一种无人操作挖掘机及控制方法与流程

1.本发明涉及挖掘机技术领域，尤其是涉及一种无人操作挖掘机及控制方法。


背景技术：

2.随着市场化需求的不断扩大，无人操作挖掘机开始逐渐在工程施工中发挥着积极的作用。掌握一种无人操作挖掘机施工控制方法，可以帮助用户减少人员投入、降低运营成本、进一步提升施工效率，有效提高无人挖掘机的施工过程安全性。
3.现有的无人操作挖掘机技术大多采取的就近遥控或远程遥控方案，通过目测实际施工工况或者通过采集视频场景判断挖掘机的工作姿态，人为判断施工安全条件的前提下，完成挖掘施工作业过程。施工现场无人对挖掘机进行操作，而是通过无线通讯手段，由操作人员辅助操作遥控设备完成的。针对现有遥控型无人操作挖机技术，通过现场目测或者采集视频方式，观察实际施工场景，然后利用遥控终端完成挖掘机的挖掘动作，难以避免作业面盲区以及人为操作精度偏差的问题影响，导致挖掘过程中会经常出现超挖或误挖的情况出现。当施工过程中挖机出现挖掘时超负载或者挖机下面的工作台被部分误挖空的情况出现时，会而引起挖机大角度倾斜，情况严重时甚至导致翻车，存在较大的安全隐患；
4.另外，配备了智能化设备的无人操作挖掘机，可以在真正无人操作的情况下，通过安装在挖掘机车身上的物料场景自动识别装置自动分析出目标挖掘位置，并按照设计好的铲斗齿尖路径轨迹规划指令下完成自动挖掘过程。在挖掘机车身上安装激光雷达或摄像机等场景识别装置，采用图像识别技术，判断实际作业场景；挖掘机按照图像识别信息可以对铲斗轨迹路线自动进行规划，并由程序驱动完成挖掘过程。由于安装在车身上的激光雷达或摄像机等场景识别装置存在图像识别盲区，很难分辨出挖掘机底部的实际施工场景；并且挖掘机的位置相对于工作台偏移量没有检测手段，并且在挖掘机移动位置后，系统原先设定的电子围墙等相关安全参数也不能继续为安全运行起到保障作用，自动挖掘过程中会经常出现超挖或误挖的情况，会导致挖机大角度倾斜甚至翻车，存在较大的安全隐患；


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无人操作挖掘机及施工控制方法，以解决无人挖掘机工作过程中倾斜甚至翻车的技术问题。
6.本发明采用的技术方案具体为：
7.一种无人操作挖掘机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.s1)无人挖掘机开始工作后，程序控制器接收并判断激光雷达数据是否正常：程序控制器读取固定在挖掘机外围、探测范围可覆盖施工作业面和挖掘机的位置的激光雷达装置获取的施工范围内被探测物的参考坐标点，分析和处理雷达点云数据，精确计算出周围作业面以及挖掘机本身的详细位置坐标数据，并判断数据的有效性及是否正常，如果数据正常则执行步骤s2,如果数据不正常则程序结束；
9.s2)程序控制器读取安装在挖掘机上的角度传感器装置的数据，并判断各数据是
否正常：程序控制器读取安装在挖掘机上的角度传感器装置的数据，并判断数据的有效性及是否正常，如果数据正常则执行步骤s3,如果数据不正常则程序结束；
10.s3)程序控制器根据角度传感器装置的数据计算挖掘机工作姿态：程序控制器根据角度传感器装置的数据，计算出整机机械结构部件相对于机身中心点的距离，即得到挖掘机动臂、斗杆和铲斗的伸展状态，进而计算出挖掘机姿态信息；
11.s4)程序控制器按预设程序运算并规划施工区域目标作业水平面：程序控制器分析步骤s1获取的激光雷达数据，经过运算处理，识别出挖掘机挖掘机履带底部水平面位置，并确认出施工区域目标作业水平面，同时计算得出挖掘机履带底部水平面与施工区域目标作业水平面的垂直高度；
12.s5)程序控制器计算并规划铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面和最大挖掘深度：程序控制器根据步骤s1获取的激光雷达数据和步骤s3得出的挖掘机姿态信息，计算出铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面，同时计算得出施工区域目标作业水平面的与铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面的最大挖掘深度；
13.s6)判断铲斗齿尖挖掘深度是否达到最大挖掘深度：程序控制器按预设程序运算并控制挖掘机动臂、斗杆和铲斗动作，实时计算当前铲斗齿尖所处的深度位置信息，当铲斗齿尖未达到最大挖掘深度时，执行步骤s7；否则，当铲斗齿尖达到或超过最大挖掘深度时，程序自动执行步骤s11；
14.s7)程序控制器计算铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面的距离：程序控制器根据动臂、斗杆以及铲斗所对应的角度变化数据，计算出铲斗齿尖距离挖掘机中心垂直线的水平距离，程序控制器根据激光雷达装置探测到的挖掘机中心垂直线距离工作台理论安全承重垂直面的距离，计算出铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面的距离＝铲斗齿尖距离挖掘机中心垂直线的水平距离
–
挖掘机中心垂直线距离工作台理论安全承重垂直面的距离；
15.s8)判断铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面的距离是否达到极限值：程序控制器按预设程序运算并控制挖掘机动臂、斗杆和铲斗动作，铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面的距离较大时，执行步骤s9；否则，当铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面的距离接近0时，则程序自动执行步骤s11；
16.s9)判断车身平台倾斜角度是否正常：程序控制器实时读取车身水平面倾斜角的数据，当车身相对于水平面倾斜角未超过预设的倾角阈值时，执行步骤s10；否则，当车身相对于水平面倾斜角超过预设的倾角阈值时，程序自动执行步骤s11；
17.s10)执行挖掘过程：程序控制器实时计算动铲斗齿尖在垂直和水平方向上的位置信息，当数据符合安全施工指标时，按预设动作完成挖掘过程；
18.s11)控制铲斗小幅外摆：程序控制器控制铲斗小幅外摆，铲斗外摆动作执行完毕后，继续按照步骤s10完成挖掘过程。
19.所述角度传感器装置包括车身水平角度传感器、动臂角度传感器、斗杆角度传感器、铲斗角度传感器以及车身回转角度传感器。
20.所述步骤s9中，在程序控制器设置车身的前后倾角阈值和/或左右倾角阈值。
21.一种无人操作挖掘机，包括挖掘机、控制所述挖掘机的程序控制器、安装在所述挖掘机车身上的车身水平角度传感器和车身回转角度传感器、动臂上的动臂角度传感器、斗
杆上的斗杆角度传感器、铲斗上的铲斗角度传感器，还包括固定在挖掘机外围、探测范围可覆盖施工作业面和挖掘机位置的激光雷达装置；所述程序控制器通过信号线与车身水平角度传感器、动臂角度传感器、斗杆角度传感器、铲斗角度传感器、车身回转角度传感器和激光雷达装置连接。
22.所述激光雷达装置包括激光雷达固定装置、激光雷达、数据发射电台和数据接收电台；所述激光雷达和数据发射电台安装在固定于挖掘机外围的激光雷达固定装置上，两者通过信号线连接，所述激光雷达的探测范围可覆盖施工作业面和挖掘机位置；所述数据接收电台安装在挖掘机顶部，通过信号线与所述程序控制器连接；所述数据发射电台和数据接收电台通过无线连接。
23.本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明通过安装相应的角度传感器，运算出挖掘机的实时运行姿态数据，结合外围的激光雷达物料识别装置实际作业面和挖机位置信息，规划出安全的挖掘轨迹和路线，通过智能化算法计算出具体的挖掘深度和挖掘安全区域，可有效防止挖掘机超挖和误挖的情况出现。本发明采用无人化操作方式，通过对车体小部分的改造和必要的系统调试工作，节省了成本投入，大幅缩短整车生产周期，有效提升了挖掘机的智能化控制水平，提升了施工效率和施工安全性。
附图说明：
24.图1为本发明一种无人操作挖掘机系统配置图；
25.图2为本发明一种无人操作挖掘机示意图；
26.图3为本发明一种无人操作挖掘机控制方法流程图；
27.图标：100-工作台、200-挖掘机、201-程序控制器、202-车身水平角度传感器、203-动臂角度传感器、204-斗杆角度传感器、205-铲斗角度传感器、206-车身回转角度传感器、300-激光雷达固定装置、301-激光雷达、302-数据发射电台、303-数据接收电台；
28.v101-工作台理论安全承重垂直面、d101-挖掘机中心垂直线距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离、d102-铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离、d103-铲斗齿尖距离挖掘机中心垂直线的水平距离、l101-挖掘机履带底部水平面、l102-施工区域目标作业水平面、l103-铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面、h101-挖掘机履带底部水平面l101与施工区域目标作业水平面l102的垂直高度、h102-最大挖掘深度。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方法和优点更加清晰，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域设计人员在没有提出其他独创性观点的前提下所做出的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.如图1、图2所示，本发明一种无人操作挖掘机，包括：挖掘机200、控制挖掘机200的程序控制器201、车身水平角度传感器202、动臂角度传感器203、斗杆角度传感器204、铲斗角度传感器205、车身回转角度传感器206、激光雷达装置；其中，程序控制器201与挖掘机200采用信号线相连接；程序控制器201与车身水平角度传感器202、动臂角度传感器203、斗杆角度传感器204、铲斗角度传感器205、车身回转角度传感器206和激光雷达装置采用信号线相连接。
31.具体地，激光雷达装置包括激光雷达固定装置300、激光雷达301、数据发射电台302和数据接收电台303；激光雷达301激光雷达固定安装在挖掘机外围的激光雷达固定装置上，探测范围可以覆盖施工作业面和挖掘机的位置。激光雷达301负责实时发送激光束，用于获取施工范围内被探测物的参考坐标点，通过数据发射电台302把数据发送给挖机上的数据接收电台303；数据接收电台303再通过数据解码把数据发送给程序控制器201，完成分析和处理雷达点云数据，精确计算出周围作业面以及挖掘机本身的详细位置坐标。其中程序控制器201与数据接收电台303采用信号线相连接；激光雷达301与数据发射电台302采用信号线相连接；数据发射电台302与数据接收电台303采用无线通讯方式进行数据传输。
32.具体地，角度传感器负责检测动臂、斗杆、铲斗以及车身本体在运动过程中的角度变化数据，并将角度变化数据输入到程序控制器。
33.具体地，挖掘机控制器201读取当前的车身水平角度传感器202、动臂角度传感器203、斗杆角度传感器204、铲斗角度传感器205在工作过程中的具体变化的角度信息，通过各工作装置各自角度值和整机机械机构参数逆向推导出整机机械结构部件相对于机身中心点的距离，即得到挖掘机动臂、斗杆和铲斗的伸展状态，进而得知挖掘机本身的姿态；程序控制器201根据激光雷达装置探测的数据，再结合所述动臂当前角度、所述斗杆当前角度、所述铲斗当前角度值以及所述车身当前回转角度值，经过运算得出挖机当前所处的位置信息、目标作业表面的高度信息以及所属铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面的距离信息；
34.如图2所示，挖机下面的工作台100、工作台100作业区一侧的工作台理论安全承重垂直面v101、挖掘机中心垂直线距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离d101、挖掘机铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离d102、铲斗齿尖距离挖掘机中心垂直线的水平距离d103、挖掘机履带底部水平面l101、施工区域目标作业水平面l102、铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面l103、挖掘机履带底部水平面l101与施工区域目标作业水平面l102的垂直高度h101、施工区域目标作业水平面l102与铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面l103的最大挖掘深度h102。
35.具体地，挖掘机下面的工作台100，可以是预先搭建的坚硬平台，也可以是工作场景内的土石方平台，工作台100的尺寸和形状在本发明实施例中无任何限制。
36.具体地，激光雷达固定装置300负责固定激光雷达301和数据发送电台302，激光雷达固定装置300的位置可保证激光雷达301的探测范围覆盖目标作业区域和挖掘机下面的工作台100。
37.具体地，程序控制器201根据激光雷达301探测的数据，分析点云成像数据特性，经过运算得出挖机当前所处的位置信息。
38.具体地，程序控制器201根据激光雷达301探测的数据，可以确定挖掘机履带底部水平面l101、施工区域目标作业水平面l102、挖掘机履带底部水平面l101与施工区域目标作业水平面l102的垂直高度h101。
39.具体地，程序控制器201根据激光雷达301探测的数据，可以确定铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面l103与施工区域目标作业水平面l102的最大挖掘深度h102。
40.具体地，程序控制器201根据激光雷达301探测的数据，可以确定挖掘机中心垂直线距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离d101。
41.具体地，程序控制器201根据挖掘机上角度传感器的数据，可以计算出铲斗齿尖距离挖掘机中心垂直线的水平距离d103。
42.具体地，程序控制器201根据激光雷达301探测的数据以及工作装置上的角度传感器数据，可以计算出挖掘机铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离d102，并且满足d102＝d103
–
d101。
43.如图3所示，本发明提供的一种无人操作挖掘机控制方法，包括以下步骤，
44.步骤s1：无人挖掘机开始工作后，程序控制器201接收并判断激光雷达数据是否正常
45.本步骤中，程序控制器201读取数据接收电台303接收的激光雷达301的工作数据，并分析数据的有效性，如果雷达数据正常则进入步骤s2,如果雷达数据不正常则程序结束；
46.步骤s2：程序控制器201读取各个传感器的发送数据，并判断各数据是否正常
47.本步骤中，程序控制器201读取车身水平角度传感器202、动臂角度传感器203、斗杆角度传感器204、铲斗角度传感器205以及车身回转角度传感器206的数据，并分析数据的有效性，如果各项数据均正常则进入步骤s2,如果各项数据不正常则程序结束；
48.步骤s3：程序控制器201根据传感器数据计算挖掘机工作姿态
49.本步骤中，程序控制器201根据车身水平角度传感器202、动臂角度传感器203、斗杆角度传感器204以及铲斗角度传感器205发送的角度数据，通过各工作装置各自角度值和整机机械机构参数逆向推导出整机机械结构部件相对于机身中心点的距离，即得到挖掘机动臂、斗杆和铲斗的伸展状态，进而得知挖掘机本身的姿态；
50.步骤s4：程序控制器201按预设程序运算并规划铲斗挖掘的施工区域目标作业水平面l102
51.本步骤中，程序控制器201分析步骤s1获取的激光雷达数据，经过运算处理，识别出挖掘机履带底部水平面l101位置，并确认出施工区域目标作业水平面l102，同时计算得出挖掘机履带底部水平面l101与施工区域目标作业水平面l102的垂直高度h101；
52.步骤s5：程序控制器201按预设程序运算并规划铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面l103
53.本步骤中，程序控制器201分析步骤s1获取的激光雷达数据和步骤s3得出的挖掘机姿态信息，经过运算处理，识别出铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面l103位置，同时计算得出施工区域目标作业水平面l102的与铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面l103的最大挖掘深度h102；
54.本步骤中，施工区域目标作业水平面l102的与铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面l103的最大挖掘深度h102，是保证挖掘机在当前姿态时，铲斗进行挖掘物料过程以及准备提升动臂的过程中，挖掘机在铲斗装有负载的情况下，不会出现某一侧的履带因挖掘机重心偏移而造成履带翘起或与工作台面产生滑动的现象。在施工区域目标作业水平面l102内，目标挖掘位置距离挖机回转中心越远，挖掘机工作装置姿态展开后，挖掘过程中挖掘机重心偏离挖掘机回转中心的距离越远；当铲斗齿尖挖掘的越深，在铲斗装有负载的情况下越容易引起翻车，理论上可以定义，当挖掘深度为h102时，是挖掘机挖掘过程中可能引起翻车的临界点。
55.步骤s6：判断铲斗齿尖挖掘深度是否达到最大挖掘深度h102
56.本步骤中，以挖掘机履带底部水平面l101下方的物料为例，按照步骤s5得出的最大挖掘深度h102，可以反推出在挖掘过程中铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面l103的高度信息；程序控制器201按预设程序运算并控制挖掘机动臂、斗杆和铲斗动作，实时计算当前铲斗齿尖所处的深度位置信息，当铲斗齿尖位置在铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面l103上方时，铲斗齿尖未达到目标深度，则挖掘机是安全的，程序继续执行步骤s7；否则，当铲斗齿尖位置达到或突破到铲斗齿尖的最大挖掘深度水平面l103下方时，则挖掘机可能会出现翻车危险，程序自动执行步骤s11；
57.步骤s7：程序控制器201计算挖掘过程中挖掘机铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离d102
58.本步骤中，程序控制器201根据读取到的动臂、斗杆以及铲斗所对应的角度变化数据，反推出铲斗齿尖距离挖掘机中心垂直线的水平距离d103；程序控制器201根据激光雷达301探测到的挖掘机中心垂直线距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离d101，可以计算得出挖掘过程中铲斗齿尖水平方向距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离d102＝d103
–
d101；
59.步骤s8：判断铲斗齿尖水平方向距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离是否达到极限值
60.本步骤中，程序控制器201按照既定程序发送指令，控制动臂、斗杆和铲斗做挖掘动作，铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离距离d102较大时，则认定挖掘机当前姿态是安全的，程序可以执行步骤s9；否则，当铲斗齿尖距离工作台理论安全承重垂直面v101的距离d102接近0时，则挖掘机会误挖到工作台承重面，可能会出现翻车危险，程序自动执行步骤s11；
61.步骤s9：判断车身平台倾斜角度是否正常
62.本步骤中，程序控制器201实时的读取车身水平角度传感器202的数据。车身水平倾角传感器可以测量前后和左右两个方向相对于水平面的倾斜角。
63.可以对车身前后方向预设值一个阈值，当前后方向相对于水平面倾斜角未超过对应的阈值时，则认为挖掘机工作过程是安全的，程序继续执行步骤s10；否则，当前后方向相对于水平面倾斜角值超过对应阈值时，说明挖掘机铲斗内的负载偏重，判定为挖掘机工作过程是不安全的，可能会出现前后方向翻车危险，程序自动执行步骤s11；
64.可以对车身左右方向预设值一个阈值，当左右方向相对于水平面倾斜角未超过对应的阈值时，则认为挖掘机工作过程是安全的，程序继续执行步骤s10；否则，当左右方向相对于水平面倾斜角值超过对应阈值时，说明挖掘机铲斗内的负载偏重，判定为挖掘机工作过程是不安全的，可能会出现左右方向翻车危险，程序自动执行步骤s11；
65.步骤s10：按规定动作完成挖掘过程
66.本步骤中，程序控制器201实时计算动铲斗齿尖在垂直和水平方向上的位置信息，当数据符合安全施工指标时，按照既定程序完成挖掘动作；
67.步骤s11：程序控制器201控制铲斗小幅外摆，保障挖机处于安全状态
68.本步骤中，程序控制器201实时计算动铲斗齿尖在垂直和水平方向上的位置信息，并实时读取车身水平角度传感器202的数据，当数据出现异常时，程序控制器201发出控制铲斗小幅外摆的动作指令，目的时让挖掘机铲斗停止继续挖掘并做出小幅反向动作，以保
证铲斗齿尖位置退回到安全施工区间内，同时铲斗外摆动作可以让铲斗内的物料减少一部分，从而使挖掘机的负载完全处于安全指标范围内。铲斗外摆动作执行完毕后，继续按照步骤s10完成挖掘过程。
69.在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
70.在本发明的描述中，需要说明的是，并未对所述物料识别装置或其他装置的安装方位或位置进行精确指定，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
71.以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。