一种激光控制平整推土机的控制系统及控制方法与流程

本发明属于激光控制推土机技术领域，尤其涉及一种激光控制平整推土机的控制系统及控制方法。

背景技术：

推土机是一种能够进行挖掘、运输和排弃岩土的土方工程机械,在露天矿有广泛的用途。例如，用于建设排土场,平整汽车排土场，堆集分散的矿岩，平整工作平盘和建筑场地等。它不仅用于辅助工作，也可用于主要开采工作。例如:砂矿床的剥离和采矿，铲运机和犁岩机的牵引和助推，在无运输开采法时配合其他土方机械降低剥离台阶高度等。推土机可分为履带式和轮胎式两种。履带式推土机附着牵引力大，接地比压小(0.04一0.13mpa)，爬坡能力强，但行驶速度低。轮胎式推土机行驶速度高，机动灵活，作业循环时间短，运输转移方便，但牵引力小，适用于需经常变换工地和野外工作的情况。推土机是土方工程机械的一种主要机械，按行走方式分为履带式和轮胎式两种.因为轮胎式推土机较少。本文主要讲述履带式推土机的结构与工作原理。推土机开挖的基本作业是：a.铲土b.运土c.卸土。然而，现有对激光信号识别误差大，影响平整场地的平整性；

对于激光信号变化差值的误差的来源进行分析，根据信号中误差的特性大致可以分为三种：第一种是系统误差，即在相同的实验条件下，对于相同的值进行多次仿真后，误差保持不变。通常系统误差具有一定规律性，采取一定技术措施可消除或减小系统误差。第二种是随机误差，即在相同的实验条件下，对于相同的值进行多次的实验仿真后，产生的误差具有不确定性。系统误差没有办法找寻规律，产生的原因多种多样，如实验环境的噪声、电磁干扰等。对于随机误差，可利用随机过程相关理论处理。第三种是粗大误差，即这种误差值相比其他误差值而言，数值显著，进而成为粗大误差。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有对激光信号识别误差大，影响平整场地的平整性；同时，目前尚未有实时监测铲刀工作状态的方法，铲刀姿态调整全凭操作者的经验，劳动强度高，精确度及效率偏低，有时还容易误操作，如极限位置倾斜等，易损坏铲刀，存在安全隐患。

现有技术中，判断激光信号变化差值；没有采用约束法则对激光信号变化差值进行去除；对产生的系统误差进行误差拟合，不能减小随机误差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光控制平整推土机的控制系统及控制方法。

本发明是这样实现的，一种激光控制平整推土机的控制方法，包括：

利用信号判断电路判断激光信号变化差值；信号判断电路中集成的探头判断激光信号变化差值中，采用约束法则对激光信号变化差值进行去除；对产生的系统误差进行误差拟合，减小随机误差；

利用调节电路根据信号差值调节推土铲刀的高度；

设定调节电路集成的中央处理器的一推土铲刀的高度临界值；

根据推土铲刀的高度临界值判断一最大可处理负载量；

根据汇集平台电源管理技术将多个第一工作任务结合为一第一连续工作任务；

判断第一连续工作任务的一负载量是否大于最大可处理负载量；

当第一连续工作任务的负载量大于最大可处理负载量时，将第一连续工作任务中之一超载部分的第一工作任务移出第一连续工作任务；

当接收到第一连续工作任务时，将中央处理器由一休眠模式切换至一操作模式，以及处理第一连续工作任务；以及当第一连续工作任务处理完成后，将中央处理器设为休眠模式；实现推土铲刀的高度的调节。

进一步，对产生的系统误差进行误差拟合包括：

曲线拟合中，用n次多项式pn(x)进行曲线拟合，pn(x)与原函数的误差的判断准则有三种：最佳平方拟合、最佳一致拟合和最小二乘拟合；在曲线拟合中，最为常用的是最小二乘多项式拟合，如下：

设定n次多项式pn(x)为：

那么，得到的误差为：

为使误差q最小在此需要求取a0，a1，…，an，根据求极值的方法，需要对a0，a1，…，an求偏导，再使得偏导数为零，得到a0，a1，…，an；应该满足如下的方程组

整理、展开后得到式

用矩阵的方式表示方程组为

求解，得到a0，a1，…，an，代入下式得到最小二乘法拟合多项式

中央处理器的操作频率在一般操作下具有一正常操作频率；

根据第一连续工作任务的负载量以及推土铲刀的高度临界值决定一第一操作频率；

以及当中央处理器切换至操作模式时，将中央处理器的操作频率由正常操作频率提升至第一操作频率，并通过第一操作频率处理第一连续工作任务；

其中第一操作频率的工作频率高于正常操作频率的工作频率；

中央处理器控制方法还包括：

当第一连续工作任务处理完成并且中央处理器进入休眠模式后，根据汇集平台电源管理技术将多个第二工作任务以及超载部分的第一工作任务结合为一第二连续工作任务；

当接收到第二连续工作任务时，将中央处理器由休眠模式切换至操作模式；

将中央处理器的操作频率由正常操作频率提升至一第二操作频率，通过第二操作频率处理第二连续工作任务；以及当第二连续工作任务处理完成后，将中央处理器设为休眠模式；

其中第一操作频率的工作频率高于正常操作频率的工作频率；

中央处理器使用第一操作频率将第一连续工作任务处理完成的时间点与开始接收到第二连续工作任务的时间点之间具有一第一间隔时间，而使用正常频率将第一连续工作任务处理完成与接收到第二连续工作任务之间具有一第二间隔时间，其中第一间隔时间小于第二间隔时间。

进一步，所述激光控制平整推土机的控制方法具体包括：

步骤一，通过激光信号发射模块利用激光发射器发射激光信号；通过激光信号接收模块利用激光接收器接收激光信号；

步骤二，主控模块通过信号识别模块利用信号识别电路进行识别激光信号；

步骤三，通过信号判断模块利用信号判断电路判断激光信号变化差值；通过高度调节模块利用调节电路根据信号差值调节推土铲刀的高度；

步骤四，通过工作状态监测模块利用监测电路对铲刀的工作状态进行监测；

步骤五，通过数据存储模块利用存储器存储铲刀工作状态数据信息；并通过显示模块利用显示器显示铲刀工作状态数据信息。

进一步，信号识别方法包括：

(1)经位相调制的脉冲激光通过光电管转换成电信号，经示波器测量电信号，得到所述脉冲激光的时间波形；

(2)计算并滤除脉冲激光的时间波形的基底，得到分析信号f(t)，具体是：选取测量信号中间带有幅频调制信号部分i0，对带有幅频调制信号部分i0进行多项式拟合，得到基底信号ibase，幅频调制信号部分i0与基底信号ibase的差值，即为分析信号f(t)；

(3)根据位相调制频率，构造出过完备字典，过完备字典的原子向量公式如下：

gk(t)＝sin(2πfmt+φn)；

式中，相位φn＝2πn/n，频率fm＝f0+(m/m-0.5)δf，n∈[0,n)，m∈[0,m)，f0为中心频率，δf为频谱宽度，n为相位的采样数，m为频率的采样数；

(4)利用过完备字典对分析信号f(t)进行稀疏分解，获得特征稀疏表示系数；

(5)根据特征稀疏表示系数对信号进行重构，得到幅频调制深度，最后，对重构信号进行傅里叶变换，得到分析信号的频谱。

进一步，工作状态监测模块监测方法包括：

1)预先建立数据库；

2)实时采集工作参数，包括采集斜支撑铰点距离值xlc、左提升油缸铰点距离值llc、右提升油缸铰点距离值rlc和倾斜油缸铰点距离值tlc；

3)通过工作参数访问数据库，进行数据分析；

4)显示当前铲刀的工作状态参数；

进行数据分析包括：

判断铲刀是否处于极限位置倾斜工况，若是，则判定铲刀此动作为危险动作，发出操作危险警示；否则，获得当前铲刀的工作状态参数；

所述数据库中预存有提升油缸最大极限行程lmax、提升油缸设定误差值δlmax、倾斜油缸设定误差值δt；

若|llc-lmax|<＝δlmax或者|rlc-lmax|<＝δlmax，且|xlc-tlc|>δt，则判定铲刀处于极限位置倾斜工况；

所述获得当前铲刀的工作状态参数，包括：

根据测得的斜支撑铰点距离值xlc查询数据库中的斜支撑铰点距离xl与入土角度a关系曲线数据，查得斜支撑铰点距离值xl，此时与xl对应的入土角度a为当前状态下的铲刀入土角度值ap；

所述判断测得的斜支撑铰点距离值xlc和测得的倾斜油缸铰点距离值tlc的差值是否在预设范围内，若是，则判定当前铲刀为水平位置，否则，判定当前铲刀为倾斜姿态。

本发明的另一目的在于提供一种激光控制平整推土机的控制计算机程序，所述激光控制平整推土机的控制计算机程序实现所述的激光控制平整推土机的控制计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端至少搭载实现所述激光控制平整推土机的控制方法的控制器。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的激光控制平整推土机的控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种激光控制平整推土机的控制系统，所述激光控制平整推土机的控制系统包括：

激光信号发射模块，与主控模块连接，用于通过激光发射器发射激光信号；

激光信号接收模块，与主控模块连接，用于通过激光接收器接收激光信号；

主控模块，与激光信号发射模块、激光信号接收模块、信号识别模块、信号判断模块、高度调节模块、工作状态监测模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

信号识别模块，与主控模块连接，用于通过信号识别电路进行识别激光信号；

信号判断模块，与主控模块连接，用于通过信号判断电路判断激光信号变化差值；

高度调节模块，与主控模块连接，用于通过调节电路根据信号差值调节推土铲刀的高度；

工作状态监测模块，与主控模块连接，用于通过监测电路对铲刀的工作状态进行监测；

数据存储模块，与主控模块连接，用于通过存储器存储铲刀工作状态数据信息；

显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示铲刀工作状态数据信息。

本发明的另一目的在于提供一种至少搭载所述激光控制平整推土机的控制系统的激光控制平整推土机。

本发明的优点及积极效果为：

本发明通过信号识别模块有效抑制噪声的影响，提高了幅频调制深度的识别精度，与直接傅里叶变换的方法相比，可以提高频率识别的准确度；同时，通过工作状态监测模块根据预先建立数据库，并实时采集工作参数访问数据库，进行分析计算显示当前铲刀的工作状态参数，可使操作者清楚获知铲刀当前姿态，方便操作者准确调整铲刀参数，提高作业效率，降低劳动强度，防止误操作，提高工作效率及精度。

本发明判断激光信号变化差值中，采用约束法则对激光信号变化差值进行去除；对产生的系统误差进行误差拟合，减小了随机误差。

本发明判断激光信号变化差值中，分别对两组数据进行最小二乘法多项式曲线拟合，拟合出2阶至7阶下的误差曲线，两组拟合结果都是阶数为6阶时，拟合精度最高，将验证集的误差曲线与测试集的误差曲线对比可以发现，随着探头上采样点的位置远离推土铲刀明显区域，误差值逐渐变大；通过对拟合曲线上测试集与验证集对应采样点的推土铲刀峰-高度峰值作差，得到两条曲线整体特性一致，表征实验中误差处理的方法可行，且测试集获得的图像采集系统的精度特性可以代表系统的整体精度特性。

本发明利用调节电路根据信号差值调节推土铲刀的高度中，

设定调节电路集成的中央处理器的一推土铲刀的高度临界值；

根据推土铲刀的高度临界值判断一最大可处理负载量；

根据汇集平台电源管理技术将多个第一工作任务结合为一第一连续工作任务；

判断第一连续工作任务的一负载量是否大于最大可处理负载量；

当第一连续工作任务的负载量大于最大可处理负载量时，将第一连续工作任务中之一超载部分的第一工作任务移出第一连续工作任务；可准确调节推土铲刀的高度数据。

附图说明

图1是本发明实施提供的激光控制平整推土机的控制方法流程图。

图2是本发明实施提供的激光控制平整推土机的控制系统结构框图。

图中：1、激光信号发射模块；2、激光信号接收模块；3、主控模块；4、信号识别模块；5、信号判断模块；6、高度调节模块；7、工作状态监测模块；8、数据存储模块；9、显示模块。

图3是本发明实施提供的将多项式的幂级数n从2阶拟合到7阶图。

图4是本发明实施提供的将多项式的幂级数从2阶拟合到7阶，拟合曲线图。

图5是本发明实施提供的将验证集的27个采样点的误差拟合曲线与测试集的27个采样点的误差拟合曲线进行对比图.

图6是本发明实施提供的计算出两条误差拟合曲线上对应采样点的检测误差之差图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的激光控制平整推土机的控制方法，包括以下步骤：

s101，通过激光信号发射模块利用激光发射器发射激光信号；通过激光信号接收模块利用激光接收器接收激光信号；

s102，主控模块通过信号识别模块利用信号识别电路进行识别激光信号；

s103，通过信号判断模块利用信号判断电路判断激光信号变化差值；通过高度调节模块利用调节电路根据信号差值调节推土铲刀的高度；

s104，通过工作状态监测模块利用监测电路对铲刀的工作状态进行监测；

s105，通过数据存储模块利用存储器存储铲刀工作状态数据信息；并通过显示模块利用显示器显示铲刀工作状态数据信息。

如图2所示，本发明实施例提供的激光控制平整推土机的控制系统包括：激光信号发射模块1、激光信号接收模块2、主控模块3、信号识别模块4、信号判断模块5、高度调节模块6、工作状态监测模块7、数据存储模块8、显示模块9。

激光信号发射模块1，与主控模块3连接，用于通过激光发射器发射激光信号；

激光信号接收模块2，与主控模块3连接，用于通过激光接收器接收激光信号；

主控模块3，与激光信号发射模块1、激光信号接收模块2、信号识别模块4、信号判断模块5、高度调节模块6、工作状态监测模块7、数据存储模块8、显示模块9连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

信号识别模块4，与主控模块3连接，用于通过信号识别电路进行识别激光信号；

信号判断模块5，与主控模块3连接，用于通过信号判断电路判断激光信号变化差值；

高度调节模块6，与主控模块3连接，用于通过调节电路根据信号差值调节推土铲刀的高度；

工作状态监测模块7，与主控模块3连接，用于通过监测电路对铲刀的工作状态进行监测；

数据存储模块8，与主控模块3连接，用于通过存储器存储铲刀工作状态数据信息；

显示模块9，与主控模块3连接，用于通过显示器显示铲刀工作状态数据信息。

本发明提供的信号识别模块4识别方法如下：

(1)经位相调制的脉冲激光通过光电管转换成电信号，经示波器测量电信号，得到所述脉冲激光的时间波形；

(2)计算并滤除脉冲激光的时间波形的基底，得到分析信号f(t)，具体是：选取测量信号中间带有幅频调制信号部分i0，对带有幅频调制信号部分i0进行多项式拟合，得到基底信号ibase，幅频调制信号部分i0与基底信号ibase的差值，即为分析信号f(t)；

(3)根据位相调制频率，构造出过完备字典，过完备字典的原子向量公式如下：

gk(t)＝sin(2πfmt+φn)；

式中，相位φn＝2πn/n，频率fm＝f0+(m/m-0.5)δf，n∈[0,n)，m∈[0,m)，f0为中心频率，δf为频谱宽度，n为相位的采样数，m为频率的采样数；

(4)利用过完备字典对分析信号f(t)进行稀疏分解，获得特征稀疏表示系数；

(5)根据特征稀疏表示系数对信号进行重构，得到幅频调制深度，最后，对重构信号进行傅里叶变换，得到分析信号的频谱。

本发明提供的工作状态监测模块7监测方法如下：

1)预先建立数据库；

2)实时采集工作参数，包括采集斜支撑铰点距离值xlc、左提升油缸铰点距离值llc、右提升油缸铰点距离值rlc和倾斜油缸铰点距离值tlc；

3)通过工作参数访问数据库，进行数据分析；

4)显示当前铲刀的工作状态参数。

本发明提供的进行数据分析包括：

判断铲刀是否处于极限位置倾斜工况，若是，则判定铲刀此动作为危险动作，发出操作危险警示；否则，获得当前铲刀的工作状态参数。

本发明提供的数据库中预存有提升油缸最大极限行程lmax、提升油缸设定误差值δlmax、倾斜油缸设定误差值δt；

若|llc-lmax|<＝δlmax或者|rlc-lmax|<＝δlmax，且|xlc-tlc|>δt，则判定铲刀处于极限位置倾斜工况。

本发明提供的获得当前铲刀的工作状态参数，包括：

根据测得的斜支撑铰点距离值xlc查询数据库中的斜支撑铰点距离xl与入土角度a关系曲线数据，查得斜支撑铰点距离值xl，此时与xl对应的入土角度a为当前状态下的铲刀入土角度值ap。

本发明提供的判断测得的斜支撑铰点距离值xlc和测得的倾斜油缸铰点距离值tlc的差值是否在预设范围内，若是，则判定当前铲刀为水平位置，否则，判定当前铲刀为倾斜姿态。

本发明实施例提供的激光控制平整推土机的控制方法，包括：

利用信号判断电路判断激光信号变化差值；信号判断电路中集成的探头判断激光信号变化差值中，采用约束法则对激光信号变化差值进行去除；对产生的系统误差进行误差拟合，减小随机误差；

利用调节电路根据信号差值调节推土铲刀的高度；

设定调节电路集成的中央处理器的一推土铲刀的高度临界值；

根据推土铲刀的高度临界值判断一最大可处理负载量；

根据汇集平台电源管理技术将多个第一工作任务结合为一第一连续工作任务；

判断第一连续工作任务的一负载量是否大于最大可处理负载量；

当第一连续工作任务的负载量大于最大可处理负载量时，将第一连续工作任务中之一超载部分的第一工作任务移出第一连续工作任务；

当接收到第一连续工作任务时，将中央处理器由一休眠模式切换至一操作模式，以及处理第一连续工作任务；以及当第一连续工作任务处理完成后，将中央处理器设为休眠模式；实现推土铲刀的高度的调节。

进一步，对产生的系统误差进行误差拟合包括：

曲线拟合中，用n次多项式pn(x)进行曲线拟合，pn(x)与原函数的误差的判断准则有三种：最佳平方拟合、最佳一致拟合和最小二乘拟合；在曲线拟合中，最为常用的是最小二乘多项式拟合，如下：

设定n次多项式pn(x)为：

那么，得到的误差为：

为使误差q最小在此需要求取a0，a1，…，an，根据求极值的方法，需要对a0，a1，…，an求偏导，再使得偏导数为零，得到a0，a1，…，an；应该满足如下的方程组

整理、展开后得到式

用矩阵的方式表示方程组为

求解，得到a0，a1，…，an，代入下式得到最小二乘法拟合多项式

中央处理器的操作频率在一般操作下具有一正常操作频率；

根据第一连续工作任务的负载量以及推土铲刀的高度临界值决定一第一操作频率；

以及当中央处理器切换至操作模式时，将中央处理器的操作频率由正常操作频率提升至第一操作频率，并通过第一操作频率处理第一连续工作任务；

其中第一操作频率的工作频率高于正常操作频率的工作频率；

中央处理器控制方法还包括：

当第一连续工作任务处理完成并且中央处理器进入休眠模式后，根据汇集平台电源管理技术将多个第二工作任务以及超载部分的第一工作任务结合为一第二连续工作任务；

当接收到第二连续工作任务时，将中央处理器由休眠模式切换至操作模式；

将中央处理器的操作频率由正常操作频率提升至一第二操作频率，通过第二操作频率处理第二连续工作任务；以及当第二连续工作任务处理完成后，将中央处理器设为休眠模式；

其中第一操作频率的工作频率高于正常操作频率的工作频率；

中央处理器使用第一操作频率将第一连续工作任务处理完成的时间点与开始接收到第二连续工作任务的时间点之间具有一第一间隔时间，而使用正常频率将第一连续工作任务处理完成与接收到第二连续工作任务之间具有一第二间隔时间，其中第一间隔时间小于第二间隔时间。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

本发明通过信号判断模块利用信号判断电路判断激光信号变化差值中，

基于激光位移传感器的双目视觉脉搏图像采集系统精度分析中，

采集等产生的异常数据，把这些数据点称为坏点，这些点会严重影响数据拟合精度，所以需要进行剔除。剔除坏点后，对测试集中相关性强的27个采样点误差利用最小二乘法多项式曲线拟合。通过查阅相关文献，发现在适当的拟合范围内，拟合的幂级数越高，拟合效果越好。根据以往数据拟合经验，在数据拟合时，通常选用2-7阶拟合曲线对比，从中寻找的最优拟合曲线可以表征系统的误差特性，将多项式的幂级数n从2阶拟合到7阶如图3所示。

图3中图(a)～图(f)表示了不同阶数拟合时的拟合曲线。评价拟合曲线精度的指标在表中通过r-squre(拟合精度)表示，该数值取值范围在0～1之间，值越大，拟合的曲线精度越高，此时拟合曲线越能反映数据点分布的趋势。为了清晰表现拟合阶数不同时各项系数的值，列出表1表征拟合曲线表达式的各项系数。

可以发现，当阶数为6阶时，拟合精度r-squre为0.90412，相比较其他值更加接近1，所以采用最小二乘法6阶多项式拟合。拟合得到的表达式如下式所示。其中x代表采样点，y代表误差值。

y＝0.0156+0.00125x-4.2201×e^-4×x²+6.1664×e^-5×x³-4.1889×e^-6×x⁴+1.3364×e^-7×x⁵-1.6191×e^-9×x⁶。

下面结合测试集误差拟合结果验证及分析对本发明作进一步描述。

测试集对27个采样点进行多项式最小二乘法拟合，获得了采样点的误差拟合曲线及表达式，为了充分验证测试集的误差拟合曲线是否准确地反映了图像采集系统误差的整体特性，将验证集27个采样点的误差值进行最小二乘多项式曲线拟合，将多项式的幂级数从2阶拟合到7阶，拟合曲线如图4.

从图4中图(a)～图(f)分别表示了不同拟合阶数时的拟合曲线，当阶数为6阶时，拟合精度为0.90412，此时拟合的精度最高。为了对比研究测试集误差拟合的准确性，将验证集的27个采样点的误差拟合曲线与测试集的27个采样点的误差拟合曲线进行对比图如图5.

为了便于分析双目视觉脉搏图像采集系统的误差特点，计算出两条误差拟合曲线上对应采样点的检测误差之差如图6所示，具体数值如下表所示。

两个样本集中对应采样点的检测误差之差表

从曲线的客观性来看，验证集的误差拟合曲线与测试集的误差拟合曲线的趋势是相近的，即测试集通过最小二乘法多项式拟合的曲线及表达式可以准确反映图像采集系统整体的精度特性及误差趋势。

探头上采样点的误差值随着远距离增大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。