一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统

本发明涉及物理运动学、自动控制技术、传感器技术和计算机科学领域，具体涉及到一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统。

背景技术：

1、无人挖掘机是传统挖掘机与人工智能、自动控制和信息物理网络等技术深度融合的产物。相对于传统挖掘机，其拥有更高的功率利用率及作业精度，集远程作业、环境感知、智能诊断为一体，在抗震救灾、太空及水下作业等领域都有广阔的应用前景。

2、随着无人挖掘机技术的不断进步，仅仅依靠位置控制挖掘机机械臂已经无法满足更高性能的需求。特别是对于需要输出大扭矩的挖掘机机械臂，在与不同物料接触时，需要采用合理的主动柔顺控制策略，以降低碰撞瞬间的巨大冲击力和整个碰撞过程中的接触力，甚至让机械臂能够避开碰撞物，并保持在一个安全状态,最终达到可以适应各种复杂工况的目的。

3、现阶段挖掘机机械臂柔顺控制大多通过阻抗控制器实现的，但存在对液压缸控制系统进行粗略的线性建模，未考虑延迟特性对系统影响，不能保证机械臂在自由空间和作业空间均能平稳运行以及固定阻尼在不同工况下柔顺性较差等问题。因此对挖掘机机械臂的柔顺控制进行深入分析和研究变得至关重要，以适应各种复杂工况场景。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统。该系统主要由运动学逆解模块、pid控制器模块、机械臂模块、空间状态模块、模糊控制器模块和变阻抗控制器模块组成，实现了液压挖掘机机械臂主动柔顺控制，降低碰撞瞬间的巨大冲击力和整个碰撞过程中的接触力，避免了挖掘机机械臂因剧烈碰撞而发生损伤，大大延长了使用寿命，解决了在各种复杂物料工况场景下挖掘机机械臂平稳安全运行的控制难题。

2、技术方案：本发明是一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统，该系统由运动学逆解模块、pid控制器模块、机械臂模块、空间状态模块、模糊控制器模块和变阻抗控制器模块组成；运动学逆解模块负责根据给出的末端位置计算机械臂关节转动角度，结果输出到pid控制器模块；pid控制器模块负责调节期望关节转动角度θc与实际关节转动角度θ的偏差△θ，输出阀控伺服缸驱动电压ug到机械臂模块；机械臂模块负责基于驱动电压ug进行机械臂角度转动，并通过高精度传感器测量实际旋转角度θ角和通过各关节力矩计算出实际接触力f，旋转角度θ输出到pid控制器模块，实际接触力f输出到空间状态模块、模糊控制器模块和变阻抗控制器模块；空间状态模块负责判断机械臂是在自由空间还是作业空间，它接收来自机械臂模块测量的实际接触力f，并向模糊控制器模块和变阻抗控制器模块输出合适的期望接触力f2；模糊控制器模块接收来自机械臂模块实际接触力f和来自空间状态模块期望接触力f2，输出变阻抗值△c(k)到变阻抗控制器模块；变阻抗控制器模块负责接收机械臂模块反馈的实际接触力f、状态观测器输出的期望接触力f2和模糊控制器输出的阻抗变化量△c(k)，并输出位置改变值△x到运动学逆解模块，形成闭环反馈，最终构成挖掘机机械臂的柔顺控制系统；

3、所述运动学逆解模块是执行求解液压挖掘机机械臂运动学逆解功能的，采用基于缸速范数最小化的梯度投影法，具体解释为一种基于伪逆法的冗余自由度机械臂逆解算法。这种算法将逆运动学的解分解成两部分，分别是最小缸速范数解以及其次解，第一部分可保证末端执行器的运动规律，而第二部分可实现对机械臂运动的二次目标优化；最终根据位置偏差求解出机械臂关节期望转动角度；

4、所述pid控制器模块负责调节期望关节转动角度θc与实际关节转动角度θ的偏差△θ。将偏差值△θ通过一个pi控制器后得到机械臂模块控制电压ug，使各关节达到合适的角度。pi控制器参数是基于挖掘机液压缸控制系统非线性模型进行仿真调节，确定比例系数kp和积分系数ki的值；

5、所述挖掘机液压缸控制系统非线性模型由先导阀数学模型、滑阀流量模型、液压缸流量模型、活塞力平衡模型组成，进而建立液压控制系统的非线性状态空间方程。挖掘机电液控制系统主要由先导电液比例阀、换向阀以及液压缸等构成，它是典型的非线性系统，引起非线性的原因有：电液比例阀死区与饱和，多路阀芯中位油封行程(死区)，阀控非对称缸静、动态特性非对称性以及液压缸非线性摩擦等。其中先导阀数学模型是用来描述因电液比例阀死区引起的非线性，建立控制信号ug与换向阀阀芯位移xν之间关系的方程式；滑阀流量模型是用来描述由电液比例阀饱和引起的非线性，建立表示换向阀中无杆腔流量q1和有杆腔流量q2的滑阀负载流量方程；液压缸流量模型是用来描述由阀控非对称液压缸的静态特性非对称性引起的非线性,建立在液压缸中无杆腔流量q1和有杆腔流量q2的液压缸流量连续性方程；活塞力平衡模型是用来描述由阀控非对称缸动态特性非对称性和液压缸非线性摩擦引起的非线性，建立液压缸活塞的力平衡方程，其中负载力一般包括惯性力、粘性阻尼力、缸壁摩擦力，弹性力和随机负载力；联立以上四个模型方程进而建立控制信号ug与液压缸活塞位移x的非线性状态空间方程；

6、所述挖掘机液压缸控制系统大延迟模型由多个延迟环节构成，根据挖掘机液压系统的工作原理，液压系统出现大延迟的原因主要有：阀门运动延迟、代码运行延迟和指令发送延迟。阀门运动延迟是指液压系统中的压力在推进和回退过程中随输入信号快速变化，导致实际输出信号滞后于理论输出信号，形成时间延迟，这种现象在液压腔内压力随着输入信号的变化而产生；代码运行延迟指的是在复杂多工况的情景下，挖掘机智能算法在处理大量信息时遇到的运算延迟和处理故障导致的延迟，这种延迟由于作业环境、接触目标、设备本身等因素引起；指令发送延迟是指在控制指令信息传输过程中，可能出现数据丢失、乱序、阻塞和中断等问题，直接或间接造成时间延迟，这种延迟主要包括信息产生时的滞后、数据包缓冲等待时延以及传输时的滞后；本系统采用smith预估器处理延时系统，使得其闭环系统的特征方程中不再包含延时项，对系统的稳定性和动态性能具有改善；原本闭环传递函数包含延迟环节若延迟τ＝τ1+τ2+τ3太大，系统将变得极其不稳定，因此考虑引入带有smith预估器的闭环系统；考虑到实际控制器由数字实现，因此在离散域进行分析，设延迟τ为采样周期的n倍，则z-ng0(z)为原传递函数，控制器d0(z)和(1-z-n)g0(z)组成的闭环系统为smith预估器；经过补偿后，整个闭环系统的特征方程就不再包含z-n,因此虽然整个系统的延时仍然存在，但纯延时的特性已不再影响系统的稳定性和动态性能，也可以更加灵活地设计控制器d0(z)；

7、所述机械臂模块是实际运动执行端，分为液压缸部分、挖掘机机械臂部分、角度编码传感器部分和接触力测量计算相关传感器部分。该模块输入信号来源于pid控制器模块输出的控制电压ug，该信号输入到液压缸部分，通过先导比例阀调节滑阀开度，控制液压缸活塞运动，进而推动挖掘机机械臂转动合适的角度；挖掘机机械臂部分由俯仰关节、肘俯仰关节和小臂俯仰关节构成；在实际机械臂做出相应转动后，角度编码传感器会测量此时的关节转动角度θ，最后反馈给pid控制器模块，与期望关节转动角度θc做差值，形成有效的机械臂角度调节，实现液压挖掘机机械臂到达期望的位置；最终通过测量计算输出实际接触力到空间状态模块、变阻抗控制器模块和模糊控制器模块；

8、所述空间状态模块是为解决传统位置型阻抗柔顺控制在刚度参数k取较小值时，在自由空间轨迹出现较大偏差的问题而设立的逻辑判断模块。当阻抗刚度不为零，机械臂在自由空间接触作业时，轨迹误差会随着阻抗刚度k的逐渐增大而减小；当机械臂在作业空间工作时，轨迹误差会随着阻抗刚度k的逐渐减小而减小。该模块接收来自机械臂模块的实际接触力f和上一时刻期望接触力f1,并最终向模糊控制器模块和末端阻抗控制器模块输出此刻期望接触力f2，实时地改变刚度参数k。该模块的逻辑判断如下：首先要初始化期望接触力f1，使其与初始实际接触力相等，并假设此时液压挖掘机机械臂空间状态为处于自由空间；第二步是进行循环逻辑判断，判断此刻实际接触力f是否等于或超过设置的接触力阈值fa，如果没有超过，则设此刻的期望接触力f2和上一时刻的期望接触力f1等于此刻实际接触力f，输出此刻的期望接触力f2并继续循环运行；如果等于或超过了，则判断此刻实际接触力f是否等于或超过设置的接触力阈值fb，如果没有超过，则设此刻的期望接触力f2和上一时刻的期望接触力f1等于此刻实际接触力f，并改变此时液压挖掘机机械臂空间状态为处于作业空间，输出此刻的期望接触力f2；如果等于或超过了，则设此刻的期望接触力f2等于上一刻的期望接触力f1，上一刻的期望接触力f1不变，并改变此时液压挖掘机机械臂空间状态为处于作业空间，输出此刻的期望接触力f2；由此实现了根据机械臂处于不同的工作空间和接触力状况，改变传统位置行阻抗柔顺控制在刚度参数k的作用；

9、所述模糊控制器模块是基于模糊控制原理，通过数据离散化实现的，负责接收来自机械臂模块输出的实际接触力f以及来自空间状态模块的期望接触力f2。该模块包含有两个输入，第一项输入为接触力偏差△fd(k)，是指在机械臂与作业对象接触的情况下期望接触力与实际接触力的差值；第二项输入为接触力的改变量△f(k)，即当前时刻的实际接触力与上一时刻实际接触力的差值；输出项为阻尼参数的修正值△c(k)。为了进行模糊控制，首先对△fd(k)和△f(k)两个输入变量进行数据的归一化处理，即将每一时刻的值除以这段时间内的最大值，从而得到△fd*(k)、和△f*(k)；之后将输入输出变量都划分为nb(负大)、nm(负中)、ns(负小)、zo(零)、ps(正小)、pm(正中)、pb(正大)这7个模糊子集，并且选择高斯基函数作为其每个模糊集的隶属函数；确定模糊规则对应表后，采用max-min复合运算式模糊推理规则作为模糊推理算法；推理结果的反模糊化处理则采用面积重心法，即求以隶属度函数曲线与横坐标围成的面积的重心；最后进行反归一化处理，从而得出阻尼参数的修正值△c(k)，输出到变阻抗控制器模块进行变阻抗控制；

10、所述变阻抗控制器模块是基于位置型变阻抗控制实现的，包括内环控制、阻抗外环控制以及由末端与环境组成的质量-弹簧-阻尼系统。该模块接收来自机械臂模块输出的实际接触力f，来自空间状态模块输出的期望接触力f2以及来自模糊控制器模块输出的阻尼参数的修正值△c(k)，输出位置改变量△x到运动学逆解模块。当期望接触力f2和实际接触力f有了偏差值△f时，阻抗控制外环会将偏差值△f转换为控制内环的位置输入信号，从而实现系统的柔顺控制。由末端与环境组成的质量-弹簧-阻尼系统是一个虚拟模型，它包括阻抗控制器质量m，阻抗控制器阻尼系数c以及阻抗控制器刚度系数k，变阻抗的主动柔顺控制正是通过改变阻抗控制器刚度系数k使得控制液压挖掘机机械臂在不同空间状态下稳定跟踪轨迹来实现的。

11、本发明的有益效果：

12、(1)相比以往的液压缸线性建模，本系统进行挖掘机液压缸控制系统非线性建模，模型输出结果更加精准，使调试pid仿真后得到的参数与实际参数更接近，轨迹跟踪更精准，大大缩减实际机械臂调试进程；

13、(2)建立挖掘机液压缸控制系统大延迟模型，将各种算法延迟，阀门运动延迟等考虑其中，并通过smith预估器进行预估补偿，大大提高了系统的稳定性和动态特性；

14、(3)设立了系统空间状态模块，能通过实际接触力反馈，实时改变系统的空间状态信息，有效解决了机械臂系统如何在自由空间和工作空间皆平稳运行的问题，极大提高了系统的稳定性；

15、(4)相比以往采用基于位置型的阻抗控制方法，本系统采用模糊变阻抗控制方法，能有效解决在接触过渡阶段的强冲击问题，避免机械臂受到损伤，实现了主动柔顺控制。