自动液压挖掘机毕业设计论文中英文对照资料外文翻译文献.docx

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自动液压挖掘机毕业设计论文中英文对照资料外文翻译文献

中英文对照资料外文翻译文献

基于三维信息应用的自动液压挖掘机

的设计和控制

土木工程现在仍充满危险和艰苦的任务，因此，改善工作环境、确保安全，是这一领域所面临的挑战。

解决这个问题，工程机械的发展至关重要，因为建筑工人的老龄化问题也逐渐突出，在不久的将来，年轻的、有经验的工人将严重短缺。

为解决这些问题，这个研究项目进行了基于基本的三维信息技术，实现液压挖掘机自动作业的研究，而液压挖掘机是一个典型的、操作简单的用于各种建筑的机械。

为此，我们研制了一台自动控制的液压挖掘机模型，测试了该液压挖掘机在常见土壤的工作条件下的挖掘能力和装载能力。

其所取得的工作速度几乎和在人手工操控下正常工作的挖掘机一样。

一、简介

土木工程工作中还涉及到许多危险、艰苦的任务，特别是在灾后恢复重建的工作中。

为了提高安全性，一些研究人员已经模拟这样的工作环境作了许多实验，探索利用无人遥控或自动操作的方法执行这样的任务。

值得高兴的是，研究人员已经成功开发了几台这方面的设备。

然而，由于其所采用的传统的系统效率较低，成本远高于有人操作施工的机械，因此，它们只适用于特殊场所，如为大规模的灾难后建设恢复、补给站点。

在另一方面，我们现在正逐渐面临一个工程建设中迫切的挑战，效率作为建设工作最重要的问题，然而年轻而富有经验的工人严重短缺使得效率低下。

尽管现在应用三维信息技术（IT）来解决这些问题在实际工作中的作用仍然是非常小的，但其未来的发展充满了希望。

液压挖掘机是最常见的建筑机械，在日本被广泛用于土壤作业或许多其它作业中。

日本的工程技术人员已经作出了很大努力来开发自动控制的全自动液压挖掘机，但开发的系统还没有达到在实际作业中应用所需要的水平，而且这些产品也一直太过于昂贵。

这项研究就是为了解决这些问题的，即开发基本技术基于三维信息、实现远程控制、自主操作的液压挖掘机。

因此，我们设计了应用三维信息技术的自动控制信息系统，并制造出一台挖掘机作为模型，同时对其进行了一个土壤挖掘作业的试验。

二、样机工作装置运动系统的研制

1、实现自动挖掘功能

一个液压挖掘机的基本功能是在地面上挖掘土壤,然后变换它的位置,最后卸载土壤进入自卸卡车。

在这个过程中,我们定义了实现自动操作这一基本功能的主要对象为自动液压挖掘机。

一台液压挖掘机是由一个旋转的上半身和下半身组成的。

我们研究的主要目标是让旋转的上半身实现自动挖掘和装卸作业,而实现这一部分的自动运动是通过远程操控。

而且,我们定义了目标的基本工作：

挖出和铲斗宽度一样的沟槽,这是挖掘机最基本的工作，这必须为挖掘机提供目标的全球定位坐标数据（三维信息）。

目标土地的形状可能会在工作时因为自动挖掘机本身而改变,所以，用来控制挖掘的测量数据应基于挖掘机的挖掘运动和装载过程本身。

同时,对被选为研究开挖过程的土壤应在公共工程中具有代表性,因此我们选了关东土壤作为挖掘对象。

样机的主要目标是,实现一系列挖掘运动而没有任何人工干预,实现的工作速度和完成的工作精度则几乎和由操作员手动控制一样。

2、工作装置的控制系统

该样机具有的遥控功能是在公开出售的12吨标准挖掘机上研制的，对于这个控制自动作业的系统,我们在此基础上设计并实现了以下控制功能。

（见图1）

（1）测量挖掘机的三维信息状态和土壤形状的子系统。

（2）运动轨迹控制子系统

而且,我们还开发了一种远程控制站操纵和监督自动挖掘机的工作,它包括以下两大子系统。

（3）作业监控和操作子系统（4）三维信息管理子系统

这个控制站还有一个在必要时对挖掘机实现远程控制的应急处理功能。

图1显示了工作装置的总控制系统,每个子系统在以上分别作了列举。

远程操控室

无线通信显示/操控系统

自动控制系统操控人员

三维信息

操作组件位置和状态传感器控制系统

电子液压

控制组件3D系统执行

状态控制器

基本结构3D测量传感器

液压系统

图一工作装置总控制系统

三、传感器和三维测试系统

为实现液压挖掘机自动操作，必须在液压挖掘机工作期间不断获取土壤形状变化的三维信息。

所以我们装备的三维测量设备,如激光扫描仪安装在这个机器人挖掘机的顶部。

因为工作时机身的振动,测量挖掘机外的部形状应该同步测量其运动和倾斜度,以得到工作对象准确的信息，为此测量目标的三维精度我们设为5厘米。

为实现自动控制的性能，这一步的是必不可少的。

并且，测量的时间延迟应该足够小以能实时控制。

照片1显示了安装在挖掘机上的传感器。

传感器附件立体电视摄像机

光纤陀螺

RTK-GPS摄像机

GPS方向定位仪

角传感器电位器

角传感器旋转编码器

照片1传感器安装位置图

1、测量挖掘机挖掘的位置和方向

1）位置测量仪

RTK-GPS是安装在挖掘机机身上的位置测量仪。

这个设备是常见的公开出售的传感器,其中,测量的延迟时间是60米每毫秒,测量频率为10赫兹。

另一种方式的自我位置测量是使用自动跟踪全站仪。

然而,它必须被设置在远程站或者其他地方,这可能限制了程序的应用范围。

所以,我们选择RTK-GPS设备,它不需要在挖掘机以外增加任何别的设备。

2）上半身的旋转方向和姿势

利用光纤陀螺调整挖掘机上半身的方向，来处理这个传感器漂移,GPS相位差分方向计是用来纠正漂移误差的,在它工作时就会有一段时间不旋转。

3）振动处理

测量的环境、机身的震动和仪器的振动会引起测量错误。

所以我们观察并测试了挖掘机振动和摇晃工况下对传感器的影响，结果显示,振动几乎没有引起误差,但机身摇动或摆动的影响还是不能轻易忽略，因此,校正方向测量设备是必要的。

上半身的摇晃、旋转循环的频率是大约1.5赫兹,因此为了得到良好的位置和方向数据，测量的精度应在10赫兹以内，并且测量精度必须在一段时间后做出校正。

4）测量设备的工作状态

为了解设备的工作情况,即旋转编码器、电位器是否有良好的耐久性，以及对铲斗、动臂和斗杆的测量是否在精度范围内。

若应用电位计,噪音引起滤波器精度的降低以致延迟0.2到0.33秒,而旋转编码器是没有滤波器的，其延迟小于5毫秒，所以测量主要由高精度旋转编码器完成。

此外,对于应用GPS信号控制不到的地方,一个旋转传感器与电位器被安装在下半身和旋转上半身之间相对恰当的位置。

2、测量周围的环境

1）激光扫描仪

自动挖掘机应测量其周围环境的变化,以得到物体三维的形状信息,并反映在其挖掘运动中。

为此,我们决定使用两套二维激光扫描仪测量垂直平面,把它们安装在挖掘机上半身工作装置的两边。

尽管传感器设备只测量二维垂直平面，在三维信息的环境中,也可实现上半身旋转工作的控制。

测量挖掘机的精度是5毫米,测量周围环境的精度则是10毫米的。

[4]

因为测量仪器位于工作组件（斗杆、动臂、铲斗）的上半身的两边,可以测量开挖土壤周围的形状,甚至其后上身在任何方向的旋转。

激光扫描仪的测量延迟是10毫秒,测量频率是18赫兹，对于摇动和摆动,传感器测量的数据结果记录了机身变形量随时间的变化，同步坐标的转换能制作出环境的三维形状信息。

2）立体相机

立体相机要事先安装好。

它能给出对象的当前情况和当前位置，是否采取行动则掌握在远程操作站的操纵人员手上，操纵者在操控挖掘机运动之前，他应事先预测好结果。

而立体图像的处理是耗时的,并且它的测量延迟是7毫秒,因为立体相机的数据和三维信息控制系统通信之间需要时间，之后才能执行立体相机数据的处理。

3）摄像机

挖掘机自动工作时,摄像机得到的视频图像通常总是直接传送到远程站,以便操作人员能在任何时间都能观察到挖掘机的运动。

图像传输延迟的时间是0.2秒,如果必要的话还可以利用这些图像实现最低级别的人工远程操作。

四、自动运动的设计和控制

1、挖掘模型

作为一个步骤来设计运动计划,我们观察和分析了控制和运动的挖掘机的操作经验,并与研究者们做了交流。

一个典型的方法在开挖沟槽时由操作员操纵,使用挖掘相对较浅的长直挖掘运动。

[5]

该方法应用于两个粗糙挖掘在刚开始工作的时候,和最后整理挖掘。

并且,在城市土木工程工作中它是一个适当的挖掘方法,挖掘机应能处理在图纸上可能没有信息的对象。

所以,在第一阶段我们决定运用这种方法来自主挖掘。

挖掘行动通常分为四种不同的动作:

边坡渗透,直接拖动,斗卷曲和垂直升降,图2所示为基础的轨迹（黑线）。

开挖起始点

基地轨迹铲斗

梯形轨迹

图2连续挖掘机图

2、挖掘运动轨迹的设计

开始挖掘时的位置的确定基于设计者给定的三维数据和经测量所得出的土壤信息,并且挖掘轨迹梯度的改变应该设计在沟槽的底部。

这样决定因素是连续挖掘的长度,所以开挖基坑时装载的土量能达到斗容量的1.6倍。

根据地面的形状和铲斗使用，铲斗的形状可定为梯形形状,挖掘深度H和挖掘长度也可以确定，在位置012x−w−w时，铲斗开始提起。

（见图2）并且,要求铲斗移动的速度足够快,并且开挖不致太过粗糙。

所以,当挖掘的沟槽的深度比预定的深度之差变得大于30厘米时,切换到完成开挖的基坑，重新开始。

在完成开挖后,开挖速度降低,并减小铲斗运动的动力,以便它遵循设计行程达到给定的精度。

当设计和测量之间的误差在10厘米以内,则可判定为完成开挖，同时，我们通过使用立体相机证实了这个结果。

3、运动轨迹对履带接地比压的影响

由铲斗开挖的土壤应被装载到挖掘机旁边的履带自动倾卸卡车上。

履带的位置和方向,通过自动挖掘机储备的RTK-GPS或其他传感器本身由无线通信传送到操控室。

然后,对于工作载荷,应该用激光扫描仪对传输过来的土壤信息进分析以得到,土壤加载的位置就可以随之确定。

4、动臂和铲斗运动轨迹的跟踪控制

利用轨迹跟踪系统设计的自主运动,在计算用作参考价值的数据时，真正的关键是实时控制跟踪动臂和铲斗变化角度值的工作设备。

PID控制规律则用于驱动液压制动器的跟踪控制。

在PID控制的角度轨迹跟踪的清晰度（位置）的铲斗、动臂和斗杆,简单的二阶类型使用一个模型通过消除石油压缩性。

因此,前馈补偿（速度和加速度的目标角）,应用于控制打开电磁比例阀（见图3）。

通过测量和模拟确定了其的参数，频率控制在10赫兹是相对合适的,因为液压系统反应较迟缓。

速度

加速度

比较

目标角角偏差阀打开

集成每个角度

分化

测量角

图3轨迹跟踪控制系统

五、远程监控和管理站

对实现自主工作的挖掘机,管理三维信息结构,监测其工作进展情况,并给予适当的操控是必要的。

为此,我们设计并建造了一个远程控制站,可以一直观察自动挖掘机的工作,而且当必要的时候可以手动操作这台机器,。

这个远程控制站同时也可以收集和记录三维设计信息和传感器测量的数据。

1、指令的自动工作及其监测

为了实现自动液压挖掘机自主作业,设置自动开始作业的功能的参数和指令是必要的，同样重要的是，观察任务的进展、确认工作结果是否符合设计数据。

为了这个目的,特殊的显示系统是必须的,为此，我们开发了三维的信息屏显示测量的工作地点（地形）叠加的三维信息与所设计的对象形状。

在这显示系统中,轻松地触控面板幕可以做简单的工作如设置对象的位置等。

虽然,这样的显示技术——支持铲斗的位置和设计数据相对照，已经被报道在实际系统中应用了（被命名为“三维机械指令系统”,但它们有时间和噪声滞后的问题）。

而新开发的系统可以显示挖掘的信息与测量的现状（地形）信息等没有太大延迟，因为它提供了从任何一个视图位置使用计算机图形的技术,所以它很容易显示和控制自主运动的挖掘机。

显示功能主要包括2个屏幕,一个由相机不断拍摄所获得数据的彩色图形,和一个挖掘数据不断变化的操控可视窗口等。

（见图4）

图4一个挖掘过程的演示

此外,这显示屏幕也完全可用于手动的远程操作,通过显示设计的三维信息，工作目标目前的情况（包括土地形状）,以及机器的位置,操作员就可以远程操作机器。

为试验这个系统在实际操作执行中是否准确有效，富有经验的研究者将无人远程操作的施工机械用在了恢复重建工作的富士山火山以东的地区。

当接受采访时他们说，它工作顺利而且没有出现延迟现象。

我们也试图从相机拍摄显示线与设计线叠加的角度观察是否延迟，这可能是一个很好的方法，如果摄像机的位置、方向、角度没有改变的话,可以准确地澄清和速纠正可能发生的扭曲。

这样,我们发现，挖掘精度达到了4厘米,它的延迟是0.2秒。

2、三维信息管理系统

这个子系统是为管理自主运行的挖掘机的三维基础信息而建设的。

设计数据的格式,我们采用了三维空间数据转换规范（XML格式）和标准的CAD数据转换格式,DXF,这是发达国家研究土地和基础设施管理部门土地、基础设施、交通和旅游所通用的。

[6]

三维信息为设计和实测数据显示为网格数据类型提供了表达方式,因为它处理简单,体积小,数据传输快。

选择的网格大小为10厘米是基于数据之间的平衡传输和挖掘、装载在实际范围内的可操作性。

如果能证明网格大小为5厘米是更适合的测量密度，它很容易实现改变。

这个管理系统能将数据显示为电影图像，以下是主要的功能。

1）将控制的设计数据和原始地形数据作对比

2）设置和创建网格，并在网格单元提供设计和测量数据

3）提供和控制建筑机械和转储卡车位置和内部传感器数据

4）保持目前的工作状态代码和发出起始信号

5）记录进入预定轨道的数据并提供给显示系统

6）创建和设计当前对象的开挖,并将它们提供给控制系统

7）创建处理的土壤（包括卸载卡车上的）的信息并将它们提供给控制系统

8）将立体相机拍摄的数据提供给它的显示系统。

六、模拟实验

在机体上面每个部分都安装有子系统以完成整体系统的功能。

图1显示出了总体系统和数据之间的通信子系统。

为完成这项研究,我们对整体系统进行了测试，并让挖掘机在我们研究所的测试场地进行现场作业来验证其功能。

（见图片2和3）。

一个粗糙的挖掘循环时间大致为30秒，完成一个精细的挖掘循环约为40秒，为了提供充足的时间进行升降、旋转和土壤卸载运动，为确保土壤能够准确放在自动倾卸卡车上，因此设置一个粗糙的掘挖循环时间在30秒左右是必须的。

三维设计信息和所测量土壤形状的信息被实时应用于沟槽的挖掘。

由挖掘机示范的自控自动连续执行任务验证了其功能，即完成粗糙的挖掘和精细的挖掘整个过程。

我们证实了其误差在10厘米以内，而且它也实现了自动将挖掘的土壤加载到履带转运车上的功能。

照片2挖掘和装卸图

照片3挖掘后的土槽

七、结论

在这个研究中,我们已经开发出一台应用自动控制技术操控的液压挖掘机,这是一种典型的通用建筑机械。

我们设计了一套系统,它可以控制自动液压挖掘机的工作路径，由此产生的工作速度和挖掘精度与在熟练工人操控下正常工作的挖掘机几乎相同。

我们应用三维设计使自动挖掘机能根据土壤的条件来动态地自主执行适当的挖掘和装载任务。

随着技术的进步,该系统将能够在更广泛的条件下作业，如大范围的土壤质量和土壤状况未知的情况下,包括石头含量,和土壤颗粒大小及形状等。

并且，我们认为有必要采取措施如提供资金支持和采用新的研究方法使这样一个自动控制功能得到更广泛的应用。

DevelopmentoftheAutonomousHydraulicExcavatorPrototypeUsing3-DInformationforMotionPlanningandControl

Abstract—Civilengineeringworkstillinvolvesmanydangerousandgruelingtasks,soimprovingworkenvironmentsandensuringsafetyarechallengesfacingthisfield.Thedevelopmentofconstructionmachinesarealsoessentialtopreparefortheagingproblemofconstructionworkersandshortageofyoungexperiencedworkersinnearfuture.

Thisresearchprojectwasconductedtoovercometheseproblemsbydevelopmentofthebasictechnologieswiththree-dimensionalinformation,andrealizetheautonomousoperationofhydraulicexcavators,whichis,atypicalgeneralpurposeconstructionmachine.Wehaveimplementedaprototypeoftheautonomoushydraulicexcavator,whichperformsthesoilexcavationandloadingworkunderbasicconditions.Theachievedworkspeedandfinishedproductprecisionwerealmostsameasthoseofnormalworkbyhumans.

I.INTRODUCTION

Civilengineeringworkstillinvolvesmanydangerousandgruelingtasks,especiallyattheworkofdisasterrestorationsitesasanexample.Toimprovesafetyatsuchsites,unmannedremoteorautomaticoperationmethodsforperformingsuchtaskshavebeeninterestedandseveralequipmentswerealreadydeveloped.However,theconventionalsystemswerelessefficientandcostmorethan

mannedconstruction,therefore,theyareonlyappliedtospecialsitessuchaslarge-scaledisasterrestorationsites.[1-3]

Ontheotherside,itisalsonecessarytoovercometheproblemoftheinefficiencyofconstructionworkasaconsequenceofshortagesofyoungandexperiencedworkers.Eventhough,theapplicationoftheinformationtechnology（IT）isexpectedtosolvetheseproblems,theintroductionofthemtothepracticalworkarestillveryalittle.

HydraulicexcavatorsarethemostcommonconstructionmachineusedforearthworkormanyotherworksinJapan.Someeffortshavealreadybeenmadetodevelopself-controlledautomatichydraulicexcavators,butthedevelopedsystemshavenotreachedanenoughpracticallevelofperformance,andtheyhavebeencostly.

Thisstudywasundertakentoovercometheseproblems,bythechallengesofdevelopingthebasictechnologiesusingthree-dimensionalconstructioninformationandrealizeself-controlledautonomousoperationofthehydraulicexcavators.Wehaveimplementedaproto-typeofexcavatorforautonomousoperationusingthree-dimensionalconstructioninformation,andrealizedanexperimentofautonomoussoilexcavation.

II.OUTLINEOFTHEDEVELOPPEDPROTO-TYPE

SYSTEM

A.RealizedFunctionsontheAutonomousExcavator

Thebasicfunctionofahydraulicexcavatoristoexcavatethesoilonthegroundatitslocation,andthenloadthesoilintothedumptrucks.Inthisdevelopment,wedefinedtheobjectofachievingthisbasicfunctionbyself-controlledoperationofhydraulicexcavators.

Ahydraulicexcavatorconsistsofarotatingupperbodyandatravelinglowerbody.Andourtargetofthisresearchwastheautomationofthepartofrotatingupperbodytorealizetheexcavationandloading,whilethetravelingpartwasassumedtobeoperatedremotely.

And,wedefinedthetargetworkas;theexcavationofatrenchaswideasthebucket,whichisthemostbasicallyworkoftheexcavator.Thetargetshapeofthetrenchisprovidedasglobalcoordinatedata（three-dimensionalinformation）.Thecurrentshapeofthelandwhichmaychangeduringtheworkismeasuredby