半自主操作控制系统通常具有两级结构,分为上位机控制系统和运动控制系统,其中上位机控制系统主要完成规划任务,包括高层规划,即任务规划和路径规划两方面内容;底层规划即为运动轨迹规划,也是实现半自主操作规划的最重要内容,即根据作业任务的要求计算出预期的运动轨迹,包括各自由度的位姿、速度和加速度。要求挖掘机完成某一种操作作业,就需要对其运动轨迹进行规划和协调。而运动控制系统则主要根据上位机的规划结果实现轨迹控制挖掘机的运动控制由运动控制器发出指令,驱动相关装置完成,它是整个控制系统的核心。
运动控制器根据挖掘机的动力学特性和传感器的反馈信号,按照一定的算法综合出适当的指令,向电液比例系统发出控制信号,控制挖掘机按照规划好的运动轨迹运行,直至达到给定的位姿并完成预定的任务为止挖。掘机的传动机构主要由动力源、电液比例控制系统组成,传动机构接到控制信号后驱动执行机构,完成预定任务。执行机构主要包括动臂、斗杆和铲斗液压缸、回转和行走马达等。检测机构主要包括安装在动臂、斗杆和铲斗上的角度传感器、回转平台的回转编码器及行走检测传感器等。
任务规划，任务规划主要是求解完成挖掘机作业任务所应当遵循的操作顺序。完成作业任务的途径多种多样,因此从初始状态到目标状态之间有无穷多个中间状态,从中选择出可以历经的N个有序的中间状态,最佳地完成物料状态的转变,这就是任务规划的目的。不同的作业要求有不同的解答,例如,完成“装运一定的土方”的任务规划解答与完成“平整一平面”的任务规划解答不尽相同,前者注重于使每次动作取得尽可能好的装满效果,后者注重于使每次动作后的工作面形状尽可能通近目标形状。而同样的作业要求也有不同的规划解答,这依赖于知识的利用及作业所处的环境。
任务规划面对的不只是单纯的数学世界,而是真实的问题世界,所以它的求解更多地依赖于环境信息、挖掘机本身的特性和专家的经验。由于作业环境往往是变化的,因而任务规划时采用分层规划技术是有利的。首先根据作业要求构成状态变化的大致框架,然后结合获取的环境信息逐步细化这框架,直到明确所历经的所有中间状态,最后确定从一状态向相邻下一状态发生跃迁时需要的操作,这多半是典型的动作,如水平推进、转斗挖掘等。这个过程伴随着作业进程在线完成。
为了提高规划效率,有时可以采用学习式规划方式,将典型的作业要求、典型的工作环境中的解答构成知识库,供任务规划时借助于类比的方法选用。知识的使用是任务规划的必然,总结归纳领域专家知识,建立任务规划专家系统,将是最有效的任务规划方法。和一般机器人的规划一样,液压挖掘机的任务规划研究也分三个方面:建模、任务说明、挖掘程序综合。(1)建模即建立任务的工作区模型。其目的是确定任务环境中挖掘机和工作面的几何描述、所有连杆机构的运动学描述、有关挖掘机特性(如关节限制)及传感器特性等的描述。(2)任务说明主要是给出任务的初始和目标状态。(3)挖掘程序综合使挖掘机能可靠地达到期望目标的运动轨迹。
对于作业过程的规划这一比较复杂的问题领域,一般是将大问题分解为子问题及子子问题,并对这些较小的问题进行求解,然后把这些部分的解答归并为一个完全的问题解答,这样有利于错误的发现和改进。以挖掘机一个典型作业循环过程为例,将该过程分解为四个部分—挖掘、满斗提升与回转、卸载、空斗返回,每一部分相对独立地进行规划,最后由挖掘机执行机构连贯地执行。
路径规划，将任务规划的结果变成一个无碰撞的工作装置运动路径(包括铲斗位置和姿态),这称为路径规划。在任务规划给出的状态变化序列中,任意两个状态之间的跃迁都对应着工作装置一次或连续几次的典型作业。根据任务规划的输出及环境信息,如工作面形状、空间障碍物及要求的卸载位置,形成有效的、无碰撞的作业路径,这是路径规划的目的。
路径规划形成的空间作业路径与时间无关,当路径点与动作方式由人来决定时,体现出来的是示教再现功能,这对复杂的、难以总结规划的动作是有利的路径规划;当路径点与动作方式由机器自动决定时,体现出来的是路径自主功能。在路径规划中,知识的合理运用将使规划过程迅速而有效。在此,知识以规则的形式引导路径规划的完成。规则是规划的依据,不同的作业要求有不同的规则和不同的使用策略。下面通过以反铲装载作业和具有力反馈的反铲挖掘作业来说明规则在路径规划中的应用。
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