【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于轨迹规划，涉及一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖掘轨迹规划方法。
技术介绍
1、矿用电铲是一款大型现代化矿山挖掘设备，目前已被广泛应用于大型露天矿场的矿产资源开采挖掘。但就目前实际情况来看，矿山岩石爆破不充分、挖掘振动噪声大、工作时间长、十分依赖驾驶员操作经验等不利因素都使得矿用电铲使用寿命短，同时也影响挖掘效率和矿场产量。因此十分需要设计一款无人操作电铲系统来提高挖掘效率和矿场产量，而无人操作电铲系统的核心技术则是电铲的挖掘轨迹规划，它决定了铲斗的运动情况，直接影响挖掘效率和挖掘能耗。
2、目前的无人操作电铲系统多采用单一重复式挖掘，即事先对多个待挖掘物料面进行轨迹规划，综合多个轨迹规划结果得到一条通用性较强的挖掘轨迹，进而规划挖掘轨迹上各个点的挖掘速度和铲斗的运动状态数据，将调整好的数据传输到上位机，上位机将挖掘轨迹数据传输给下位机(plc)，从而下位机(plc)控制矿用电铲的挖掘轨迹，这种挖掘轨迹规划方法简单可行，可维护性高，降低工人劳动强度的同时提高了挖掘效率。但这种挖掘轨迹规划方法缺乏实时的自主决策能力，不能实时地对待挖掘表明进行挖掘轨迹规划，因此每次挖掘的满斗率得不到保证，再者面对岩石爆破不充分的情况，机械式地执行已规划好的挖掘轨迹可能会导致短时间内挖掘实际功率大于挖掘额度功率的短时间过载情况，容易导致矿用电铲过载损害，缩短矿用电铲的使用寿命，影响挖掘效率。
3、本专利技术通过结合数值模型、代理模型和优化算法技术，构建了一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖掘轨迹规划
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖掘轨迹规划方法，该方法根据激光雷达扫描返回实时的待挖掘物料表面的点云信息，根据点云信息采用径向基函数构建一个隐式曲面，基于构建的隐式曲面进行多约束条件下的挖掘轨迹寻优算法，从而实现对待挖掘物料表面的实时挖掘轨迹规划。该方法具有优化性、实时性、针对性，因此可大幅提高挖掘效率，延长矿用电铲的使用寿命。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖掘轨迹规划方法，主要包括以下步骤：
4、a、矿用电铲上搭载激光雷达，并与上位机进行通信，矿用电铲的挖掘执行机构主要由斗杆和铲斗组成，挖掘执行机构的驱动装置是提升电机和推压电机，提升电机和推压电机由下位机(plc)控制。首先矿用电铲接收上位机发出的挖掘指令后运动到待挖掘物料的指定位置，矿用电铲的前端挖掘装置(结构臂)先复位后定位，先复位后定位完成后向上位机返回完成信号，准备用激光雷达对待挖掘物料面进行扫描。
5、b、利用矿用电铲上的激光雷达对待挖掘物料面进行扫描，获取待挖掘物料面的点云数据库，建立笛卡尔坐标系，则点云数据库中的每个点均由(x，y，z)组成。
6、c、激光雷达扫描待挖掘物料面获得其点云数据库后，采用高斯滤波对点云数据库中的点进行去噪处理，再对去噪后的点云数据库进行分割处理，将非待挖掘物料面部分的点云去除，从而得到处理后的待挖掘物料面点云数据。
7、d、采用径向基函数对步骤c处理后的点云数据库中的点进行预测，由于待挖掘物料面所生成的点云数据库中的点均由(x，y，z)组成，利用径向基函数可构建待挖掘物料表面的隐函数曲面f(x，y，z)＝0。则基于径向基函数确定待挖掘物料表面的预测函数包括以下步骤：
8、d1由激光雷达扫描传回并经步骤c处理后的待挖掘物料表面s上的n个采样点可找到一个隐函数f定义的曲面s’，则使得待挖掘物料表面s上的n个离散点满足以下方程：
9、f(xi,yi,zi)＝0，i＝1,2,…,n(1)
10、为了避免f≡0的情况，需要增加不在待挖掘物料表面s的离散点作为约束点，同时满足以下方程：
11、f(xi,yi,zi)＝di≠0，i＝1,2,…,n(2)
12、则f(x,y,z)＝0的点在曲面上，f(x,y,z)>0的点在曲面内部，f(x,y,z)<0的点在曲面外部。此处所述的曲面指隐函数f定义的拟合曲面s’。
13、d2步骤d1所建立的由隐函数f定义的拟合曲面s’是连顺光滑的，则可以用曲面能量方程e来衡量拟合曲面s’的曲率变化程度，能量方程e的值越小，则拟合曲面s’的畸变越小，拟合曲面s’越光滑，能量方程e公式如下:
14、
15、d3径向基函数建立的隐函数方程可使得能量方程e取得最小值，这样可保证拟合曲面s’的连续光滑，方程可表示为：
16、
17、其中，r表示拟合曲面s’上的任意数据点，ci表示该方程的离散点，wi表示每一个径向基的权值，p(r)是一个一阶多项式，p(r)＝p0+p1x+p2y+p3z，在方程中保证拟合曲面的连续性，为径向基函数，这里径向基函数采用
18、d4为求解径向基函数权值和p(r)一阶多项式中的各个系数，需满足如公式(5)所示的插值条件以及如公式(6)所示的能量方程最小化的正交条件：
19、
20、
21、其中，cj表示附加约束点，wj表示附加约束点径向基的权值；表示附加约束点对应的(x，y，z)坐标；
22、d5令可建立线下方程组：
23、
24、公式(7)所示的方程组左侧是半正定矩阵，因此可求得唯一解(w1,w2,…,wn,p0,p1,p2,p3)，将求得结果带入公式(4)即可得到待挖掘物料面的拟合隐函数曲面方程：
25、
26、e确定最优挖掘轨迹
27、矿用电铲的挖掘运动由提升和推压两个运动组合而成，首先，将矿用电铲的前端挖掘装置简化为一个二自由度机械臂，矿用电铲在进行挖掘轨迹规划时，将挖掘轨迹面离散成多条挖掘轨迹线，再将挖掘轨迹线在与铲斗宽度垂直的二维空间内进行参数化，将三维空内曲面寻优问题转变为二维空间内轨迹参数寻优问题；通过确定挖掘起始位置和挖掘终止位置，在时间域上对挖掘轨迹进行离散化处理；利用待挖掘物料面的拟合曲面s’对挖掘体积进行计算；根据挖掘阻力经验公式计算挖掘阻力；根据拉格朗日动力学方程结合矿用电铲挖掘运动和机械结构特点，可动态计算挖掘过程中的提升力和推压力；最后，再根据满斗率约束条件、斗杆最大伸长量约束条件，可回转角度约束条件、不挖地约束条件、电机最大转速约束条件、电机最大转矩约束条件、电机最大输出功率约束条件的约束下，采用鲸鱼寻优算法进行实际工况下的多约束条件的最优挖掘轨迹规划，得到最优挖掘轨迹；具体步骤如下：
28、e1将三维挖掘轨迹面在与铲斗宽度方向相垂直的方向上等距离散成n条挖掘轨迹，每条挖掘轨迹在与铲斗宽度方向相垂直的方向上的投影是同一条挖掘轨迹。
29、e2在二维空间内，为保证挖掘轨迹规划中的位移、速度、加速度在时间域上的连续性和平滑性，选择五阶多项式本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖掘轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，对激光雷达扫描返回的点云数据采用径向基函数构造待挖掘物料表面的隐式拟合曲面，采用五次多项式对挖掘轨迹进行规划预测，将挖掘轨迹规划问题转换为五次多项式系数寻优问题；其次，使用拉格朗日方程构建矿用电铲的动力学模型，通过构造的隐式拟合曲面和规划的挖掘轨迹使用积分计算理论挖掘体积，使用经验公式计算挖掘过程中的挖掘阻力；最后，以单位体积的挖掘功耗作为优化目标，确定约束条件，建立多目标寻优模型，获得优化后的挖掘轨迹曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖掘轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖掘轨迹规划方法，其特征在于，所述的步骤C中，对点云数据库处理过程为：采用高斯滤波对点云数据库中的点进行去噪处理，再对去噪后的点云数据库进行分割处理，将非待挖掘物料面部分的点云去除，得到待挖掘物料面点云数据。
4.根据权利要求2所述的一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖
5.根据权利要求2所述的一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖掘轨迹规划方法，其特征在于，所述的步骤E具体如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖掘轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，对激光雷达扫描返回的点云数据采用径向基函数构造待挖掘物料表面的隐式拟合曲面，采用五次多项式对挖掘轨迹进行规划预测，将挖掘轨迹规划问题转换为五次多项式系数寻优问题；其次，使用拉格朗日方程构建矿用电铲的动力学模型，通过构造的隐式拟合曲面和规划的挖掘轨迹使用积分计算理论挖掘体积，使用经验公式计算挖掘过程中的挖掘阻力；最后，以单位体积的挖掘功耗作为优化目标，确定约束条件，建立多目标寻优模型，获得优化后的挖掘轨迹曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于径向基函数构建隐式曲面的矿用电铲挖掘轨迹规划方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：张耀东，宋学官，李建基，马新奥，胡正国，谢文达，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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