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摘要：
本技术方案采用液压油缸内置的磁性伸縮位移传感器，运用运动控制技术相关理论，通过搭建适用的硬件和软件平台，将人为操作的三个油缸的运动关系及轨迹记忆，达到机器的自主学习及寻迹运动功能。
关键词：工程机械;机器学习;智能化;运动控制;
1、引言：
目前，路面铣刨机作为公路与城市道路养护作业的专用机械设备，已被广泛应用于公路、机场、码头、停车场等沥青混凝土面层的开挖翻修及路面病害的清除等。如图一所示，通常情况下右后支腿处于车身外侧，即位置1，但因为路牙石等障碍物的存在，又需要将右后的支腿摆动至车身内侧位置，即位置3，以实现贴着路牙石进行铣刨作业的目的，还有一些更特殊的工况可能会用到位置1和位置3的中间位置，即位置2.市场上现有铣刨机的支腿摆动控制系统多采用普通销轴固定连接支腿与车架，手动拔出销轴后靠人力摆动支腿换向，同时用手动换向球阀切换马达的油液流向，这种方式费时费力，且若忘记切换手动换向球阀，会导致行走异常，对马达、减速机、轮胎或履带等造成损害。本文阐述一种支腿自动摆动并定位至需求位置的控制系统，设置为学习模式后，人工摆动一次支腿的摆进摆出运动过程，机器便可记忆学习该次轨迹，此后在自动模式下即可依据此轨迹一键进行摆动及定位。
2、系统组成
如图1所示，铣刨机支腿智能化运动轨迹学习系统是一个电液控制系统，主要涉及的组件包括3个不同位置的定位操作开关、控制器、显示器、右后支腿摆动油缸、右后支腿摆动油缸位移传感器、右后支腿摆动电比例换向电磁阀、右后履带转向油缸、右后履带转向电比例换向电磁阀，右后履带转向油缸位移传感器，插销缸电磁换向阀、插销油缸、插销油缸位置接近开关等组成。该系统包括三种模式，即全自动模式，学习模式、全手动模式，三种模式可在显示器上进行切换选择，其中全自动模式是机器常规使用操作模式，学习模式为调试专用模式，全手动模式为备选模式，旨在当传感器或者线路等故障自动模式失效时应急所需。
3、硬件方案设计
如图二所示，三个定位操作开关和一个转向操作开关，分别为摆进位置定位开关S1、摆中位置定位开关S2、摆出位置定位开关S3和后右履带转向开关S4。S1与S3分别接入PLC的DI_1和DI_2开关量输入针脚，S2通过两个防反向的二极管V0、V1同时接入DI_1和DI_2脚，S4开关左向和右向操作触点信号分别接入PLC的DO_4、DO_5。当按下S1即仅DI_1有信号输入时，在全自动模式下代表摆进位置请求信号，同时在学习模式或者全手动模式下为摆进动作请求信号;当按下S3即仅DI_2有信号输入时，在全自动模式下代表摆出位置请求信号，同时在学习模式或者全手动模式下为摆出动作请求信号;当按下S2即DI_1和DI_2同时有信号输入时，代表摆中位置请求，同时在全手动模式下为插销油缸插入请求信号。S4左向操作代表后右履带左转请求信号，右向操作代表右转请求信号。
两个标准电流型的位置传感器分别内置于右后支腿摆动油缸和右后履带转向油缸，将两个油缸的伸缩位置转换成电流信号接入PLC的AI_1和AI_2模拟量输入针脚，该电流型信号的设计范围值为4000-20000μA，因此该信号可进行油缸位置的精确定位。在行车转向过程中为防止支腿因转向力的影响而偏离定位位置，在支腿摆动臂与车架子之间设计一个插销孔，控制插销油缸伸缩的电磁换向阀接入PLC的DO_1针脚，该输出控制针脚可只能判断销轴的插入和拔出。
右后支腿的摆动通过PWM_1和PWM_2两个脉冲调制信号接入摆进和摆出两个方向的控制比例电磁阀上，借此控制支腿的摆动方向、速度和启停，同样的道理通过PWM_3和PWM_4控制右后履带的左右转向、转向速度和启停。
PLC与显示器DISPLAY之间通过CAN总线进行通讯连接，显示器可实现系统三种操作模式的切换选择，并可以对三个定位位置进行标定，将位置信号写入PLC。
4、控制方案设计
出于安全及系统可实施性的考虑，PLC在检测到车辆处于静止状态，铣刨鼓撑住地面，右后支腿悬空状态且插销缸处于拔出状态等使能条件时方可进行右后支腿摆进摆出的各种模式操作。
手动模式：该模式主要应用于油缸位移传感器出现线路或者器件故障时候，无法进行自动摆动及定位时，应急操作使用。当处于该模式时候，在满足使能条件情况下，按下S1开关，插销油缸自动拔出并通过位置接近开关检测无误后，支腿将往内侧摆动，松开即停止摆动，当车架与支腿摆动支架的插销定位孔对齐后，按住S2开关，则插销油缸插入并锁住，按下S2开关，插销油缸自动拔出并通过位置接近开关检测无误后，支腿将往外侧摆动，松开即停止摆动，当车架与支腿摆动支架的插销定位孔对齐后，按住S2开关，则插销油缸插入并锁住。摆动过程中为避免结构件与履带的干涉，可通过操作S4开关左转动和右转动履带避障。通常支腿摆动电磁阀驱动电流较小且变化速率较快以保证支腿位置在手动状态下的快速准确的定位。
学习模式：该模式主要应用于厂内下线调试及在市场上更换部分备件之后需要重新调试时使用。当处于该模式时，首先通过显示器将右后支腿摆动油缸的P1、P2、P3三个位置信号写入PLC，PLC将在P1至P2之间、P2至P3之间分别平均截取20个点，即40个位置点X[40]。当按下S1开关时，学习轨迹方向标记为进向，插销油缸自动拔出并通过位置接近开关检测无误后，支腿将往内摆动，支腿摆动油缸信号将在P1到P2到P3之间变化，摆进过程中，右后履带会根据需要左转右转规避结构干涉物。PLC将对40个点X[40]对应的右后履带转向油缸位置信号Y[40]一一存储至PLC的FLASHROM区域并建立如表一的对应关系[1];当按下S3开关时，学习轨迹方向标记为出向，插销油缸自动拔出并通过位置接近开关检测无误后，支腿将往外摆动，支腿摆动油缸信号将在P3到P2到P1之间变化，摆进过程中，右后履带会根据需要左转右转规避结构干涉物。PLC将对40个点X[40]对应的右后履带转向油缸位置信号Z[40]一一存储至PLC的FLASHROM区域并建立如表一的对应关系，这两组对应关系在控制系统的建立即完成了运动学习的过程。
自动模式：该模式为标准应用场景，设备的常规使用中以该模式为主。当任意点击S1、S2或者S3开关后，PLC将判断当前位置与目标位置P1、P2或者P3的位置关系，若为偏外侧的位置则摆进电磁阀电流控制信号PWM_1输出，若偏内侧位置则摆出电磁阀电流控制信号PWM_2输出，该控制信号大小取决于当前位置信号与目标位置的信号ΔP输出，其关系符合图三所示，当ΔP处于饱和区S_Band的值则以Imax输出保证摆动的速度，当处于比例区P_Band时，则以Imin+（Imax-Imin）*（（ΔP-D_Band）/（P_Band-DBand））输出，当ΔP处于死区D_Band，则不输出，此时已经调整定位完成（其中Imin为支腿摆动电磁阀的开启电流值，Imax为支腿摆动电磁阀的全开电流值）[2]。而在此过程中，每当支腿油缸到达截取点位后，右后履带转向油缸将以学习模式下存储记忆的与支腿摆动油缸位置对应的位置点为目标调整，若当前履带转向油缸位置与目标值的差值大于设定的死区，则认为需要调整履带的转向，否则可能发生结构件干涉，此时支腿摆动动作停止，直至履带转向调整到对应的目标值后方可再次开始摆动。当支腿摆动到指定位置后，插销油缸自动插入销轴孔，锁住支腿。为了避免插销不到位造成行走时支腿及履带位置拖拽移位的现象，通过位置接近开关检测插销缸真正处于插入状态后方可进行机器的行走。
5、结束语
该智能化运动轨迹学习系统的设计与实施，解决了复合性复杂运动系统手动操作的繁琐易错问题，同时为工厂内的下线调试提供了便捷的途径，只需要在学习模式下经过一次手动的操作即可在后续设备使用中实现该操作过程的一键自动化，一劳永逸。该功能推出一年有余，在具体的施工过程中的应用总能让人眼前一亮，给紧张枯燥的工地平添了一份乐趣，受到了客户的一致好评。
本技术方案采用液压油缸内置的磁性伸縮位移传感器，运用运动控制技术相关理论，通过搭建适用的硬件和软件平台，将人为操作的三个油缸的运动关系及轨迹记忆，达到机器的自主学习及寻迹运动功能。
关键词：工程机械;机器学习;智能化;运动控制;
1、引言：
目前，路面铣刨机作为公路与城市道路养护作业的专用机械设备，已被广泛应用于公路、机场、码头、停车场等沥青混凝土面层的开挖翻修及路面病害的清除等。如图一所示，通常情况下右后支腿处于车身外侧，即位置1，但因为路牙石等障碍物的存在，又需要将右后的支腿摆动至车身内侧位置，即位置3，以实现贴着路牙石进行铣刨作业的目的，还有一些更特殊的工况可能会用到位置1和位置3的中间位置，即位置2.市场上现有铣刨机的支腿摆动控制系统多采用普通销轴固定连接支腿与车架，手动拔出销轴后靠人力摆动支腿换向，同时用手动换向球阀切换马达的油液流向，这种方式费时费力，且若忘记切换手动换向球阀，会导致行走异常，对马达、减速机、轮胎或履带等造成损害。本文阐述一种支腿自动摆动并定位至需求位置的控制系统，设置为学习模式后，人工摆动一次支腿的摆进摆出运动过程，机器便可记忆学习该次轨迹，此后在自动模式下即可依据此轨迹一键进行摆动及定位。
2、系统组成
如图1所示，铣刨机支腿智能化运动轨迹学习系统是一个电液控制系统，主要涉及的组件包括3个不同位置的定位操作开关、控制器、显示器、右后支腿摆动油缸、右后支腿摆动油缸位移传感器、右后支腿摆动电比例换向电磁阀、右后履带转向油缸、右后履带转向电比例换向电磁阀，右后履带转向油缸位移传感器，插销缸电磁换向阀、插销油缸、插销油缸位置接近开关等组成。该系统包括三种模式，即全自动模式，学习模式、全手动模式，三种模式可在显示器上进行切换选择，其中全自动模式是机器常规使用操作模式，学习模式为调试专用模式，全手动模式为备选模式，旨在当传感器或者线路等故障自动模式失效时应急所需。
3、硬件方案设计
如图二所示，三个定位操作开关和一个转向操作开关，分别为摆进位置定位开关S1、摆中位置定位开关S2、摆出位置定位开关S3和后右履带转向开关S4。S1与S3分别接入PLC的DI_1和DI_2开关量输入针脚，S2通过两个防反向的二极管V0、V1同时接入DI_1和DI_2脚，S4开关左向和右向操作触点信号分别接入PLC的DO_4、DO_5。当按下S1即仅DI_1有信号输入时，在全自动模式下代表摆进位置请求信号，同时在学习模式或者全手动模式下为摆进动作请求信号;当按下S3即仅DI_2有信号输入时，在全自动模式下代表摆出位置请求信号，同时在学习模式或者全手动模式下为摆出动作请求信号;当按下S2即DI_1和DI_2同时有信号输入时，代表摆中位置请求，同时在全手动模式下为插销油缸插入请求信号。S4左向操作代表后右履带左转请求信号，右向操作代表右转请求信号。
两个标准电流型的位置传感器分别内置于右后支腿摆动油缸和右后履带转向油缸，将两个油缸的伸缩位置转换成电流信号接入PLC的AI_1和AI_2模拟量输入针脚，该电流型信号的设计范围值为4000-20000μA，因此该信号可进行油缸位置的精确定位。在行车转向过程中为防止支腿因转向力的影响而偏离定位位置，在支腿摆动臂与车架子之间设计一个插销孔，控制插销油缸伸缩的电磁换向阀接入PLC的DO_1针脚，该输出控制针脚可只能判断销轴的插入和拔出。
右后支腿的摆动通过PWM_1和PWM_2两个脉冲调制信号接入摆进和摆出两个方向的控制比例电磁阀上，借此控制支腿的摆动方向、速度和启停，同样的道理通过PWM_3和PWM_4控制右后履带的左右转向、转向速度和启停。
PLC与显示器DISPLAY之间通过CAN总线进行通讯连接，显示器可实现系统三种操作模式的切换选择，并可以对三个定位位置进行标定，将位置信号写入PLC。
4、控制方案设计
出于安全及系统可实施性的考虑，PLC在检测到车辆处于静止状态，铣刨鼓撑住地面，右后支腿悬空状态且插销缸处于拔出状态等使能条件时方可进行右后支腿摆进摆出的各种模式操作。
手动模式：该模式主要应用于油缸位移传感器出现线路或者器件故障时候，无法进行自动摆动及定位时，应急操作使用。当处于该模式时候，在满足使能条件情况下，按下S1开关，插销油缸自动拔出并通过位置接近开关检测无误后，支腿将往内侧摆动，松开即停止摆动，当车架与支腿摆动支架的插销定位孔对齐后，按住S2开关，则插销油缸插入并锁住，按下S2开关，插销油缸自动拔出并通过位置接近开关检测无误后，支腿将往外侧摆动，松开即停止摆动，当车架与支腿摆动支架的插销定位孔对齐后，按住S2开关，则插销油缸插入并锁住。摆动过程中为避免结构件与履带的干涉，可通过操作S4开关左转动和右转动履带避障。通常支腿摆动电磁阀驱动电流较小且变化速率较快以保证支腿位置在手动状态下的快速准确的定位。
学习模式：该模式主要应用于厂内下线调试及在市场上更换部分备件之后需要重新调试时使用。当处于该模式时，首先通过显示器将右后支腿摆动油缸的P1、P2、P3三个位置信号写入PLC，PLC将在P1至P2之间、P2至P3之间分别平均截取20个点，即40个位置点X[40]。当按下S1开关时，学习轨迹方向标记为进向，插销油缸自动拔出并通过位置接近开关检测无误后，支腿将往内摆动，支腿摆动油缸信号将在P1到P2到P3之间变化，摆进过程中，右后履带会根据需要左转右转规避结构干涉物。PLC将对40个点X[40]对应的右后履带转向油缸位置信号Y[40]一一存储至PLC的FLASHROM区域并建立如表一的对应关系[1];当按下S3开关时，学习轨迹方向标记为出向，插销油缸自动拔出并通过位置接近开关检测无误后，支腿将往外摆动，支腿摆动油缸信号将在P3到P2到P1之间变化，摆进过程中，右后履带会根据需要左转右转规避结构干涉物。PLC将对40个点X[40]对应的右后履带转向油缸位置信号Z[40]一一存储至PLC的FLASHROM区域并建立如表一的对应关系，这两组对应关系在控制系统的建立即完成了运动学习的过程。
自动模式：该模式为标准应用场景，设备的常规使用中以该模式为主。当任意点击S1、S2或者S3开关后，PLC将判断当前位置与目标位置P1、P2或者P3的位置关系，若为偏外侧的位置则摆进电磁阀电流控制信号PWM_1输出，若偏内侧位置则摆出电磁阀电流控制信号PWM_2输出，该控制信号大小取决于当前位置信号与目标位置的信号ΔP输出，其关系符合图三所示，当ΔP处于饱和区S_Band的值则以Imax输出保证摆动的速度，当处于比例区P_Band时，则以Imin+（Imax-Imin）*（（ΔP-D_Band）/（P_Band-DBand））输出，当ΔP处于死区D_Band，则不输出，此时已经调整定位完成（其中Imin为支腿摆动电磁阀的开启电流值，Imax为支腿摆动电磁阀的全开电流值）[2]。而在此过程中，每当支腿油缸到达截取点位后，右后履带转向油缸将以学习模式下存储记忆的与支腿摆动油缸位置对应的位置点为目标调整，若当前履带转向油缸位置与目标值的差值大于设定的死区，则认为需要调整履带的转向，否则可能发生结构件干涉，此时支腿摆动动作停止，直至履带转向调整到对应的目标值后方可再次开始摆动。当支腿摆动到指定位置后，插销油缸自动插入销轴孔，锁住支腿。为了避免插销不到位造成行走时支腿及履带位置拖拽移位的现象，通过位置接近开关检测插销缸真正处于插入状态后方可进行机器的行走。
5、结束语
该智能化运动轨迹学习系统的设计与实施，解决了复合性复杂运动系统手动操作的繁琐易错问题，同时为工厂内的下线调试提供了便捷的途径，只需要在学习模式下经过一次手动的操作即可在后续设备使用中实现该操作过程的一键自动化，一劳永逸。该功能推出一年有余，在具体的施工过程中的应用总能让人眼前一亮，给紧张枯燥的工地平添了一份乐趣，受到了客户的一致好评。