高 槐 澤,李 光,王 夢(mèng) 麟,劉 曉 星,岳 海 峰,付 濤,宋 學(xué) 官*

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024； 2.太原重工股份有限公司 礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024 )

0 引 言

礦產(chǎn)資源是自然資源的一個(gè)重要組成部分，是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存發(fā)展、國(guó)家安全及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要保障．目前，全球70%以上的固體資源，如鐵、金、銀、煤炭等由露天開(kāi)采獲得，年采量達(dá)千億噸[1]．大型機(jī)械式礦用挖掘機(jī)(也稱(chēng)電鏟)通常是指單斗容量大于35 m3、自重超過(guò)1 000 t的重型工程機(jī)械．它是露天礦山開(kāi)采系統(tǒng)中最核心的采裝設(shè)備之一．其主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)組成．其設(shè)備的綜合性能直接決定著整個(gè)礦山的開(kāi)采效率．與此同時(shí)，以AI、大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等多學(xué)科技術(shù)與現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)品裝備深度交叉融合為基礎(chǔ)的工業(yè)裝備智能化對(duì)國(guó)家各行業(yè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展也具有十分重要的戰(zhàn)略意義[2]．

目前，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者及重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)礦用電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建進(jìn)行了研究，例如澳大利亞自主系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室CSIRO ICT中心的Dunbabin等[3]，基于德國(guó)P&H 4100電鏟設(shè)備以1∶7的比例設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其鏟斗額定斗容約為0.16 m3；宋吉鶴[4]基于太原重工集團(tuán)WK-55電鏟以1∶10的比例設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其行走履帶以鐵軌輪代替，整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安裝在鐵軌上．本文設(shè)計(jì)搭建的電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為機(jī)械式礦用挖掘機(jī)，其額定斗容約為0.176 m3，且安裝有行走履帶，整體結(jié)構(gòu)完全基于太原重工集團(tuán)WK-55電鏟以1∶7的比例搭建而成，可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、推壓、鏟斗升降、行走、卸料等功能．

目前，礦用電鏟的挖掘作業(yè)仍完全依靠人工，由于電鏟體積巨大、振動(dòng)劇烈、視野受限、露天礦場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變等因素，會(huì)導(dǎo)致操作人員對(duì)電鏟的工作狀態(tài)及機(jī)身周?chē)h(huán)境感知存在明顯不足．現(xiàn)階段存在的一些主要問(wèn)題如下：

(1)礦山環(huán)境惡劣，且進(jìn)行挖掘時(shí)電鏟也會(huì)伴隨著劇烈振動(dòng)與噪聲．操作人員工作時(shí)長(zhǎng)通常在8～12 h不等，工作效率容易受到工作時(shí)長(zhǎng)、環(huán)境、情緒、身體狀態(tài)等因素影響，隨著工作時(shí)間推移，工作效率下降，會(huì)導(dǎo)致手動(dòng)操作時(shí)電鏟的綜合挖掘效率下降．

(2)電鏟操作人員的挖掘技術(shù)熟練水平不一，不能保證每次挖掘時(shí)的挖掘滿斗率都在規(guī)定范圍內(nèi)，且由于操作人員在挖掘前無(wú)法有效選擇一個(gè)較優(yōu)的挖掘切入點(diǎn)或手動(dòng)規(guī)劃一條合適的挖掘軌跡，故在挖掘時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)挖掘物料的深度淺、單次挖掘滿斗率低，或鏟斗切入物料過(guò)深使鏟斗承受高沖擊荷載，導(dǎo)致機(jī)身產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，發(fā)生斷軸斷銷(xiāo)、動(dòng)臂傾覆等事故，嚴(yán)重影響電鏟的綜合挖掘效率，且操作人員及設(shè)備的安全性無(wú)法得到保障[5]．

(3)手動(dòng)操作電鏟進(jìn)行挖掘時(shí)，由于其設(shè)備巨大，操作人員的視線可能會(huì)被電鏟的動(dòng)臂遮擋[6]．露天礦場(chǎng)所處室外，常伴有雨雪、風(fēng)沙等惡劣天氣，且操作人員在夜晚工作時(shí)的光線問(wèn)題也會(huì)使視線受阻，無(wú)法了解電鏟的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)與機(jī)身周?chē)沫h(huán)境信息，在挖掘過(guò)程中有可能造成挖掘碰撞，忽視機(jī)身周?chē)鷧^(qū)域中其他人員及設(shè)備，極易產(chǎn)生意外事故．

(4)因料場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，料堆形狀不一，電鏟進(jìn)行挖掘時(shí)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)在手動(dòng)狀態(tài)下會(huì)頻繁在啟停、加減速模式切換，嚴(yán)重的操作失誤也會(huì)使各電機(jī)堵轉(zhuǎn)，導(dǎo)致挖掘過(guò)程中斷不連續(xù)，電鏟在工作中耗能極大，挖掘不節(jié)能．據(jù)神華煤礦統(tǒng)計(jì)，在挖掘機(jī)工作過(guò)程中，不同操作人員的工作能耗差異達(dá)50%．

因此，為大型礦用電鏟無(wú)人操作挖掘作業(yè)環(huán)節(jié)的智能化研究所搭建的電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不論是從響應(yīng)中國(guó)制造2025的戰(zhàn)略要求角度出發(fā)，為解決露天礦巖資源高效、安全開(kāi)采的問(wèn)題，還是從挖掘效率、工作能耗、操作人員及設(shè)備的安全性等方面考慮，都具有重要的研究意義．

1 電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)

本文電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建的最終目的是為了進(jìn)行大型礦用電鏟挖掘自動(dòng)化技術(shù)的研究．如果直接在體型龐大的WK-55礦用電鏟上進(jìn)行自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)研究，操作人員及設(shè)備的安全性得不到保障，且若調(diào)試出現(xiàn)問(wèn)題產(chǎn)生事故造成的設(shè)備維修成本也過(guò)高．該電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備零件是基于太原重工集團(tuán)WK-55電鏟按1∶7的比例設(shè)計(jì)．電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型如圖1所示，電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示．

圖1 電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型Fig.1 Electric shovel experimental platform model

1 鏟斗; 2 天輪; 3 斗桿; 4 動(dòng)臂; 5 斗桿傾角傳感器; 6 推壓電機(jī); 7 開(kāi)斗電機(jī); 8 提升電機(jī); 9 動(dòng)臂拉壓力傳感器; 10 回轉(zhuǎn)電機(jī); 11 控制柜; 12 配重; 13 電源線; 14 回轉(zhuǎn)軸; 15 行走電機(jī); 16 機(jī)身傾角傳感器

2 電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 下位機(jī)控制系統(tǒng)框架

電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下位機(jī)控制系統(tǒng)框架如圖3所示．下位機(jī)控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、回轉(zhuǎn)電機(jī)、推壓電機(jī)、提升電機(jī)、左行走電機(jī)、右行走電機(jī)、開(kāi)斗電機(jī)、絕對(duì)值編碼器、傾角傳感器、拉壓力傳感器等設(shè)備組成．PLC通過(guò)控制6臺(tái)變頻器分別控制6個(gè)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電鏟執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制；其中，6個(gè)電機(jī)都自帶速度編碼器，推壓與提升電機(jī)分別帶有一個(gè)絕對(duì)值編碼器在復(fù)位時(shí)用來(lái)進(jìn)行位置控制．回轉(zhuǎn)電機(jī)使用轉(zhuǎn)矩控制，是因?yàn)殡婄P機(jī)身在回轉(zhuǎn)過(guò)程中，如果使用速度控制，在到達(dá)終止位置時(shí)回轉(zhuǎn)速度為零，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁制動(dòng)從而造成機(jī)身的急停，伴隨而來(lái)的沖擊會(huì)對(duì)機(jī)身齒輪造成很大磨損，而使用轉(zhuǎn)矩控制因回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)到達(dá)終止位置時(shí)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為零不存在電磁制動(dòng)，機(jī)身會(huì)因?yàn)閼T性繼續(xù)回轉(zhuǎn)直至由于摩擦等因素逐漸停止，因此應(yīng)用轉(zhuǎn)矩控制較為平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小，可以較好地保護(hù)齒輪，偏離的角度可通過(guò)操作桿手動(dòng)調(diào)整．在斗桿上安裝有一個(gè)傾角傳感器，用來(lái)測(cè)量在空間中斗桿與水平方向的夾角．在機(jī)身上安裝有一個(gè)傾角傳感器，用來(lái)測(cè)量電鏟機(jī)身基于水平地面的俯仰角與側(cè)傾角．安裝的拉壓力傳感器是用來(lái)測(cè)量動(dòng)臂受到的拉力與壓力．推壓電機(jī)設(shè)置的前后限位開(kāi)關(guān)作用是為了保護(hù)機(jī)器與使用者的安全．在電鏟工作執(zhí)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)將其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度信息進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制．

圖3 電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下位機(jī)控制系統(tǒng)框架

2.2 控制系統(tǒng)硬件選型

2.2.1 控制柜硬件選型 為了給操作人員提供一個(gè)良好的研究及調(diào)試環(huán)境，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了電鏟控制柜，如圖4所示．控制柜安裝在電鏟后方，方便操作人員在控制柜內(nèi)進(jìn)行電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自動(dòng)化的研究及調(diào)試．控制柜中部分核心設(shè)備功能介紹如下：

(1)PLC：采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器用于內(nèi)部存儲(chǔ)電鏟各類(lèi)控制程序，如回轉(zhuǎn)控制、提升控制、推壓控制、行走控制與開(kāi)斗控制；向變頻器發(fā)送電機(jī)控制指令，并接受變頻器及傳感器各類(lèi)反饋信號(hào)控制，通過(guò)數(shù)字或模擬量輸入或輸出控制電鏟工作運(yùn)行；在本地/遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式，也被用于接受手柄控制命令[7]．

(2)PLC拓展模塊：由DI數(shù)字量輸入模塊AU42，DQ數(shù)字量輸出模塊AU43，AI模擬量輸入模塊AU44、AU45，AQ模擬量輸出模塊AU46，CM串口通信模塊AU47組成．

1 PLC; 2 PLC拓展模塊; 3 熔斷器式隔離開(kāi)關(guān); 4 熔斷器; 5 拓展觸點(diǎn); 6 無(wú)線網(wǎng)橋中心端; 7 控制變壓器; 8 管理型以太網(wǎng)交換機(jī); 9 全能型電源; 10 接線與連接點(diǎn); 11 用于WIFI、5G通信; 12 開(kāi)關(guān); 13 變頻器; 14 行走、推壓、提升、回轉(zhuǎn)、開(kāi)斗變頻器; 15 整流器與逆變器

(3)整流器與逆變器：負(fù)責(zé)給各工作電機(jī)供電，將PLC中的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為電機(jī)實(shí)際工作執(zhí)行的信號(hào)；接收來(lái)自電機(jī)自帶速度編碼器測(cè)量的電機(jī)速度信息，調(diào)節(jié)實(shí)際執(zhí)行速度，使其更加接近給定速度，完成閉環(huán)控制．

(4)觸摸控制屏：主要由總覽、故障、系統(tǒng)、狀態(tài)、電能管理、運(yùn)行時(shí)間、模擬量控制、提升限位、推壓限位、潤(rùn)滑時(shí)間、HMI系統(tǒng)等按鈕模塊組成，觸摸控制屏如圖5所示．

圖5 電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制柜觸摸控制屏Fig.5 The touch control screen of the control cabinet of the electric shovel experimental platform

2.2.2 控制系統(tǒng)各工作電機(jī)、傳感器等硬件選型 在給定挖掘軌跡執(zhí)行挖掘過(guò)程中，為計(jì)算單次挖掘過(guò)程中最小體積的挖掘能耗，首先需要監(jiān)測(cè)斗桿與水平方向的夾角來(lái)計(jì)算電鏟鏟斗齒尖在空間中的實(shí)時(shí)位置，因此需要安裝一個(gè)檢測(cè)斗桿傾角的傳感器．在挖掘機(jī)行走的過(guò)程中，由于地面凹凸不平，需要安裝一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)身側(cè)傾角與俯仰角的傳感器．如果將傾角傳感器直接安裝在斗桿上，電鏟進(jìn)行挖掘工作時(shí)，斗桿推壓會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)鞍座，將斗桿傾角傳感器安裝在鞍座上．電鏟機(jī)身傾角傳感器與斗桿傾角傳感器如圖6所示．

(a) 機(jī)身傾角傳感器 (b) 斗桿傾角傳感器 圖6 電鏟機(jī)身傾角傳感器與斗桿傾角傳感器Fig.6 Electric shovel body inclination sensor and stick inclination sensor

為了防止在實(shí)際挖掘物料中，由于礦巖過(guò)大過(guò)硬導(dǎo)致動(dòng)臂受到超過(guò)額定限額的挖掘阻力，需要安裝一個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)量拉壓力的傳感器．推壓與提升電機(jī)的絕對(duì)值編碼器在復(fù)位時(shí)用來(lái)進(jìn)行位置控制．提升電機(jī)的絕對(duì)值編碼器作用是當(dāng)電鏟進(jìn)行一次有效挖掘后，可以將其恢復(fù)到挖掘初始位置．推壓電機(jī)的絕對(duì)值編碼器除了上述功能外，還可以將電鏟斗桿的伸縮量限制在安全范圍內(nèi)．回轉(zhuǎn)電機(jī)使用轉(zhuǎn)矩控制，其余5個(gè)電機(jī)使用速度控制．動(dòng)臂拉壓力傳感器與絕對(duì)值編碼器如圖7所示．

變頻器驅(qū)動(dòng)的6臺(tái)工作電機(jī)的設(shè)備圖如圖8所示，各電機(jī)參數(shù)如表1所示．

(a) 拉壓力傳感器 (b) 絕對(duì)值編碼器 圖7 動(dòng)臂拉壓力傳感器與絕對(duì)值編碼器Fig.7 Boom pull pressure measurement sensor and absolute encoder

1 回轉(zhuǎn)電機(jī); 2 提升電機(jī); 3 開(kāi)斗電機(jī); 4 推壓電機(jī); 5 左行走電機(jī); 6 右行走電機(jī)圖8 電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各工作電機(jī)圖Fig.8 Diagram of various working motors of the electric shovel experimental platform

表1 電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各電機(jī)參數(shù)Tab.1 Motor parameters of the electric shovel experimental platform

3 電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)駕駛室及遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)硬件架構(gòu)

電鏟實(shí)驗(yàn)樣機(jī)駕駛室中各操作桿及控制按鈕功能介紹如下：

(1)左操作桿的前、后方向用來(lái)控制推壓電機(jī)與左行走電機(jī)工作；左、右方向控制回轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)控制機(jī)身回轉(zhuǎn)；左側(cè)控制按鈕主要由回轉(zhuǎn)松閘、推壓松閘、回轉(zhuǎn)抱閘、推壓抱閘、整流停止、整流啟動(dòng)組成．

(2)右操作桿的前、后方向用來(lái)控制提升電機(jī)與右行走電機(jī)工作；左方向用來(lái)控制鏟斗開(kāi)斗卸料；右方向是喇叭開(kāi)關(guān)；右側(cè)控制按鈕主要由提升松閘、提升抱閘、挖掘模式、行走模式、本地/遠(yuǎn)程、緊急停止組成．

遠(yuǎn)程操作平臺(tái)的兩側(cè)操作桿功能與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)駕駛室基本相同．電鏟實(shí)驗(yàn)樣機(jī)駕駛室及遠(yuǎn)程操作平臺(tái)如圖9所示．各操作桿均帶有防誤觸功能，以左操作桿為例，將操作桿推向推壓/左前進(jìn)擋位，由于推桿與PLC是通過(guò)模擬量進(jìn)行通信，若推桿的移動(dòng)范圍小于某個(gè)設(shè)定值，PLC程序中的一個(gè)判斷命令會(huì)使PLC不執(zhí)行工作指令，如果推桿的移動(dòng)范圍超過(guò)設(shè)定值，防誤觸功能解除，機(jī)械系統(tǒng)正常運(yùn)行．

圖9 電鏟實(shí)驗(yàn)樣機(jī)駕駛室及遠(yuǎn)程操作平臺(tái)Fig.9 Electric shovel experimental prototype cab and remote operation platform

當(dāng)單次挖掘過(guò)程完畢后，要將挖掘模式切換到行走模式，具體為提升/推壓抱閘(相應(yīng)機(jī)構(gòu)剎車(chē)片應(yīng)鎖緊)-切換行走模式-行走模式松閘；若行走到指定位置開(kāi)始挖掘，同樣也要將行走模式切換到挖掘模式，具體為行走模式抱閘-切換挖掘模式-提升/推壓松閘(提升/推壓機(jī)構(gòu)受到松閘指令后啟動(dòng)相應(yīng)逆變器，PLC程序接收到逆變器運(yùn)行后向抱閘電磁閥發(fā)送反饋指令(信號(hào)使能)，觀察相應(yīng)機(jī)構(gòu)抱閘是否打開(kāi)，即打開(kāi)為松閘)，開(kāi)始挖掘．因?yàn)橥茐?左前進(jìn)、收回/左后退在左操作桿的同一個(gè)方向，鏟斗提升/右前進(jìn)、鏟斗下降/右后退在右操作桿的同一個(gè)方向，所以在推壓電機(jī)與左行走電機(jī)、提升電機(jī)與右行走電機(jī)的使用上，一定要將行走模式與挖掘模式進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換．

當(dāng)操作人員手動(dòng)操作電鏟時(shí)，因?yàn)榈V山環(huán)境惡劣，挖掘時(shí)電鏟劇烈振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致操作的精確性無(wú)法保證，而且連續(xù)高強(qiáng)度的實(shí)地作業(yè)也會(huì)給操作人員的身體健康帶來(lái)不良影響．而遠(yuǎn)程操作電鏟進(jìn)行作業(yè)，不僅操作精度高，而且對(duì)身體健康的影響也大大減?。试搶?shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建時(shí)也設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程操作平臺(tái)．遠(yuǎn)程操作平臺(tái)控制柜及各控制按鈕如圖10所示．如果需要遠(yuǎn)程進(jìn)行挖掘操作控制，首先要將本地/遠(yuǎn)程模式進(jìn)行切換，此時(shí)遠(yuǎn)程操作平臺(tái)控制柜中的PLC與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)控制柜中的PLC開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)交換，在遠(yuǎn)程操作平臺(tái)可以通過(guò)可視化遠(yuǎn)程操作大屏，首先觀察給定速度和反饋速度是否有偏差，而后使用遠(yuǎn)程操作桿控制實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行正常挖掘工作．

圖10 遠(yuǎn)程操作平臺(tái)控制柜及各控制按鈕示意圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用搭建的遠(yuǎn)程操作平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程挖掘?qū)嶒?yàn)，實(shí)際挖掘環(huán)節(jié)整體示意圖如圖11所示，由從初始位置開(kāi)始挖掘、挖掘過(guò)程中、挖掘結(jié)束、機(jī)身回轉(zhuǎn)、卸料、復(fù)位6部分組成．

(a) 從初始位置開(kāi)始挖掘

(b) 挖掘過(guò)程中

(c) 挖掘結(jié)束

(d) 機(jī)身回轉(zhuǎn)

(e) 卸料

(f) 復(fù)位

電鏟實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的提升電機(jī)、推壓電機(jī)使用速度控制，回轉(zhuǎn)電機(jī)使用轉(zhuǎn)矩控制．根據(jù)圖12～14的數(shù)據(jù)對(duì)比可得出，在遠(yuǎn)程控制挖掘物料時(shí)，手動(dòng)設(shè)定的與實(shí)際實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中PLC輸出的提升速度、

圖12 設(shè)定與實(shí)際提升電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比示意圖Fig.12 Schematic diagram of comparison between set and actual increase motor speed

圖13 設(shè)定與實(shí)際推壓電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比示意圖Fig.13 Schematic diagram of comparison between set and actual pushing motor speed

圖14 設(shè)定與實(shí)際回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)比示意圖Fig.14 Schematic diagram of comparison between set and actual rotary motor torque

推壓速度及回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩曲線兩者基本保持一致，表明該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在實(shí)際執(zhí)行工作中的控制精度較高，可以為后續(xù)挖掘軌跡規(guī)劃、整體環(huán)境感知及路徑規(guī)劃的研究提供硬件保障．

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)大型礦用電鏟無(wú)人化設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)控制系統(tǒng)的硬件選型、購(gòu)買(mǎi)，設(shè)計(jì)了下位機(jī)控制系統(tǒng)框架及電氣原理圖，完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)控制柜中各電器件位置排布設(shè)計(jì)及電器件的安裝、接線等工序；基于編寫(xiě)的PLC程序，實(shí)現(xiàn)了電鏟挖掘、回轉(zhuǎn)、卸料、復(fù)位等實(shí)際操作．使用遠(yuǎn)程操作平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)人挖掘?qū)嶒?yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，手動(dòng)挖掘時(shí)給定的提升速度、推壓速度、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)PLC輸出的實(shí)際提升速度、推壓速度、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)基本保持一致，驗(yàn)證了此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各功能的有效性．該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建成功為后續(xù)進(jìn)行無(wú)人大型礦用電鏟挖掘軌跡規(guī)劃、路徑規(guī)劃、三維環(huán)境感知等技術(shù)的研究提供了設(shè)備支持及硬件保障．

(2)從操作人員的安全性、操作時(shí)的精確度和工作環(huán)境的舒適性角度考慮，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)．完成了遠(yuǎn)程操作平臺(tái)控制柜中的PLC與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)控制柜中的PLC之間的TCP/IP通信，使電鏟可以在遠(yuǎn)程操作狀態(tài)下進(jìn)行正常的挖掘工作，未來(lái)將基于5G解決兩者通信延遲與通信不穩(wěn)定等問(wèn)題．