一种挖掘机自动作业控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种挖掘机自动作业控制方法和装置，方法包括：根据导航定位信号计算挖掘机铲斗的实时作业位置；根据挖掘机所处作业区域的环境信息以及实时作业位置，建立挖掘机作业环境电子地图；根据挖掘机动作执行机构的运行状态信息进行挖掘机的姿态计算；根据所述挖掘机作业环境电子地图以及姿态计算结果，进行挖掘作业任务规划，得到作业任务过程控制参数；基于所述作业任务过程控制参数，输出用于控制挖掘机动作执行机构的控制指令。本发明专利技术能够实现挖掘机的全过程自动作业，提升挖掘机的作业效率和作业质量。作业效率和作业质量。作业效率和作业质量。

【技术实现步骤摘要】
一种挖掘机自动作业控制方法和装置


[0001]本专利技术涉及挖掘机控制
，特别是一种挖掘机自动作业控制方法和装置。

技术介绍

[0002]挖掘机被广泛应用于在矿山开采、建筑破拆、路桥建设等各种施工领域。现有挖掘机的操作主要还是人工操作，施工作业效率和质量会因为操作人员的水平而存在差异，难以达到统一要求，从而影响挖掘机的施工效率和施工精度。此外，在某些特殊行业的作业环境异常恶劣，比如：毒气废气场合、垃圾清理、抢险救灾、隧道开挖、防爆作业、放射性场合等，这些恶劣的作业环境给作业人员带来极大的困难和不便，会对人体造成伤害，不适合人现场作业。因此，研制一种能够实现远程遥控甚至是无人操控自动作业的挖掘机成为不少用户的需求。
[0003]现有挖掘机自动或半自动作业的实现方式有以下几种：
[0004]1.每次自主移动作业前通过视觉传感器在作业地面标识出挖掘机可识别的行进路径标记，而且在每完成预定次数的工作循环后，再通过视觉传感器识别出行进路径并重新确定下部机构与行进路径的相对方向。这种方式一方面比较费时，另一方面在多粉尘的作业环境中，视觉传感器的识别效果会受影响，进而会影响施工作业的质量；
[0005]2.由人通过操作录制按钮进行挖掘动作的轨迹录制操作，实现一种半自动作业模式。这种作业方式并没有完全把操作人员解放出来；
[0006]3.通过视觉传感器获取包括有目标挖掘点的图像，再对图像进行特征分析，识别出目标挖掘点，并通过图像处理进行计算获得目标挖掘点的相对位置。在多粉尘的作业环境中，这种实现方式中视觉传感器的识别效果有待考证。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种挖掘机自动作业控制方法和装置，能够实现挖掘机的全过程自动作业，提升挖掘机的作业效率和作业质量。本专利技术采用的技术方案如下。
[0008]一方面，本专利技术提供一种挖掘机自动作业控制方法，包括：
[0009]获取导航定位信号，根据导航定位信号计算挖掘机铲斗的实时作业位置；
[0010]获取挖掘机所处作业区域的环境信息，根据所述环境信息以及所述实时作业位置，建立挖掘机作业环境电子地图；
[0011]实时获取挖掘机动作执行机构的运行状态信息，根据所述运行状态信息进行挖掘机的姿态计算；
[0012]根据所述挖掘机作业环境电子地图以及姿态计算结果，进行挖掘作业任务规划，得到作业任务过程控制参数；
[0013]基于所述作业任务过程控制参数，输出用于控制挖掘机动作执行机构的控制指令。
[0014]可选的，所述导航定位信号包括从安装于挖掘机铲斗上的差分GPS高精度定位系
统、惯性导航单元中的一个或多个获取的定位信号，
[0015]方法还包括：根据获取的导航定位信号计算挖掘机铲斗的运动速度。运动速度的计算可用于反馈控制的实现，提升控制精度。挖掘机铲斗的实时作业位置主要通过差分GPS高精度定位系统定位获取。
[0016]可选的，所述环境信息包括从安装于挖掘机铲斗上的视觉传感器、激光雷达、毫米波雷达中的一个或多个获取的环境信息；
[0017]视觉传感器安装于挖掘机驾驶室顶的前部和后部，以及车身左、右两侧，用于采集车身周围环境信息；激光雷达安装于挖掘机驾驶室顶部，用于对作业环境进行360
°
的环境信息采集；毫米波雷达安装于下车体前、后、左、右部，用来采集车身周围障碍物信息。
[0018]可选的，所述运行状态信息包括从安装于挖掘机上的角度传感器、油缸位移传感器、陀螺仪获取的检测信号；
[0019]所述进行挖掘机的姿态计算包括：根据角度传感器、油缸位移传感器的检测信号实时计算传感器安装位置处机构的姿态，并折算到铲斗斗齿，得到铲斗斗齿的位姿信息；以及利用陀螺仪的检测信号确定回转中心实时姿态。即可得到包括动臂、斗杆、铲斗和回转中心实时姿态数据的姿态计算结果。
[0020]可选的，所述进行挖掘作业任务规划包括：
[0021]响应于挖掘机卸载动作执行完毕或待执行新的挖掘作业，确定待挖掘的挖掘点；
[0022]规划铲斗从实时所处位置到挖掘点位置之间运动的路径，以及回转中心回转过程中，动臂和斗杆从实时所处位置提升至挖掘点位置时，能够避开障碍物的路径，根据所规划的路径，得到挖掘过程中对应各执行机构的控制参数序列；
[0023]响应于挖掘机挖掘动作执行完毕，确定卸载点；
[0024]规划铲斗从实时所处位置到卸载点位置之间运动的路径，以及回转中心回转过程中，动臂和斗杆从实时所处位置提升至卸载点位置时，能够避开障碍物的路径，根据所规划的路径，得到卸载过程中对应各执行机构的控制参数序列。
[0025]可选的，所述挖掘点的确定方法包括：
[0026]将待挖掘的作业面离散为均匀的栅格；
[0027]将最后挖掘完毕的作业面位置作为当前挖掘点，寻找其所对应的栅格点周围8个方向上的邻接栅格点，针对各邻接栅格点，分别按照以下代价函数计算挖掘点选择代价f1：
[0028]f1＝g+d+e
[0029]式中，g表示邻接栅格点到起始挖掘点对应的栅格点的欧氏距离；d表示邻接栅格点已记录的挖掘深度，e表示邻接栅格点到当前挖掘点的欧式距离；
[0030]选择代价f1最小的邻接栅格点对应的作业面位置，作为下一挖掘点。
[0031]初始挖掘点可根据挖掘机铲斗的作业位置预设，然后按照前述的挖掘点确定方法确定后续的挖掘点。
[0032]可选的，对于每一个栅格，其挖掘深度d初始化为0.0，挖掘过程中，每次挖掘按照深度变化梯度Δd＝1.0更新铲掘深度为d
t+1
＝d
t
+Δd，其中d
t
表示第t次挖掘后的深度，d
t+1
表示第t+1次挖掘后的深度；
[0033]选择挖掘点时，仅对实时d值小于预设最大深度d
max
的栅格点计算代价函数。d
max
值的设定可根据作业需要来定。
[0034]以上方案能够实现，一旦一个栅格点被拓展到，其d值即根据实际挖掘深度而更新记录，如果d值到达了最大铲掘深度d
max
，那么此时这个节点将不再被选择为新的挖掘点。代价项d的设置使得每次挖掘点选择能够优先选择未挖掘的点，进而可以保证每次挖掘的满斗率相对较大。代价项g、d、e三者的配合也使得挖掘点的选择过程不会漏过每一处作业点，并保证最终的挖掘都能够达到预设定的挖掘深度。对于作业面的栅格分辨率的设定，根据经验，可设定为大小为1m
×
1m的栅格。
[0035]可选的，路径规划时，规划回转中心回转时动臂和斗杆从实时所处位置提升至卸载点位置时能够避开障碍物的路径，包括：
[0036]获取回转中心的回转角、动臂相对于车体水平面的转角、斗杆相对于动臂的转角以及铲斗相对于斗杆的转角、回转中心到动臂销轴的距离、动臂销轴到斗杆销轴的距离、斗杆销轴到铲斗销轴的距离以及铲斗销轴到铲斗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种挖掘机自动作业控制方法，其特征是，包括：获取导航定位信号，根据导航定位信号计算挖掘机铲斗的实时作业位置；获取挖掘机所处作业区域的环境信息，根据所述环境信息以及所述实时作业位置，建立挖掘机作业环境电子地图；实时获取挖掘机动作执行机构的运行状态信息，根据所述运行状态信息进行挖掘机的姿态计算；根据所述挖掘机作业环境电子地图以及姿态计算结果，进行挖掘作业任务规划，得到作业任务过程控制参数；基于所述作业任务过程控制参数，输出用于控制挖掘机动作执行机构的控制指令。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述导航定位信号包括从安装于挖掘机铲斗上的差分GPS高精度定位系统、惯性导航单元中的一个或多个获取的定位信号；方法还包括：根据获取的导航定位信号计算挖掘机铲斗的运动速度。3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述环境信息包括从安装于挖掘机铲斗上的视觉传感器、激光雷达、毫米波雷达中的一个或多个获取的环境信息；视觉传感器安装于挖掘机驾驶室顶的前部和后部，以及车身左、右两侧，用于采集车身周围环境信息；激光雷达安装于挖掘机驾驶室顶部，用于对作业环境进行360
°
的环境信息采集；毫米波雷达安装于下车体前、后、左、右部，用来采集车身周围障碍物信息。4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述运行状态信息包括从安装于挖掘机上的角度传感器、油缸位移传感器、陀螺仪获取的检测信号；所述进行挖掘机的姿态计算包括：根据角度传感器、油缸位移传感器的检测信号实时计算传感器安装位置处机构的姿态，并折算到铲斗斗齿，得到铲斗斗齿的位姿信息；以及利用陀螺仪的检测信号确定回转中心实时姿态。5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述进行挖掘作业任务规划包括：响应于挖掘机卸载动作执行完毕或待执行新的挖掘作业，确定待挖掘的挖掘点；规划铲斗从实时所处位置到挖掘点位置之间运动的路径，以及回转中心回转过程中，动臂和斗杆从实时所处位置提升至挖掘点位置时，能够避开障碍物的路径，根据所规划的路径，得到挖掘过程中对应各执行机构的控制参数序列；响应于挖掘机挖掘动作执行完毕，确定卸载点；规划铲斗从实时所处位置到卸载点位置之间运动的路径，以及回转中心回转过程中，动臂和斗杆从实时所处位置提升至卸载点位置时，能够避开障碍物的路径，根据所规划的路径，得到卸载过程中对应各执行机构的控制参数序列。6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述挖掘点的确定方法包括：将待挖掘的作业面离散为均匀的栅格；将最后挖掘完毕的作业面位置作为当前挖掘点，寻找其所对应的栅格点周围8个方向上的邻接栅格点，针对各邻接栅格点，分别按照以下代价函数计算挖掘点选择代价f1：f1＝g+d+e式中，g表示邻接栅格点到起始挖掘点对应的栅格点的欧氏距离；d表示邻接栅格点已记录的挖掘深度，e表示邻接栅格点到当前挖掘点的欧式距离；选择代价f1最小的邻接栅格点对应的作业面位置，作为下一挖掘点。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，对于每一个栅格，其挖掘深度d初始化为0.0，挖掘过程中，每次挖掘按照深度变化梯度Δd＝1.0更新铲掘深度为d
t+1
＝d
t
+Δd，其中d
t
表示第t次挖掘后的深度，d
t+1
表示第t+1次挖掘后的深度；选择挖掘点时，仅对实时d值小于预设最大深度d
max
的栅格点计算代价函数。8.根据权利要求5所述的方法，其特征是，路径规划时，规划回转中心回转时动臂和斗杆从实时所处位置提升至卸载点位置时能够避开障碍物的路径，包括：获取回转中心的回转角、动臂相对于车体水平面的转角、斗杆相对于动臂的转角以及铲斗相对于斗杆的转角、回转中心到动臂销轴的距离、动臂销轴到斗杆销轴的距离、斗杆销轴到铲斗销轴的距离以及铲斗销轴到铲斗斗齿齿尖的距离；获取障碍物位置信息；基于获取到的信息，利用预设的第二代价函数在预构建的臂架斗杆构型空间中选择使得代价值最小且不会碰撞的最优构型，根据所述最优构型确定臂架和斗杆在回转中心回转过程中的转角。9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，挖掘机的构型空间的采样数学模型包括以挖掘机车体回转中心O1、动臂绕车体的转轴中心O2、斗杆绕动臂的转轴中心O3、铲斗绕斗杆的轴中心O...

【专利技术属性】
技术研发人员：高娇，杨超，艾云峰，徐标，
申请(专利权)人：江苏徐工工程机械研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：