本發(fā)明涉及工程機(jī)械控制，尤其涉及一種推土機(jī)工作裝置的控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、推土機(jī)作為一種工程機(jī)械，主要用于大型土方工程中執(zhí)行推土、填平和平整地面等。許多情況下，推土機(jī)的作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣，例如在土堆、斜坡和溝槽環(huán)境中作業(yè)，會(huì)遇到車身不平、鏟刀負(fù)載過大等問題。在惡劣的環(huán)境下，尤其考驗(yàn)駕駛員的技術(shù)，有可能出現(xiàn)施工失誤、施工過程數(shù)據(jù)不足、施工效率低下等問題，無法保持施工質(zhì)量。而且，對(duì)于駕駛員來說，精確的施工變得更加困難，有效保護(hù)駕駛員的安全也很困難。因此，智能化無人推土機(jī)將成為未來重要的發(fā)展方向，將滿足推土機(jī)智能化的市場(chǎng)需求，具有廣闊的前景與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2、而推土機(jī)的工作裝置是推土機(jī)實(shí)際工作中最重要的部分，尤其是在惡劣的工作環(huán)境中，工作裝置受土壤外部載荷變化幅度大且變化頻率高，就需要駕駛員操作工作裝置不停的提升、俯仰，這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)推土機(jī)的工作效率較低以及使得地面的平整程度受到影響。

3、目前，對(duì)挖掘機(jī)的自主控制研究較多，因?yàn)橥诰驒C(jī)的工作裝置可以被視為四自由度的機(jī)械臂，并且挖掘機(jī)在作業(yè)過程中，車身底盤固定不動(dòng)，只有工作裝置進(jìn)行挖掘作業(yè)，無需結(jié)合挖掘機(jī)的車身姿態(tài)和方位等信息即可對(duì)工作裝置進(jìn)行自主規(guī)劃控制。而推土機(jī)在作業(yè)過程中，行駛在顛簸路面，推土機(jī)車身的姿態(tài)和方位是實(shí)時(shí)變化的，導(dǎo)致工作裝置的位姿也實(shí)時(shí)變化，無法精準(zhǔn)定位工作裝置的作業(yè)面，因此對(duì)無人推土機(jī)自主作業(yè)的研究較少?，F(xiàn)有的對(duì)推土機(jī)工作裝置作業(yè)姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整的研究也只是設(shè)定了一個(gè)姿態(tài)角度的初始值，通過檢測(cè)角度的偏差信息，將工作裝置的姿態(tài)變化控制在設(shè)定范圍內(nèi)。此類方法只能滿足推土機(jī)在進(jìn)行大面積平地的推平作業(yè)時(shí)對(duì)工作裝置的自主控制，但無法滿足推土機(jī)在斜坡、溝壑等連續(xù)變化的復(fù)雜路面上的作業(yè)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種推土機(jī)工作裝置的控制方法及系統(tǒng)，根據(jù)工作裝置關(guān)節(jié)的位置，構(gòu)建了推土機(jī)基坐標(biāo)系和工作裝置本體坐標(biāo)系，運(yùn)用了z-y-z歐拉定理對(duì)其坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移變換，得出變換規(guī)律與工作裝置位姿的關(guān)系，進(jìn)而確定工作裝置的提升、俯仰角度，使運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對(duì)推土機(jī)工作裝置精準(zhǔn)控制。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種推土機(jī)工作裝置的控制方法，包括：

4、基于d-h坐標(biāo)系，建立推土機(jī)工作裝置的基坐標(biāo)系{o}、提升坐標(biāo)系{a}、俯仰坐標(biāo)系和鏟刀末端齒尖坐標(biāo)系{c}；

5、利用z-y-z歐拉定理進(jìn)行基坐標(biāo)系{o}與提升坐標(biāo)系{a}、俯仰坐標(biāo)系、鏟刀末端齒尖坐標(biāo)系{c}的旋轉(zhuǎn)變換，得到推土機(jī)工作裝置的正運(yùn)動(dòng)學(xué)解；

6、由正運(yùn)動(dòng)學(xué)解進(jìn)行公式變換，得到推土機(jī)工作裝置的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解；

7、基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解，結(jié)合推土機(jī)的作業(yè)目標(biāo)面位置，得到待控制的推土機(jī)工作裝置提升角度和俯仰角度。

8、作為進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)方式，以推土機(jī)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的軸線方向定為z軸，以相鄰兩關(guān)節(jié)z軸的公垂線作為x軸，再利用右手法則確定y軸。

9、作為進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)方式，頂推架與車身履帶中心的鉸接處o為原點(diǎn)，以推土機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閤o軸，以垂直前進(jìn)方向向上為zo軸，以平行于作業(yè)表面方向?yàn)閥o軸，建立推土機(jī)的基坐標(biāo)系{o}。

10、作為進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)方式，以轉(zhuǎn)軸軸線方向?yàn)閦a軸，以頂推架方向?yàn)閤a軸，利用右手定則確定ya軸的方向垂直于頂推架向上，建立工作裝置提升坐標(biāo)系{a}；

11、坐標(biāo)系{a}和基坐標(biāo)系{o}的原點(diǎn)定義在同一旋轉(zhuǎn)中心o上。

12、作為進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)方式，以鏟刀與頂推架的鉸接處b為原點(diǎn)，以轉(zhuǎn)軸軸線方向?yàn)閦b軸，以鏟刀的朝向?yàn)閤b軸,再用右手定則可知yb軸垂直于鏟刀的朝向向上，建立工作裝置俯仰坐標(biāo)系。

13、作為進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)方式，齒尖坐標(biāo)系{c}建立在鏟刀末端齒尖的中間點(diǎn)c處，以c為原點(diǎn)，其三軸的方向與俯仰坐標(biāo)系一致。

14、作為進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)方式，所述正運(yùn)動(dòng)學(xué)解表示為：

15、

16、其中，px，py，pz分別表示鏟刀末端齒尖在基坐標(biāo)系{o}中的位置，cθ1＝cosθ1，sθ1＝sinθ1，θ1為推土機(jī)鏟刀繞za軸提升的角度；cθ2＝cosθ2，sθ2＝sinθ2，θ2為推土機(jī)鏟刀刀片繞zb軸俯仰的角度，xab，yab，zab表示俯仰坐標(biāo)系的原點(diǎn)到提升坐標(biāo)系{a}原點(diǎn)的距離；

17、xab等于推土機(jī)鏟刀頂推桿的長(zhǎng)度l1，yab＝0，zab＝0，lbw為鏟刀刀片的厚度，lbh則表示從齒尖坐標(biāo)系{c}的原點(diǎn)到俯仰坐標(biāo)系的高度差。

18、作為進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)方式，基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解，給定推土機(jī)的作業(yè)目標(biāo)面位置求解出待控制的推土機(jī)工作裝置的提升角度和俯仰角度：

19、

20、作為進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)方式，推土機(jī)鏟刀繞za軸提升的角度θ1由傾角傳感器測(cè)得。

21、第二方面，本發(fā)明的實(shí)施例還提供了一種推土機(jī)工作裝置的控制系統(tǒng)，基于所述的控制方法，包括安裝于推土機(jī)工作裝置鏟刀背側(cè)的第一傾角傳感器、安裝于頂推架一側(cè)的第二傾角傳感器，所述第一傾角傳感器用于檢測(cè)提升角度，第二傾角傳感器用于檢測(cè)俯仰角度。

22、本發(fā)明的有益效果如下：

23、(1)本發(fā)明根據(jù)工作裝置關(guān)節(jié)的位置，構(gòu)建了推土機(jī)基坐標(biāo)系和工作裝置本體坐標(biāo)系，運(yùn)用了z-y-z歐拉定理對(duì)其坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移變換，得出變換規(guī)律與工作裝置位姿的關(guān)系，進(jìn)而確定工作裝置的提升、俯仰角度，使運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對(duì)推土機(jī)工作裝置精準(zhǔn)控制。

24、(2)本發(fā)明分別在鏟刀背部和頂推架側(cè)梁上加裝了傾角傳感器，用于檢測(cè)工作裝置的提升和俯仰角度，為運(yùn)動(dòng)學(xué)分析提供了精確的旋轉(zhuǎn)角度，使運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果更準(zhǔn)確，使工作裝置的控制精度更高。

技術(shù)特征：

1.一種推土機(jī)工作裝置的控制方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種推土機(jī)工作裝置的控制方法，其特征在于，以推土機(jī)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的軸線方向定為z軸，以相鄰兩關(guān)節(jié)z軸的公垂線作為x軸，再利用右手法則確定y軸。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種推土機(jī)工作裝置的控制方法，其特征在于，以頂推架與車身履帶中心的鉸接處o為原點(diǎn)，以推土機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閤o軸，以垂直前進(jìn)方向向上為zo軸，以平行于作業(yè)表面方向?yàn)閥o軸，建立推土機(jī)的基坐標(biāo)系{o}。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種推土機(jī)工作裝置的控制方法，其特征在于，以轉(zhuǎn)軸軸線方向?yàn)閦a軸，以頂推架方向?yàn)閤a軸，利用右手定則確定ya軸的方向垂直于頂推架向上，建立工作裝置提升坐標(biāo)系{a}；

5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種推土機(jī)工作裝置的控制方法，其特征在于，以鏟刀與頂推架的鉸接處b為原點(diǎn)，以轉(zhuǎn)軸軸線方向?yàn)閦b軸，以鏟刀的朝向?yàn)閤b軸,再用右手定則可知yb軸垂直于鏟刀的朝向向上，建立工作裝置俯仰坐標(biāo)系。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種推土機(jī)工作裝置的控制方法，其特征在于，齒尖坐標(biāo)系{c}建立在鏟刀末端齒尖的中間點(diǎn)c處，以c為原點(diǎn)，其三軸的方向與俯仰坐標(biāo)系一致。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種推土機(jī)工作裝置的控制方法，其特征在于，所述正運(yùn)動(dòng)學(xué)解表示為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種推土機(jī)工作裝置的控制方法，其特征在于，基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解，給定推土機(jī)的作業(yè)目標(biāo)面位置求解出待控制的推土機(jī)工作裝置的提升角度和俯仰角度：

9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種推土機(jī)工作裝置的控制方法，其特征在于，推土機(jī)鏟刀繞za軸提升的角度θ1由傾角傳感器測(cè)得。

10.一種推土機(jī)工作裝置的控制系統(tǒng)，其特征在于，基于如權(quán)利要求1-9任一所述的控制方法，包括安裝于推土機(jī)工作裝置鏟刀背側(cè)的第一傾角傳感器、安裝于頂推架一側(cè)的第二傾角傳感器，所述第一傾角傳感器用于檢測(cè)提升角度，第二傾角傳感器用于檢測(cè)俯仰角度。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種推土機(jī)工作裝置的控制方法及系統(tǒng)，涉及工程機(jī)械控制技術(shù)領(lǐng)域，基于D?H坐標(biāo)系，建立推土機(jī)工作裝置的基坐標(biāo)系{O}、提升坐標(biāo)系{A}、俯仰坐標(biāo)系{B}和鏟刀末端齒尖坐標(biāo)系{C}；利用Z?Y?Z歐拉定理進(jìn)行基坐標(biāo)系{O}與提升坐標(biāo)系{A}、俯仰坐標(biāo)系{B}、鏟刀末端齒尖坐標(biāo)系{C}的旋轉(zhuǎn)變換，得到推土機(jī)工作裝置的正運(yùn)動(dòng)學(xué)解；由正運(yùn)動(dòng)學(xué)解進(jìn)行公式變換，得到推土機(jī)工作裝置的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解；基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解，結(jié)合推土機(jī)的作業(yè)目標(biāo)面位置，得到待控制的推土機(jī)工作裝置提升角度和俯仰角度。本發(fā)明能夠確定工作裝置的提升、俯仰角度，使運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對(duì)推土機(jī)工作裝置精準(zhǔn)控制。

技術(shù)研發(fā)人員：董全成,苗純銘,田從豐,許子耀,申廣瀟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：濟(jì)南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19