一種基于挖掘機(jī)控制三維模型

1、一種基于挖掘機(jī)控制的三維模型摘要使用數(shù)據(jù)從CAD和三維測量系統(tǒng)自動地控制建筑機(jī)械的新技術(shù)促進(jìn)機(jī)器控制系統(tǒng), 譬如挖掘機(jī)。本文討論了通過使用一個定位系統(tǒng)譬如GPS與一個CAD路面模型控制六自由度的挖掘機(jī)可能性(自由度)與控制挖掘機(jī)運動的最后目標(biāo)。與傳統(tǒng)四自由度機(jī)器比較, 挖掘機(jī)帶有二個額外的自由程度共同通過應(yīng)用兩個自由度Rototilt,一個輔助部件在使用中。為了研究這個問題, 使用 Msc.Adams 、Matlab/Simulink作為仿真的環(huán)境。在本文里桶的路徑迭代使用計算目標(biāo)平面的CAD為參考。 關(guān)鍵詞: 機(jī)器人挖掘機(jī)； 路徑迭代；挖掘計劃；塑造；仿真；三角地形模型；CAD1.簡介一種機(jī)

2、器人挖掘機(jī)不是一個新創(chuàng)意擁有許多有趣和先進(jìn)的系統(tǒng); 例如, 自卸卡車裝貨從卡內(nèi)基梅隆大學(xué), LUCIE從蘭卡斯特大學(xué)，并KomatsuPC05-7 ACRF。但是, 總之, 自動化水平在建筑業(yè)的應(yīng)用相對在其它產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)域中要低。雖然為了提高建設(shè)自動化程度而設(shè)計了許多方案, 僅有一部分被運用到實際中。它可能會實現(xiàn), 然而只有在一般技術(shù)水平達(dá)到了我們具體需要的建筑自動化的程度。 在我們的研究中我們注重于：首先,一個模型環(huán)境的極度應(yīng)用： 第二, 假定CAD 目標(biāo)表面的模型是可利用的：第三, 三維定位系統(tǒng)譬如GPS 是可利用的；和第四, 有六個自由程度的挖掘機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四自由度。 仿真工具象Msc.Ad

3、ams和Matlab/Simulink是非常適合于挖掘機(jī)自動化的真正發(fā)展, 特別如此將考慮到相反動力學(xué)的路徑迭代的問題和一套自檢等式。當(dāng)開發(fā)新控制方法和算法是它們是一個高效率的工具。一個自動化的系統(tǒng)的物產(chǎn)可能被設(shè)計詳細(xì)描述在新方法推向原型階段之前。并且,開發(fā)工作將會加速和解決方法相應(yīng)地被優(yōu)選。 一個路面CAD模型的三維測量成功地使用在機(jī)器控制自動化中, 比如為路平地機(jī)。已報告的速度增量之間是30%和60% 。 根據(jù)三角地形模型,在本文的題材里將獲得桶的等式位置和方向以便獲得路徑L1 、L2 和L3(參見圖5)。我們同樣對定義這種有關(guān)CAD模型和有序的描述信息的需要干興趣。1.1.6自由度挖掘機(jī)

4、一種傳統(tǒng)的四自由度挖掘機(jī)的缺點是輕微的減弱了它作為桶的切削端的方位，因為挖掘機(jī)的桶總是平行于坐標(biāo)系K0的軸(參見圖1), 這樣就限制桶控制準(zhǔn)確性。 圖1 一個六坐標(biāo)系挖掘機(jī)這樣，即使桶端點的中點是在希望的地點, 它的角也許被偏移數(shù)一厘米的十分之一從目標(biāo)平面中消失。如果軌跡正切角角度挖掘機(jī)是45-, 1-mwide的桶的角位移可能是35cm。圖2顯示了Rototilt6。它廣泛被應(yīng)用在挖掘機(jī)操作員之中因為它引起二個另外的自由程度而使司機(jī)用更多的精力來操作。而且,挖掘機(jī)移動的必要性被大大減少。例如, 四自由度挖掘機(jī)開掘溝槽只有當(dāng)機(jī)身位于同樣的線與溝槽是可能的。而六自由度, 這同樣可能從邊的溝槽線來

5、操作。 1.2 六自由度挖掘機(jī)簡介及以前的工作挖掘機(jī)的幾何特征可使用Msc.Adams來描述,設(shè)計一個程序來仿真機(jī)械系統(tǒng)。為控制和編程使用Matlab/Simulink 環(huán)境。兩個產(chǎn)品結(jié)合以便模型在Msc.Adams 里面能是受控的從同樣的連接,來加速發(fā)展工作。一個基本的模型有: 1. 分析解決六自由度挖掘機(jī)的相反動力學(xué)(圖1)。 2. 定位和方向使用2個GPS傳感器和磁傾儀(圖3) 以便變革矩陣TMCS SCS 在SCS (站點坐標(biāo)系)和MCS之間(機(jī)器坐標(biāo)系) 能被計算。 3.駕駛結(jié)合速度P控制器位置由相反動力學(xué)計算。 發(fā)現(xiàn)的一些關(guān)于六自由度挖掘機(jī)的仿真信息8 圖22. 三維路徑迭代我們選

6、擇三角地形模型為挖掘機(jī)研究的自動化格式文件(8)。端點確定度限定三角形。這是可能的引起點的x 、y, 和z坐標(biāo)的文本文件定義三角的端點。這個xyz 文本文件是我們的研究起點。 圖3 坐標(biāo)系2.1. 三角編輯如前文所述,xyz格式是演算的基礎(chǔ)。第一步將變換信息為三角作為信息提供作為點單獨不足夠為路徑迭代的目的。選擇了Delaunay三角測量方法作為三角測量方法因為它包括在Matlab子程序庫。 在三角測量后我們得到是一個每列由空間三點和三角數(shù)字組成的矩陣。三角數(shù)字稱Tri。 在一起置入三角以后,單位法因子w由每個三角的交點來計算。如果我們表示端點為N1(x1、 y1、z1), N2(x2 、y2

7、 、z2) 和N3(x3, y3 、z3), 和一個三角的兩邊作為我們得到的a 和b: 所以, 單位法線為三角形成了由端點N1, N2, 和N3 可能被計算如下: 有二個可能的方向為單位法線因子w和只有被選擇以便它的方向在SCS 坐標(biāo)系(參見圖3) 是在正面z方向。這定義完成在IF-THEN-ELSE 聲明如下: 當(dāng)考慮到一條高速公路的大量三角數(shù)字的巨大模型時，每個三角是實用的束縛排序參量。一種簡單的解答是將計算最大值并且極小的距離在三角和SCS之間同等的框架的起源如下: 當(dāng)點在SCS框架的位置為已知, 唯一實現(xiàn)條件- 點可能被三角化只有在點的距離是在最大，最小之間。 所得的三角編輯矩陣大小是

8、Tri_14 并且形式如下: 2.2. 三角、線和點的基本方法例外的是，唯一簡單的數(shù)學(xué)必需當(dāng)工作以L1-3道路世代問題在圖5。可以定義兩種基本問題: 1) 在什么樣的點p，一條線相交于一平面，可定義為三角端點。 這個問題可能被解決10 如下: 任何三個端點都可能被選擇作為點N。如果在w=0, 線與平面是平行的。 2)如果點是在平面上由三角定義, 是它位于在區(qū)域里面由端點定義? 圖6提出點p在三角里面的一個情況(x, y, z), 由點N1, N2 和N3定義。(在a仿真環(huán)境, 它是實用的給二個地方起源哪些位于點N1和N2 )圖6顯示那點p可能被定義作為因子a 、b和d組如下: 13 / 13文

9、檔可自由編輯打印圖4 圖5 那里系數(shù)t1 、t2 、t3和t4必須是正面的指令使點是在三角里面。(因為點是在三角的平面上, 我們能去除z 協(xié)調(diào)。) 解決Eq。(7) 出產(chǎn)量: 并且如果每個ti=0，此點就位于定點定義的平面中。2.3. 三維下三角路徑的證明在道路的三角因子L1 、L2和L3 (參見圖5)中將發(fā)現(xiàn)階梯 。為了簡化演算, 我們能去除z 協(xié)調(diào)信息投射對xy平面包括所有必要幾何學(xué)信息。 讓我們表示L1終點作為L1-end x、y、z 并且我們選擇L1的方向如下: 這不是完全準(zhǔn)確的, 但是如果挖掘機(jī)是接近的目標(biāo)平面和伸手可及的距離接近作為a球形, 它給足夠接近的略為最初研究。為L1-en

10、d我們可以得到: 當(dāng)OMCS1.2 是MCS起始在SCS框架時,和L1的最大值是一個給定的挖掘機(jī)系統(tǒng)的最大工作范圍的具體參量, L1的最小值相似地被定義作為最小工作范圍。為完整因子L1，我們可以寫一個分離作用: 那里n = 1, 2, 3.kmax 和kmax 是數(shù)字樣品和給一個決議為三角變動。當(dāng)n= kmax, 起點L1被獲取。做法是同樣為L2和L3 、唯一L2-endx, y 并且L3-endx, y 由使用輕微地不同地計算定義距離在道路L1之間的參量klev, L2和L1, L3。值得注意的是, klev被給在第2, 并且在三維 距離也許因而變化。 下步將由使用Eq尋找三角。然后減少所有

11、多余的數(shù)據(jù)點。圖7給出的是一個結(jié)果組的實例。收效的例子小組被測量在圖7。你能發(fā)現(xiàn)怎樣將點作為路徑的開始和末端，和只有三角變化時的情況。在利用因子w將二維路徑矩陣轉(zhuǎn)化為三維之后，它將會被用在三角編輯階段。一種形式的平面等式是: 圖8說明了三維路徑點矩陣的數(shù)據(jù)集(同一樣在圖7)。圖6 點p在三角形中2.4. 桶的路徑和取向在六自由度挖掘機(jī)的一項早先研究中, 反面動力學(xué)被引用來束縛K0和K6坐標(biāo)系 (參見圖1), 并且桶被留在研究之外。主要原因是桶形狀和大小也許會改變a全部, 和那它是不明的什么最佳的位置和取向為K7(參見圖9)會是。因此, 我們需要引用a的變革矩陣從桶要素對K6如下: 為了簡化路徑

12、因子的引用,在2.3中通過使用引用點定義了 控制矩陣。格式是: 如你所看到的一樣,第一專欄包含三角編號, 因此我們能使用三角化矩陣讀三角的具體信息。在圖8中說明了前三個專欄的定義點。然后路徑被定義如下:上述參量可能被表達(dá)作為功能時間d = 速度時間。這樣恒定的速度為桶運動所達(dá)到。為索引i, 三角變動, 我們得到一個簡單的情況:圖7圖8當(dāng)桶的xy旋轉(zhuǎn)的平面與三角是平行時計算桶的取向。給出變革矩陣, 定義方向和桶的位置在T7SCS的SCS框架中。通過圖9,可以得到K7的z軸坐標(biāo)系圖9 K6、K7坐標(biāo)系圖10必須是在三角法線的相反方向因子w。因而我們得到: 邏輯上(參見圖9) 我們能看y軸 的方向應(yīng)

13、該指向挖掘機(jī)。更加確切地它方向應(yīng)該是相對于pathvec: 我們知道, 軸需要是在平面上通過三角定義(象軸) 并且通過使用過程量被獲得如下: 變革矩陣T7 SCS 充分地定義在桶的理想位置和SCS 框架的方向中。 圖112.5. 仿真環(huán)境中目標(biāo)表面路徑迭代的證明與圖8相似-表示在Msc.Adams中創(chuàng)建了一個平面和曲面。想法是仿真被認(rèn)為有效為a的以下序列路徑創(chuàng)建計劃:1.當(dāng)挖掘機(jī)被帶來給站點, tricom 矩陣(5)包含關(guān)于三角的信息被計算提出在部分2.1。 2.司機(jī)決定在哪里找出挖掘機(jī)和何時開始機(jī)器人挖掘。 3.根據(jù)GPS信息計算變革矩陣TMCS SCS。4.由使用等式提出了在本文,pat

14、hcont里矩陣(16)被計算使用道路凝固點為L1, L2和L3 。 5.如同挖掘機(jī)移動變革矩陣TMCS SCS是經(jīng)常更新。取向和位置提出了在矩陣T7 SCS 變動為每三角變動和為每仿真步。 6.應(yīng)用模型TMCS SCS 變換T7 SCS 為機(jī)器坐標(biāo)系，桶希望的頂點和方向能被計算。然后由使用反面動力學(xué)計算出挖掘機(jī)的結(jié)合角。7. 結(jié)果, 挖掘機(jī)將按照理想的路徑。在圖10中提出了挖掘機(jī)執(zhí)行的疊加圖片序列。但是, 因為仿真的目標(biāo)將證明等式上述提出了得和邏輯正確性信息流, 仿真不如圖11所示那樣的完善。路徑在因子之間，例如, 從L1終點對L2起動點- 由道路傳染媒介不控制哪些導(dǎo)致高運動速度。并且它應(yīng)該

15、是著名先鋒順利地不行動得當(dāng)桶去在壁角線(圖10) 。即setpoints為聯(lián)合角度被計算直接地為單獨聯(lián)接通過相反動力學(xué)沒有任何協(xié)調(diào)之間聯(lián)接。因此,當(dāng)壁角線橫渡,新小組故意的凝固點為聯(lián)接是非常與早先一個, 和各自的聯(lián)接不同將獲得他們的最近故意的位置在不同的時刻。其它誤差源, 和并且一個局限在途中指向演算被提出在本文里, 是要求為恒定的桶速度(17)。當(dāng)旅行在銳利轉(zhuǎn)折點, 象壁角線在圖10,桶的目標(biāo)速度應(yīng)該降低。我們建議在速度上那變化是在將來包括在路徑驗算研究中。 3. 結(jié)論本文顯示了怎么使用表面的CAD模型來定位挖掘機(jī)桶。三角地形模型第一次被編寫在xyz格式文件中, 然后等式被獲得從那個文件為了

16、計算目標(biāo)變革矩陣T7 SCS使用控制位置和挖掘機(jī)桶的取向。由結(jié)合這個結(jié)果與變革矩陣TMCS SCS, 在我們的模型被創(chuàng)造使用信息2個GPS傳感器和磁傾儀, 它是可能形成方式指向為桶在三維, 和為6DOF挖掘機(jī)它是還可能定義取向。矩陣定義目標(biāo)點、pathcont,和信息會集了從三角中發(fā)現(xiàn)的包含所有數(shù)據(jù)必要創(chuàng)造道路。等式和數(shù)據(jù)流被塑造了平行使用Msc.Adams和Matlab/Simulink節(jié)目。6DOF挖掘機(jī)執(zhí)行三條切口線(圖5), 使用CAD地形和三維定位系統(tǒng)的模型被顯示了圖10。上述公式為與目標(biāo)平面的CAD的平面配合提供了一個基本工具,并且是為了控制挖掘機(jī)。這個簡單的主題發(fā)現(xiàn)了xyz指向那

17、些通過使用三角化后在三維表面中的最小值的投影線。在更加復(fù)雜的情況中比這個更加有效。一個最大膽的想法是使挖掘機(jī)客艙的運動自動化和依次執(zhí)行指令。 參考文獻(xiàn)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,

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