一种无人化电动装载机安全制动系统及电动装载机的制作方法

1.本实用新型属于安全制动技术领域，具体涉及一种无人化电动装载机安全制动系统。


背景技术：

2.未来智慧矿山、智慧港口将会得到大力发展，其工作量大、24小时不停机的特性决定了未来市场对装载机提出了更高的技术要求。无人化智能装载机可以很好的解决上述问题，可以在特定的工作区域内24小时不停机、高效率的进行铲装作业。
3.无人化电动装载机安全制动系统是电动装载机无人化、智能化的关键部分，可以有效的保证在无人化行驶过程中的安全性和稳定性。因此，研究和开发出适宜的无人化电动装载机安全制动系统具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本实用新型公开了一种无人化电动装载机安全制动系统，可以在无人驾驶过程中进行安全、精准、稳定的制动，同时还可以进行一定的能量回收。
5.为达到上述目的，本实用新型按以下技术方案实现：
6.本实用新型公开了一种无人化电动装载机安全制动系统，包括：
7.导航设备，用于提供车辆位置信息；
8.视觉传输设备，用于提供障碍物信息；
9.行走电机，用于驱动装载机前进或后退或制动，并提供当前电机转速信息；
10.电磁比例制动阀，用于控制装载机行车制动，并提供当前输出的制动压力；
11.电控手刹阀，用于控制装载机驻车制动；
12.上位机控制系统，分别与所述导航设备、视觉传输设备、整车控制器、行走电机和电磁比例制动阀相连接，从而获取位置信息、障碍物信息、行走电机转速信息和当前电磁比例制动阀输出的制动压力信号；
13.整车控制器，分别与所述上位机控制系统、行走电机、电控手刹阀、电磁比例制动阀相连接， 用于接收所述上位机控制系统的控制命令，并生成相应的控制信号以控制行走电机前进或后退或制动、控制电磁比例制动阀进行行车制动、控制电控手刹阀进行驻车制动。
14.优选的方案：所述整车控制器通过can总线或硬接线与行走电机、电磁比例制动阀、电控手刹阀相连接。
15.优选的方案：所述导航设备采用rtk惯性导航设备。
16.优选的方案：所述导航设备安装在驾驶室顶部。
17.优选的方案：所述视觉传输设备采用激光雷达。
18.优选的方案：在驾驶室顶部的正前方安装一个视觉传输设备；在驾驶室顶部的左侧位置和右侧位置各安装一个视觉传输设备；在车辆的尾部安装一个视觉传输设备。
19.优选的方案：所述电磁比例制动阀安装在车辆后车架内。
20.优选的方案：所述电控手刹阀安装在车辆后车架内。
21.本实用新型还公开了一种电动装载机，安装有上述的一种无人化电动装载机安全制动系统。
22.与现有技术相比，本实用新型有益效果：
23.1. 本实用新型有效的解决了车辆在无人驾驶的情况下，当车辆达到目的地时进行稳定、精准的制动；
24.2. 本实用新型有效的解决了车辆在无人驾驶过程中遇到障碍物，进行及时避让或及时制动，有效的提高了无人驾驶的安全性；
25.3. 本实用新型采用了行走电机的负扭矩作为辅助制动，装载机在铲装作业的过程中伴随着高频率的制动操作，随着负扭矩的频繁输出，可以进行能量回收，增强车辆的续航能力。
附图说明
26.附图作为本实用新型的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
27.在附图中：
28.图1为本实用新型无人化电动装载机安全制动系统框架图；
29.图2为本实用新型上位机控制系统结构示意图；
30.图3为本实用新型路径终点安全制动系统的控制流程图；
31.图4为本实用新型行车过程中避障安全制动系统的控制流程图。
32.附图标识：1-rtk导航设备、2-视觉传输设备、3-上位机控制系统、4-整车控制器、5-行走电机、6-电控手刹阀、7-电磁比例制动阀。
33.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。
具体实施方式
34.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
35.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语
ꢀ“
上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
36.在本实用新型的描述中，需要说明的是，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。
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实用新型中的具体含义。
37.如图1所示，本实用新型公开了一种无人化电动装载机安全制动控制系统，包括rtk导航设备1、视觉传输设备2、上位机控制系统3、整车控制器4、行走电机5、电控手刹阀6、电磁比例制动阀7。rtk导航设备1获取的位置信息、视觉传输设备2获取的障碍物信息、行走电机5状态信息、电磁比例制动阀7的输出制动压力信息都传输给上位机控制系统3，上位机控住系统3经过算法和逻辑处理将控制指令发送给整车控制器4，整车控制器4根据指令控制行走电机 5驱动或制动、控制电磁比例制动阀7行车制动、控制电控手刹阀6驻车制动。
38.具体的，上位机控制系统3分别与安装在驾驶室顶部的rtk导航设备1、安装在驾驶室顶部的视觉传输设备2、安装在后车架的电磁比例制动阀7、安装在后车架的电控手刹阀6、整车控制器4、行走电机5相连接，从而获取rtk导航设备1输出的装载机实时位置信息、获取视觉传输设备2的障碍物信息，障碍物信息包括障碍物的位置、障碍物的尺寸、障碍物的移动方向、障碍物的移动速度、获取电磁比例制动阀7输出的制动压力信息、行走电机5输出的当前电机转速信息；上位机控制系统3根据获取的信号进行算法和逻辑处理，生成控制命令并输出给整车控制器4。
39.电磁比例制动阀7安装在后车架上，根据整车控制器4传输给它的pwm信号不同输出不同压力的制动气压，同时将输出的制动压力信号传输给上位机控制系统3，形成闭环控制。
40.电控手刹阀6安装在后车架上，根据整车控制器4传输给它的使能信号，从而控制是否进行驻车制动。
41.整车控制器4分别与行走电机5、电磁比例制动阀7、电控手刹阀6相连接，用于接收上位机控制系统3的控制命令，并生成相应的控制信号控制行走电机5驱动或制动、控制电磁比例制动阀7输出相应的制动气压进行行车制动、控制电控手刹阀6驻车制动。
42.整车控制器4通过can总线或硬接线与行走电机5、电磁比例制动阀7、电控手刹阀6相连接。can总线能够实现整车控制器4与上位机控制系统3、行走电机5相连接，数据传输效率高，稳定方便易实现。
43.本实用新型的实施原理为：上位机控制系统3获取rtk惯性导航设备1输出的位置信息、视觉传输设备2输出的障碍物信息、行走电机5状态信息、电磁比例制动阀7输出的制动压力信息；上位机控制系统3根据获取的信号进行算法和逻辑处理，将控制命令输出给整车控制器4；整车控制器4通过can总线或硬接线将相应的控制命令输出给行走电机5、电磁比例制动阀7、电控手刹阀6。
44.如图2所示，上位机控制系统包括路径终点安全制动系统、行车过程中避障安全制动系统；路径终点安全制动系统是根据车辆当前位置与路径终点的距离以及当前行走电机的转速，输出一定的行走电机负扭矩进行辅助制动、以及输出比例性的电磁比例制动阀pwm信号进行主制动；行车过程中避障安全制动系统是根据障碍物的位置、障碍物的移动方向、障碍物的移动速度、障碍物的大小、以及行走电机的转速、车辆距离障碍物的距离，经过模糊算法、pid算法和逻辑处理后，控制车辆进行停车制动避障或重新规划路径避障。该无人化电动装载机安全制动系统及控制方法可以在无人驾驶过程中进行安全、精准、稳定的制动，同时还可以进行一定的能量回收。
45.如图3所示，路径终点安全制动系统的控制流程为：
46.一、上位机控制系统获取rtk惯性导航设备的位置信息、行走电机的状态信息、路径规划系统规划的目标路径信息；
47.获取目标路径信息，主要包括目标路径和目标路径全局坐标系，目标路径是路径规划系统中得到的，根据起点位置、终点位置、以及沿途障碍物位置，通过目标路径算法生成的目标路径，获取的目标路径是由n个点组成的曲线或直线，每个点包含目标路径全局坐标系该点的x轴位置y轴位置以及该点的航向角，根据工作场景可以是直线可以是曲线；其中，目标路径算法也可以称作路径规划算法，主要是将现有的readsheep算法和a_star算法相结合，再进行优化得到混合a_star算法；
48.二、上位机控制系统根据获取的信号进行算法和逻辑处理，将控制命令输出给整车控制器；具体包括：
49.上位机控制系统根据车辆当前位置和目标路径终点的距离，判断是否小于设定的制动距离2米，如果否，则车辆继续行驶；
50.如果是，上位机控制系统根据当前行走电机的转速输出一定的线性负扭矩，控制电机工作在发电状态，既可以进行一定的制动还可以进行能量回收；上位机控制系统根据车辆当前位置和目标路径终点的距离进行比例性的输出电磁比例制动阀的pwm控制信号，控制车辆进行行车制动，同时电磁比例制动阀输出的制动气压信号值反馈至上位机控制系统形成闭环控制，进一步优化输出pwm信号，更好的控制车辆进行稳定、精准制动。
51.三、判断车辆距离路径终点的距离是否等于0，如果否，车辆继续进行行车制动；如果是，控制行走电机的输出扭矩为0，行走电机不工作，输出电控手刹阀使能信号，控制车辆进行驻车制动。
52.如图4所示，行车过程中避障安全制动系统的控制流程为：
53.一、上位机控制系统获取行走电机的转速信息、视觉传输设备的障碍物信息，障碍物信息包括障碍物的位置、障碍物的尺寸、障碍物的移动方向、障碍物的移动速度；
54.视觉传输设备采用激光雷达，1个安装在驾驶室顶部的正前方，2个分别安装在驾驶室顶部的左侧位置和右侧位置，1个安装在车辆的尾部。
55.二、判断车辆距离障碍物的距离是否小于设定的安全距离10米，如果否，车辆继续行驶；如果是，判断障碍物是否向车辆方向移动；
56.三、如果障碍物不向车辆方向移动，判断障碍物是否为静止障碍物，如果否，车辆继续行驶；如果是，路径规划系统以车辆当前位置为起点重新规划一条避开障碍物的目标路径，车辆沿着新规划的路径继续行驶；
57.四、如果障碍物向着车辆方向移动，判断车辆距离障碍物的距离是否小于设定的制动距离5米，如果否，车辆继续行驶；如果是，上位机控制系统根据行走电机的当前转速输出相应的行走电机负扭矩，进行辅助制动以及能量回收，将车辆距障碍物的距离以及障碍物的移动速度进行加权处理，将加权后的车辆距障碍物的距离以及障碍物的移动速度相加作为安全制动的总偏差，对总偏差和总偏差增量进行模糊化处理，获得输入参数，将输入参数输入给pid算法得到为控制车辆安全制动的电磁比例制动阀的pwm信号，制动压力信号回馈至上位机控制系统，形成闭环控制，进一步优化输出的pwm信号，控制车辆实现稳定安全的制动，待障碍物避开后车辆继续沿着目标路径行驶。
58.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
59.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本实用新型的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本技术所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。
60.以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。