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  小型挖掘机轨迹生成系统软件结构

  小型挖掘机轨迹生成系统主要包括以下几个模块:

  (1)规划系统环境变量设置,该模块需要输入小型挖掘机的结构特征参数和运动学的约束参数,以及对小型挖掘机任务的描述,其中包括了作业对象的描述、卸载位置的空间描述等。

  (2)任务分解、路径规划和轨迹生成。通过获取对小型挖掘机作业任务的描述,先进行任务的分解,在获得分解后的挖掘关键点的基础上,基于规则生成可靠安全的空间路径,在路径的基础上加上小型挖掘机的运动学的约束参数再生成挖掘机关节空间或者是笛卡尔坐标系下的轨迹。小型挖掘机的运动学建模,是规划的基础,其计算相对简单,不单独设置为一模块。

  (3)显示界面。通过获取小型挖掘机的结构特征参数和小型挖掘机任务描述,在界面上显示小型挖掘机模型和挖掘任务路径点的空间曲线。并在仿真运行的过程中监视小型挖掘机各工作装置关节角的情况。
小型挖掘机轨迹生成系统软件结构
  在小型挖掘机规划系统中将运动学的建模、任务分解、路径和轨迹的生成设计成VC++中的一个主类(MainDlg),其主要的工作就是根据用户输入的作业的描述生成可执行的优化点序列。将仿真模块设计成一个辅助的类(SecDlg),其功能是用户仿真模块的显示,供用户可以很好的观察小型挖掘机运动轨迹情况[42]。 本小型挖掘机规划系统中,轨迹的生成是优先于图形仿真模块的,因此,在定时器的选择上是不尽相同的,对于辅助类开启的是 VC++工具自带的普通定时器,而对于主类来说,使用的是优先级别高的多媒体定时器,其精度为 1ms,完全可以胜任主类对系统资源的需求。

  轨迹生成环境变量的设置

  该模块的主要功能是,为了整个轨迹生成系统的初始化,提供相应的参数。需要输入的参数有:1)小型挖掘机结构的特征参数,其中包括:动臂长度,斗杆长度以及铲斗的长度。小型挖掘机的运动学参数表示的是,小型挖掘机各个关节在不同工况下的运动条件约束。2)挖掘作业任务的描述信息。小型挖掘机典型的作业为沟渠的挖掘和平面的修整作业。
小型挖掘机轨迹生成系统软件结构
  轨迹生成模块

  这部分是整个小型挖掘机轨迹生成系统的核心部分,实现的功能是获取轨迹规划环境变量设置的参数,进行挖掘任务的分解,将一个作业对象分解为若干个挖掘的小任务,其中得到的是一系列的挖掘关键点,基于规则的路径规划,在两个关键点之间进行一个作业循环,其中包括了(挖掘、满斗提升、满斗回转、卸土以及空斗返回至新起点)。在确定路径点之后,进行的是轨迹规划部分,依据挖掘作业的不同运动模式进行约束条件不同的优化,最终得到小型挖掘机运动轨迹的序列点。
小型挖掘机轨迹生成系统软件结构
  小型挖掘机仿真模块

  用 Pro E 将小型挖掘机模型的各个部件模型画好并装配好,以 OBJ 格式保存,然后将文件导入 3DMax 里,然后以 3DS 格式导出。这些 3DS 格式文件是用来 VC++软件建立小型挖掘机器人模型显示使用的。 利用 OpenGL 几何图元绘制函数绘制出各个小型挖掘机部件的三维图形并对其进行渲染。将 OpenGL 函数库,依托在 VC++6.0 应用程序的框架之上。利用 MFC设计小型挖掘机仿真模型。

  根据挖掘作业的任务进行分解,在分解后的小任务中进行路径规划,生成挖掘关键点后,加入运动学约束和时间序列形成小型挖掘机各个关节的轨迹序列点。并将每个时刻下,小型挖掘机工作装置各关节角相应的铲斗斗齿尖的运行路径以及工作装置的姿态,使用三维图连续显示出来。就实现了对小型挖掘机的运动轨迹的仿真。
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