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  小型挖掘机路径规划发展状况

  小型挖掘机的机器人化是时代发展的产物,人们对小型挖掘机的自动化和智能化的发展随着时代的发展也做出了不断的努力,小型挖掘机的路径规划技术是其发展大道的一分支,截止目前,大致经历了以下阶段:

  1)简单路径规划

  在这个阶段的小型挖掘机路径规划具有很大程度的刚性甚至没有规划的能力,一旦在小型挖掘机的作业任务明确下来之后就不能自主的改变,虽然有很大程度规划的局限性,但也能够辅助操作者很好的完成工作的要求,一定程度上减轻了工作的负担。在小型挖掘机铲斗姿态的研究上,同济大学研制的小斗容量正铲斗挖掘机,就可以实现铲斗的水平推进和垂直提升功能[5]。三菱公司研制的 MS1600小型挖掘机采用在动臂、斗杆和铲斗增加姿态监测和控制模块,可以实现小型挖掘机的动臂在提升的过程中保持铲斗不撒落物料。为了加快坡面修整作业效率,日本Yamazaki 建筑有限公司研制的主从式反铲小型挖掘机增加了姿态传感器,独立调整铲斗的姿态,实现铲斗的水平和垂直的运动,以及沿着所规定的坡面进行平整作业。为了更进一步提高直线挖掘的作业精度,美国 GPS 厂商 Trimble 推出了挖掘自动显示挖掘系统,在杆件上安装姿态检测传感器,辅助操作员人工操作实现坡面的精修和盲操作。

  这层的路径规划我们可以了解到,小型挖掘机的铲斗都是进行直线的运动,仅仅只是利用了反映自身状态的传感器信息,执行在操作之前设定好的路径。却不对工况的特点进行路径的定制。
小型挖掘机路径规划发展状况
  2)半自主路径规划

  这层次的路径规划采用了能够感知环境信息的传感器,相比于上阶段的路径规划而言,在规划的过程中有了一定的柔性,从而减少操作者的工作负担。值得一提是,波兰的华沙大学为了能够检测挖掘过程中,铲斗的受力情况和估算当前挖掘的阻力,在液压油杆活塞杆上安装温度感应片。通过传回的数据,给操作者一个信息提示,给挖掘作业带来了方便。为了实现自主沟渠的挖掘,日本的一家公司研制的小型挖掘机,利用了激光引导系统和角位移传感器,获取斗齿尖的坐标和预定的路径的偏差值,以供操作者参考。这一功能能够辅助操作者提高作业质量[6]。哈尔滨工业大学为了实现小型挖掘机的局部自主路径的生成,采用在铲斗上安装电液比例阀、传感器以及微型控制器,并建立小型挖掘机专家知识库和智能算法来实时判断小型挖掘机作业状态和自况,来实现小型挖掘机的直线挖掘、收斗提升,满斗回转等功能。美国卡耐基·梅隆大学研发的小型挖掘机器人(REX),挖掘之前,先对挖掘点进行测绘,规划出一系列的路径序列,并控制小型挖掘机沿着规划好的路径序列点,自主进行挖掘作业,为了减少人工操作 。

  不难发现,这层次的路径规划能根据外部传感器的信息,获取到地形、地貌特征、操作者作业习惯,局部纠正动作序列,在一定的程度上能够实现简单挖掘任务路径规划。

  3)自主路径规划

  为了能够让小型挖掘机充分利用外部传感器信息,自主根据作业任务决定挖掘路径。卡梅隆大学研制的自主挖掘系统 ALS,其视觉系统有图像处理和激光发射的功能,通过识别挖掘作业对象,装载车辆上卸料点位置以及障碍的相对位置,并通过角度传感器获取挖掘作业面与理想作业面的信息,使用系统中的规划决策层来决定运动路径,并对路径点上的障碍物作相应的处理,其规划决策层中采用的是可以用于实时轨迹规划和将复杂挖掘运动参数化的方法。
小型挖掘机路径规划发展状况
  澳大利亚机器人中心(Australian Center of Field Robotics)研发的自主小型挖掘机目标是为了实现全自动的挖掘,将自动挖掘分为:挖掘任务的规划、外部信息获取和控制模块。通过传感器获取外部环境信息,并建立完整的知识库来分析环境信息,并给出任务分解、路径规划的序列点,给底层控制运行。 英国兰卡斯特大学研制的小型挖掘机模型(LUCIE),可以在自行适应土壤和障碍物,进行自主的挖沟渠作业。其系统主要分为两层:上位机是采用有限状态机模型构建挖掘过程中的行为,并对挖掘行为加以管理,具有一定的知识获取和学习的能力。下位机是将控制的指令转化为适当的信号驱动工作装置进行运动。该模型具有精确沟渠深度挖掘和平整沟侧的功能。

  这层次的路径规划可以自主根据外部传感器的信息,和当时的任务需求规划出一条理想的运动路径,同时准确的实现其轨迹跟踪与优化。
小型挖掘机路径规划发展状况
  国内的小型挖掘机自主路径规划也正朝着自动化与智能化方向发展。武汉科技大学针对小型挖掘机可以智能依据采集的环境信息,选用合适的控制模式问题,设计了基于知识和经验的多模式综合轨迹跟踪控制系统,达到了运动轨迹平和和高精度的效果。哈尔滨建筑大学运用模糊智能控制方法实现了小型挖掘机的工作装置的运动轨迹的再现,计算机记录熟练操作者挖掘的轨迹运动,然后再由计算机实现记录轨迹的重现。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室在规划控制、虚拟样机理论以及节能技术上有研究深度,其研制的小型挖掘机样机利用超声波传感器、虚拟阻力避障法以及基于规则的规划级控制方法等研究,能够实现挖掘机局部的自主的轨迹生成、避障控制的效果。

  通过上述的了解我们可以知道,合理的小型挖掘机路径规划是可以根据任务的需求规划出一条理想的轨迹,其中外部的传感器的信息以及小型挖掘机自身的内部传感器的信息是为我们提供良好的依据。


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