1、 第2卷 第1期V o l.2 N o.1 2 0 2 3年2月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A F e b.2 0 2 3步行式挖掘机方向纠偏控制参数多目标优化方法韩 军1,张 帅2,杨小强3,刘小林3,陈高杰1,刘 津1(1.陆军研究院,江苏 无锡 2 1 4 0 3 5;2.陆军工程大学 训练基地,江苏 徐州 2 2 0 0 1 4;3.陆军工程大学 野战工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 0 7)摘要:针对步行式挖掘机自行上运输车过程中,实现一次方向纠偏控制参数
2、的求解问题,建立了步行式挖掘机方向纠偏时的运动学微分方程,构造了一种求解方向纠偏控制参数多目标优化模型,用两级优化模型对纠偏控制参数进行求解。第一级优化模型利用信赖域法对一阶微分方程进行求解,得到步行式挖掘机方向纠偏过程中的运动参数;第二级优化模型用序列二次规划法对多目标优化模型求解,得到不同接近角情况下一次纠偏控制优化参数。利用仿真分析对第一级优化模型进行了验证。研究表明,建立的步行式挖掘机纠偏模型正确,当接近角小于2 5 时,步行式挖掘机可实现一次方向纠偏,所提出的两级优化模型控制参数求解方法可为步行式挖掘机无人化纠偏提供理论依据。关键词:步行式挖掘机;无人化控制;方向纠偏;控制参数;两级
3、优化模型;多目标优化 中图分类号:TH 1 1 3;O 2 2D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2 2 0 4 2 0 0 0 1M u l t i-o b j e c t i v e O p t i m i z a t i o n M e t h o d f o r S o l v i n g C o n t r o lP a r a m e t e r s o f D i r e c t i o n C o r r e c t i o n o f W a l k i n g M o b i l e E x c a v a t
4、 o r HAN J u n1,Z HANG S h u a i2,YANG X i a o q i a n g3,L I U X i a o l i n3,CHE N G a o j i e1,L I U J i n1(1.A r m y A c a d e m y o f P L A,W u x i 2 1 4 0 3 5,C h i n a;2.T r a i n i n g B a s e,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,X u z h o u 2 2 0 0 1 4,C h i n a;3.C o
5、 l l e g e o f F i e l d E n g i n e e r i n g,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,N a n j i n g 2 1 0 0 0 7,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e p r o b l e m o f d e t e r m i n i n g t h e c o n t r o l p a r a m e t e r s o f d i r e c t i o n c o r r e c t i o
6、 n t o a-c h i e v e s u c c e s s o n t h e f i r s t a d j u s t m e n t i n t h e c l i m b-u p p r o c e s s o f t h e w a l k i n g m o b i l e e x c a v a t o r o n t o t h e t r u c k b y i t s e l f,t h e k i n e m a t i c d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n o f d i r e c t i o n c o r r
7、 e c t i o n m e c h a n i s m f o r t h e w a l k i n g m o-b i l e e x c a v a t o r w a s e s t a b l i s h e d,a n d a m u l t i-o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n m o d e l f o r s o l v i n g t h e c o n t r o l p a r a m e t e r s o f d i r e c t i o n c o r r e c t i o n w a s c o n s
8、 t r u c t e d.F u r t h e r m o r e,t h e b i-l e v e l o p t i m i z a t i o n m o d e l w a s e m p l o y e d t o s o l v e t h e o p t i m i z a t i o n m o d e l.A t t h e f i r s t l e v e l,t h e f i r s t-o r d e r d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n w a s s o l v e d b y t h e t r u s t
9、 r e g i o n m e t h o d a n d t h e m o t i o n p a r a m e t e r s i n t h e c o u r s e o f d i r e c t i o n c o r r e c t i o n f o r t h e w a l k i n g m o b i l e e x c a-v a t o r a r e o b t a i n e d.A t t h e s e c o n d l e v e l,t h e m u l t i-o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n
10、 m o d e l w a s s o l v e d b y s e q u e n t i a l q u a d r a t i c p r o g r a mm i n g m e t h o d,a n d t h e o p t i m a l p a r a m e t e r s o f s u c c e s s f u l d i r e c t i o n a d j u s t m e n t a t d i f f e r e n t a p p r o a c h a n g l e s w e r e o b t a i n e d.T h e f i r s
11、t l e v e l o p t i m i z a t i o n m o d e l w a s v e r i f i e d b y s i m u l a t i o n a n a l y s i s.T h e r e s e a r c h s h o w s t h a t t h e m o d e l f o r d i r e c t i o n c o r r e c t i o n o f t h e w a l k i n g m o b i l e e x c a v a t o r i s c o r r e c t.Wh e n t h e a p p r
12、 o a c h a n g l e i s l e s s t h a n 2 5,t h e w a l k i n g m o b i l e e x c a v a t o r c a n b e d i r e c t i o n a l l y c o r r e c t e d w i t h o n e o p e r a t i o n.T h e p r o p o s e d m e t h o d o f b i-l e v e l o p t i m i z a t i o n m o d e l f o r c o n t r o l p a r a m e t e
13、 r s s o l u t i o n c a n p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r u n m a n n e d d i r e c t i o n c o r r e c t i o n o f t h e w a l k i n g m o b i l e e x c a v a t o r.收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 0基金项目:军内科研项目(3 0 1 0 6 0 1 0 2 0 4)。第一作者:韩 军,博士,研究员,主要研究军用工程机械装备需求与应用,h a n j u n 1 1 0 71 6
14、 3.c o m。通信作者:杨小强,博士,教授,博士生导师,主要研究机械设备健康监测和故障诊断,1 1 3 5 9 3 6 9 9q q.c o m。K e y w o r d s:w a l k i n g m o b i l e e x c a v a t o r;u n m a n n e d c o n t r o l;d i r e c t i o n c o r r e c t i o n;c o n t r o l p a r a m e t e r;b i-l e v e l o p t i m i z a t i o n m o d e l;m u l t i-o b j e
15、 c t i v e o p t i m i z a t i o n 步行式挖掘机是一种适合于高原和山地作业的特种工程机械1-2,主要由步行式底盘和工作装置组成。步行式底盘是一种由多组关节、腿、轮连接而成的多自由度机构,其4条步行腿与具有伸缩功能的工作装置配合起来,相当于一个具有5条腿的步行行走机构,使得步行式挖掘机具有越障、爬坡、涉水、跨越壕沟等特殊功能,可在复杂地形环境下进行步行和作业。由于步行式挖掘机行驶速度较低,长距离机动时一般采用专用车辆运输。在采取无人化控制时,步行式挖掘机自行上运输车过程中,需要对其进行对中定位。由于步行式挖掘机轴距长,转弯半径大,若采取反复倒车、转向、前进的方式
16、3,在运输车的后方需要具有较大的空间才能完成,方向调整控制复杂,耗时长。为此,采用工作装置辅助纠偏操纵方法,以实现一次方向纠偏,缩短方向纠偏时间。纠偏过程中,步行式挖掘机为一个三点支撑的二自由度运动的机构,在回转平台驱动马达的作用下,两个前轮绕铲斗旋转,此时两轮受地面摩擦力的作用在地面上滑动,由于两个前轮支撑点运动方向具有不确定性,步行式挖掘机方向纠偏时是一种非完整约束机械系统。对于轮式非完整机械系统运动问题,文献4 研究了基于视觉伺服技术的非完整移动机器人的固定时间轨迹跟踪控制问题,文献5 研究了一种牵引式-拖车轮式移动结构的轨迹跟踪问题,文献6 将四轮机器人运动规划转化为非线性控制系统的优化问题,文献7 研究一种三轮机器人的转弯轨迹规划,文献8 利用实验的方法研究了四轮式车辆速差转向系数,文献9 采用模糊逻辑控制器控制一种四轮机器人在纵向打滑状态下的轨迹,文献1 0 采用一种D V S-MHE(d i r e c t v i r t u a l s e n s o r m o v i n g h o r i-z o n e s t i m a t o r)方法用于估计车辆侧滑角度,