负载口独立液压系统的升降车轨迹规划虚拟仿真平台   东莞石碣升降车出租, 东莞升降车出租, 升降车出租     升降车的自动化和智能化将成为发展趋势。负载口独立控制可编程阀以其良好的功能可编程、状态可监测特性可以方便的接入升降车自动化生产中。 首先建立了集机－电－液－控制系统的升降车多物理场耦合平台，在ＧＵＩ界面，实现了升降车工作和轨迹的可视化。升降车轨迹规划是升降车自动控制难点。通过解算现有升降车工作装置的运动学正逆解，获得了升降车工作齿间姿态和各执行器驱动空间对应状态。采用时间最优轨迹规划方法对升降车铲斗齿尖的轨迹进行规划，求解升降车回转、动臂、斗杆和铲斗的位移、速度和加速度，并分析了建模与轨迹规划仿真的误差。

   升降车虚拟仿真平台的配置与实现方法,  虚拟仿真平台的组成与配置基于负载口独立可编程阀的升降车虚拟仿真是一个集合了机－电－液－控制的多物理场耦合的仿真平台。要实现升降车轨迹规划的控制，首先需要对升降车结构尺寸进行精确建模。升降车动臂、铲斗、斗杆以及回转中心对应三个液压缸的收缩伸长状态，以及相关的安装尺寸。其中三个液压缸参数和液压马达的尺寸参数对升降车轨迹规划控制具有重要意义。升降车运动学模型将在３ｄｍａｘ中利用骨骼系统，快速地创建连接结构，完成对模型的支配。最后，使用Ｑｔ搭建ＧＵＩ界面，调取液压、控制、运动学的参数，实现仿真平台的可视化以及人机交互。升降车３ｄｍａｘ骨骼模型绑定在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ与ＡＭＥＳｉｍ中实现的升降车机械液压系统为实体造型，包含升降车的精确尺寸，质量，液压压力，流量等精确参数。对于升降车的运动，在３ｄｍａｘ中使用中空的面建模使得运动仿真更加有效率。升降车运动学动画模型由面部分、顶点和骨路关联部分、几何结构部分组成。升降车骨骼动画的创建步骤如下：１）依据升降车３Ｄ模型创建骨骼；２）调节骨骼链，定义骨骼序号；３）连接运动模型（动臂、斗杆、铲斗、回转）到骨骼上；４）创建１Ｋ连接，使得骨骼能够带动整个升降车工作；５）制作升降车运动动画。升降车蒙皮模型与骨骼模型，将骨架末端运动部件（油缸），铰链和铲斗齿尖处理成骨骼的节点（ｎｏｄｅ）。模型骨架搭建完毕后，将升降车模型各个运动部件作为蒙皮綁定. 虚拟仿真平台可以直接的展示升降车当前的位姿和轨迹轨迹规划结果，能够反馈升降车与实体环境的交互。在ＧＵＩ界面，可以实现２种轨迹规划控制方式：升降车铲斗齿尖的位移姿态角控制与升降车各个关节的控制。升降车虚拟仿真平台可以监视升降车的实时工作状态。当出现工作异常，如规划求解异常、执行器超速异常、运动出现盲点时，及时报警并终止程序。

   升降车工作装置运动学模型运动学建模主要用于确定物体在世界坐标系中的位置，以及物体在虚拟世界中的运动。升降车的工作装置可以看作是一个４关节的机械手结构，第一个关节的旋转轴与另外三个关节的旋转轴垂直，其他三个关节的旋转轴平行。第一个关节驱动力来自液压马达（回转），其他三个关节的驱动力来自液压缸（动臂、斗杆、铲斗）。升降车工作装置所有关节都为转动型，自由度与笛卡尔空间变量之间失去了对应性。为了正确描述升降车的工作状态，根据运动变量不同，确定了升降车运动状态的三种不同数学空间表达：１）位姿空间位姿空间是升降车铲斗齿尖在笛卡尔空间中的位置坐标和姿态角ｆ所形成的，能够确定升降车铲斗唯一工作位置，用向量表示。２）关节空间关节空间以升降车各个关节的之间的夹角来确定升降车的工作状态。升降车回转平台与机座之间的关节角为民，动臂与与回转平台之间的关节角为￥，斗杆与动臂之间的关节角为０２，铲斗与斗杆之间的关节角为０３，则关节空间确定的升降车工作状态为闲。 ３）驱动空间“驱动空间为各个驱动执行结构的状态参数。

   升降车工作装置运动学正逆解,  升降车铲斗齿尖在笛卡尔坐标空间中的位姿取决于三组液压缸的长度和回转马达的角度，即姿态空间。在运动学中，已知升降车各执行器的行程求解铲斗齿尖位姿的过程称为运动学正解。反之，从铲斗齿尖位姿汗到各执行器的行程则为运动学逆解。因为求解过程中均需经过关节空间，所以升降车工作装置的正逆解分为两部分进行。

   位姿空间与关节空间的正逆解位姿空间与关节空间的正逆解通过本地坐标之家的齐次变换来描述。针对升降车，Ｍ，表示回转中心相对坐标原点的矩阵，Ｍ２表示动臂相对回转中心的矩阵，Ｍ３表示斗杆相对动臂的矩阵，Ｍ４表示铲斗相对斗杆的矩阵。升降车工作装置关节空间到位姿空间正解矩阵, 为末端执行器的坐标系的单位向量，为这个坐标系的原点相对于基坐标系原点的位置向量。根据空间变化法则求出位姿空间与关节空间之间的逆解，已知末端执行器的位姿。升降车工作装置位姿空间与关节空间之间的逆解。在求逆解的过程中，会涉及反三角函数过程，需要根据实际情况对多余的解进行剔除。

     驱动空间与关节空间的正逆解驱动空间是升降车工作装置最终的受控对象，液压执行器（液压缸的伸出长度、液压马达的回转角度）决定关节转角，且为对应关系。由驱动空间求关节转角的过程称为正解，由关节转角向驱动空间的转换为逆解。本文采用几何法进行求解，采用几何法的好处可以直观的进行转换，正逆解过程可互推，可以避开结构的盲点。

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    升降车工作范围包络图对于升降车来说，一个典型的作业循环包括挖掘——满斗提升——回转——卸载——控斗返回等五个步骤。由于受到驱动机构尺寸的限制，升降车工作范围也同样有限。在进行轨迹规划之前，需要明确升降车的工作范围。升降车工作范围包络线，其关键参数。说明书额定值与Ｄ－Ｈ坐标计算值相差小于５ｍｍ。调整铲斗缸的初始位置，使斗杆和铲斗连杆共线；接着动臂由全伸到全缩状态变化，其它两缸保持上一状态不变；斗杆缸由全缩到全伸状态变化；铲斗缸伸出使动臂铰点、铲斗饺点和铲斗齿尖三点共线；然后动臂由全缩到全身状态；铲斗缸完全伸出；斗杆缸从全伸到全缩状态；最后，铲斗缸由全伸到全缩变化，完成升降车包络线的一次循环。升降车的工作盲点需要在实施轨迹规划之前避免，升降车工作装置运动盲点包括两个方面：１）铲斗齿尖所能达到的极限位置，即升降车的工作范围。２）齿尖的姿态的极限位置。当齿尖处于笛卡尔坐标下的某个位置时，铲斗姿态不可能实现３６０°全范围工作；当铲斗处于某个姿态时，有些特定位置不可达到。盲点的存在会使仿真出现异常，轨迹规划会出现奇异的解，需要提前避免。

    升降车齿尖轨迹规划升降车轨迹规划的方法可以参考串联机械手的轨迹规划控制。通常，对于轨迹的控制有三种方法：１）点对点的运动控制；２）指定轨迹通过序列点；３）连续的空间轨迹跟踪控制＝考虑到升降车液压系统的特性，本文选择连续的空间轨迹跟踪控制作为轨迹规划的方法。此方法的好处在于可以使用连续的差值方法获得更精确的轨迹控制，同时避免在点与点之间存在的求解错误。基于ＰＩＤ闭环控制，本文以升降车的直线轨迹跟踪为例，说明轨迹控制方法。１）确定铲斗齿尖在笛卡尔空间的轨迹根据升降车的工况，确定铲斗齿尖的运动方程将其分解为四个自由度的运动，其各个方向上的速度比值相同，得到位姿空间函数。２）确定轨迹行进效率对于位置空间函数，使用相同的轨迹规划时间、速度和加速度，得到各分量关于时间的加减速过程。３）离散位姿空间速度函数，获得４）获得驱动空间速度函数通过Ｄ－Ｈ坐标转换，经过关节空间转换，得到驱动空间速度函数。在关节空间中，可以判断轨迹规划中是否存在言点。 ５）升降车液压系统通过ＷＤ算法控制驱动空间各参数的速度。升降车作为一个大惯量的系统，在运动过程中其惯性力、负载等随着关节角的变化而变化，为了使其平稳运行，就必须做到位置、速度和加速度的连续变化，减少液压系统的冲击和震动。同时为了提升升降车轨迹规划效率，轨迹规划以满足最优时间性能为指标。升降车铲斗齿尖以正弦曲线表示，保证了升降车工作的平稳，并设置齿尖最大行进速度，对其进行约束。假设升降车的规划运动要在时间／内进行，则轨迹可以被分为几何路径以与时间律。前者在路径任意点Ｓ处满足后者的参数在起点之间是单调增加的。

    假设升降车在进行直线平整场地的工作，升降车在笛卡尔坐标中的轨迹是一条紧贴地面的直线函数。升降车铲斗齿尖从起始点Ｊ，坐标（０，６８６６，０，７０），运动到结束点Ｋ，坐标（２２４４，３８８６，０，１３０）。则升降车齿尖的行进距离为Ｚ＝３７４６．４ｍｍ。首先对升降车轨迹规划时间最优进行求解。为了保证升降车运动的平稳性，规定升降车铲斗最大运动速度匕指定升降车的动臂、斗杆、铲斗和回转需经过的关节位置。依据上述正弦曲线的轨迹规划方法，求解约束条件下的时间最优解问题，得到规划的最优时间序列。升降车轨迹规划优化最小时间为１８．４ｓ完成指定轨迹。对比不采用时间最优轨迹规划法，升降车完成指定工作的时间节省了３．４１ｓ。而因为设置了最高限速，相对不进行设置增加了１．２２ｓ的工作时间。将三个位移分量和一个姿态分量在笛卡尔坐标中进行合成，可以看到升降车在实际空间中的位移轨迹。在挖机铲斗齿尖加减速阶段，轨迹规划的控制点要多于匀速阶段。通过Ｄ－Ｈ坐标变换，求得在驱动空间中的各执行器的位移、速度、加速度。升降车工作装置关节空间规划结果与时间最优轨迹规划结果一致。从驱动空间的结果，可以得到升降车虚拟仿真平台轨迹规划的精度。升降车虚拟仿真平台轨迹规划的精度在毫米级，其主要误差来源为Ｄ－Ｈ坐标转换是出现的舍入误差以及骨骼动画模型的尺寸误差。

     面向未来升降车自动化和智能化的发展，建立了升降车虚拟仿真平台，并以升降车直线挖掘为例，研究了升降车轨迹规划中的各类问题。主要贡献如下：（１）建立了基于负载口独立可编程阀的集合了机－电－液－控制的多物理场耦合升降车虚拟仿真平台。建立了升降车蒙皮模型与骨骼模型，搭建了可视化的ＧＵＩ界面，能够实时观测升降车轨迹规划仿真结果。（２）以项目使用的１２吨升降车为对象，建立了升降车的运动学模型。通过运动学正逆解，获得了升降车铲斗齿间姿态与各执行器位移间的对应关系。（３）求解了升降车工作包络线，明确升降车工作范围。以升降车在进行直线平整场地的工作为例，采用时间最优轨迹规划方法对升降车铲斗齿尖的轨迹进行规划。获得升降车回转、动臂、斗杆和铲斗的位移、速度和加速度随时间变化的规律。行程３．７ｍ的直线作业，能够在１８．４ｓ内完成工作，仿真误差小于１ｍｍ。

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