智能破碎锤挖掘机目标识别及机械臂轨迹控制

作     者：曹士杰 

作者单位：山东交通学院 

学位级别：硕士

导师姓名：张竹林;罗映

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：液压挖掘机 实例分割 点云聚类 智能控制 联合仿真 

摘      要：随着人工智能技术的发展,工程机械逐渐趋向数字化与智能化的融合。挖掘机在建设工程中扮演着至关重要的角色,被誉为工程机械领域“皇冠上的明珠。智能化破碎锤挖掘机在岩石破碎领域发挥着至关重要的作用,整机控制系统集成了先进的感知技术、运动规划控制策略和执行机构快速动态响应技术,其中目标识别与定位技术以及控制策略,是实现破碎锤挖掘机智能化的关键。 针对目前多尺度矿石目标识别精度低、质心定位精度差,以及执行机构动态响应慢的问题,构建了引入加权双向特征金字塔主干网络的YOLOv5实例分割网络,系统研究了基于欧几里得算法的点云聚类方法,设计了基于机电液一体化的模糊PID智能控制策略,搭建了“ADAMS+MATLAB的联合仿真平台,经仿真验证,整机系统具有目标识别、定位精度高,动态响应特性好的优点,具体研究内容如下: (1)根据破碎锤挖掘机的工作需求,完成对相机和激光雷达的选型;基于YOLOv5-l实例分割网络的特点,提出优化方向,完成可以对密集目标石块精准识别的实例分割网络的设计;对原始石块点云进行降采样处理,在此基础基于欧式聚类对点云图像进行聚类分割处理,计算出点云质心作为目标石块的破碎目标点。 (2)对无人操纵挖掘机工作装置进行运动学分析,对挖掘机机械臂进行运动学建模和正逆求解。确定了工作装置驱动、关节、位姿空间三者变量间的转换关系。 (3)基于AMESim软件,完成了液压系统中包括液压泵、液压缸、阀等主要液压元件的参数设置,通过仿真分析挖掘机机械臂在不同环境下工作作业时各液压油缸压力和流量变化,最终实现对各液压油缸的稳定位移控制。 (4)结合SOLDWORKS、ADAMS和MATLAB软件完成运动学控制联合仿真。首先运用SOLIDWORKS软件以VOLVO EC550型挖掘机为参考机型,构建了液压破碎锤挖掘机三维模型,导入ADAMS软件中完成相关设置后,通过Simulink模块设计了传统PID控制和模糊PID控制两种不同控制策略的控制器。通过对所得的阶跃响应曲线对比分析,证明了模糊PID控制器对非线性特性显著的挖掘机机械臂系统有更强的鲁棒性。