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  小型挖掘机自动化研究进程概述

  根据规划水平来划分,到目前为止的挖掘机自动化技术发展经历了如下几个阶段:

  1、简单自动化

  这个层次的自动化带有很大程度的刚性,自动作业过程一旦确定后就不能自主改变。同时它的自动化也有局部性,只能使作业过程中某些指标满足要求,辅助操作者轻松地、高质量地完成作业。较为典型的有挖掘机的铲斗姿态控制。日本三菱公司研制的型挖掘机`】,可以保证在动臂举升时铲斗的倾角不变同济大学研制的斗容量的正铲挖掘机,可以实现水平推进和垂直提升作业。另一类典型的例子是平整作业自动化。由于平整作业往往要求各驱动关节的变化量保持匹配,即便是没有经验的操作者也能顺利地完成平整作业。例如日本建筑有限公司研制的主从式反铲挖掘机,具有三种可供选择的操纵模式,和,当操纵者选用模式时,操纵杆可引导铲斗作水平和垂直地运动,并可独立地调整铲斗姿态当操纵者选用。模式时,操纵杆可引导铲斗沿着任一倾角的斜面作平整作业,并可独立地调整切深和铲斗姿态。

  这类自动作业系统中所包含的规划系统,只是利用了反映机器自身状态的内部传感器信息,而没有利用反映环境状况的外部传感器信息只能执行操作者设定的路径,没有自主决定路径的能力,缺乏适应环境的柔性。
小型挖掘机自动化研究进程概述
  2、具有外部传感器的自动化

  这个层次的自动化比起简单自动化来,由于利用了外部传感器信息,因而具备了一定程度的柔性,进一步减轻了操作者的负担。波兰华沙大学研制的中型反铲液压挖掘机,采用具有温度补偿的,借助于贴在油缸活塞杆上的应变片间接测计算斗齿尖的受力,从而估计出当前的挖掘潜力,操作者借助液晶显示卡的提示,安全简便地控制着作业过程。视觉传感器如同力传感器一样重要,用来获取地形地貌信息,但由于代价的昂贵和后续处理的复杂,目前应用得不多。日本一家公司研制的挖掘下水道的自动挖掘机】,采用了激光引导系统和角位移传感器,可'以让操纵者得知作业时斗齿尖与理想挖掘面的距离,这可以辅助操作者做好平面精修作业。

  这类自动作业系统中所包含的规划系统,共同特点是利用了外部传感器指导作业,对环境具有一定程度得适应性。
小型挖掘机自动化研究进程概述
  3、离线编程式自动控制

  在离线的情况下,规划出动作序列,最后由控制器自动完成该动作序列。离线编程系统首先构造挖掘机本体三维图形及环境模型,根据给定的任务,在离线的情况下进行无碰撞路径规划和轨迹规划,生成轨迹点序列规划好后进行在线作业,控制器以规划好的轨迹点序列作为控制目标,驱动挖掘机器人的工作机构进行一系列的动作,直到跟踪完所有的规划轨迹点也就是完成作业任务`】。在控制器自动控制作业过程中,操纵者无需直接操纵作业但是操作者可以进行干预,如通过力传感器监测挖掘潜力,必要的时候中断自动作业。波兰矿业大学声称研制了智能自主式挖掘机的小模型,利用激光视觉系统进行三维环境识别,碰撞干涉检查,动作规划和任务规划,但它没有真正使用三维激光视觉系统,只是通过人机界面建立封闭的三维环境,偏重于图形仿真。卡耐基·梅隆大学开发了一种机器人挖掘机,它通过测绘挖掘地点,规划挖掘操作和控制挖掘设备来挖掘埋在地下的公共设施管道。

  这类自动化作业机器中的规划系统是以离线方式进行的,并且规划好的数据作为控制系统的输入,实现无人操纵的自动控制。这是一种计算机两级控制结构,也是目前最典型的机器人控制结构。
小型挖掘机自动化研究进程概述
  4、自主和半自主控制

  自主控制是自动化的高级阶段,这个自动化层次的作业机械,对环境或对象具有拟人的感知和认识能力,会模仿人的思维,进行自主决策并监督执行。由于工程机械作业的复杂性,达到这一层次的自动化水平尚需相当长的时间,目前报导的智能作业机械只具有某种程度的智能性,称之为“半自主化”或“准智能化”。这类自动作业机器所包含的规划系统具有两个显著特点一是根据任务自主决定运动路径的能力,一是传感器信息的充分利用。

  Carnegie Mellon大学的自主装载系统,用两个激光扫描器识别和定位卡车、测量挖掘掌子面、检测障碍物,挖掘机规划决策软件利用这些信息,根据作业任务,决定“怎样挖土”、“哪里挖土”、“哪里卸载”到卡车、“工装在挖掘掌子面和卸载位置之间快速运动”的同时“检测障碍物并停止”。这一规划系统在实际运行时,能达到司机的操作速度。

  总体上说,各国工程机械自动化研究起步不久,各自作业规划系统和控制技术参差不齐,大多数还处于低智能水平。
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