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基于CAN总线的挖掘机铲斗轨迹规划与控制 姓 名:陈帅哥 学 号指导教师:王老师 论文研究背景 液压挖掘机是功能最为典型、应用范围极大的工程机械。液压挖掘机与土木工程、交通运输、矿产资源开发等方面发挥着极为重要的作用。随着社会进步发展,工程人员对于挖掘机有着更高的要求。 对于恶劣的工作环境,不适宜工作人员进入工作现场的情况,如:矿井,水下作业等,如果有意外情况发生,人身安全会遭到巨大的威胁。 对于施工单位来说,每一台机械都需配备一个熟练操作工人,而操作工人在嘈杂的环境下长时间工作,工作效率下降等现象发生,如此非常容易引发危险。 挖掘机在河道中作业 挖掘机在悬崖边上作业 基于CAN总线的铲斗轨迹规划技术的探究 由于这些问题急待解决,能够自主规划运动轨迹的挖掘机变得尤为重要。 因此,铲斗轨迹规划技术应运而生。简单地说,就是将挖掘机机器人化,通过指令的发出,能执行指令要求的动作。 在实际探究挖掘机自动挖掘的过程中,由于挖掘机结构较复杂,并且工作环境比较恶劣,所以需要一种即简单实用,又稳定可靠的传输路径。CAN总线完全满足上述要求,并且具有很高的实时性,能将挖掘机的状态实时反馈,非常适用于这个控制系统。 目 录 一:CAN总线技术的应用 四:控制系统软件的设计 三:铲斗轨迹规划 二:液压挖掘机控制系统设计 一:CAN总线技术的应用 CAN总线的介绍: CAN总线:CAN 总线是上个世纪80 年代由德国 Bosch公司开发的有效支持分布式实时控制的总线式串行通信网络。 自动化方面技术提高的关键点就是现场总线,还被称作是自动化方面的电脑局域网。 CAN总线的特点以及应用范围 易于开发 CAN总线在汽车电子、工业控制、电力系统应用广泛 具有极高的稳定性。 CAN总线制造成本低。 具有极高的可靠性。 iCAN协议 以ISO/OSI结构的角度来看,CAN总线仅仅定义了第一层(物理层)和第二层(数据链路层)。 由于 CAN 总线底层协议没有规定应用层,本身并不完整;在基于 CAN-bus 的分布式控制系统中,有些附加功能(网络的启动及监控,网络中 CAN 节点的标识和故障识别等)需要一个高层协议来实现。 iCAN协议开发的背景 有必要建立一个高层协议,即基于 CAN 总线的应用层协议,能够在 CAN 网络中实现统一的通讯模式,执行网络管理功能,以及提供设备功能描述方式,iCAN 协议由此应运而生。 基于连接的 iCAN 网络 二、液压挖掘机控制系统设计 组成机构: 铲斗 斗杆 动臂 回转平台 控制对象: 铲斗油缸 斗杆油缸 动臂油缸 挖掘机工作的过程 上位机发出指令 下位机接收到信号并进行相关处理 电液比例阀接收到信号并控制油缸运动 铲斗按规划的轨迹动 市场需求 具有一般液压挖掘机的所有功能,在作业人的控制下实现挖掘任务。 具备良好的运算功能,实现运动学运算与轨迹规划。 配备良好的通讯模式,确保数据可靠、实时传送。 做到远程操控,在人们无法的条件下,作业者能够借助于远程控制进行作业,完成相关的工作。 可以做到实时检验机械工作装置情况。 硬件的选型 上位机:PC电脑,系统主控,对轨迹规划控制。 下位机:MTC,数据采集与处理(iCAN-4050模块辅助使用)。 无线传输方式:NRF905 无线通信模块,远程传输数据。 行程传感器:拉线位移传感器,监测油缸位移量。 电液比例阀:控制油缸活塞的伸缩量。 I/O模块:输入/输出数据 控制系统框图 三、铲斗轨迹规划 液压挖掘机在作业中最多的工作任务是夯实与平整土壤、沿坡面挖掘与基坑挖掘等。这些工作模式均存在特定规律,能够做到相应的轨迹规划。依照挖掘工作要求测算出希望的铲斗运行轨迹就是轨迹规划,这是达到工作装置运动操控的基础。 轨迹规划模式重点是在D-H法基础上构建其运动学模型,依照早先规划的轨迹对铲斗齿尖的位姿展开运动学逆运算,推算出铲斗尖位姿与每一关节变量的联系,给它的运行轨迹的控制与规划提供了方法与依据。 这种方法好处具有很好的通用性,针对不一样的挖掘轨迹与机械型号展开逆解运算时,仅仅把变化的有关轨迹与尺寸输入就行了。 动学分析需要解决两个问题 根据给定的各关节变量 或液压油缸长度 求解铲斗在基坐标系中的位姿 根据给定的铲斗位姿,求解与之相对应的关节变量 或液压油缸长度 运动学分析 铲斗工作装置的D-H坐标系简图 运动学正问题 运动学逆问题 如果设定机械的所有连杆机构参数,则可以便捷简单的推出它的所有坐标系或是执行机构末端的所有向量在随便一个坐标系的姿态与位置。 只要给出了铲斗的位置与姿态,即关节角的大小
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