一种无人自动化挖掘机智能施工系统的制作方法

本发明涉及机械设备领域，特别是一种无人自动化挖掘机智能施工系统。

背景技术：

液压挖掘机是一种机构复杂、用途广泛的工程机械，广泛应用在工业、建筑及军事等领域，其自动化研究已逐渐成为各国关注的焦点。挖掘机器人是挖掘机研究发展的趋势，自动作业规划能提高其智能化，降低操作手的工作强度，提高安全性和控制的准确性。随着机电一体化技术、自动控制技术、通讯技术的迅猛发展，使多种功能的智能挖掘机得以实现。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无人自动化挖掘机智能施工系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无人自动化挖掘机智能施工系统，包括挖掘机本体和装载车，挖掘机本体包括铲斗、动臂和斗杆，挖掘机本体上设有一个以上的毫米微波雷达，动臂上设有动臂倾角传感器，斗杆上设有斗杆倾角传感器，铲斗上设有铲斗倾角传感器，挖掘机本体前方设有摄像头，挖掘机本体上还设有挖掘机北斗导航定位模块、挖掘机无线通讯模块、挖掘机显示器、电液比例阀和图像处理系统，装载车上设有装载车北斗导航定位模块和装载车无线通讯模块，所述一个以上的毫米微波雷达、图像处理系统、电液比例阀、挖掘机无线通讯模块、挖掘机显示器、挖掘机北斗导航定位模块、动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器共同连接到挖掘机控制器，图像处理系统连接到摄像头，装载车北斗导航定位模块连接到装载车无线通讯模块，装载车无线通讯模块连接到挖掘机无线通讯模块。

本发明中，四个毫米微波雷达分别安装在挖掘机本体的前部、后部、左部和右部四处。

本发明中，所述摄像头安装在挖掘机本体的驾驶舱上方，摄像头朝向挖掘机本体的正前方。

本发明中，挖掘机北斗导航定位模块包括挖掘机定位天线和挖掘机定向天线，挖掘机定位天线和挖掘机定向天线均水平设置在挖掘机本体的配重的顶部。

本发明中，装载车北斗导航定位模块包括装载车定位天线和装载车定向天线，装载车定位天线和装载车定向天线均水平设置在装载车车厢顶部。

本发明中，摄像头对装载车进行间隔拍照并传输给图像处理系统。

本发明中，还包括远程遥控装置，远程遥控装置包括远程无线通讯模块和与之相连接的远程显示器和远程遥控器，远程无线通讯模块连接到挖掘机无线通讯模块。

本发明中，电液比例阀安装在液压先导控制回路-多路阀回路上，其主要是通过can通讯方式，接收挖掘机控制器发送的控制信号，控制多路阀的阀芯的开度，从而控制挖掘机工作装置的上升、下降、回转等动作。

本发明中，还包括挖掘机显示器和远程显示器，挖掘机控制器连接到挖掘机显示器，挖掘机控制器通过无线通讯模块连接到远程显示器。

本发明中，信号传输过程和操控原理如下：在挖掘机开始卸料之前，安装挖掘机本体上的挖掘机北斗导航定位模块获取挖掘机本体的实时三维坐标(x,y,z)以及挖掘机本体上车身的方向θ1，同时安装在挖掘机本体上的动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器得到挖掘机本体的各个姿态角度信息，各个姿态角度信息都传输到挖掘机控制器，挖掘机控制器根据挖掘机的工作装置的尺寸，通过计算公式(1)计算挖掘机铲斗尖的实时三维坐标值(x1,y1,z1)；

挖掘机工作装置包括回转平台、动臂、斗杆和铲斗，采用d-h法，建立工作装置连杆坐标系，a是回转原点、b是动臂原点、c是斗杆原点、d是铲斗原点、e是铲斗末端位置、θ1为回转平台的转角，θ2为动臂与水平面之间的夹角，θ3为斗杆与动臂之间的夹角，θ4为铲斗绞点到铲斗齿尖连线与斗杆延长线之间的夹角，d1为动臂坐标系原点与回转平台坐标系原点之间的高度差，a1为动臂原点础回转平台原点之间的水平距离，a2为斗杆原点到动臂原点之间的距离，a3为斗杆原点到铲斗原点之间的距离，a4为铲斗齿到铲斗铰点之间的距离，规定θ逆时针为正，顺时针为负；

采用d-h位移矩阵法建立运动学正解方程如式(1)所示，若将铲斗斗齿的位姿表示成向量(x1,y1,z,1,ζ)，则可得到铲斗斗齿位置和姿态；

安装在装载车上的装载车北斗导航定位模块将装载车的实时位置坐标以及方向通过装载车无线通讯模块传输到挖掘机控制器中，挖掘机控制器在挖掘机前往装载车卸料时，实时计算挖掘机本体距离装载车的位置差值、挖掘机铲斗尖的位置到装载车的车身距离以及挖掘机铲斗尖在水平位置距离装载车车厢的高度差值；

根据挖掘机与装载车的位置差值以及挖掘机铲斗尖与装载车车厢的高度差值，挖掘机控制器输出电流或电压信号控制电液比例阀的开度，进而控制挖掘机的行走和转向，同时控制动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸的单个运动或者相互协调作用，在挖掘机的铲斗到达装载车的上方时，铲斗尖距离车厢的高度大于铲斗与斗杆的铰接点到铲斗尖的距离；

摄像头拍照将图片传输给图像处理系统，图像处理系统根据图片判断装载车的车厢是否装满，同时传输信息给挖掘机控制器控制挖掘机继续卸料或者停止卸料；

四个毫米微波雷达与挖掘机控制器相连接作为安全冗余系统，时刻测量挖掘机到装载车的距离，远程遥控器随时控制挖掘机的停机和开启；

根据装载车的车厢高度和标记的位置点进行分层装载，直至装满车厢。

显示器具有显示功能，在上面可以显示基于挖掘为中心的构建三维施工模型包括施工地域的数学三维模型、挖掘机和装载车的三维模型，这些模型都会依据传感器得到的数据时刻发生变化，它具有人机交互式功能，操作人员可以根据不同的施工要求，输入不同的施工方案，提高施工效率。

挖掘机控制器程序具有自主学习的能力，其程序是基于bp神经网络控制智能算法，可以不断地进行学习，对上一次操作过程的进行优化修改。例如，在上次装载操作时对铲斗进行两次的位置改变才到达卸载位置，通过这种智能算法的学习可以一次完成操作，这样可以避免或者减少重复上一步骤，减少消耗、提高利用率。

有益效果：挖掘机和装载车具备良好的机动性和灵活性，挖掘机和装载车不需要保持固定的姿态和规定位置进行装载；使用定位天线和定向天线可以提高导航定位的精度，可以实现在挖掘机运动过程中对挖掘机的姿态进行实时调整；节能减少能量的消耗，挖掘机可以在装载的过程中实时调整铲斗的位置，不在需要分步骤进行操作；使用图像处理系统可以准确的得到装载车的装载情况，提高装载施工系统的智能化和自动化的施工水平。挖掘机自动化技术实现挖掘机智能作业，省去操作人员繁琐的操作工序，减少劳动工作量，同时可提高效率，且具有比人更高的操作精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明各组成部分之间的连接关系框图；

图2为本发明的一种无人自动化挖掘机智能施工系统示意图；

图3为本发明的四个毫米微波雷达安装位置以及摄像头的安装位置示意图；

图4为本发明的一种无人自动化挖掘机智能施工系统实例示意图；

图5为本发明中的挖掘机器人工作装置及坐标系示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细说明。

如图2、图3和图4所示，本发明提供的一种无人自动化挖掘机智能施工系统，包括挖掘机本体1、挖掘机上北斗导航定位模块2(包含定位模块和定向模块)、挖掘机控制器3、动臂倾角传感器4、斗杆倾角传感器5、铲斗倾角传感器6、毫米微波雷达(4个)7、图像处理系统8、摄像头9、挖掘机无线通讯模块10、挖掘机显示器11、装载车无线通讯模块12、装载车北斗导航定位模块13(包含定位模块和定向模块)、远程显示器14、远程遥控器15、远程无线通讯模块16、装载车17和电液比例阀18。

挖掘机上北斗导航定位模块2与挖掘机控制器3相连；动臂倾角传感器4、斗杆倾角传感器5、铲斗倾角传感器6与挖掘机控制器3相连；前、后、左、右四个毫米微波雷达7与挖掘机控制器3相连接；摄像头9安装在挖掘机驾驶舱顶端与所述图像处理系统8相连；图像处理系统8与挖掘机控制器3相连；挖掘机控制器3与挖掘机上的无线通讯模块10、显示器11相连；装载车上北斗导航定位模块13与所述装载车上的无线通讯模块12相连；装载车上的无线通讯模块12与挖掘机上的无线通讯模块10相连；挖掘机上的无线通讯模块10与远程无线通讯模块16相连；远程无线通讯模块16与远程显示器14、遥控器15相连，电液比例阀18与挖掘机控制器3相连。

4个毫米微波雷达分别安装在挖掘机的前部、后部和左部、右部四个方向，摄像头安装在挖掘机驾驶舱上方朝向挖掘机的正前方(铲斗方向)，摄像头通过底座与挖掘机驾驶舱连接。毫米微波雷达输出端、动臂倾角传感器输出端、斗杆倾角传感器输出端、铲斗倾角传感器输出端、摄像头的输出端与图像处理系统的输入端相连，图像处理系统的输出端以及北斗导航定位模块的输出端连接挖掘机控制器的输入端，挖掘机控制器的输出端连接电液比例阀的输入端，挖掘机控制器连接显示器和无线通讯模块，无线通讯模块通讯连接远程的显示器以及遥控装置。

进一步，挖掘机北斗导航定位模块1，主要包括定位天线和定向天线，定位天线，其水平设置在所述液压挖掘机的配重的顶部，用于获取所述液压挖掘机的机体在北斗定位系统中的三维坐标信息；定向天线，其水平设置在所述液压挖掘机的配重的顶部，用于获取所述液压挖掘机的机体的倾斜角度信息。

进一步，4个毫米微波雷达安装在挖掘机的上车身左、右、前、后四个方向跟随挖掘机旋转，当挖掘机围绕着装载车进行运动时，所述的毫米微波雷达可以实时的测量挖掘机和装载车之间的距离，采用冗余设计进一步保证挖掘机与装载车的安全。

进一步，装载车北斗导航定位模块2，主要包括定位天线和定向天线，定位天线，其水平设置在所述装载车的车厢顶部，用于获取所述装载车在北斗定位系统中的三维坐标信息；定向天线，其水平设置在所述装载车车厢顶部，用于获取所述装载车的倾斜角度信息。北斗导航定位模块2与无线通信模块相连接，无线通信模块与挖掘机中的无线通信模块相连接。

进一步，摄像头对装载车进行间隔拍照，同时传输信息给图像处理系统，图像处理系统包含许多已经存储的数据，可以对摄像头拍的照片进行处理同时给出信息到挖掘机控制器。

进一步，在挖掘机显示器上可以实时的显示挖掘机本体距离装载车的距离，而且还同时显示的是挖掘机的铲斗距离装载车的实时距离。

进一步，远程显示器和安装在挖掘机内部的显示器显示内容一致。

远程遥控装置主要是预防出现紧急情况。

信号的传输、数据的处理以及信号的调用过程：

如图1，一个以上的毫米微波雷达、图像处理系统、电液比例阀、挖掘机无线通讯模块、挖掘机显示器、挖掘机北斗导航定位模块、动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器共同连接到挖掘机控制器，图像处理系统连接到摄像头，装载车北斗导航定位模块连接到装载车无线通讯模块，装载车无线通讯模块连接到挖掘机无线通讯模块；远程遥控装置包括远程无线通讯模块和与之相连接的远程显示器和远程遥控器，远程无线通讯模块连接到挖掘机无线通讯模块。

北斗导航定位模块2接收北斗卫星导航信号，对接收到的导航信号进行捕获跟踪、定位解算，获取挖掘机1自身精确位置信息(经度、纬度、高程)，同时将解算的数据信息通过can通讯协议传输到挖掘机控制器3中，挖掘机控制器3中的坐标转换程序将位置信息转化为笛卡尔坐标系中数据信息，即三维坐标值(x,y,z)以及上车身的旋转角度。

动臂倾角传感器4、斗杆倾角传感器5和铲斗倾角传感器6实时检测挖掘机工作装置的角度的变化信息，输入的是电压信号，输出的是角度数据信息，同时将角度数据信息通过can总线通信方式发送给挖掘机控制器3。

毫米微波雷达传感器4，输入的是电压信号，输出的是挖掘机距离装载车的距离，同时将距离信息通过can总线通信方式传输给挖掘机控制器3。

图像处理系统8是一个微型计算机，用来处理摄像头9采集到的图像数据，并将处理结果发送到挖掘机控制器3，摄像头9与图像处理系统8采用以太网通信，传输信息量大、传输速度快，图像处理系统与挖掘机控制器连接采用can总线通信方式。

挖掘机控制器与无线通讯模块，使用的是can总线通讯方式，实时的获取转载车的位置信息以及遥控器的数据信息，这些信息经过控制器中的程序处理，最终显示在显示器上。无线通信模块(接收、发送)使用的是4g信号通信，传输速度快、距离远的特点。

挖掘机控制器3是一个基于任务的分时操作系统微型计算机设备，主要功能有与显示器交互操作，路径规划、运动方程正逆解、周期实时控制、信息交互和故障自诊断，实时读取、处理传感器的信息并将信息输出显示器和发送控制信号到液压系统驱动挖掘机工作装置工作。

挖掘机控制器3实时的获取北斗导航定位模块2、倾角传感器4、5、6以及北斗导航定位模块13的数据信息，通过挖掘机控制器程序解算数据信息，计算出挖掘机位置坐标和铲斗的三维坐标位置、装载车的三维坐标位置，挖掘机控制器3内的控制程序会实时计算挖掘机距离装载车的差值以及铲斗到装载车车厢的位置插值，然后挖掘机控制器会根据两个位置差值，发出控制信号控制液压系统工作，驱动油缸工作，调整挖掘机和铲斗的位置，倾角传感器又将工作装置的角度变化信息发送到控制器，形成一个闭环调节过程，并将处理结果在显示器显示；

挖掘机控制器3实时获取毫米微波雷达7测量挖掘机到装载车的数据信息，当挖掘机到装载车的距离小于设定的安全距离时，在显示器上闪烁红色警报灯，同时挖掘机控制器发送控制信号，调整挖掘机的位置。

图像处理系统8将处理过的摄像头数据信息，发送到挖掘机控制器3，挖掘机控制器控制程序根据数据信息来判断装载车的装载量数据信息，进而控制挖掘机是否继续装载，并将结果发送到显示器；

挖掘机控制器3通过无线通信模块10实时获取遥控器15的数据信息，得到遥控器的命令，进入遥控操作模式执行遥控动作。

显示器是基于windows系统的专用界面系统，采用c语言进行程序设计，能够实时准确、可靠稳定地工作，用于完成挖掘机器人的人机交互，工作模式设定，自动施工作业任务设置，显示挖掘机和装载车的相对位置，故障信息显示等功能。显示器显示的是由控制器发送的数据信息，其通过can通信方式与控制器进行连接数据传输。

本发明是这样实现功能的：

在挖掘机开始卸料之前，安装挖掘机上的北斗导航模块1获取挖掘机本体的实时三维坐标(x,y,z)以及挖掘机上车身的方向θ1，同时安装在挖掘机工作装置上的动臂倾角传感器4、斗杆倾角传感器5、铲斗倾角传感器6得到挖掘机的工作装置的各个姿态角度信息，这些数据信息都传输到挖掘机控制器3中，挖掘机的工作装置的尺寸是已知的，通过计算公式(1)计算挖掘机铲斗尖的实时三维坐标值(x1,y1,z1)；

图5是本发明中的挖掘机器人工作装置及坐标系示意图，从图5中可以看出，挖掘机器人工作装置由回转平台、动臂、斗杆、铲斗等关节组成。采用d-h法，建立工作装置连杆坐标系，a是回转原点、b是动臂原点、c是斗杆原点、d是铲斗原点、e是铲斗末端位置、θ1为回转平台的转角，θ2为动臂与水平面之间的夹角，θ3为斗杆与动臂之间的夹角，θ4为铲斗绞点到铲斗齿尖连线与斗杆延长线之间的夹角，d1为动臂坐标系原点与回转平台坐标系原点之间的高度差，a1为动臂原点础回转平台原点之间的水平距离，a2为斗杆原点到动臂原点之间的距离，a3为斗杆原点到铲斗原点之间的距离，a4为铲斗齿到铲斗铰点之间的距离。规定θ逆时针为正，顺时针为负。

采用d-h位移矩阵法建立运动学正解方程如式(1)所示，若将铲斗斗齿的位姿表示成向量(x1,y1,z,1,ζ)，则可得到铲斗斗齿位置和姿态；

在挖掘机开始卸料之前，安装在装载车上的装载车北斗导航定位模块13已经将装载车的实时位置坐标以及方向通过装载车无线通讯模块12传输到挖掘机控制器3中，挖掘机控制器3在挖掘机前往装载车卸料时，实时的计算挖掘机本体1距离装载车17的位置差，同时还有挖掘机铲斗尖的位置到装载车17的车身距离以及挖掘机铲斗尖在水平位置距离装载车车厢的高度差值；

在挖掘机开始卸料之前，根据挖掘机本体1与装载车的位置差值以及挖掘机铲斗尖与装载车车厢的高度差值，挖掘机控制器输出电流或电压信号控制电磁阀的开度，进而控制挖掘机本体1的行走、转向，同时控制动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸的单个运动或者相互协调作用，在挖掘机的铲斗到达装载车17的上方时，铲斗尖距离车厢的高度大于铲斗与斗杆的铰接点到铲斗尖的距离，以避免铲斗在卸载时铲斗尖与车厢的碰撞；

在挖掘机开始卸料之前，摄像头9安装在挖掘机本体1驾驶舱顶部每次卸料时摄像头9都会对着装载车的车厢位置，然后拍照将图片传输给图像处理系统8，图像处理系统8内已经有许多存储大量的关于装载机装载过程中的数据，图像处理系统8会根据图片判断装载车的车厢是否装满，同时通过传输信息给挖掘机控制器3控制挖掘机继续卸料还是停止卸料；

在挖掘机开始卸料之前，挖掘机显示器11和远程显示器14显示的是相同画面，包括挖掘机本体1三维坐标值以及方向，铲斗三维坐标值以及方向，装载车17三维坐标值以及方向，挖掘机本体1与装载车17的位置差值，挖掘机铲斗尖与装载车17车厢的高度差值；

在挖掘机开始卸料之前，前、后、左、右四个毫米微波雷达7与挖掘机控制器3相连接作为安全冗余系统，安装在挖掘机本体1上车身的四周相同水平位置，时刻测量挖掘机到装载车距离，远程遥控器可以随时控制挖掘机的停机和开启。

在挖掘机开始卸料之前，所述挖掘机本体1与所述装载车17的位置和方向都是任意的。由于所述装载车17的长、宽、高、位置和偏转角度都是已知的，所以可以方便的计算出车厢的任意一点三维坐标和位置，将这些位置进行一一的标记出来，所述挖掘机根据所述装载车17的车厢高度和标记的位置点进行来分层装载，直至装满车厢。

本发明提供了一种无人自动化挖掘机智能施工系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。