[论文解读] Dynamic Simulation of Construction Machinery: Towards an Operator Model

Reno Filla, Allan Ericsson+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2005

Hydraulic and Pneumatic Systems参考文献 16被引用 11

一句话总结

本文提出了一种基于规则的操纵者模型，用于轮式装载机的动态仿真，可在装载循环过程中自主平衡液压系统与传动系统之间的动力分配，从而在无需物理测试的情况下实现性能、燃油效率和操作性的虚拟原型设计。该模型通过调整油门和控制输入以适应机器参数的变化（例如扭矩转换器性能减弱），其行为方式与人类操作员一致。

ABSTRACT

In dynamic simulation of complete wheel loaders, one interesting aspect, specific for the working task, is the momentary power distribution between drive train and hydraulics, which is balanced by the operator. This paper presents the initial results to a simulation model of a human operator. Rather than letting the operator model follow a predefined path with control inputs at given points, it follows a collection of general rules that together describe the machine's working cycle in a generic way. The advantage of this is that the working task description and the operator model itself are independent of the machine's technical parameters. Complete sub-system characteristics can thus be changed without compromising the relevance and validity of the simulation. Ultimately, this can be used to assess a machine's total performance, fuel efficiency and operability already in the concept phase of the product development process.

研究动机与目标

• 开发一个包含类人操纵者模型的完整轮式装载机动态仿真框架。
• 在物理制造前实现机器配置的虚拟原型设计，减少对物理测试的依赖。
• 在真实的装载循环中评估整机性能、燃油效率和操作性。
• 通过在操纵者模型中嵌入控制逻辑，将工作任务描述与机器特定参数解耦。
• 验证模型对关键部件变化（如扭矩转换器）的适应能力。

提出的方法

• 操纵者模型基于规则，使用逻辑规则和模糊逻辑规则确定油门、制动、转向和液压杆输入。
• 控制规则源自对人类操作员在碎石装载循环中行为的观察。
• 该模型与 ADAMS 中的多体动力学仿真集成，通过离散事件系统实现操纵者逻辑的联合仿真。
• 根据实时系统状态和操纵者决策，动态计算液压系统与传动系统之间的动力分配。
• 通过模拟不同扭矩转换器特性，并将发动机负载工况和燃油消耗与物理测试数据对比，对模型进行验证。
• 工作任务被抽象为通用目标（例如，“将碎石装载到卡车上”），而控制执行由操纵者模型管理。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在动态仿真模型中包含一个不依赖预录输入的逼真人类操纵者？
• RQ2 基于规则的操纵者模型在机器硬件发生变化（如扭矩转换器性能减弱）时，其适应能力有多大？
• RQ3 该仿真能否准确复现物理原型中观察到的发动机负载工况和燃油消耗模式？
• RQ4 该操纵者模型在不同机器配置下如何维持一致的性能和动力分配？
• RQ5 此类模型能否支持早期阶段的燃油效率和操作性虚拟测试？

主要发现

• 当扭矩转换器性能减弱时，操纵者模型通过提高发动机转速和油门输入成功适应，行为与人类操作员一致。
• 模拟的发动机负载工况模式与物理原型测试结果高度吻合，验证了模型的真实性。
• 随着扭矩转换器性能减弱，燃油消耗增加且循环时间延长，与现实世界预期一致。
• 该模型在机器动力学发生变化的情况下，仍能保持稳定的一致动力分配和任务完成能力，表现出强健性。
• 仿真结果支持使用虚拟原型对性能和燃油效率进行早期评估。
• 操纵者模型能够根据系统反馈调整控制输入，证实其在评估操作性和人机交互方面的潜力。