CN113482076B - 一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法、装置及介质 - Google Patents

一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法、装置及介质 Download PDF

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CN113482076B CN202110493101.7A CN202110493101A CN113482076B CN 113482076 B CN113482076 B CN 113482076B CN 202110493101 A CN202110493101 A CN 202110493101A CN 113482076 B CN113482076 B CN 113482076B
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Abstract

本发明公开了一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法、装置及介质，包括：步骤1：构建挖掘机回转平台的运动控制***模型；步骤2：利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识；步骤3：基于挖掘机回转平台的运动特征，将挖掘机回转平台的运动过程进行阶段划分，获得各阶段输入的最大控制指令；步骤4：通过离线标定各阶段的最大控制指令持续时间，结合各阶段的最大控制指令，输入挖掘机回转平台的运动控制***模型，获得各阶段的回转平台的回转速度。通过对运动过程分阶段的划分，对回转平台进行精细化的运动控制，确保实际回转角度与目标角度吻合，在自动挖掘时，回转平台可以准确快速地到达期望位置。

Description

一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法、装置及介质
技术领域
本发明属于无人挖掘机控制领域，特别涉及一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法、装置及介质。
背景技术
在挖掘机自动控制中，通常获取当前目标挖掘点的位置信息、挖掘面与挖掘机基坐标系的夹角信息及挖斗切面与挖掘面的夹角信息，通过预设的逆运动学模型解算得到挖掘机臂的期望位姿状态，确定挖掘机臂当前位姿状态与期望位姿状态的位姿差值，并生成位姿差值信号，将位姿差值信号发送给控制器，以使控制器控制挖掘机臂运动到期望位姿状态，但是通常速度较慢，而且准确度不高。
在图1所述的自动挖掘机的运动控制***中，挖掘机的操纵手柄由两个六轴机械手驱动，控制指令由无人挖掘主控制器到机械手控制器，由伺服电机驱动机械手推动手柄，主泵输出的压力油经回转换向阀进入回转马达的工作油路，驱动回转马达旋转，使工作装置及上部转台向左或向右回转。由于挖掘机控制***结构的复杂性，整个控制***的传递函数太过于复杂，难以用一个准确的数学模型描述出来。
在无人挖掘机的回转控制过程中，由于挖掘机工作装置惯量大、液压驱动装置具有较强的非线性特性，且存在明显的通讯时延，常常很难控制回转平台安全且快速地到达目标位置。控制指令过小，会导致回转速度慢、作业效率低；控制指令过大，则容易出现实际回转角度超出目标角度的现象，导致作业过程中回转平台无法到达指定位置，偏离挖掘点或卸土点。
发明内容
本发明的目的是提出一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法、装置及介质，其目的在于，通过对回转平台运动过程的划分，对回转平台进行精细化的运动控制，确保实际回转角度与目标角度吻合，使得挖掘机能准确的到达挖掘点或卸土点。
本发明提供的技术方案如下：
一方面，一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法，包括：
步骤1：构建挖掘机回转平台的运动控制***模型；
Figure BDA0003053150610000011
其中，Kp为表示回转角速度变化快慢的增益系数，T为时间常数，τ为时间延迟；
计算控制指令开始的时刻至回转角速度发生变化的时间即为时间延迟。
输入控制指令umax，监测回转角度变化，记录输入控制指令到回转角度变化的时间，记为τ。
挖掘机回转平台的运动控制***模型本质上是挖掘机回转速度与控制指令变量之间的传递函数；
步骤2：利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识；
步骤3：基于挖掘机回转平台的运动特征，将挖掘机回转平台的运动过程进行阶段划分，获得各阶段输入的最大控制指令；
步骤4：通过离线标定各阶段的最大控制指令持续时间，结合各阶段的最大控制指令，输入挖掘机回转平台的运动控制***模型，获得各阶段的回转平台的回转速度，从而实现无人挖掘机回转平台的运动控制。
挖掘机将控制指令至0，进入自由回转阶段，角度编码器检测实际角度，通过实际角度与计算的理论角度的偏差进行微调来实现反馈控制，此时输入反馈控制指令u’，计算如下：
Figure BDA0003053150610000021
其中，u'(t)为经过微调后的控制指令，err为t时刻传感器测得角度与各阶段回转速度积分计算角度的差值，kp、Ti、Td为控制器的比例系数，积分系数，微分系数。
进一步地，基于挖掘机回转平台的运动特征，将挖掘机回转平台的运动过程划分为4个阶段，各阶段的最大控制指令依次为umax、3umax/4、umax/2、0，其中，umax表示控制机械手推动挖掘机操作手柄至极限位置时的控制指令。
通过多级降速，既可以减小控制指令突然撤销带来的振动，又可以在目标角度过小时，输出较小的控制指令，防止第一阶段输入控制指令过大，导致回转速度过大而无法有效减速。
进一步地，各阶段的回转平台的回转速度按照以下公式计算获得：
Figure BDA0003053150610000022
ti＝ti-1+Δti
其中，v0(t)＝0，t0＝τ，ti表示第i个阶段的控制指令停止输入时间，Δti表示第i个阶段的控制指令持续时间，vi(t)表示第i个阶段的回转平台的回转速度，u(i)表示第i个阶段的输入的控制指令。
进一步地，通过离线测定第2个阶段和第3个阶段的控制指令持续时间，Δt2＝1s，Δt3＝1s，t0＝τ。
在当前模型下，将控制指令持续时间代入回转速度公式，可以保证即使在最大速度，速度也能够降低，降速持续一定时间，保证稳定性，有了减速过程持续时间，才能计算加速过程持续时间；
进一步地，通过对各阶段回转速度积分即可得所有阶段累计的目标回转角度，利用得到目标回转角度与初始角度的差，并利用在最后阶段的自由回转结束，即在最后的回转时刻回转速度为0，求解控制指令持续时间；
Figure BDA0003053150610000031
其中，t1＝τ+Δt1，t2＝t1+Δt2，t3＝t2+Δt3，t4＝t3+Δt4；
取v4(t4)≈0，此时自由回转结束，求得自由回转时间近似为Δt4＝t4-t3＝T ln(|v3(t3)|)；
1)将通过离线测定的延迟时间τ，第二阶段和第三阶段的控制指令持续时间Δt2、Δt3，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解Δt1的数值解；
若Δt1无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第一阶段输入最大回转角度umax，即Δt1＝0；
2)将Δt1＝0，通过离线测定的延迟时间τ，第三阶段的控制指令持续时间Δt3，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解控制指令3umax/4持续时间Δt2的数值解；
若Δt2无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第二阶段输入最大回转角度3umax/4，即Δt2＝0；
3)将Δt1＝0，Δt2＝0，通过离线测定的延迟时间τ，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解控制指令umax/2持续时间Δt3的数值解；
若Δt3无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第三阶段输入最大回转角度umax/2，即Δt3＝0。
设置Δt1是需要先加速，但加速时间和加速到多少是未知的，需要输入目标角度来求解；
所求Δt1无解时，是因为即使加速时间Δt1＝0，输入控制指令umax的阶段回转速度没有增加，在输入控制指令3umax/4的阶段回转速度开始增加，但有一定持续时间，最终的回转角度会超过目标角度。这是目标角度过小导致的，此时不需要在输入控制指令umax的阶段。
进一步地，利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识的具体过程如下：
步骤A：构建回转速度状态空间方程，并确定递归形式；
回转速度状态空间方程：
Figure BDA0003053150610000041
将上述方程转化为向量形式为：
Figure BDA0003053150610000042
设定θ估计值的递归形式为：
Figure BDA0003053150610000043
Figure BDA0003053150610000044
Figure BDA0003053150610000045
其中，v(k)为k时刻的回转角速度，
Figure BDA0003053150610000046
为k-1时刻的速度和控制指令的向量，v(k-1)为k-1时刻传感器测得的回转角速度，u(k-1)为k-1时刻输入的控制指令，θ为含有待辨识参数T和Kp的表达式；
Figure BDA0003053150610000047
和
Figure BDA0003053150610000048
分别为k时刻和k-1时刻的估计参数，K(k)为增益矩阵，v*(k)为传感器测得的回转角速度，
Figure BDA0003053150610000049
表示基于k-1时刻的历史数据，对k时刻的回转速度v(k)的预测值；
步骤B：设定k＝1,协方差矩阵的初值P(0)为10000*E，E为单位矩阵，参数的初始估计值
Figure BDA00030531506100000410
为(1，0)，λ为遗忘因子，取值为0.95；
步骤C：记录传感器测量数据u(k)和v(k)；
步骤D：先计算K(k)，然后分别计算P(k)和
Figure BDA00030531506100000411
步骤E：判断待辨识参数是否满足以下条件，若不满足，则采样次数k加1，转到步骤C再次循环，若满足，则输出待辨识参数为T，Kp的当前值，完成在线辨识；
Figure BDA00030531506100000412
另一方面，一种无人挖掘机回转平台的运动控制装置，包括：
***模型构建单元：基于挖掘机回转速度与控制指令变量之间的传递函数，构建挖掘机回转平台的运动控制***模型；
***模型参数在线辨识单元：利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识；
运动阶段划分单元：基于挖掘机回转平台的运动特征，将挖掘机回转平台的运动过程进行阶段划分，获得各阶段输入的最大控制指令；
回转速度求解单元：通过离线标定与计算各阶段的最大控制指令持续时间，结合各阶段的最大控制指令，输入挖掘机回转平台的运动控制***模型，获得各阶段的回转平台的回转速度，从而实现无人挖掘机回转平台的运动控制。
进一步地，运动过程划分单元基于挖掘机回转平台的运动特征，将挖掘机回转平台的运动过程划分为4个阶段，各阶段的最大控制指令依次为umax、3umax/4、umax/2、0，其中，umax表示控制机械手推动挖掘机操作手柄至极限位置时的控制指令。
进一步地，回转速度求解单元对各阶段的回转平台的回转速度按照以下公式计算获得：
Figure BDA0003053150610000051
ti＝ti-1+Δti
其中，v0(t)＝0，t0＝τ1，ti表示第i个阶段的控制指令停止输入时间，Δti表示第i个阶段的控制指令持续时间，vi(t)表示第i个阶段的回转平台的回转速度，u(i)表示第i个阶段的输入的控制指令。
进一步地，回转速度求解单元，通过离线测定第2个阶段和第3个阶段的控制指令持续时间，Δt2＝1s，Δt3＝1s，通过对各阶段回转速度积分即可得所有阶段累计的目标回转角度，利用得到目标回转角度与初始角度的差，并利用在最后阶段的自由回转结束，即在最后的回转时刻回转速度为0，求解控制指令持续时间；
Figure BDA0003053150610000052
其中，t1＝τ+Δt1，t2＝t1+Δt2，t3＝t2+Δt3，t4＝t3+Δt4；
取v4(t4)≈0，此时自由回转结束，求得自由回转时间近似为Δt4＝t4-t3＝T ln(|v3(t3)|)；
1)将通过离线测定的延迟时间τ，第二阶段和第三阶段的控制指令持续时间Δt2、Δt3，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解Δt1的数值解；
若Δt1无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第一阶段输入最大回转角度umax，即Δt1＝0；
2)将Δt1＝0，通过离线测定的延迟时间τ，第三阶段的控制指令持续时间Δt3，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解控制指令3umax/4持续时间Δt2的数值解；
若Δt2无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第二阶段输入最大回转角度3umax/4，即Δt2＝0；
3)将Δt1＝0，Δt2＝0，通过离线测定的延迟时间τ，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解控制指令umax/2持续时间Δt3的数值解；
若Δt3无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第三阶段输入最大回转角度umax/2，即Δt3＝0。
再一方面，一种计算机存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序指令被处理终端执行时使所述处理终端执行所述的一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法。
有益效果
本发明技术方案提供了一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法、装置及介质，包括：步骤1：构建挖掘机回转平台的运动控制***模型；步骤2：利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识；步骤3：基于挖掘机回转平台的运动特征，将挖掘机回转平台的运动过程进行阶段划分，获得各阶段输入的最大控制指令；步骤4：通过离线标定各阶段的最大控制指令持续时间，结合各阶段的最大控制指令，输入挖掘机回转平台的运动控制***模型，获得各阶段的回转平台的回转速度，从而实现无人挖掘机回转平台的运动控制。通过对运动过程分阶段的划分，对回转平台进行精细化的运动控制，确保实际回转角度与目标角度吻合，使得挖掘机在自动挖掘时，回转平台可以准确快速地到达期望位置，提高自动挖掘的效率。
附图说明
图1为挖掘机运动控制***；
图2为回转平台运动角速度与控制指令随时间变化关系图；
图3为本发明实例所述方法的流程示意图；
图4为本发明实例所述方法的控制原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明做进一步地说明。
如图3所示，一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法，包括：
步骤1：构建挖掘机回转平台的运动控制***模型；
Figure BDA0003053150610000071
其中，Kp为表示回转角速度变化快慢的增益系数，T为时间常数，τ为时间延迟；
计算控制指令开始的时刻至回转角速度发生变化的时间即为时间延迟。
输入控制指令umax，监测回转角度变化，记录输入控制指令到回转角度变化的时间，记为τ。
挖掘机回转平台的运动控制***模型本质上是挖掘机回转速度与控制指令变量之间的传递函数；
步骤2：利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识；
利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识的具体过程如下：
步骤A：构建回转速度状态空间方程，并确定递归形式；
回转速度状态空间方程：
Figure BDA0003053150610000072
将上述方程转化为向量形式为：
Figure BDA0003053150610000073
设定θ估计值的递归形式为：
Figure BDA0003053150610000074
Figure BDA0003053150610000075
Figure BDA0003053150610000076
其中，v(k)为k时刻的回转角速度，
Figure BDA0003053150610000077
为k-1时刻的速度和控制指令的向量，v(k-1)为k-1时刻传感器测得的回转角速度，u(k-1)为k-1时刻输入的控制指令，θ为含有待辨识参数T和Kp的表达式；
Figure BDA0003053150610000081
和
Figure BDA0003053150610000082
分别为k时刻和k-1时刻的估计参数，K(k)为增益矩阵，v*(k)为传感器测得的回转角速度，
Figure BDA0003053150610000083
表示基于k-1时刻的历史数据，对k时刻的回转速度v(k)的预测值；
步骤B：设定k＝1,协方差矩阵的初值P(0)为10000*E，E为单位矩阵，参数的初始估计值
Figure BDA0003053150610000084
为(1，0)，λ为遗忘因子，取值为0.95；
步骤C：记录传感器测量数据u(k)和v(k)；
步骤D：先计算K(k)，然后分别计算P(k)和
Figure BDA0003053150610000085
步骤E：判断待辨识参数是否满足以下条件，若不满足，则采样次数k加1，转到步骤C再次循环，若满足，则输出待辨识参数为T，Kp的当前值，完成在线辨识；
Figure BDA0003053150610000086
步骤3：基于挖掘机回转平台的运动特征，将挖掘机回转平台的运动过程进行阶段划分，获得各阶段输入的最大控制指令；
在回转控制***中，控制指令由无人挖掘主控制器到机械手控制器，由伺服电机驱动机械手推动手柄，回转启动时，机械手会经过一段距离的间隙行程，这是挖掘机预留的安全范围，此时液压***并不工作，因此需要分别辨识。在控制指令由0阶跃到某一个控制指令时，时间延时与输入的控制指令大小有关，且控制指令越大，时间越短，通过离线标定确定确定延迟时间与控制指令之间的关系表格τ1-u，在线运用时，根据控制指令查表确定延迟时间；在控制指令由某一个控制指令阶跃到0时，时间延时基本不变，记为τ2。
若要回转平台快速到达目标角度，需要输入最大控制指令保证回转平台以最快速度运行，但容易出现实际回转角度超出目标角度的现象，故本发明将回转平台的运动分为四个阶段，如图2所示。
第一阶段输入最大控制指令umax至时间t1，持续时间Δt1；
第二阶段输入控制指令3umax/4，至时间t2，持续时间Δt2；
第三阶段输入控制指令umax/2至时间t3，持续时间Δt3；
第四阶段将控制指令回零，让挖掘机自由回转。
其中，umax表示控制机械手推动挖掘机操作手柄至极限位置时的控制指令。
通过多级降速，既可以减小控制指令突然撤销带来的振动，又可以在目标角度过小时，输出较小的控制指令，防止第一阶段输入控制指令过大，导致回转速度过大而无法有效减速。
步骤4：通过离线标定各阶段的最大控制指令持续时间，结合各阶段的最大控制指令，输入挖掘机回转平台的运动控制***模型，获得各阶段的回转平台的回转速度，从而实现无人挖掘机回转平台的运动控制。
各阶段的回转平台的回转速度按照以下公式计算获得：
Figure BDA0003053150610000091
ti＝ti-1+Δti
其中，v0(t)＝0，t0＝τ，ti表示第i个阶段的控制指令停止输入时间，Δti表示第i个阶段的控制指令持续时间，vi(t)表示第i个阶段的回转平台的回转速度，u(i)表示第i个阶段的输入的控制指令。
通过离线测定第2个阶段和第3个阶段的控制指令持续时间，Δt2＝1s，Δt3＝1s，t0＝τ。
在当前模型下，将控制指令持续时间代入回转速度公式，可以保证即使在最大速度，速度也能够降低，降速持续一定时间，保证稳定性，有了减速过程持续时间，才能计算加速过程持续时间；
通过对各阶段回转速度积分即可得所有阶段累计的目标回转角度，利用得到目标回转角度与初始角度的差，并利用在最后阶段的自由回转结束，即在最后的回转时刻回转速度为0，求解控制指令持续时间；
Figure BDA0003053150610000092
其中，t1＝τ+Δt1，t2＝t1+Δt2，t3＝t2+Δt3，t4＝t3+Δt4；
取v4(t4)≈0，此时自由回转结束，求得自由回转时间近似为Δt4＝t4-t3＝T ln(|v3(t3)|)；
1)将通过离线测定的延迟时间τ，第二阶段和第三阶段的控制指令持续时间Δt2、Δt3，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解Δt1的数值解；
若Δt1无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第一阶段输入最大回转角度umax，即Δt1＝0；
2)将Δt1＝0，通过离线测定的延迟时间τ，第三阶段的控制指令持续时间Δt3，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解控制指令3umax/4持续时间Δt2的数值解；
若Δt2无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第二阶段输入最大回转角度3umax/4，即Δt2＝0；
3)将Δt1＝0，Δt2＝0，通过离线测定的延迟时间τ，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解控制指令umax/2持续时间Δt3的数值解；
若Δt3无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第三阶段输入最大回转角度umax/2，即Δt3＝0。
设置Δt1是需要先加速，但加速时间和加速到多少是未知的，需要输入目标角度来求解；
所求Δt1无解时，是因为即使加速时间Δt1＝0，输入控制指令umax的阶段回转速度没有增加，在输入控制指令3umax/4的阶段回转速度开始增加，但有一定持续时间，最终的回转角度会超过目标角度。这是目标角度过小导致的，此时不需要在输入控制指令umax的阶段。
通过获得各阶段的指令持续时间，按以下过程实现挖掘机控制：
1.挖掘机输入控制指令umax至t1，使挖掘机塔台以最快速度进行回转。
2.挖掘机3umax/4控制指令umax至t2，使挖掘机塔台进行降速。
3.挖掘机输入umax/2控制指令umax至t3，使挖掘机塔台再次降速。
4.挖掘机将控制指令至0，进入自由回转阶段，角度编码器检测实际角度，通过实际角度与计算的理论角度的偏差进行微调来实现反馈控制，如图4所示，此时输入反馈控制指令u’，计算如下：
Figure BDA0003053150610000101
其中，u'(t)为经过微调后的控制指令，err为t时刻传感器测得角度与各阶段回转速度积分计算角度的差值，kp、Ti、Td为控制器的比例系数，积分系数，微分系数。
一种无人挖掘机回转平台的运动控制装置，包括：
***模型构建单元：基于挖掘机回转速度与控制指令变量之间的传递函数，构建挖掘机回转平台的运动控制***模型；
***模型参数在线辨识单元：利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识；
运动阶段划分单元：基于挖掘机回转平台的运动特征，将挖掘机回转平台的运动过程进行阶段划分，获得各阶段输入的最大控制指令；
回转速度求解单元：通过离线标定与计算各阶段的最大控制指令持续时间，结合各阶段的最大控制指令，输入挖掘机回转平台的运动控制***模型，获得各阶段的回转平台的回转速度，从而实现无人挖掘机回转平台的运动控制。
本发明实施例还提供一种可读存储介质，包括计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理终端执行时使所述处理终端执行所述的一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法，其有益效果参见方法部分的有益效果，在此不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人挖掘机回转平台的运动控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：构建挖掘机回转平台的运动控制***模型；
Figure FDA0003463745740000011
其中，Kp为表示回转角速度变化快慢的增益系数，T为时间常数，τ为时间延迟；
步骤2：利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识；
步骤3：基于挖掘机回转平台的运动特征，将挖掘机回转平台的运动过程进行阶段划分，获得各阶段输入的最大控制指令；
其中，将挖掘机回转平台的运动过程划分为4个阶段，各阶段的最大控制指令依次为umax、3umax/4、umax/2、0，其中，umax表示控制机械手推动挖掘机操作手柄至极限位置时的控制指令；
步骤4：通过离线标定各阶段的最大控制指令持续时间，结合各阶段的最大控制指令，输入挖掘机回转平台的运动控制***模型，获得各阶段的回转平台的回转速度，从而实现无人挖掘机回转平台的运动控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各阶段的回转平台的回转速度按照以下公式计算获得：
Figure FDA0003463745740000012
t∈(ti-1,ti-1+Δti)
ti＝ti-1+Δti
其中，v0(t)＝0，t0＝τ，ti表示第i个阶段的控制指令停止输入时间，Δti表示第i个阶段的控制指令持续时间，vi(t)表示第i个阶段的回转平台的回转速度，u(i)表示第i个阶段的输入的控制指令。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过离线测定第2个阶段和第3个阶段的控制指令持续时间，Δt2＝1s，Δt3＝1s，t0＝τ。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过对各阶段回转速度积分即可得所有阶段累计的目标回转角度，利用得到目标回转角度与初始角度的差，并利用在最后阶段的自由回转结束，即在最后的回转时刻回转速度为0，求解控制指令持续时间；
Figure FDA0003463745740000013
其中，t1＝τ+Δt1，t2＝t1+Δt2，t3＝t2+Δt3，t4＝t3+Δt4；
取v4(t4)≈0，此时自由回转结束，求得自由回转时间近似为Δt4＝t4-t3＝Tln(|v3(t3)|)；
1)将通过离线测定的延迟时间τ，第二阶段和第三阶段的控制指令持续时间Δt2、Δt3，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解Δt1的数值解；
若Δt1无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第一阶段输入最大回转角度umax，即Δt1＝0；
2)将Δt1＝0，通过离线测定的延迟时间τ，第三阶段的控制指令持续时间Δt3，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解控制指令3umax/4持续时间Δt2的数值解；
若Δt2无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第二阶段输入最大回转角度3umax/4，即Δt2＝0；
3)将Δt1＝0，Δt2＝0，通过离线测定的延迟时间τ，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解控制指令umax/2持续时间Δt3的数值解；
若Δt3无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第三阶段输入最大回转角度umax/2，即Δt3＝0。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识的具体过程如下：
步骤A：构建回转速度状态空间方程，并确定递归形式；
回转速度状态空间方程：
Figure FDA0003463745740000021
将上述方程转化为向量形式为：
Figure FDA0003463745740000022
设定θ估计值的递归形式为：
Figure FDA0003463745740000023
Figure FDA0003463745740000024
Figure FDA0003463745740000025
其中，v(k)为k时刻的回转角速度，
Figure FDA0003463745740000026
为k-1时刻的速度和控制指令的向量，v(k-1)为k-1时刻传感器测得的回转角速度，u(k-1)为k-1时刻输入的控制指令，θ为含有待辨识参数T和Kp的表达式；
Figure FDA0003463745740000031
和
Figure FDA0003463745740000032
分别为k时刻和k-1时刻的估计参数，K(k)为增益矩阵，v*(k)为传感器测得的回转角速度，
Figure FDA0003463745740000033
表示基于k-1时刻的历史数据，对k时刻的回转速度v(k)的预测值；
步骤B：设定k＝1,协方差矩阵的初值P(0)为10000*E，E为单位矩阵，参数的初始估计值
Figure FDA0003463745740000034
为(1，0)，λ为遗忘因子，取值为0.95；
步骤C：记录传感器测量数据u(k)和v(k)；
步骤D：先计算K(k)，然后分别计算P(k)和
Figure FDA0003463745740000035
步骤E：判断待辨识参数是否满足以下条件，若不满足，则采样次数k加1，转到步骤C再次循环，若满足，则输出待辨识参数为T，Kp的当前值，完成在线辨识；
Figure FDA0003463745740000036
6.一种无人挖掘机回转平台的运动控制装置，其特征在于，包括：
***模型构建单元：基于挖掘机回转速度与控制指令变量之间的传递函数，构建挖掘机回转平台的运动控制***模型；
Figure FDA0003463745740000037
其中，KP为表示回转角速度变化快慢的增益系数，T为时间常数，τ为时间延迟；
***模型参数在线辨识单元：利用递推最小二乘法对挖掘机回转平台的运动控制***模型中Kp和T进行在线辨识；
运动阶段划分单元：基于挖掘机回转平台的运动特征，将挖掘机回转平台的运动过程进行阶段划分，获得各阶段输入的最大控制指令；具体将挖掘机回转平台的运动过程划分为4个阶段，各阶段的最大控制指令依次为umax、3umax/4、umax/2、0，其中，umax表示控制机械手推动挖掘机操作手柄至极限位置时的控制指令；
回转速度求解单元：通过离线标定与计算各阶段的最大控制指令持续时间，结合各阶段的最大控制指令，输入挖掘机回转平台的运动控制***模型，获得各阶段的回转平台的回转速度，从而实现无人挖掘机回转平台的运动控制。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，回转速度求解单元，对各阶段的回转平台的回转速度按照以下公式计算获得：
Figure FDA0003463745740000041
t∈(ti-1,ti-1+Δti)
ti＝ti-1+Δti
其中，v0(t)＝0，t0＝τ1，ti表示第i个阶段的控制指令停止输入时间，Δti表示第i个阶段的控制指令持续时间，vi(t)表示第i个阶段的回转平台的回转速度，u(i)表示第i个阶段的输入的控制指令；
回转速度求解单元，通过离线测定第2个阶段和第3个阶段的控制指令持续时间，Δt2＝1s，Δt3＝1s，通过对各阶段回转速度积分即可得所有阶段累计的目标回转角度，利用得到目标回转角度与初始角度的差，并利用在最后阶段的自由回转结束，即在最后的回转时刻回转速度为0，求解控制指令持续时间；
Figure FDA0003463745740000042
其中，t1＝τ+Δt1，t2＝t1+Δt2，t3＝t2+Δt3，t4＝t3+Δt4；
取v4(t4)≈0，此时自由回转结束，求得自由回转时间近似为Δt4＝t4-t3＝T ln(|v3(t3)|)；
1)将通过离线测定的延迟时间τ，第二阶段和第三阶段的控制指令持续时间Δt2、Δt3，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解Δt1的数值解；
若Δt1无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第一阶段输入最大回转角度umax，即Δt1＝0；
2)将Δt1＝0，通过离线测定的延迟时间τ，第三阶段的控制指令持续时间Δt3，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解控制指令3umax/4持续时间Δt2的数值解；
若Δt2无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第二阶段输入最大回转角度3umax/4，即Δt2＝0；
3)将Δt1＝0，Δt2＝0，通过离线测定的延迟时间τ，求得的自由回转时间Δt4，以及目标回转角度y，代入回转速度积分，求解控制指令umax/2持续时间Δt3的数值解；
若Δt3无数值解，则目标回转角度与初始角度的差过小，此时不需要第三阶段输入最大回转角度umax/2，即Δt3＝0。
8.一种计算机存储介质，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理终端执行时使所述处理终端执行所述权利要求1-5任一项所述的方法。
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