挖掘机遥控操作系统的研究

挖掘机遥控操作系统的研究

兰州理工大学

硕士学位论文

挖掘机遥控操作系统的研究

姓名：翟延华

申请学位级别：硕士

专业：机械制造及其自动化

指导教师：龚俊

20080401

挖掘机遥控操作系统的研究

硕士学位论文

摘要

本文在综合分析了遥控挖掘机研究的历史和现状后，结合遥控挖掘机操作系

统的设计实例，在实验室原有研究的基础上，主要开展了以下几个方面的研究：１．首先分析了遥控挖掘机自动化发展的方向及遥控挖掘机国内外发展现状及趋势，阐明本课题研究意义。

２．通过对普通液压挖掘机结构及操作系统的分析，了解液压挖掘机工作原理，依据研究成功的遥控挖掘机系统概况，确定了主要研究内容。在不改变原手动机型的基础之上，设计出一套遥控装置来控制挖掘机的工作装置。

３．给出了遥控挖掘机远端操作的工作原理，基于ＤＳＰ的无线遥控通信系统具体的硬件设计实现，包括ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２外围系统、多路数据采集、多路模拟输出和与无线数据收发模块设计的具体实现过程。

４．给出了遥控挖掘机操作系统的工作原理，并根据系统实际情况设计出一套辅助结构来实现挖掘机的远端无线遥控功能。通过三维仿真说明该系统的实用性。

５．介绍遥控操作系统执行机构的控制：对整个系统的调速原理进行分析，着重对直流伺服电机调速系统进行设计及仿真分析。

关键词：遥控挖掘机；遥控；无线通信；直流伺服电动机；ＰＩ调节器；调速系统；仿真

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｆｔｅｒａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ０ｆｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇ

ｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｅｘｃａｖａｔｏｒ＇ｆｏｒｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｅｘｃａｖａｔｏｆｄｅｓｉｇｎ

ｅｘａｍｐｌｅ，ｂａｓｅｄ

ｔｈｅｓｉｓａｒｅａｓｏｎｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｉｓｆｏｌｌｏｗｓ：

１．Ａｎａｌｙｓｅｔｈｅｒｏｂｏｔｉｚａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎ６ｆｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｅｘｃａＶａｔｏｒｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

ａｎｄｉｔｓｓｔａｔｕｓａｎｄｔｒｅｎｄ

ｔｉｔｌｅ．ｏｎｎａｔｉＶｅａｎｄ０Ｖｅｒｓｅａｓ，ｅｌｕｃｉｄａｔｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ０ｆｔｈｉｓ

２．勋ｏｗ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｈｅｗｏｒｋｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｅｘｃａＶａｔｏｒｂａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ０ｆｃｏｍｍｏｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｃａＶａｔｏＬＡｎｄｃｏｎｆｉｒｍｔｈｅ

０ｎｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔｂａｓｅｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍ０ｆｒｅｍｏｔｅｃＯｎｔｒｏｌｌｉｎｇｅｘｃａＶａｔＯｒ．Ｄｅｓｉｇｎ

ｔ０ａｓｅｔ０ｆｏｎｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｉｎｓｔａｌｌｍｅｎｔｓ

ｒｅｓｅｒｖｉｎｇｔｈｅｍａｎｕａｌｓｔｎｌｃｔｕｒｅ．ｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｗｏｒｋｄｅｖｉｃｅｏｆｃｘｃａｖａｔｏｒｂａｓｅｄ

３．ＴｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｄｉｓｔａｎｔｅｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｉｓｐｒｏＶｉｄｅｄ，ａｎｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＤＳＰｉｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅ

ｄｅｓｉｇｎｏｆｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓｙｓｔｅｍｏｆＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２，ｔｅｍｐｌｅｔｆｏｒＡＤＣａｎｄＤＡＣａｎｄ

ａｒｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｗｉｔｈｗｉｒｃｌｅｓｓｍｏｄｕｌｅｉｎｄｅｔａｉｌ

４．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ

ａｎｄｔｈｅｗｏｒｋａｇｉＶｅｎ．ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｅｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｄｅＶｉｃｅｓｙｓｔｅｍｔ０ｏｆｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｏｎｅｘｃａＶａｔｏｒ，ｄｅｓｉｇｎｏｆａｓｓｉｓｔａｎｔｉｍｐｌｅｍｅｎｔｄｉｓｔａｎｔｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｆＵｎｃｔｉｏｎｏｆｅｘｃａＶａｔｏｒ．Ｔｅｓｔｉｆｙｔｈｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ３Ｄ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．

５．ＩｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｄｅＶｉｃｅｏｆｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ａｎ出

ａｎａｌｙｓｅｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ０ｆｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉＯｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔ

ｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ．ｓｅⅣｏｍＯｔｏｒ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒ０ＵｉｎｇｅｘｃａＶａｔｏｒ；Ｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌ；Ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；

Ｄ．ＣｓｅｒＶ０一ｍｏｔｏｒ；ＰＩｒｅｇｕｌａｔｏｒ；Ｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

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插图索引

图１．１ＪｏｈｎＤｅｅｒ公司６９０型无线遥控液压挖掘机系统组成框图……………８

图２．１机械操纵手柄移动位置……………………………………………………１３

图２．２压力发生式先导阀操纵………………………………………………………。１４

图２．３减压阀式先导阀操纵……………………………………………………………．１４

图２．４减压阀式先导阀………………………………………………………………１５

图２．５液压挖掘机刮平作业操纵系统…………………………………………。１６

图２．６动臂提升与转台回转复合动作操纵系统……………………………．．１７

图２．７人工操作原理图…………………………………………………………………１８

图３．１遥控挖掘机的系统组成………………………………ｊ…………………２０

图３．２远程机器人控制系统原理……………………………………………．．２１

图３．３采用无线数传模块的遥控通信方案……………………………………２５

图４．１控制系统整体结构…．．…………………………………………………………………２７

图４．２控制流程图…………………………………………………………………………２８

图４．３遥控手柄原理图………………………………………………………。２９

图４．４遥控手柄总体结构图ｌ、２（不同角度）……………………………３１

图５．１直流电动机的转矩．转速特性…………………………………………．３３

图５．２伺服系统原理框图……………………………………………………………………３４

图５．３直流电动机伺服控制系统的构成……………………………………３５

图５．４计算机控制的直流伺服系统结构……………………………………３６

图５．５转速、电流双闭环调速系统…………………………………………．．３７

图５．６双闭环调速系统动态结构图………………………………………………………．３９

图５．７ＰＩ调节器原理图……………………………………………………………………４０

图５．８ＰＩ调节器动态结构图………………………………………………………………．．４０

图５．９电流环动态结构图（含参数）…………………………………………．４１

图５．１０电流环动态结构图及其简化……………………………………………………。４１

图５．１１电流环的仿真结构图………………………………………………………………４３

图５．１２电流环阶跃响应曲线（不限幅）………………………………………………４３

图５．１３电流环仿真结构图（限幅）……………………………………………………４４

图５．１４ＫＰＩ＝０．２４时电流环阶跃响应曲线（限幅）………………………………．４４

图５．１５速度环动态结构图……………………………………………………………………４５

图５．１６速度环等效动态结构图及其化简……………………………………４５

图５．１７速度环仿真结构图（不限幅）…………………………………………４７

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图５．１８转速与电流阶跃响应曲线（不限幅）………………………………………。４７

图５．１９直流伺服电动机双闭环速度控制系统仿真结构图（限幅）………。４８

图５．２０转速与电流阶跃响应曲线（限幅）………………………………………４８

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兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：翟延乎日期：友哟啤歹月／Ｄ日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论＋文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。

日期：。砷∥年∥月，ｏ日日期：衫年６月，汐日

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第１章绪

１．１课题提出及研究的意义论

挖掘机作为工程建设中的重要装备，在工业与民用建筑、交通运输、水利电

力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用，国内现有的挖掘机基本上采用人工操作方式，要求驾驶员具有较高的驾驶水平，例如平整作业要保证作业精度，需要操作者具有足够的经验和判断力，目测并同时操纵几个手柄才能完成工作循环中提升、推压和回转等协调操作。作业的劳动强度较大，在进行挖掘操作时，操作者需要在视觉和听觉的基础上，依靠经验知识进行推理以对挖掘过程进行控制和监视，体力和脑力消耗极大；另外，工作环境恶劣，常常伴随有强烈的震动、噪音和尘埃，有时甚至面临塌方、辐射、爆炸以及化学物等威胁，严重危及工作者的身心健康乃至生命【１’２１。随着核工业、海洋作业、太空开发等领域的飞速发展，挖掘机机器人化是未来的发展方向，而无线电遥控技术在其中占有很重要的地位。

早在９０年代初期，人们对遥控挖掘机的研究表明：由于受到机构、控制、人

工智能和传感技术水平的限制，能够研制出在危险环境中全自主方式工作的挖掘，机是今后相当长的时间内难以达到的目标。而随着科学技术的迅速发展，需要人们研制出能在这种危险和未知环境中工作的挖掘机，因此交互方式下的远程操作挖掘机一一遥控挖掘机开始受到广泛关注和研究。特别是近几年来，计算机网络技术的飞跃发展，以微电子技术为核心的高新技术，即微机、微处理器、传感器和检测仪表等，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志。亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统【３１，不仅给远程操作挖掘机提供了一个开放的、共享的信息传输通道，而且也给远程操作挖掘机技术的应用提供了广阔的空间。

本课题所针对的是在进行炮弹性能试射时，遗留在地下的哑弹会带来安全隐

患问题，研究了遥控操作挖掘机。为了消除安全隐患，必须把哑弹挖出并进行引爆。故采用挖掘机挖出炮弹。但是，如果让驾驶者在驾驶室内直接手动操作挖掘机是非常危险的。在这样的背景下，提出采用遥控操作挖掘机。此技术的研究将大大提高了挖掘机的应用泛围，具有很大的实用价值。

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１．２遥控挖掘机及控制系统的发展和国内外研究现状

１．２．１遥控挖掘机及控制系统的发展

要实现挖掘机的自动化作业，必须要有一定的机器人技术和自动控制技术。

可以这么说，遥控机器人发展水平的高低，是决定智能挖掘机实际作业能力的关键因素。

ｒ．２．１．１遥控挖掘机器人的研究过程分析

美国、日本、德国以及包括我国在内的很多国家对遥控挖掘机器人技术这一

课题进行了研究并取得了一定的成果【引。从遥控视距的角度来看，遥控技术发展经历了下面三个阶段：视距（ＬＯＳ．Ｌｉｎｅ．ｏｆ．ｓｉｇｈｔ）遥控、超视距（ＥＬＯＳ）遥控和远程无线遥控。对于视距遥控，操作员不与机器有直接接触，以位于作业区内的危险范围外，通过直接观察、发送指令来控制工程机械运转，一般来说，其可靠遥控作业距离为几十米。在视距遥控基础上发展起来的超视距遥控，虽仍需要操作员靠近工作作业区，但通过其先进的数据传输手段和控制技术能够为操作员提供机器作业区的反馈信息来克服视距遥控的某些局限性，增强了操作员对机械的遥控控制能力（视距范围之外）。对于远程无线遥控系统，操作人员从远离机器工作区的安全地点进行操作。较前两者，这种系统主端提供了良好的人机界面，能完全模拟从端控制的操作装置，在从端实现复杂控制功能以及自定义工作流程自主控制功能等。此时从端还具有自诊断安全控制功能，为远程遥控提供可靠保证。

从上面的分类方法可以清晰地看到遥控技术随着无线通讯技术、传感器技术

以及计算机控制技术的发展得到了逐步的提高；目前普遍根据规划水平来区分遥控机器人的智能程度以及其应用前景，其大体可以分为三类：

１．人工遥控（ＭａｎｕａｌＣｏｎｔｒ０１）

遥控系统经历了从简单到复杂，从有线到无线的发展过程，人工遥控作为最

低级的遥控方式大致可分为两种。一种是完全没有计算机或微处理器的参与而采用直接模拟或数字逻辑器件构成的硬件电路，这样的系统不能算是严格意义上的遥控机器人系统。另一种采用了微处理器或计算机，但其中的微处理器或计算机不参与控制回路的工作，大多数主从遥控机器人（Ｍａｓｔｅ卜ＳｌａｖｅｒＴｅｌｅ．ｏｐｅｒａｔｏｒ）采用这种遥控方式。这种遥控系统的特点是所有的控制决策均依靠操纵者给出，虽然具有控制直观的优点，但是由于系统不具备作业规划功能，自动化程度低，操纵者的劳动强度依然很大。德国卡尔斯鲁厄核研究中心于七十年代研制成功并投入使用的１２吨级牵引式无线遥控挖掘机就采用了这种遥控方式【５１，其作业时是依靠眼睛或双筒望远镜观察进行。

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２．半自治遥控（ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＣｏｎｔｒ０１）

在半自治遥控方式下，操纵者一般预先以高级程序语言设定系统作业目标、

物理约束、集合约束、作业对象模型以及若干“ＩＦ．ＴＨＥＮ．ＥＬＳＥ＂形式的逻辑规

则１６】。在作业过程中，操纵者以两种方式介入系统的控制。一种是操纵者中断自

主控制进程，对挖掘机器人进行直接遥控，这被称为ＴＣ控制（ＴｒａｄｅｄＣ０ｎｔｒ０１）。

另一种是操纵者通过改变各种控制变量介入控制过程，这被称为ＳＣ控制（Ｓｈａｒｅｄ

Ｃｏｎｔｒ０１）。目前发展的遥控挖掘机器人大多数采用这一类遥控方式。

３．高度自治遥控（ＦｕｌｌＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎｔｒ０１）

高度自治遥控技术对遥控机器人来说，其智能技术和传感器技术要有较高的

要求。操纵者只需在作业开始时输入作业目标，系统就会自动完成所有作业，操

纵者只需监视作业进程，只有当系统出现紧急状况时才干预系统的作业。这一技

术是遥控技术的发展方向【７叫。

１．２．１．２遥控挖掘机器人研究趋势

工程机械的机电一体化是目前国际上流行的发展趋势。遥控挖掘机器人，不

同于普通的工程机械，它拥有最先进的电液比例伺服控制系统、无线数据传输设

备（远程遥控设备）、节能控制系统、智能诊断监控系统等硬件，还有将这些设备

连接成为一个具有智能机器人所必需的系统软件和多种核心控制算法，所有的这

一切都离不开先进的电子技术、计算机技术、机器人自动控制技术、传感器技术

和信息处理技术的一体化结合【１０】。

１．先进的通讯技术推动无线电遥控技术发展【１１，１２】

随着通讯技术的高速发展，许多地面通讯技术应用到工程机械的遥控技术中，

使遥控技术性能更加完善，内容更为丰富，主要表现在：

（１）大规模集成电路技术使遥控通信硬件电路可靠性提高。

遥控挖掘机器人系统对机载的仪器通信设备可靠性要求很高，早期的系统设

备体积庞大复杂，一旦系统出现故障，维修困难，而且功耗大，发热、损耗严重。

目前的遥控设备开始采用大规模集成电路设计而且实现功能模块化、长寿命、１Ｐ

核设计。使设备的可维修性、可重用性和可升级性比较好，遥控设备的体积、重

量和功耗大幅降低，系统的可靠性大幅提升。

另外，新型调制解调器技术、高效天线技术的发展，为遥控系统提供了性能

优越的传输设备，显著提高了通信效率。

（２）差错控制编码技术提高遥控信道的抗干扰能力。

随着遥控挖掘机器人智能水平的提高，人们对机器人的遥控功能及其性能也

提出了更高的要求。对于处于复杂工况和恶劣信道的机器人遥控通信设备来说，

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采用差错控制编码技术来提高遥控信道的抗干扰能力，可以保证遥控指令和反馈

信息可靠传输。

进行差错控制主要是基于对信息和数据进行抗干扰编码来实现的。利用抗干

扰编码方式进行差错控制的系统基本上有两种：一种叫自动反馈重发系统ＡＲＱ

（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＲｅｐｅａｔＳｙｓｔｅｍ），另一种是前向纠错系统ＦＥＣ（Ｆｏ刑ａｒｄＥｒｒｏｒＣｏ玎ｅｃｔ

Ｓｙｓｔｅｍ）。ＡＲＱ系统的基本思想是利用检错码，收信端一旦发现数据出错，便反

馈回去相应的信号，要求重发【１３】。ＦＥＣ系统的基本思想是利用纠错码，在收信端

发现数据出错时，则自动进行纠正。但是一般在遥控通信中，由于系统实时性、

准确性要求较高，目前一般采用综合了ＡＲＱ与ＦＥＣ的优点的“混合纠错方式

（ＨＥＣ）”。这种方案，一定程度上避免了ＦＥＣ系统所要求的复杂的译码设备，也在

一定程度上减轻了ＡＲＱ因要求重发而造成的不连贯性，可以显著提高通信系统

的效率。

（３）采用信号技术提高系统的灵活性和可靠性【１４Ｊ。

遥控挖掘机器人系统比较复杂，从端系统需要进行故障诊断与查找、节能控

制、作业任务规划调度和伺服控制输出等等，而在主端需要获得这些详细的信息

反馈，以实现主端虚拟显示和任务规划等遥控功能。其间，交换数据量较大，实

时性要求高，这对遥控系统数据交换提出了新的要求，简单上下位机的通讯协议

已经无法胜任这项工作。采用信号网技术，建立底层通信链路模型，使遥控上从

端的数据交换与上机控制任务处理由底层来实现。网络通信链路通过无线通信协

议来管理无线信道和实现可靠的数据交换任务，将挖掘机控制系统从繁忙的数据

交换中解放出来，为建立合理的系统体系结构提供灵活的选择。

在硬件与软件技术的支撑下，无线遥控技术主要朝着实现自动化、程序化和

智能功能增强的方向发展【”】，为挖掘机器人提供功能更强大的实时反馈系统。

２．利用多信息处理技术提高机器人环境适应能力

遥控挖掘机器人工作在恶劣的非结构环境中，必须充分综合运用机、光、电、

声化学等信息处理技术，这是目前提升遥控机器人作业性能的关键所在。这些信

息处理技术表现在：

（１）位置识别技术：采用超声波、电磁波、激光定位和测距，近期又兴起采用

ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎＳｖｓｔｅｍ）全球定位系统等先进技术；

（２）方向控制技术：采用外部基准、激光导向方式或采用内部基准导向方式、

光陀螺仪、磁力计和重力计等；

（３）遥控和无人驾驶技术：三维立体摄像头、图像和声音远距离传送、通信中

继车、无入摄像车、远距离控制、无人驾驶技术等：

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（４）作业对象外观认识技术：图像处理、模式识别和视觉理解技术；

（５）特性测定和认识技术：土壤密度、成分测定、地面支撑力测定技术；

（６）机内信息传递技术：微机控制传递技术。

另外还有实时并行处理技术、主动定性视觉、自然语音的合成与识别技术等。

值得注意的是近期出现的传感器融合（ＳｅｎｓｏｒＦｕｓｉｏｎ）技术能对几种传感器获得

的信息进行综合分折处理。可显著提高机器人的性能。

３．多算法融合技术和控制体系结构研究的不断深入

。作为一个复杂的机器人控制系统，其控制算法不同于一般的控制系统。典型

的自动控制系统的设计一般只针对具体的对象，或采用经典控制理论或采用现代

控制理论或离散控制理论或模糊控制理论，或者几种方法的组合，遥控机器１人控

制算法几乎都是几种控制算法的融合１１６ｌ，这就意味着分层控制策略：如底层采用

连续的Ｐｌ控制、中间层采用逻辑控制、上层是智能控制，其中又融合了遥控技术。

另外，这样构建的系统的稳定性、动态性能如何？这就需要有一种方法来给出定量

的说明和结构的优化途径，在对控制器性能模型、在线或离线性能分析和预估了

解的基础上，找出最佳的控制算法策略，这往往是最难之处之一。

１．２．１．３挖掘机自动化研究进程概述

根据规划水平来划分，到目前为止的挖掘机自动化技术发展经历了如下几个

阶段：

１ｊ简单自动化

．这个层次的自动化带有很大程度的刚性，自动作业过程一旦确定后就不能自

主改变。同时它的自动化也有局部性，只能使作业过程中某些指标满足要求，辅

助操作者轻松地、高质量地完成作业。较为典型的有挖掘机的铲斗姿态控制。日

本三菱公司研制的ＭＳｌ６００型挖掘机１１７１，可以保证在动臂举升时铲斗的倾角不变：

同济大学研制的０．０５ｍ３斗容量的正铲挖掘机，可以实现水平推进和垂直提升作

业。另一类典型的例子是平整作业自动化。由于平整作业往往要求各驱动关节的

变化量保持匹配，即便是没有经验的操作者也能顺利地完成平整作业。例如日本

Ｙａｍａｚａｋｉ建筑有限公司研制的主从式反铲挖掘机，具有三种可供选择的操纵模

式：ＪｏｉⅡｔＭｏｄｅ，ＣａｒｔｅｓｉａｎＭｏｄｅ和ＳｌｏｐｅＭｏｄｅ，当操纵者选用Ｃａｒｔｅｓｉａｎ模式时，

操纵杆可引导铲斗作水平和垂直地运动，并可独立地调整铲斗姿态：当操纵者选

用Ｓｌｏｐｅ模式时，操纵杆可引导铲斗沿着任一倾角的斜面作平整作业，并可独立

地调整切深和铲斗姿态。

这类自动作业系统中所包含的规划系统，只是利用了反映机器自身状态的内

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部传感器信息，而没有利用反映环境状况的外部传感器信息：只能执行操作者设定的路径，没有自主决定路径的能力，缺乏适应环境的柔性。

２．具有外部传感器的自动化

这个层次的自动化比起简单自动化来，由于利用了外部传感器信息，因而具

备了一定程度的柔性，进一步减轻了操作者的负担。波兰华沙大学研制的中型反铲液压挖掘机，采用具有温度补偿的，借助于贴在油缸活塞杆上的应变片间接测计算斗齿尖的受力，从而估计出当前的挖掘潜力，操作者借助液晶显示卡的提示，

安全简便地控制着作业过程。视觉传感器如同力传感器一样重要，用来获取地形地貌信息，但由于代价的昂贵和后续处理的复杂，目前应用得不多。日本一家公司研制的挖掘下水道的自动挖掘机【１８】，采用了激光引导系统和角位移传感器，可以让操纵者得知作业时斗齿尖与理想挖掘面的距离，这可以辅助操作者做好平面精修作业。

这类自动作业系统中所包含的规划系统，共同特点是利用了外部传感器指导

作业，对环境具有一定程度得适应性。

３．离线编程式自动控制

在离线的情况下，规划出动作序列，最后由控制器自动完成该动作序列。离

线编程系统首先构造挖掘机本体三维图形及环境模型，根据给定的任务，在离线的情况下进行无碰撞路径规划和轨迹规划，生成轨迹点序列：规划好后进行在线作业，控制器以规划好的轨迹点序列作为控制目标，驱动挖掘机器人的工作机构进行一系列的动作，直到跟踪完所有的规划轨迹点（也就是完成作业任务）【”Ｊ。在控制器自动控制作业过程中，操纵者无需直接操纵作业；但是操作者可以进行干预，如通过力传感器监测挖掘潜力，必要的时候中断自动作业。波兰矿业大学声称研制了智能自主式挖掘机的小模型，利用激光视觉系统进行三维环境识别，碰撞干涉检查，动作规划和任务规划，但它没有真正使用三维激光视觉系统，只是通过人机界面建立封闭的三维环境，偏重于图形仿真。卡耐基 梅隆大学开发了一种机器人挖掘机ＲＥＸ，它通过测绘挖掘地点，规划挖掘操作和控制挖掘设备来挖掘埋在地下的公共设施管道。

这类自动化作业机器中的规划系统是以离线方式进行的，并且规划好的数据

作为控制系统的输入，实现无人操纵的自动控制。这是一种计算机两级控制结构，

也是目前最典型的机器人控制结构。

４．自主和半自主控制．

自主控制是自动化的高级阶段，这个自动化层次的作业机械，对环境或对象６

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具有拟人的感知和认识能力，会模仿人的思维，进行自主决策并监督执行【２０】。由

于工程机械作业的复杂性，达到这一层次的自动化水平尚需相当长的时间，目前

报导的智能作业机械只具有某种程度的智能性，称之为“半自主化＂或“准智能

化’’。这类自动作业机器所包含的规划系统具有两个显著特点：一是根据任务自主

决定运动路径的能力，一是传感器信息的充分利用。

ＣａｍｅｇｉｅＭｅｌｌｏｎ大学的自主装载系统ＡＬＳ，用两个激光扫描器识别和定位卡

车、测量挖掘掌子面、检测障碍物，挖掘机规划决策软件利用这些信息，根据作

业任务，决定“怎样挖土刀、“哪里挖土一、“哪里卸载＂到卡车、。工装在挖掘掌子

面和卸载位置之间快速运动’’的同时“检测障碍物并停止＂。这一规划系统在实际

运行时，能达到司机的操作速度。．

总体上说，各国工程机械自动化研究起步不久，各自作业规划系统和控制技

术参差不齐，大多数还处于低智能水平。

１．２．２遥控挖掘机及控制系统国内外研究现状

无线电工业遥控技术是一门年轻的学科，操作时要求遥控系统模拟操作员的

手动触觉对多种机器设备和仪器通过无线电对其进行精确远距离控制。在高温、

污染严重、对人类有害及危险的环境内（核电站等）对运动机械进行遥控操作，显

得更为重要。遥控设备的广泛应用促进了无线电遥控技术的快速发展。初期，无

线遥控装置只能发射简单的开关指令，如控制驱动电机的启动、停止。今天，几

乎所有的机械设备都能实现遥控。

随着工业自动化水平和经济发展需求的不断提高，世界各发达国家都非常重

视用于各种目的、不同场合工程机械遥控系统的研究开发工作。特别是最近几年，

随着相关专业领域技术的发展，工程机械遥控技术研究成果也大量涌现。

１．２．２．１国外在遥控挖掘机技术方面的研究

（１）挖掘机遥控系统和操作者之间的协调控制；

（２）通过网络技术建立远程挖掘机的遥控系统；

（３）采用预测技术进行遥控，以克服时延造成的控制误差；

（４）开发各种具有高可靠性，经济实用的面向工程的挖掘机遥控系统１２１１。

在实验研究的基础上，国外也开发了大量的遥控技术装备。这些产品应用于

军事和民用领域，取得了可观的经济效益。特别在工程机械领域１２２１，在８０年代

初，美国鼬ａｆｔＴｅｌｅＲｏｂｔｉｃｓ公司和ＪｏｈｎＤｅｅｒ公司等都相继成功开发并开始生产销

售遥控挖掘机。其中，比较典型的是ＪｏｈｎＤｅｅｒ公司的６９０ＣＲ型遥控液压挖掘机，

该机采用迪尔６４６６Ｔ型柴油机作为动力，功率为１２５马力，机重１８．６吨，挖掘半

径９．４５米，挖深６．１米，无线遥控作业范围达１５２５米，也可以用同轴电缆在３０５

挖掘机遥控操作系统的研究

挖掘机遥控操作系统的研究

米的范围内完成作业。如图１．１所示为该机无线控制部分系统组成图。

全斜写

景镜

头

图１．１ＪｏｈｎＤｅｅｒ公司６９０型无线遥控液压挖掘机系统组成框图

遥控系统由控制台发射／接收部分和机上发射／接收部分组成。控制台包括图

像／声音接收器，以及为处理输入信号所需要的译码装置，它也包括控制装置和编

码装置，以产生和接收命令【２３１。机上仪器接收控制信号，并将这些信号转换为执

行摄像机控制所需的信息，其发射部分则将电视图像信号通过天线发给远方的操

纵人员。这类挖掘机遥控系统结构简单，操作方便，抗电磁干扰能力较强，可视

性能好，但其缺点是遥控系统缺乏双向数据通信功能，机上的工作状态只能借助

摄像机，通过人眼观察图像来了解，而故障诊断监控系统的信息却未能反馈给操

纵人员。

１９８３年３月，日本小松制作所以ＰＣ２００Ｒ．２型液压挖掘机为基本机型进行遥

控挖掘机研制，实现了各工作装置的微动控制和复合动作的无线电操纵。改装成

功后的ＰＣ２００Ｒ．２型挖掘机可以进入恶劣环境、救灾工程等危险现场并利用无线

遥控操作进行作业。ＰＣ２００Ｒ．２型挖掘机的无线遥控操作方式有如下几个特点ⅢＪ：

（１）操作盘上操作杆的控制指令信息经微型计算机处理，由调频发射机发出；

（２）对于接收控制装置，由调频接收机接收控制指令信息，经微型计算机进行８

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硕士学位论文

处理送给伺服放大器；

（３）伺服放大器将指令信息放大后再送给伺服电动机；

（４）若此时无线电操纵与登机驾驶转换机构接至无线电操纵一侧，则伺服电动

机的动作将传给机内的操纵机构，便可按照控制指令信息对液压挖掘机进行无线

电操纵运转。该系统没有脱离传统模拟遥控技术的方法，仍然不能进行双向数据

通讯。

后来，日本小松制作所开发出无线遥控推土机，其最大有效遥控距离为２００

米，机上没有安装视频监视系统瞄ｌ。

在无线遥控系统的研究与应用方面，法国原子能委员会（ＣＥＡ）在１９９３年开发

成功的用于处理核废料的．ＴＡＯ．２机器人系统就是一个典型的人机结合的遥控机

器人系统。它的遥控系统既可以传送各种指令给机器人（包括直接操作指令和任务

指令．）也可以把作业现场的各种环境信息和机器人本体的各种信息反馈给操作人

’

员。，

德国ＨＢＣ公司于１９８７年研制成功应用于工程车辆领域的工业无线电遥控装

置【２们，这种遥控装置采用了先进的数字化通讯技术，传输的比例控制信号安全、

可靠和实用。并且对发射的指令有很高的分辨率；接收端应用模拟技术可以使执

行机构的加速、减速动作与无线电遥控发射器上的动作完全成比例，从而实现对

执行机构的无线控制。利用无线电遥控装置，以电液比例伺服驱动机构、液压比

例多路阀和电液比例减压阀三种元件就可以实现工程机械的遥控。近年来，ＨＢＣ

对于矿山机械、履带清渣装载机、混凝土泵车、随车起重机和移动式汽车起重机一

等工程机械提出了一系列无线遥控作业的解决方案１２７１。

１．２．２．２国内在遥控挖掘机等技术方面研究

国内对遥控挖掘机的研究甚少，只因国内对遥控机器人的研究起步晚于国外，

总体发展水平也落后于西方发达国家。而遥控机器人的研究与发展直接影响着遥

控挖掘机的发展，国内在遥控机器人应用领域的研究主要集中在哈尔滨工业大学、

国防科技大学、浙江大学、上海交通大学等高等院校和中科院沈阳自动化研究所

等科研机构。经过多年的努力，在航空航天、海洋开发、核工业以及国防军事等

领域取得了不少研究成果。

“探索者一号机器人是由中科院研制的第一台自治水下机器人，主要用于防

险救生作业和海底资源考察等。中国船舶科学研究中心研制的６００米水深遥控机

器人以深海打捞为主，兼顾海洋油气开发，并有初步智能控制功能。“勇士号＂遥

控移动式作业机器人是“８６３一计划智能机器入主题的一个样机，研制目的是跟踪

世界先进水平，掌握一系列在恶劣环境下使用的遥控机器人高新技术，寻找一种

挖掘机遥控操作系统的研究

挖掘机遥控操作系统的研究

可以更好地代替人类在危险、恶劣、有害环境中作业的工具。它通过设在安全区的控制站能遥控处在危险、恶劣环境下作业的机器人。根据作业环境和内容可选择光缆通信和无线通讯两种方式，。遥控距离１００米【２引。

宝山钢铁公司于１９９７年引进ＨＢＣ无线遥控系统、意大利ＦＡＢＥＲＣＯＭ的比

例液压伺服模块，对黄河工程机械厂生产的ｚＹ６５型履带式装载机进行了遥控改造，使其成为一台遥控装载机【２９１。遥控系统均备有双重安全系统。系统地址一次性分配，系统的纠错特性、检测发射、接收程序，保证了数据通信的正确性；一旦发现失灵或无线电干扰等情祝，可以使用紧急按钮在０．４５秒内关闭总设备电源。

这种遥控装载机，消除了以往环境恶劣，视线不清，高温落渣带来的事故隐患，

提高了在转炉炼钢工艺流程作业效率和安全性。但是该系统功能仍显单一，缺乏与微机的数据接口，而且遥控距离较近（目视距离），不适用于智能远程遥控系统。

１９８６年同济大学最早开发了微机操纵的挖掘机正铲试验台，进行挖掘机规划

控制方面的研究，１９８８年浙江大学机械设计研究所研制了微机操纵的反铲液压挖掘机试验台，并在规划控制、力反馈规划控制、自动避障、局部自主控制等方面取得很大进展。该研究所在１９９６年初制成了一种结构简单、价格低廉的液压挖掘机近距离无线遥控系统，该系统遥控半径在２０米左右，通过目视观测挖掘工作面，

利用无线电开关信号控制液压挖掘机各工作油缸，完成简单作业。但未见实用化产品问世。２０００年，该所又以ｗＹ３．５试验型智能挖掘机器人为研究平台，在节能控制策略、故障诊断、机器人规划控制方面取得进展。１９９８年，中国科学院沈阳自动化研究所，以一台国产小型挖掘机ＷＹｌ．３为实验平台，对其控制和操纵部分进行改造，构成挖掘机器人实验样机。样机产品具有多种工作模式，包括自动挖掘、半自动挖掘、手动作业、自动装卸等，同时可遥控操作。

国内也有一些研究机构如柳工和西安交通大学等，进行遥控挖掘机的系统的

研究，他们主要从事系统的基础理论和实验研究，构造了初步实验装置，但未投入实用。．

总之，从目前我国遥控挖掘机的研究与应用现状可以看出，存在的主要问题

是这方面的研究开发还停留在科研院所的研究和样机试制阶段，离商品化还有一段距离。

１．３本文研究主要内容

由于现有的遥控系统的发展己日渐成熟，所以本文主要针对挖掘机的工作装

置遥控操作系统来进行详细的研究与探索。工作装置的运动控制是实现挖掘自动化的基本要求，本文主要的研究内容如下：

（１）普通液压挖掘机的机器人化技术设计。在不改变挖掘机原机构的基础上，１０

挖掘机遥控操作系统的研究

硕士学位论文

设计出一套辅助系统，使改造后的挖掘机既能满足自动化操作要求，又能实现常

规的手柄操作要求。

（２）对整个辅助系统的传动及执行部分进行了运动学和动力学分析，通过

ＰＲＯＥ三维建模及运动仿真说明设计结构的可行性。

（３）选用遥控控制工作装置，首先要选择适合的控制元件，选用机械转换器的

位移输出要与电信号输入成比例，这样才能实现如同和手工操作一样的效果。

（４）计算机控制系统的总体结构和控制方案的确立。建立直流伺服电机及操作

系统各个环节的数学模型。

（５）工作装置中所采用的直流伺服电机及丝杠要能起到随意控制触点的运动

速度及位移的作用。本文采用双闭环直流伺服调速系统来实现执行装置的运动速

度的控制。建立了基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件的仿真模型，通过仿真试验来选择调

速系统的参数模型。然后利用此模型分析了电机同步输入动态参数变化情况，并

为部分设计方案提供了理论依据。

挖掘机遥控操作系统的研究

挖掘机遥控操作系统的研究

第２章普通液压挖掘机操作系统分析

液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的一种周期作业的土方机

械。由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力进行工

作，相对机械传动具有许多优点。液压挖掘机的主要运动有整机行走、转台回转、

动臂升降、斗杆收放、铲斗转动等。这些运动都靠液压传动．根据以上工作要求，

把各液压元件用油管有机地连接起来的组合体即是液压挖掘机的液压系统。该系

统的功能是把发动机的机械性能以油液为介质，利用油泵转变为液压能，传送给

油缸、油马达等转变为机械能，再传动各执行机构，实现各种运动和工作过程。

液压系统设计的合理与否，对挖掘机的性能起着决定性的作用。同样的元件，若

系统设计不同，则挖掘机性能差异很大。液压系统习惯上按主油泵的数量、功率

调节方式和回路的数量来分类。

为了实现挖掘机的各项性能，液压挖掘机需要两个基本组成部分，即机体（或

称主机）和工作装置。机体是完成挖掘机基本动作并作为驱动和操纵挖掘机进行工

作的基础，可以是履带牵引车辆或轮式牵引车辆。细分为行走装置、回转装置、

液压系统、气压系统、电气系统和动力装置。

其中动力装置、操纵机构、回转机构和辅助设备均在可回转的平台上，总称

上车部分，它与行走结构（又称下车部分）用回转支撑相连，平台可以围绕中央回

转轴作３６０６的全回转。

行走装置是整个机器的支撑部分，承受机器的全部重量和工作装置的反力，

同时能使挖掘机作短途行驶。按照结构的不同，分履带式和轮胎式两种。

工作装置是挖掘机实际作业的主要组成部分，而且同一种装置可以有多种结

构形式，根据工作性质的不同，可配备反铲、正铲、装载、起重等装置，分别完

成挖掘、装载、抓取、起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清沟等工作【３０，３１１。

由于本文重点研究液压挖掘机操纵系统的工作原理，所以以下着重对操纵系

统进行分析。

２．１液压挖掘机操作系统介绍

根据推动主分配阀的动力来源，液压挖掘机作业操纵系统的基本型式可分为

机械杠杆式、液压式、气压式和电气式等。

由于液压挖掘机所采用的油路流量大、压力高，主分配阀阀杆的推动力较大，

因此采用液压式、气压式和电气式操纵可以减轻操作人员的劳动强度，并便于操纵系统的合理布置【３２１．

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硕七学位论文

２．１．１机械操纵系统

目前许多的液压挖掘机仍采用机械操纵系统，其优点是结构简单、工作可靠。

在机械操纵系统中，挖掘机的铲斗、动臂、斗杆和回转分别由各自的控制手

柄通过杠杆和主分配阀连接。机械操纵手柄移动位置，如图２．１所示。从“前开

始供油＂到“后开始供油一的区段为手柄空行程。空行程的大小一般取决于销轴

的装配间隙和杠杆的刚度，即间隙小、刚度大时空行程小，反之则大。空行程不

宜过大，以便挖掘机工作装置的动作及时，空行程一般不超过６０ｍｍ；从“前、

后开始供油一至“额定速度＂区段为加速段，一般在２０～４０ｍｍ之间。前、后终

点之间的操纵手柄总移动量不应超过３４０ｍｍ。

薯唐

图２．１机械操纵手柄移动位置

为了减少驾驶员操纵时的换手时间和增加复合动作的机会，现在的液压挖掘

机均将传统的四手柄操纵系统改进为双手柄操纵系统，即挖掘机的四个作业动作

作用两个手柄来操纵。

液压挖掘机的液压操纵是依靠油液压力来推动主分配阀的阀杆，其油路可以

’（１）压力发生式先导阀操纵。这是一种远距离操纵阀，驾驶员利用先导阀的压２．１．２液压操纵系统是独立油路，也可以从主油路系统引出油路。现在越来越多的液压挖掘机采用液压操纵，其型式有机械反馈随动式、操纵阀与主分配阀一体式和先导阀操纵式等。其中后者应用居多，它又分为压力发生式和减压阀式两种。

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