[发明专利]一种基于单手柄操作的电控挖掘机执行装置运动控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于单手柄操作的电控挖掘机执行装置运动控制系统，其特征在于，所述系统包括控制器以及均与控制器连接的：

四维度单手柄：用于表达挖掘机操作人员的运动指令，形成对应的动作信息；

手柄传感器：用于采集所述四维度单手柄的动作信息，控制器将其转化为执行装置末端期望运动速度目标；

执行机构位移传感器：用于测量各执行装置的构型，所述构型用于构建工作装置逆运动学；控制器根据预构建的工作装置逆运动学将执行装置末端期望运动速度目标转化为各执行机构期望运动目标；所述执行机构逆运动学：基于当前构型将执行装置末端的运动指令信息转化为各执行机构的运动目标；

执行机构压力传感器：用于测量执行机构驱动结构的液压压力；所述压力用于构建液压系统数学模型；控制器根据预构建的构建液压系统数学模型、各执行机构期望运动目标以及兼顾工作效率和能耗的最优化控制目标，结合系统约束条件生成执行机构的动作目标；所述液压系统动力学模型为液压系统中输入与输出的关系；所述液压系统输入包括泵端的压力和流量；所述液压系统输出包括各执行机构处的压力和流量。

2.根据权利要求1所述的基于单手柄操作的电控挖掘机执行装置运动控制系统，其特征在于，所述四维度单手柄具有对应挖掘机执行装置末端平动的三自由度及对应铲斗转轴旋转的一自由度；所述铲斗的旋转包括铲斗内收或外翻；所述手柄传感器为位移或力传感器。

3.根据权利要求1所述的基于单手柄操作的电控挖掘机执行装置运动控制系统，其特征在于，如果执行机构传感器测量得到的某一执行机构的运动接近机械限位，则其运动轨迹由缓冲运动代替逆运动学解算得到的期望运动。

4.根据权利要求1所述的基于单手柄操作的电控挖掘机执行装置运动控制系统，其特征在于，所述执行机构包括液压执行机构，所述液压执行机构包括液压油缸和液压马达；

所述执行机构的动作目标包括液压泵的流量和阀的开口面积。

5.根据权利要求1所述的基于单手柄操作的电控挖掘机执行装置运动控制系统，其特征在于，液压系统数学模型可表达为：

其中，x为列向量，包含了各液压缸、马达的流量及流量的导数，A为系数矩阵，B为控制矩阵，u为控制变量，包括液压泵的流量、多路阀中各阀的开口面积，f为外负载及扰动。

6.根据权利要求1所述的基于单手柄操作的电控挖掘机执行装置运动控制系统，其特征在于，构建兼顾工作效率和能耗的最优化控制目标包括：

J＝K1×N+K2×abs(v-vq)

式中，J为优化目标函数，K1为能耗权重系数，N为执行机构中液压系统的能耗值，K2为工作效率权重系数，abs意为取绝对值，v为目标速度，vq为基于手柄信息计算所得的速度。

7.根据权利要求1所述的基于单手柄操作的电控挖掘机执行装置运动控制系统，其特征在于，所述系统约束条件包括：

液压泵能力：液压泵的流量最小值液压泵的流量液压泵的流量最大值；

阀开口面积：阀开口面积最小值阀开口面积阀开口面积最大值。

8.一种基于单手柄操作的电控挖掘机执行装置运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取四维度单手柄的动作信息，将其转化为执行装置末端期望运动速度目标；

根据预构建的工作装置逆运动学将执行装置末端期望运动速度目标转化为各执行机构期望运动目标；所述执行机构逆运动学：将执行装置末端的运动指令信息基于当前构型转化为各执行机构的运动目标；

根据预构建的构建液压系统数学模型、各执行机构期望运动目标以及兼顾工作效率和能耗的最优化控制目标，结合系统约束条件生成执行机构的动作目标；所述液压系统动力学模型为液压系统中输入与输出的关系；所述液压系统输入包括泵端的压力和流量；所述液压系统输出包括各执行机构处的压力和流量。