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反铲挖泥船反铲装置运动学建模与系统设计

作　者: 杨会永
导　师: 俞孟蕻
学　校: 江苏科技大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 反铲挖泥船运动学模型轨迹规划 PROFIBUS现场总线 PLC
分类号: U674.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 2次
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内容摘要

对于日益壮大的疏浚行业来说，反铲挖泥船有着不可替代的作用。反铲挖泥船特殊的反铲装置使它能胜任各种不同的挖深，并能在狭小的工作场所进行挖掘，而且在对硬质土层的挖掘上有相当的优越性，而与反铲挖泥船的重要性相对应的反铲挖泥船的自动化疏浚的研究，国内和国外的差距还是比较明显。为了追求疏浚的效率和挖掘过程的安全性，研究反铲装置的自动化控制就尤为重要了。反铲挖泥船的智能自动化主要体现在两个方面，一是健全的SCADA上位机系统，二是完善的下位机自动控制系统。本文通过对国内外反铲挖泥船发展和自动控制技术的研究现状，以中交疏浚技术重点实验室开放基金项目为依托，研究反铲挖泥船自动控制系统。针对反铲装置基于现场总线和工业以太网的实时控制问题进行了系统的探讨与研究，其主要内容如下：针对反铲装置的机构特点和作业环境，运用坐标变换和基于角度补偿的D-H方法建立准确的反铲装置运动学模型，提出四种不同的空间运动学描述，并给出不同空间变量之间的相互转换的求解方法，最后给出路径规划中需要考虑的盲位盲角问题的求解方法。为了实现反铲装置自动控制，必须给出轨迹规划的方法，本文在分析现有轨迹规划方法和技术的基础上，给出了在关节空间实现基于时间准则的轨迹规划策略，根据B样条曲线拟合得到经过给定点的平滑曲线，满足导数的连续性的特点，以及遗传算法具有很好的全局寻优策略的特点，利用遗传算法与B样条曲线相结合的技术，将给定关节角度间的时间最短作为寻优目标，以速度和加速度在允许范围内作为约束，寻找得到最优值。不仅得到了反铲装置工作过程平滑稳定的插值轨迹，也提高了工作效率。依据反铲挖泥船反铲装置的控制要求，从应用全船网络控制系统的角度出发，进行了反铲装置的硬件系统设计，给出了硬件平台的基础配置，建立了基于PLC现场网络的控制系统。解决了反铲挖泥船监控系统的数据采集和传输的问题。测试表明，在功能上基本满足了自动控制的要求。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-9
第一章绪论  9-16
  1.1 选题的背景和意义  9-10
  1.2 挖泥船背景知识及介绍  10-15
    1.2.1 挖泥船的分类及特点  10-11
    1.2.2 反铲式挖泥船简介及其发展与现状  11-15
  1.3 本文的研究内容和主要工作  15-16
第二章反铲挖泥船反铲装置的运动学建模  16-33
  2.1 引言  16
  2.2 反铲挖泥船的工作过程分析  16-18
    2.2.1 反铲挖泥船的构造简介  16-17
    2.2.2 反铲挖泥船工作过程及特点  17
    2.2.3 本文研究对象的技术参数  17-18
  2.3 反铲挖泥船反铲装置运动学基本概念  18-21
    2.3.1 反铲挖泥船反铲装置空间描述  19-20
    2.3.2 D-H 连杆坐标系和运动学基本方程  20-21
  2.4 反铲挖泥船反铲装置的运动学模型  21-26
    2.4.1 反铲装置的正运动学模型  22-24
    2.4.2 反铲装置的逆运动学模型  24-26
  2.5 关节空间与驱动空间的转换  26-29
    2.5.1 马达转角与平台转角的转换  26-27
    2.5.2 动臂关节角与油缸长度的关系  27
    2.5.3 斗杆关节角与油缸长度的关系  27-28
    2.5.4 铲斗关节角与油缸长度的关系  28-29
  2.6 关节空间和检测空间的转换  29
  2.7 反铲挖泥船的有效工作范围  29-30
  2.8 雅克比矩阵  30-32
    2.8.1 雅克比矩阵的定义  31
    2.8.2 关节空间速度与加速度的关系  31-32
  2.9 本章小结  32-33
第三章反铲挖泥船反铲装置轨迹规划方法的研究  33-56
  3.1 引言  33
  3.2 规划系统的概述  33-38
    3.2.1 基于规则的路径规划  34-36
    3.2.2 基于时间准则的轨迹规划控制策略  36-38
  3.3 反铲装置时间最优轨迹规划的基本原理  38-39
  3.4 B 样条曲线  39-43
    3.4.1 四阶三次均匀 B 样条曲线的推导  40-42
    3.4.2 四阶三次 B 样条曲线的重要特征  42-43
  3.5 基于遗传算法的优化原理  43-46
    3.5.1 遗传算法的工作原理  43-44
    3.5.2 遗传算法的实现步骤  44-45
    3.5.3 遗传算法的特点  45-46
  3.6 反铲装置最优轨迹规划问题的求解  46-54
    3.6.1 关节轨迹参数化  46-47
    3.6.2 B 样条轨迹优化数学模型  47-48
    3.6.3 基于遗传算法的全局寻优  48-50
    3.6.4 计算结果  50-54
  3.7 本章小结  54-56
第四章反铲挖泥船反铲装置的硬件系统设计  56-76
  4.1 引言  56
  4.2 反铲挖泥船集成监控系统概述  56-58
  4.3 挖掘系统的硬件设计  58-62
    4.3.1 挖掘系统的硬件组成  58-60
    4.3.2 挖掘作业控制流程  60-62
  4.4 挖掘控制网络系统设计  62-68
    4.4.1 系统输入输出信号  63-65
    4.4.2 PLC 系统设计  65-67
    4.4.3 液压系统设计  67-68
  4.5 挖泥船施工作业主要参数检测  68-74
    4.5.1 采集设备功能描述  69-72
    4.5.2 系统数据传输与通信  72-74
  4.6 本章小结  74-76
结论与展望  76-77
参考文献  77-80
攻读硕士学位期间发表的学术论文  80-81
致谢  81-82
详细摘要  82-85

反铲挖泥船反铲装置运动学建模与系统设计

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