半自主操作控制系統通常具有兩級結構,分為上位機控制系統和運動控制系統,其中上位機控制系統主要完成規劃任務,包括高層規劃,即任務規劃和路徑規劃兩方面内容;底層規劃即為運動軌迹規劃,也是實現半自主操作規劃的最重要内容,即根據作業任務的要求計算出預期的運動軌迹,包括各自由度的位姿、速度和加速度。要求挖掘機完成某一種操作作業,就需要對其運動軌迹進行規劃和協調。而運動控制系統則主要根據上位機的規劃結果實現軌迹控制挖掘機的運動控制由運動控制器發出指令,驅動相關裝置完成,它是整個控制系統的核心。

運動控制器根據挖掘機的動力學特性和傳感器的反饋信号,按照一定的算法綜合出适當的指令,向電液比例系統發出控制信号,控制挖掘機按照規劃好的運動軌迹運行,直至達到給定的位姿并完成預定的任務為止挖。掘機的傳動機構主要由動力源、電液比例控制系統組成,傳動機構接到控制信号後驅動執行機構,完成預定任務。執行機構主要包括動臂、鬥杆和鏟鬥液壓缸、回轉和行走馬達等。檢測機構主要包括安裝在動臂、鬥杆和鏟鬥上的角度傳感器、回轉平台的回轉編碼器及行走檢測傳感器等。

任務規劃，任務規劃主要是求解完成挖掘機作業任務所應當遵循的操作順序。完成作業任務的途徑多種多樣,因此從初始狀态到目标狀态之間有無窮多個中間狀态,從中選擇出可以曆經的N個有序的中間狀态,最佳地完成物料狀态的轉變,這就是任務規劃的目的。不同的作業要求有不同的解答,例如,完成“裝運一定的土方”的任務規劃解答與完成“平整一平面”的任務規劃解答不盡相同,前者注重于使每次動作取得盡可能好的裝滿效果,後者注重于使每次動作後的工作面形狀盡可能通近目标形狀。而同樣的作業要求也有不同的規劃解答,這依賴于知識的利用及作業所處的環境。

任務規劃面對的不隻是單純的數學世界,而是真實的問題世界,所以它的求解更多地依賴于環境信息、挖掘機本身的特性和專家的經驗。由于作業環境往往是變化的,因而任務規劃時采用分層規劃技術是有利的。首先根據作業要求構成狀态變化的大緻框架,然後結合獲取的環境信息逐步細化這框架,直到明确所曆經的所有中間狀态,最後确定從一狀态向相鄰下一狀态發生躍遷時需要的操作,這多半是典型的動作,如水平推進、轉鬥挖掘等。這個過程伴随着作業進程在線完成。

為了提高規劃效率,有時可以采用學習式規劃方式,将典型的作業要求、典型的工作環境中的解答構成知識庫,供任務規劃時借助于類比的方法選用。知識的使用是任務規劃的必然,總結歸納領域專家知識,建立任務規劃專家系統,将是最有效的任務規劃方法。和一般機器人的規劃一樣,液壓挖掘機的任務規劃研究也分三個方面:建模、任務說明、挖掘程序綜合。(1)建模即建立任務的工作區模型。其目的是确定任務環境中挖掘機和工作面的幾何描述、所有連杆機構的運動學描述、有關挖掘機特性(如關節限制)及傳感器特性等的描述。(2)任務說明主要是給出任務的初始和目标狀态。(3)挖掘程序綜合使挖掘機能可靠地達到期望目标的運動軌迹。

對于作業過程的規劃這一比較複雜的問題領域,一般是将大問題分解為子問題及子子問題,并對這些較小的問題進行求解,然後把這些部分的解答歸并為一個完全的問題解答,這樣有利于錯誤的發現和改進。以挖掘機一個典型作業循環過程為例,将該過程分解為四個部分—挖掘、滿鬥提升與回轉、卸載、空鬥返回,每一部分相對獨立地進行規劃,最後由挖掘機執行機構連貫地執行。

路徑規劃，将任務規劃的結果變成一個無碰撞的工作裝置運動路徑(包括鏟鬥位置和姿态),這稱為路徑規劃。在任務規劃給出的狀态變化序列中,任意兩個狀态之間的躍遷都對應着工作裝置一次或連續幾次的典型作業。根據任務規劃的輸出及環境信息,如工作面形狀、空間障礙物及要求的卸載位置,形成有效的、無碰撞的作業路徑,這是路徑規劃的目的。

路徑規劃形成的空間作業路徑與時間無關,當路徑點與動作方式由人來決定時,體現出來的是示教再現功能,這對複雜的、難以總結規劃的動作是有利的路徑規劃;當路徑點與動作方式由機器自動決定時,體現出來的是路徑自主功能。在路徑規劃中,知識的合理運用将使規劃過程迅速而有效。在此,知識以規則的形式引導路徑規劃的完成。規則是規劃的依據,不同的作業要求有不同的規則和不同的使用策略。下面通過以反鏟裝載作業和具有力反饋的反鏟挖掘作業來說明規則在路徑規劃中的應用。

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