一种基于挖掘机控制三维模型

1、一种基于挖掘机控制的三维模型摘要使用数据从CAD和三维测量系统自动地控制建筑机械的新技术促进机器控制系统, 譬如挖掘机。本文讨论了通过使用一个定位系统譬如GPS与一个CAD路面模型控制六自由度的挖掘机可能性(自由度)与控制挖掘机运动的最后目标。与传统四自由度机器比较, 挖掘机带有二个额外的自由程度共同通过应用两个自由度Rototilt,一个辅助部件在使用中。为了研究这个问题, 使用 Msc.Adams 、Matlab/Simulink作为仿真的环境。在本文里桶的路径迭代使用计算目标平面的CAD为参考。 关键词: 机器人挖掘机； 路径迭代；挖掘计划；塑造；仿真；三角地形模型；CAD1.简介一种机

2、器人挖掘机不是一个新创意拥有许多有趣和先进的系统; 例如, 自卸卡车装货从卡内基梅隆大学, LUCIE从兰卡斯特大学，并KomatsuPC05-7 ACRF。但是, 总之, 自动化水平在建筑业的应用相对在其它产业的领域中要低。虽然为了提高建设自动化程度而设计了许多方案, 仅有一部分被运用到实际中。它可能会实现, 然而只有在一般技术水平达到了我们具体需要的建筑自动化的程度。 在我们的研究中我们注重于：首先,一个模型环境的极度应用： 第二, 假定CAD 目标表面的模型是可利用的：第三, 三维定位系统譬如GPS 是可利用的；和第四, 有六个自由程度的挖掘机代替传统的四自由度。 仿真工具象Msc.Ad

3、ams和Matlab/Simulink是非常适合于挖掘机自动化的真正发展, 特别如此将考虑到相反动力学的路径迭代的问题和一套自检等式。当开发新控制方法和算法是它们是一个高效率的工具。一个自动化的系统的物产可能被设计详细描述在新方法推向原型阶段之前。并且,开发工作将会加速和解决方法相应地被优选。 一个路面CAD模型的三维测量成功地使用在机器控制自动化中, 比如为路平地机。已报告的速度增量之间是30%和60% 。 根据三角地形模型,在本文的题材里将获得桶的等式位置和方向以便获得路径L1 、L2 和L3(参见图5)。我们同样对定义这种有关CAD模型和有序的描述信息的需要干兴趣。1.1.6自由度挖掘机

4、一种传统的四自由度挖掘机的缺点是轻微的减弱了它作为桶的切削端的方位，因为挖掘机的桶总是平行于坐标系K0的轴(参见图1), 这样就限制桶控制准确性。 图1 一个六坐标系挖掘机这样，即使桶端点的中点是在希望的地点, 它的角也许被偏移数一厘米的十分之一从目标平面中消失。如果轨迹正切角角度挖掘机是45-, 1-mwide的桶的角位移可能是35cm。图2显示了Rototilt6。它广泛被应用在挖掘机操作员之中因为它引起二个另外的自由程度而使司机用更多的精力来操作。而且,挖掘机移动的必要性被大大减少。例如, 四自由度挖掘机开掘沟槽只有当机身位于同样的线与沟槽是可能的。而六自由度, 这同样可能从边的沟槽线来

5、操作。 1.2 六自由度挖掘机简介及以前的工作挖掘机的几何特征可使用Msc.Adams来描述,设计一个程序来仿真机械系统。为控制和编程使用Matlab/Simulink 环境。两个产品结合以便模型在Msc.Adams 里面能是受控的从同样的连接,来加速发展工作。一个基本的模型有: 1. 分析解决六自由度挖掘机的相反动力学(图1)。 2. 定位和方向使用2个GPS传感器和磁倾仪(图3) 以便变革矩阵TMCS SCS 在SCS (站点坐标系)和MCS之间(机器坐标系) 能被计算。 3.驾驶结合速度P控制器位置由相反动力学计算。 发现的一些关于六自由度挖掘机的仿真信息8 图22. 三维路径迭代我们选

6、择三角地形模型为挖掘机研究的自动化格式文件(8)。端点确定度限定三角形。这是可能的引起点的x 、y, 和z坐标的文本文件定义三角的端点。这个xyz 文本文件是我们的研究起点。 图3 坐标系2.1. 三角编辑如前文所述,xyz格式是演算的基础。第一步将变换信息为三角作为信息提供作为点单独不足够为路径迭代的目的。选择了Delaunay三角测量方法作为三角测量方法因为它包括在Matlab子程序库。 在三角测量后我们得到是一个每列由空间三点和三角数字组成的矩阵。三角数字称Tri。 在一起置入三角以后,单位法因子w由每个三角的交点来计算。如果我们表示端点为N1(x1、 y1、z1), N2(x2 、y2

7、 、z2) 和N3(x3, y3 、z3), 和一个三角的两边作为我们得到的a 和b: 所以, 单位法线为三角形成了由端点N1, N2, 和N3 可能被计算如下: 有二个可能的方向为单位法线因子w和只有被选择以便它的方向在SCS 坐标系(参见图3) 是在正面z方向。这定义完成在IF-THEN-ELSE 声明如下: 当考虑到一条高速公路的大量三角数字的巨大模型时，每个三角是实用的束缚排序参量。一种简单的解答是将计算最大值并且极小的距离在三角和SCS之间同等的框架的起源如下: 当点在SCS框架的位置为已知, 唯一实现条件- 点可能被三角化只有在点的距离是在最大，最小之间。 所得的三角编辑矩阵大小是

8、Tri_14 并且形式如下: 2.2. 三角、线和点的基本方法例外的是，唯一简单的数学必需当工作以L1-3道路世代问题在图5。可以定义两种基本问题: 1) 在什么样的点p，一条线相交于一平面，可定义为三角端点。 这个问题可能被解决10 如下: 任何三个端点都可能被选择作为点N。如果在w=0, 线与平面是平行的。 2)如果点是在平面上由三角定义, 是它位于在区域里面由端点定义? 图6提出点p在三角里面的一个情况(x, y, z), 由点N1, N2 和N3定义。(在a仿真环境, 它是实用的给二个地方起源哪些位于点N1和N2 )图6显示那点p可能被定义作为因子a 、b和d组如下: 13 / 13文

9、档可自由编辑打印图4 图5 那里系数t1 、t2 、t3和t4必须是正面的指令使点是在三角里面。(因为点是在三角的平面上, 我们能去除z 协调。) 解决Eq。(7) 出产量: 并且如果每个ti=0，此点就位于定点定义的平面中。2.3. 三维下三角路径的证明在道路的三角因子L1 、L2和L3 (参见图5)中将发现阶梯 。为了简化演算, 我们能去除z 协调信息投射对xy平面包括所有必要几何学信息。 让我们表示L1终点作为L1-end x、y、z 并且我们选择L1的方向如下: 这不是完全准确的, 但是如果挖掘机是接近的目标平面和伸手可及的距离接近作为a球形, 它给足够接近的略为最初研究。为L1-en

10、d我们可以得到: 当OMCS1.2 是MCS起始在SCS框架时,和L1的最大值是一个给定的挖掘机系统的最大工作范围的具体参量, L1的最小值相似地被定义作为最小工作范围。为完整因子L1，我们可以写一个分离作用: 那里n = 1, 2, 3.kmax 和kmax 是数字样品和给一个决议为三角变动。当n= kmax, 起点L1被获取。做法是同样为L2和L3 、唯一L2-endx, y 并且L3-endx, y 由使用轻微地不同地计算定义距离在道路L1之间的参量klev, L2和L1, L3。值得注意的是, klev被给在第2, 并且在三维 距离也许因而变化。 下步将由使用Eq寻找三角。然后减少所有

11、多余的数据点。图7给出的是一个结果组的实例。收效的例子小组被测量在图7。你能发现怎样将点作为路径的开始和末端，和只有三角变化时的情况。在利用因子w将二维路径矩阵转化为三维之后，它将会被用在三角编辑阶段。一种形式的平面等式是: 图8说明了三维路径点矩阵的数据集(同一样在图7)。图6 点p在三角形中2.4. 桶的路径和取向在六自由度挖掘机的一项早先研究中, 反面动力学被引用来束缚K0和K6坐标系 (参见图1), 并且桶被留在研究之外。主要原因是桶形状和大小也许会改变a全部, 和那它是不明的什么最佳的位置和取向为K7(参见图9)会是。因此, 我们需要引用a的变革矩阵从桶要素对K6如下: 为了简化路径

12、因子的引用,在2.3中通过使用引用点定义了 控制矩阵。格式是: 如你所看到的一样,第一专栏包含三角编号, 因此我们能使用三角化矩阵读三角的具体信息。在图8中说明了前三个专栏的定义点。然后路径被定义如下:上述参量可能被表达作为功能时间d = 速度时间。这样恒定的速度为桶运动所达到。为索引i, 三角变动, 我们得到一个简单的情况:图7图8当桶的xy旋转的平面与三角是平行时计算桶的取向。给出变革矩阵, 定义方向和桶的位置在T7SCS的SCS框架中。通过图9,可以得到K7的z轴坐标系图9 K6、K7坐标系图10必须是在三角法线的相反方向因子w。因而我们得到: 逻辑上(参见图9) 我们能看y轴 的方向应

13、该指向挖掘机。更加确切地它方向应该是相对于pathvec: 我们知道, 轴需要是在平面上通过三角定义(象轴) 并且通过使用过程量被获得如下: 变革矩阵T7 SCS 充分地定义在桶的理想位置和SCS 框架的方向中。 图112.5. 仿真环境中目标表面路径迭代的证明与图8相似-表示在Msc.Adams中创建了一个平面和曲面。想法是仿真被认为有效为a的以下序列路径创建计划:1.当挖掘机被带来给站点, tricom 矩阵(5)包含关于三角的信息被计算提出在部分2.1。 2.司机决定在哪里找出挖掘机和何时开始机器人挖掘。 3.根据GPS信息计算变革矩阵TMCS SCS。4.由使用等式提出了在本文,pat

14、hcont里矩阵(16)被计算使用道路凝固点为L1, L2和L3 。 5.如同挖掘机移动变革矩阵TMCS SCS是经常更新。取向和位置提出了在矩阵T7 SCS 变动为每三角变动和为每仿真步。 6.应用模型TMCS SCS 变换T7 SCS 为机器坐标系，桶希望的顶点和方向能被计算。然后由使用反面动力学计算出挖掘机的结合角。7. 结果, 挖掘机将按照理想的路径。在图10中提出了挖掘机执行的叠加图片序列。但是, 因为仿真的目标将证明等式上述提出了得和逻辑正确性信息流, 仿真不如图11所示那样的完善。路径在因子之间，例如, 从L1终点对L2起动点- 由道路传染媒介不控制哪些导致高运动速度。并且它应该

15、是着名先锋顺利地不行动得当桶去在壁角线(图10) 。即setpoints为联合角度被计算直接地为单独联接通过相反动力学没有任何协调之间联接。因此,当壁角线横渡,新小组故意的凝固点为联接是非常与早先一个, 和各自的联接不同将获得他们的最近故意的位置在不同的时刻。其它误差源, 和并且一个局限在途中指向演算被提出在本文里, 是要求为恒定的桶速度(17)。当旅行在锐利转折点, 象壁角线在图10,桶的目标速度应该降低。我们建议在速度上那变化是在将来包括在路径验算研究中。 3. 结论本文显示了怎么使用表面的CAD模型来定位挖掘机桶。三角地形模型第一次被编写在xyz格式文件中, 然后等式被获得从那个文件为了

16、计算目标变革矩阵T7 SCS使用控制位置和挖掘机桶的取向。由结合这个结果与变革矩阵TMCS SCS, 在我们的模型被创造使用信息2个GPS传感器和磁倾仪, 它是可能形成方式指向为桶在三维, 和为6DOF挖掘机它是还可能定义取向。矩阵定义目标点、pathcont,和信息会集了从三角中发现的包含所有数据必要创造道路。等式和数据流被塑造了平行使用Msc.Adams和Matlab/Simulink节目。6DOF挖掘机执行三条切口线(图5), 使用CAD地形和三维定位系统的模型被显示了图10。上述公式为与目标平面的CAD的平面配合提供了一个基本工具,并且是为了控制挖掘机。这个简单的主题发现了xyz指向那

17、些通过使用三角化后在三维表面中的最小值的投影线。在更加复杂的情况中比这个更加有效。一个最大胆的想法是使挖掘机客舱的运动自动化和依次执行指令。 参考文献1 A. Stentz, J. Bares, S. Singh, P. Rowe, A robotic excavator forautonomous truck loading, Proceedings of the 1998 IEEE/RSJ Intl.Conference on Intelligent Robots and Systems. Victoria, B.C. Canada,1998, pp. 1885 1893.2 Q. Ha,

18、 M. Santos, Q. Nguyen, D. Rye, H. Durrant-Whyte, Roboticexcavation in construction automation, IEEE Robotics and AutomationMagazine 9 (1) (2002) 20 28.3 D.A. Bradley, D.W. Seward, Developing real-time autonomous excavation the LUCIE story, Proceedings of the IEEE Conference on Decision &Control

19、3 (1995) 30283033.4 R. Heikkila¨, M. Jaakkola, The efficiency of a 3-D blade control system inthe construction of structure layers by road grader automated designbuildof road construction in Finland, ISARC2002, 9th InternationalSymposium on Automation and Robotics in Construction, Washington,DC, the United States of America, 2002, pp. 475480.5 R. Heikkila¨, M. Jaakkola, Towards model based automation differenttypes of 3-D machine control models for the automatic control of roadconstruction machinery, ISARC2004, 21st International Symposium onAutomation and Robotics in Constr