[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

说明书

本发明提出了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，该方案所述系统包括运行于挖掘机控制器上的流量优化分配算法、四维度单手柄、手柄传感器、执行机构位移传感器以及用于测量执行机构驱动装置液压力的传感器；操作人员通过操作四维度单手柄来控制执行装置末端的运动，基于运动学/动力学模型及各种约束条件的系统最优化控制算法负责将操作人员的动作指令转换为执行装置各执行机构的运动，并控制泵和各阀门的动作，实现挖掘机执行装置的运动控制。

技术领域

本发明涉及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，属于机械控制技术领域。

背景技术

现有主流挖掘机采用的是一种人在回路的总体控制策略，挖掘机每个执行机构的动作都是由驾驶员根据工况及自身的经验通过不同的操作杆直接下达控制信号(先导压力)来实现的。人在回路的总体控制策略具有一定的优势，例如具有丰富操作经验的驾驶员，可以根据任务、动作目标和基于对所操作挖掘机特性的了解协调地控制各执行机构的运动，能够在各种工况条件下比较高效、灵活地完成任务。其不足之处在于，人的感知和决策通常并不是那么精准，所以其操作在效率和能耗方面有继续优化的空间；此外，一个挖掘机操作员要达到可以灵活高效操作挖掘机的技术水平需要较长时间的训练和经验积累。

现有主流挖掘机是由驾驶员操作多个手柄，通过先导油路分别控制多路阀的阀芯的运动，继而控制流向各执行机构液压油流量，进而控制各执行机构的运动。

驾驶员完全直接控制挖掘机各执行机构的运动的效果取决于操作员的个人经验，具有较大的波动性，无法对工作速度和能耗做到准确地兼顾优化，且操纵具有一定的随意性，很难实现动作的稳定、连续和平顺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供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，可稳定、连续和平顺对执行机构进行控制，能够避开操作人员对各阀芯的单独控制。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了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，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：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；

执行机构压力传感器：用于测量压力；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。

进一步的，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；手柄传感器为位移或力传感器。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，液压系统数学模型包括：