司机可能误操作的实际情况，设置了可以随时清除已采集的位置信息和退出卸料作业辅助系统的按键。
附图说明
图1是挖掘机卸料作业辅助系统组成单元图；
图2是挖掘机整体组成系统简图；
图3是挖掘机二维结构图；
图4是D-H坐标系下的挖掘机结构简图；
图5是连杆机构连接参数定义示意图；
图6是挖掘机在D-H坐标系下的参数定义示意图；
图7是车体坐标系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1和图2所示，本发明提供一种挖掘机卸料作业辅助系统，该系统按功能模块划分可分为信息采集与输入、计算、存储、控制、执行等几部分，具体包括数据采集单元1、轨迹控制单元2、误差控制单元3、动作执行单元4、人工操作单元5、参数输入单元6、位置计算单元7、轨迹规划单元8、数据储存单元9和10、误差计算单元11、触控显示屏12。其中，参数输入单元6、位置计算单元7、轨迹规划单元8、数据储存单元9和10、误差计算单元11组成上位机201(位置计算单元7和轨迹规划单元8各自配有数据存储单元)，轨迹控制单元2和误差控制单元3组成控制器202，上位机201与控制器202之间通过CAN通信。上位机201通过触控显示屏12实现人机对话，进行参数输入、功能操作以及信息显示。
数据采集单元1与控制器202串口连接，数据采集单元1采集转台、动臂、斗杆和铲斗绕各自铰接点的旋转角度信息，并将这些传感器的信号通过控制器202传输至上位机201中的位置计算单元7。
人工操作单元5主要指挖掘机的操纵机构，包括操纵手柄和脚踏板，在未启动卸料作业辅助系统时，挖掘机工作在由人工操作单元5和动作执行单元4所组成的传统人工作业模式下；同时，动作执行单元4也通过CAN通信受控于控制器202发送来的自动控制指令，工作在自动卸料模式下。
如图2、图3所示，动作执行单元4包括：油箱211、发动机210、先导泵208、主泵209、回转马达212、电控方向阀203、主阀204、铲斗液压油缸205、斗杆液压油缸206、动臂液压油缸207和铲斗301、斗杆302、动臂303、机体304等。
回转马达212驱动上部机体304回转，铲斗液压油缸205驱动铲斗301，斗杆液压油缸206驱动斗杆302，动臂液压油缸207驱动动臂303。
进一步地，电控方向阀203既可受控于人工操纵机构，也可受控于控制器202。电控方向阀203中的回转阀组联接主阀204中的回转阀芯，主泵209经回转阀芯联接回转马达212；电控方向阀203中的铲斗阀组联接主阀204中的铲斗阀芯，主泵209经铲斗阀芯联接铲斗液压油缸205；电控方向阀203中的斗杆阀组联接主阀204中的斗杆阀芯，主泵209经斗杆阀芯联接斗杆液压油缸206；电控方向阀203中的动臂阀组联接主阀204中的动臂阀芯，主泵209经动臂阀芯联接动臂液压油缸207。控制器202的信号控制电控方向阀203进行相应地动作，电控方向阀控制主阀进行相应地动作，液压油由主泵经过主阀至回转马达和各液压油缸带动相应部件产生动作，从而挖掘机完成自动卸料作业。
所述数据采集单元1采集铲斗301、斗杆302、动臂303、上部机体304绕各自铰接点的旋转角度信息，采集角度传感器测量上部机体304的回转角度，采集倾角传感器测量铲斗301、斗杆302、动臂303的旋转角度，并将这些传感器的信号通过控制器202传输至上位机201中的位置计算单元7，由位置计算单元7进行相应的位置计算。
进一步地，所述参数输入单元6连接触控显示屏12，可以通过触控显示屏对上位机计算所用的参数进行输入和改变。
进一步地，所述误差计算单元11对数据采集单元1所采集的实际关节变量大小与轨迹规划单元8中所计算出的期望轨迹所需关节变量大小进行实时比较并计算误差值。
进一步地，所述误差控制单元3采用控制算法对误差值进行实时修正，形成闭环控制，以确保挖掘机能够按照期望轨迹精确卸料。
进一步地，所述轨迹控制单元2根据轨迹规划单元8所传来的轨迹数据对动作执行单元4进行控制。
进一步地，可在挖掘机的左、右两个操纵手柄上，分别设置数据采集单元开启按键和卸料作业辅助系统开启按键，两个按键分别与相应的数据采集单元1和控制器202电连接。按下数据采集单元开启按键后，数据采集单元1得到从控制器202传来的电平控制信号后才会进行工作采集数据。卸料作业辅助系统开启按键用于人工作业和自动作业之间模式的切换，按下卸料作业辅助系统开启按键后，只有当卸料点的位置信息以及起点的位置信息都显示为正确的位置信息时，才会开启卸料辅助作业系统，这时挖掘机处于自动卸料模式，否则为人工操作模式。
进一步地，为了防止司机误操作采集到错误的位置信息，可设计司机长时间按住操纵手柄上的数据采集单元开启按键超过3秒，此电信号通过控制器传递给上位机，使上位机中的数据储存单元删除上一次储存的位置信息数据，并对触控显示屏12上相对应的位置信息显示框置零，驾驶员只需再一次按常规操作采集对应位置信息即可。
进一步地，当对一辆卸料车进行重复卸料作业时，目标卸料点和转折点的位置已经通过位置计算单元得到，需要再次通过人工作业采集位置信息的只是起点。所以，当触控显示屏上的位置信息框都显示有相应的位置信息后，再次通过操纵手柄上的按键采集位置信息时改变的只是触控显示屏上的起点位置信息框中的内容，卸料点位置信息框中的内容并不会改变。当对另一卸料车进行卸料作业时，需要建立新的车体坐标系去计算新的目标卸料点和转折点的位置，触控显示屏上的所有位置信息都要改变，这时长时间按住操作手柄上的卸料辅助作业系统开启按键超过3秒，触控显示屏上所有的位置信息显示框都会置零，之后按常规操作采集位置信息即可。
本发明着重描述在作业辅助系统下，通过在挖掘机中植入的自动控制程序规划卸料轨迹并实现自动卸料。
轨迹规划方法如下：
(1)根据挖掘机的结构特征建立D-H坐标系，并计算铲斗斗尖的位置。
A1：如图3、图4，在机体304的回转中心处建立基础坐标系X0Y0Z0，Z轴方向为回转轴中心线方向，X轴方向平行于履带方向，Y轴方向垂直于X轴和Z轴方向并笛卡尔坐标系原则所确定；
在机体304与动臂303铰接处建立动臂坐标系X1Y1Z1，Z轴方向为机体与动臂铰接回转轴中心线方向，X轴方向沿简化杆1的方向，Y轴方向垂直于X轴和Z轴方向并笛卡尔坐标系原则所确定；
在动臂303与斗杆302铰接处建立斗杆坐标系X2Y2Z2，Z轴方向为动臂与斗杆铰接回转轴中心线方向，X轴方向沿简化杆2的方向，Y轴方向垂直于X轴和Z轴方向并笛卡尔坐标系原则所确定；
在斗杆302与铲斗301铰接处建立铲斗坐标系X3Y3Z3，Z轴方向为斗杆与铲斗铰接回转轴中心线方向，X轴方向沿简化杆3的方向，Y轴方向垂直于X轴和Z轴方向并笛卡尔坐标系原则所确定；
在铲斗301斗尖处建立铲斗斗尖坐标系X4Y4Z4，Z轴方向与铲斗坐标系Z轴方向相同，X轴方向沿简化杆4的方向，Y轴方向垂直于X轴和Z轴方向并笛卡尔坐标系原则所确定；
如图4所示，由于动臂303、斗杆302、铲斗301可以简化为在同一平面内的连动机构，所以Y方向坐标值始终一致，可以省略该方向的坐标计算。
由于机构的结构参数可知，通过坐标系间的转换可以将铲斗斗尖位置转换为相对于基础坐标系X0Y0Z0的位置，这样即可实时获得铲斗斗尖在基础坐标系下的位置信息。
A2：如图5、图6，定义D-H坐标系下的结构参数Li、di和关节变量αi、θi。根据图5所示原理，其中，Li代表各关节之间的连杆长度，di+1代表连杆偏移量，αi代表连杆扭转角，θi+1代表关节角。挖掘机有四个关节自由度，所以i＝1，2，3，4；
关节i L<sub>i</sub> d<sub>i</sub> α<sub>i</sub> θ<sub>i</sub>
1 -L<sub>1</sub> d<sub>1</sub> 90° θ<sub>1</sub>
2 L<sub>2</sub> 0 0 θ<sub>2</sub>
3 L<sub>3</sub> 0 0 θ<sub>3</sub>
4 L<sub>4</sub> 0 0 θ<sub>4</sub>
A3：坐标转换：
设坐标系转换用矩阵表示，转换矩阵通式为
Figure BDA0002420647900000091
下式中，s代表sin，c代表cos；
Figure BDA0002420647900000092
则，由X4Y4Z4坐标系向X3Y3Z3坐标系转换的矩阵为：
Figure BDA0002420647900000093
由X3Y3Z3坐标系向X2Y2Z2坐标系转换的矩阵为：
Figure BDA0002420647900000094
由X2Y2Z2坐标系向X1Y1Z1坐标系转换的矩阵为：
Figure BDA0002420647900000095
由X1Y1Z1坐标系向X0Y0Z0坐标系转换的矩阵为：
Figure BDA0002420647900000101
A4：计算铲斗斗尖相在基础坐标系下的位置：
Figure BDA0002420647900000102
式中，0P为4×4的矩阵，铲斗斗尖的位置信息；E为4×4的单位矩阵。
(2)建立车体坐标系，并规划卸料轨迹。
B1：确定两个点的位置，建立车体坐标系。如图7所示，一个是选择在靠近驾驶室的货厢底板中心线的前端一点，该点可通过一次人工卸料作业记录铲斗斗尖的位置得到确定；另一个是选择在远离驾驶室的货厢底板中心线的末端一点，该点可通过另一次人工卸料作业记录铲斗斗尖的位置得到确定，或者在确定中心线前端一点时的人工卸料作业完成时利用空铲斗回转到该位置而确定。定义前端一点为车体坐标系原点O，末端一点为建系辅助点B；车体坐标系X轴方向为O、B两点连线方向，Y轴方向为在货厢底板平面上垂直于X轴方向，Z轴方向为垂直于货厢底板平面的方向。
B2：建立卸料目标点位置和卸料转折点位置。辅助卸料作业需要以卸料起点、目标点和转折点作为路径约束点，构建卸料轨迹，其中，卸料起点即指铲斗铲起料时的位置，卸料目标点即指铲斗预将料卸到车厢中的位置，卸料转折点是为防止铲斗在卸料过程中碰撞到车体而设置的点。
在这里，假设挖掘机对同一辆矿用车进行卸料时挖掘机并不会改变位置，这样在卸料过程中车体坐标系相对于挖掘机的基础坐标系的关系是不变的，车体坐标系下的任何点的位置都可用基础坐标系下的铲斗斗尖坐标值表达。
卸料起点：卸料起点位置C(xc,yc,zc)直接由铲斗斗尖接触物料时在基础坐标系下的坐标值确定。人工作业模式下，通过数据采集单元1和位置计算单元7得到起点位置信息传输至轨迹规划单元8。
卸料目标点：在车体坐标系下，根据铲斗和车体参数计算卸料目标点位置Pi，为了使卸料均匀同时提高矿用车的满载率，按如下算法进行插值计算：
Figure BDA0002420647900000111
时；i＝1,2…,表示各个卸料目标点位置
设卸料初始目标位置(x0,y0,z0)为靠近驾驶室的货厢底板中心线的前端一点，即车体坐标系原点O的位置；(xb,yb,zb)为建系辅助点B坐标值；a为卸料步长，即两个卸料目标点之间的距离，综合考虑物料种类和铲斗尺寸参数人为确定，可以通过调整a使目标卸料点位置更合理，a可以通过参数输入单元6进行改变，并显示在触控显示屏12上。
卸料转折点：在车体坐标系下，考虑到挖掘机与卸料车的相对方位存在多种情况，所以卸料转折点可能选取在车厢两侧或车厢后方，作为合理方案中的一种，通过卸料目标点位置Pi和车体尺寸参数计算得到数量合适且能满足要求的转折点位置Nij，转折点位置Nij按如下方式计算：
i表示第i个目标卸料点，j＝1,2,3表示车厢某一侧：当j＝1时，表示转折点在车体坐标系Y轴正向一侧，当j＝2时，表示转折点在车体坐标系Y轴负向一侧；当j＝3时，转折点在车厢后侧，由建系辅助点B推得。
Ni1(xi1,yi1,zi1)＝(xi,yi+β*d,zi)；
Ni2(xi2,yi2,zi2)＝(xi,yi-β*d,zi)；
N33(x33,y33,z33)＝(xb+a,yb,zb)；
式中，(xi,yi,zi)为目标卸料点坐标值，(xb,yb,zb)为建系辅助点B坐标值，β为防碰撞系数，一般由于转折点最少要往外延伸半个车宽，所以β一般选择大于0.5，d为车体宽度，其可以通过参数输入单元进行改变，并显示在触控显示屏上。
P1、P2、……依次作为每次轨迹规划的卸料目标点，考虑到卸料路径最短，需要每次对转折点进行选择。选择原则为使起点与转折点、转折点与目标点的距离和E最小，按此路径进行卸料时既可以避免铲斗碰撞到车厢，又可使路径最短。
Figure BDA0002420647900000112
选择使E最小的点Nij作为本次卸料轨迹的转折点。
B3：轨迹规划。以起点C、转折点Nij和目标点Pi为路径约束点，利用RRT算法进行全局路径规划，得到一系列离散的点作为路径关键点，然后利用运动学求逆解得出各路径关键点对应的关节变量θm(m＝1,2,3,4)。挖掘机关节空间为四维空间，假定挖掘机路径由该四维空间中的n个离散点
Figure BDA0002420647900000121
j＝1,2,…,n所组成，其中
Figure BDA0002420647900000122
表示挖掘机在Qi点时的4个关节的关节值。
为保证挖掘机运动时平稳无冲击，采用三次B样条函数对离散路径点进行插值。为保证所得B样条曲线起始于Q1点，终止于Qn点，在Q1点前和Qn点后各新增两个节点Q1、Q3、Qn+3、Qn+4，同时将原有节点下标编号加2，并取新增节点的值分别为：Q1＝Q3,Q2＝Q3,Qn+3＝Qn+2,Qn+4＝Qn+2，即新增节点分别和原有Q1、Qn点重合。故插值拟合后的挖掘机路径由n+1段三次B样条曲线组成，各段B样条曲线可表示为：
Figure BDA0002420647900000123
其中：
Figure BDA0002420647900000124
当利用B样条Qj(s)表示挖掘机卸料路径后，挖掘机铲斗斗尖的位置则由B样条曲线Qj(s)中的伪距离s唯一确定，故对挖掘机进行的卸料轨迹规划就转化为对伪距离s进行速度和加速度规划，样条曲线Qj(s)对时间t的速度和加速度可通过伪距离s表示，即：
dQj(s)/dt＝dQj(s)/ds·ds/dt
d2Q(s)/dt2＝d2Qj(s)/ds2·(ds/dt)2+dQ(s)/ds·d2s/dt2
考虑运动学约束，以运动时间最短为目标，利用动态规划法确定最合适的s对卸料轨迹进行优化。
(3)卸料过程中的轨迹修正。
轨迹规划单元以卸料起点、转折点和目标点位置为路径约束确定卸料轨迹，之后将轨迹所对应的指令输出至轨迹控制单元。
位置计算单元7根据从数据采集单元1传来的关节变量数据和参数输入单元6传来的工作装置尺寸参数，通过正向运动学求解得到铲斗斗尖的位置信息。
计算的关节变量数据和实际的数据可能会有误差，误差计算单元11对数据采集单元1所采集的实际关节变量大小与轨迹规划单元8中所计算出的期望轨迹所需关节变量大小进行实时比较并计算误差值U(t)的大小。误差控制单元3采用PID控制算法对误差值U(t)进行实时修正，形成闭环控制，以确保挖掘机能够按照期望轨迹精确卸料。
控制量U(t)计算方法如下：
Figure BDA0002420647900000131
其中，t为时间，e(t)为输入r(t)与输出y(t)的偏差，e(t)＝y(t)-r(t)，输入r(t)为期望轨迹所对应的各时刻关节变量数据，输出y(t)为数据采集单元由传感器采集到的各时刻关节变量数据，KP为比例增益，KI为积分增益，KD为微分增益，采用经典的Ziegler-Nichols(ZN)整定规则在线更新PID控制器参数KP、KI、KD。
Ziegler-Nichols方法分为两步：
1.构建闭环控制回路，确定稳定极限。
2.根据公式计算控制器参数。
稳定极限是由P元件决定的，当出现稳态振荡时就达到了这个极限，产生了临界系数Kpcrit和临界振荡周期Tcrit。
确定临界系数Kpcrit和临界振荡周期Tcrit后，根据下表的公式，计算其他参数：
Figure BDA0002420647900000132
进一步地，考虑到不同型号的矿用车货厢高度不同，同一位置需要的卸料次数会有区别，所以在触控显示屏上可设置同一位置卸料次数选择区，选择范围为1,2,3，4斗，并可在操作手柄上设置一按键对同一位置卸料次数进行切换，系统默认同一位置卸料次数为一次。
综上所述，本发明提供了一种挖掘机卸料作业辅助系统及轨迹规划方法，以上所述是具体实施例之一，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的情况下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，本实施例中未明确组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种挖掘机卸料作业辅助系统，其特征在于：
包括数据采集单元(1)、轨迹控制单元(2)、误差控制单元(3)、动作执行单元(4)、人工操作单元(5)、参数输入单元(6)、位置计算单元(7)、轨迹规划单元(8)、数据储存单元(9，10)、误差计算单元(11)、触控显示屏(12)，
其中，参数输入单元(6)、位置计算单元(7)、轨迹规划单元(8)、数据储存单元(9，10)、误差计算单元(11)组成上位机(201)，轨迹控制单元(2)和误差控制单元(3)组成控制器(202)，上位机(201)与控制器(202)之间通过CAN通信，上位机(201)通过触控显示屏(12)实现人机对话，
数据采集单元(1)采集机体转台、动臂、斗杆和铲斗绕各自铰接点的旋转角度信息，
动作执行单元(4)包括：油箱(211)、发动机(210)、先导泵(208)、主泵(209)、回转马达(212)、电控方向阀(203)、主阀(204)、铲斗液压油缸(205)、斗杆液压油缸(206)、动臂液压油缸(207)和铲斗(301)、斗杆(302)、动臂(303)、机体(304)；
回转马达(212)驱动机体(304)，铲斗液压油缸(205)驱动铲斗(301)，斗杆液压油缸(206)驱动斗杆(302)，动臂液压油缸(207)驱动动臂(303)，
电控方向阀(203)通过人工操作单元(5)人工操控，或通过控制器(202)自动操控，
电控方向阀(203)连接主阀(204)，电控方向阀(203)中有四个阀组，主阀(204)中有四个阀芯，分别用于驱动回转马达(212)、铲斗液压油缸(205)、斗杆液压油缸(206)、动臂液压油缸(207)。
2.根据权利要求1所述的挖掘机卸料作业辅助系统，其特征在于：
电控方向阀(203)中的回转阀组连接主阀(204)中的回转阀芯，主泵(209)经回转阀芯连接回转马达(212)；
电控方向阀(203)中的铲斗阀组连接主阀(204)中的铲斗阀芯，主泵(209)经铲斗阀芯连接铲斗液压油缸(205)；
电控方向阀(203)中的斗杆阀组连接主阀(204)中的斗杆阀芯，主泵(209)经斗杆阀芯连接斗杆液压油缸(206)；
电控方向阀(203)中的动臂阀组连接主阀(204)中的动臂阀芯，主泵(209)经动臂阀芯连接动臂液压油缸(207)。
3.根据权利要求1或2所述的挖掘机卸料作业辅助系统，其特征在于：所述人工操作单元(5)包括操纵手柄和脚踏板，
在操纵手柄上，设置有数据采集单元开启按键和卸料作业辅助系统开启按键；
按下数据采集单元开启按键后，数据采集单元进行采集数据；
按下卸料作业辅助系统开启按键后，只有当卸料目标点位置信息以及卸料起点位置信息都显示为正确时，才会启动自动卸料模式，否则为人工卸料模式。
4.一种挖掘机自动卸料轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在挖掘机上建立D-H坐标系，并确定铲斗斗尖的位置表述形式；
(2)在卸料车上建立车体坐标系，车体坐标系中的坐标值都用D-H坐标表示；
(3)建立卸料轨迹约束点；
(4)规划卸料轨迹；
其中，在第(2)步中，按如下方法建立车体坐标系：
(2-1)确定两个点，第一个点是靠近驾驶室的货厢底板中心线上前端一点，第二个点是远离驾驶室的货厢底板中心线上末端一点；以第一个点作为车体坐标系原点O，第二个点作为建系辅助点B；
(2-2)车体坐标系X轴方向为O、B两点连线方向，Y轴方向为在货厢底板平面上垂直于X轴的方向，Z轴方向为垂直于货厢底板平面的方向；
其中，在第(3)步中，以卸料起点、卸料目标点和卸料转折点作为路径约束点，
(3-1)卸料起点C(xc,yc,zc)即铲斗斗尖铲起物料时的位置；
(3-2)卸料目标点Pi(xi,yi,zi)按如下算法计算：
Figure FDA0002420647890000021
i＝1,2…,表示各个卸料目标点位置
式中，(x0,y0,z0)为车体坐标系原点O坐标值，(xb,yb,zb)为建系辅助点B坐标值，a为卸料步长，综合考虑物料种类和铲斗尺寸人为确定；
(3-3)卸料转折点Nij按如下算法计算：
Ni1(xi1,yi1,zi1)＝(xi,yi+β*d,zi)；
Ni2(xi2,yi2,zi2)＝(xi,yi-β*d,zi)；
N33(x33,y33,z33)＝(xb+a,yb,zb)；
式中，(xi,yi,zi)为目标卸料点坐标值，(xb,yb,zb)为建系辅助点B坐标值，β为防碰撞系数，选择大于0.5，d为车体宽度，i表示第i个卸料目标点，j表示车厢某一侧：当j＝1时，表示转折点在车体坐标系Y轴正向一侧，当j＝2时，表示转折点在车体坐标系Y轴负向一侧；当j＝3时，表示转折点在车厢后侧；
并且以满足如下条件确定卸料转折点Nij：
Figure FDA0002420647890000031
使E最小。
5.根据权利要求4所述的轨迹规划方法，其特征在于：在第(1)步中，
(1-1)按如下方法建立D-H坐标系：
在挖掘机机体的回转中心处建立基础坐标系X0Y0Z0，
在挖掘机机体与动臂铰接处建立动臂坐标系X1Y1Z1，
在动臂与斗杆铰接处建立斗杆坐标系X2Y2Z2，
在斗杆与铲斗铰接处建立铲斗坐标系X3Y3Z3，
在铲斗斗尖处建立铲斗斗尖坐标系X4Y4Z4；
(1-2)建立机体、动臂、斗杆、铲斗、铲斗斗尖的四连杆机构；
(1-3)计算基础坐标系下铲斗斗尖的位置：
由X4Y4Z4坐标系向X3Y3Z3坐标系转换：
Figure FDA0002420647890000032
由X3Y3Z3坐标系向X2Y2Z2坐标系转换：
Figure FDA0002420647890000041
由X2Y2Z2坐标系向X1Y1Z1坐标系转换：
Figure FDA0002420647890000042
由X1Y1Z1坐标系向X0Y0Z0坐标系转换：
Figure FDA0002420647890000043
式中，i＝1、2、3、4，Li代表连杆机构各连杆长度，di代表连杆偏移量，αi代表连杆扭转角，θi代表关节角；
则铲斗斗尖相在基础坐标系下的位置为：
Figure FDA0002420647890000044
式中，0P为铲斗斗尖的位置信息，E为4×4的单位矩阵。
6.根据权利要求4所述的轨迹规划方法，其特征在于：在第(4)步中，规划卸料轨迹的方法如下：
以起点C、转折点Nij和目标点Pi为路径约束点，利用RRT算法进行全局路径规划，得到一系列离散的点作为路径关键点，然后利用运动学求逆解得出对应的关节变量θm，m＝1,2,3,4，表示4个关节。
7.根据权利要求6所述的轨迹规划方法，其特征在于：采用三次B样条函数对离散路径点进行插值计算,并以时间最短为目标，利用动态规划方法对初始轨迹进行优化。
8.根据权利要求4～7之一所述的轨迹规划方法，其特征在于：还包括对轨迹的修正，方法如下：
误差计算单元对数据采集单元实际所采集的关节变量大小与轨迹规划中所计算出的期望轨迹所需关节变量大小进行实时比较计算误差值U(t)，然后采用PID控制算法对误差值U(t)进行实时修正：
Figure FDA0002420647890000051
其中，e(t)为t时刻输入r(t)与输出y(t)的偏差，e(t)＝y(t)-r(t)，输入r(t)为期望轨迹所对应的关节变量数据，输出y(t)为数据采集单元由传感器采集到的关节变量数据；KP为比例增益，KI为积分增益，KD为微分增益，均为PID控制器参数，采用整定规则在线更新。
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