一种挖掘机自动作业控制系统、方法及挖掘机

1.本发明涉及用挖掘机智能挖掘技术领域，具体涉及一种挖掘机自动作业控制系统、方法及挖掘机。


背景技术：

2.挖掘机具有机动性能优良、环境适应性强、挖掘和装载范围广以及生产效率高等优点，广泛应用于大型基建和矿山开采中，是我国重大技术装备。挖掘机在保证工程质量，提高劳动生产率方面发挥着重要的作用。
3.随着电子技术、自动作业控制技术、计算机技术和传感器技术的不断发展，为满足挖掘机作业效率和安全性能等方面的要求，挖掘机正逐步走向智能化和无人化。然而，挖掘机的工作装置作为一种四自由度机械臂，体积大、负载高，想要其实现智能化、无人化作业，需要解决挖掘机的自动作业控制问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种挖掘机自动作业控制系统、方法及挖掘机。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：第一方面，本技术实施例提供了一种挖掘机自动作业控制系统，所述系统包括参数获取模块、控制模块和挖掘机控制器；所述参数获取模块，用于实时获取控制挖掘机自动作业的参数信息；所述控制模块，用于根据参数获取模块获取的参数信息，计算出用于控制挖掘机作业的控制量，并发送至挖掘机控制器；所述挖掘机控制器，用于根据控制模块发送的控制量控制挖掘机，使挖掘机进行自动作业。
6.在一种实施方式中，所述参数获取模块包括：至少3个倾角传感器，分别用于获取挖掘机动臂、斗杆和铲斗的角度信息；压力传感器，用于测量挖掘机油缸的压力信息；惯导rtk传感器，用于获取挖掘机位置以及偏转、俯仰、回转角度。
7.在一种实施方式中，所述控制模块为工控机。
8.在一种实施方式中，其特征在于，所述系统还包括远程桌面，所述远程桌面与控制模块或工控机连接，用于实现远程控制控制器及远程桌面显示。
9.在一种实施方式中，所述控制模块包括：姿态单元，用于通过惯导rtk传感器和倾角传感器数据计算出挖掘机姿态信息；油缸长度单元，用于通过倾角传感器数据计算出油缸长度信息；称重单元，用于通过倾角传感器和压力传感器数据计算出挖掘机负载信息；轨迹规划单元，用于对挖掘机工作装置的轨迹进行规划；所述姿态单元、油缸长度单元、称重单元及轨迹规划单元与控制单元之间通信连
接；控制单元，用于根据姿态单元、油缸长度单元、称重单元、轨迹规划单元得出的数据计算出控制量，并形成控制指令。
10.在一种实施方式中，所述姿态单元、油缸长度单元、称重单元及轨迹规划单元与控制单元之间通信连接的方式为：所述工控机分别与多个倾角传感器、惯导rtk传感器、挖掘机控制器连接，通过can通信；所述工控机与所述压力传感器连接，通过数据采集卡通信；所述工控机与远程桌面连接，通过wi-fi进行远程通信。
11.在一种实施方式中，所述姿态信息包括：根据挖掘机运动学模型、挖掘机参数及动臂、斗杆、铲斗的角度信息，确定的二维坐标系下铲斗齿尖、铲斗与斗杆铰接点、斗杆与动臂铰接点坐标；根据惯导rtk传感器确定的挖掘机位置以及偏转、俯仰、回转角度。
12.在一种实施方式中，所述油缸长度为通过挖掘机参数模型及挖掘机动臂、斗杆和铲斗的角度信息，确定的动臂、斗杆、铲斗油缸长度。
13.在一种实施方式中，所述铲斗的负载为通过挖掘机参数模型及挖掘机油缸的压力信息，确定的挖掘机铲斗负载。
14.在一种实施方式中，所述对挖掘机动作轨迹进行规划包括:通过挖掘机的挖掘点、卸料点及初始姿态信息确定挖掘机工作装置动作过程及规划目标；将挖掘机工作装置动作过程分解为挖掘机目标油缸长度和回转角度信息。
15.在一种实施方式中，所述根据姿态单元、油缸长度单元、称重单元、轨迹规划单元得出的数据计算出控制量，具体包括：计算轨迹规划单元分解的挖掘机目标油缸长度、回转角度信息与姿态单元、油缸长度单元、称重单元计算的实时油缸长度、回转角度信息；根据计算的偏差以及称重单元计算的实时负载信息，得出控制量。
16.在一种实施方式中，所述挖掘机控制器包括：驱动模块，用于根据控制量驱动挖掘机油缸、回转马达、行走马达控制挖掘机进行自动作业；判断模块，用于判断根据控制量驱动油缸和马达，进行自动作业，是否达到规划目标；未达到则令控制模块继续根据偏差和实时负载信息进行控制量计算；达到则继续判断轨迹规划是否结束；未结束则令控制模块继续进行轨迹规划及后续过程；已结束则整个规划、挖掘过程结束。
17.第二方面，本技术实施例提供了一种挖掘机自动作业控制方法，其特征在于，包括如下步骤：实时获取控制挖掘机自动作业的参数信息；根据获取的参数信息计算出用于控制挖掘机作业的控制量；
通过控制量控制挖掘机，使挖掘机进行自动作业。
18.在一种实施方式中，所述参数信息包括挖掘机动臂、斗杆和铲斗的角度信息，掘机油缸的压力信息，挖掘机位置以及偏转、俯仰、回转角度。
19.在一种实施方式中，根据获取的参数信息计算出用于控制挖掘机作业的控制量，包括：对获取的参数信息进行处理，得出挖掘机实时姿态、油缸长度、负载信息；对挖掘机轨迹进行规划，确定整个挖掘机工作装置动作过程及规划目标，将挖掘机工作装置动作过程分解为挖掘机目标油缸长度、回转角度信息；计算目标油缸长度、回转角度信息与实时油缸长度、回转角度信息偏差；根据计算的偏差以及实时负载信息，得出控制量，并发送至挖掘机控制器。
20.在一种实施方式中，所述方法还包括：判断根据控制量驱动油缸和马达，进行挖掘和卸料动作，是否达到规划目标；根据判断结果继续执行下列步骤：未达到则继续根据偏差和实时负载信息进行控制量计算；达到则继续判断轨迹规划是否结束；未结束则继续进行轨迹规划及后续过程；已结束则整个规划、挖掘过程结束。
21.第三方面，本技术实施例提供了一种挖掘机，配置有权利要求1-12任一项所述的控制系统。
22.第四方面，本技术实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述控制方法的步骤。
23.本发明与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：采用了倾角传感器、惯导rtk传感器相结合的挖掘机姿态识别方法，提高了姿态识别的精度。同时引入实时挖掘机姿态反馈和负载反馈，进一步提高了控制精度，保障了挖掘机无人化、智能化的实现。
附图说明
24.图1为本发明一实施例提供的挖掘机自动作业控制系统硬件连接示意图；图2为本发明一实施例提供的挖掘机自动作业控制系统结构示意图；图3为本发明一实施例提供的挖掘机自动作业控制系统通信示意图；图4为本发明一实施例提供的判断模块工作流程示意图；图5为本发明一实施例提供的挖掘机自动作业控制方法流程示意图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，对本发明进一步详细说明。
26.一种挖掘机自动作业控制系统，包括：参数获取模块、控制模块和挖掘机控制器；所述参数获取模块，用于实时获取控制挖掘机自动作业的参数信息；
所述控制模块，用于根据参数获取模块获取的参数信息，计算出用于控制挖掘机作业的控制量，并发送至挖掘机控制器；所述挖掘机控制器，用于根据控制模块发送的控制量控制挖掘机，使挖掘机进行自动作业。
27.本技术实施例中，参数获取模块包括：至少3个倾角传感器，分别用于获取挖掘机动臂、斗杆和铲斗的角度信息；压力传感器，用于测量挖掘机油缸的压力信息；惯导rtk传感器，用于获取挖掘机位置以及偏转、俯仰、回转角度。
28.在本技术实施例中，控制模块为工控机。
29.在一种可能的实现方式中，系统还包括远程桌面，远程桌面与控制模块或工控机连接，用于实现远程控制控制器及远程桌面显示。
30.具体的，如图1所示，图1为系统硬件连接示意图，工控机与倾角传感器连接，接收来自所述倾角传感器的信号，以确定挖掘机动臂、斗杆和铲斗的角度信息；工控机与惯导rtk传感器连接，以确定挖掘机的位置以及偏转、俯仰及回转角度信息；工控机与数据采集卡连接，以接收压力传感器信息；数据采集卡与所述压力传感器连接，以确定挖掘机油缸的压力信息；工控机与远程桌面连接，用于远程控制工控机及远程桌面显示；工控机还与挖掘机控制器连接，用于向所述挖掘机控制器发送控制信号。
31.图2为挖掘机自动作业控制系统结构示意图。如图2所示，控制模块包括：姿态单元，用于通过惯导rtk传感器和倾角传感器数据计算出挖掘机姿态信息；油缸长度单元，用于通过倾角传感器数据计算出油缸长度信息；称重单元，用于通过倾角传感器和压力传感器数据计算出挖掘机负载信息；轨迹规划单元，用于对挖掘机工作装置的轨迹进行规划；所述姿态单元、油缸长度单元、称重单元及轨迹规划单元与控制单元之间通信连接；控制单元，用于根据姿态单元、油缸长度单元、称重单元、轨迹规划单元得出的数据计算出控制量，并形成控制指令。
32.可选的，姿态单元、油缸长度单元、称重单元及轨迹规划单元与控制单元之间通信连接的方式为：工控机分别与多个倾角传感器、惯导rtk传感器、挖掘机控制器连接，通过can通信；工控机与所述压力传感器连接，通过数据采集卡通信；工控机与远程桌面连接，通过wi-fi进行远程通信。如图3所示。
33.可选的，姿态信息包括：根据挖掘机运动学模型、挖掘机参数及动臂、斗杆、铲斗的角度信息，确定的二维坐标系下铲斗齿尖、铲斗与斗杆铰接点、斗杆与动臂铰接点坐标；根据惯导rtk传感器确定的挖掘机位置以及偏转、俯仰、回转角度。
34.可选的，油缸长度为通过挖掘机参数模型及挖掘机动臂、斗杆和铲斗的角度信息，确定的动臂、斗杆、铲斗油缸长度。
35.可选的，所述铲斗的负载为通过挖掘机参数及挖掘机油缸的压力信息，确定的挖掘机铲斗负载。
36.需要说明的是，挖掘机运动学模型以及挖掘机的参数模型，均已建模完成，能够从
机身参数中获得。
37.可选的，所述对挖掘机工作装置的轨迹进行规划，包括：通过挖掘机的挖掘点、卸料点及初始姿态信息确定挖掘机工作装置动作过程及规划目标；将挖掘机工作装置动作过程分解为挖掘机目标油缸长度和回转角度信息。
38.本技术实施例中，根据姿态单元、油缸长度单元、称重单元、轨迹规划单元得出的数据计算出控制量，具体包括：计算轨迹规划单元分解的挖掘机目标油缸长度、回转角度信息与姿态单元、油缸长度单元、称重单元计算的实时油缸长度、回转角度信息；根据计算的偏差以及称重单元计算的实时负载信息，得出控制量。
39.在本技术实施例中，挖掘机控制器包括：驱动模块，用于根据控制量驱动挖掘机油缸、回转马达、行走马达控制挖掘机进行自动作业；判断模块，用于判断根据控制量驱动油缸和马达，进行自动作业，是否达到规划目标；根据判断结果继续执行下列步骤：未达到则令控制模块继续根据偏差和实时负载信息进行控制量计算；达到则继续判断轨迹规划是否结束；未结束则令控制模块继续进行轨迹规划及后续过程；已结束则整个规划、挖掘过程结束。
40.判断模块的工作流程如图4所示。
41.本发明提供的自动作业控制系统完成了对挖掘机的姿态识别以及姿态控制问题，进而保障挖掘机无人化、智能化的实现。可适应于大型矿用挖掘机，大大提高了大型矿用挖掘机智能化水平和工作效率。
42.如图5所示，一种挖掘机自动作业控制方法流程示意图，具体步骤如下：实时获取控制挖掘机自动作业的参数信息；根据获取的参数信息计算出用于控制挖掘机作业的控制量；通过控制量控制挖掘机，使挖掘机进行自动作业。
43.本技术实施例中，参数信息包括挖掘机动臂、斗杆和铲斗的角度信息，掘机油缸的压力信息，挖掘机位置以及偏转、俯仰、回转角度。
44.本技术实施例中，根据获取的参数信息计算出用于控制挖掘机作业的控制量，包括：对获取的参数信息进行处理，得出挖掘机实时姿态、油缸长度、负载信息；对挖掘机工作装置的轨迹进行规划，确定整个挖掘机工作装置动作过程及规划目标，并将挖掘机工作装置动作过程分解为挖掘机目标油缸长度和回转角度信息；计算目标油缸长度、回转角度信息与实时油缸长度、回转角度信息偏差；根据计算的偏差以及实时负载信息，得出控制量，并发送至挖掘机控制器。
45.可选的，参数信息包括挖掘机动臂、斗杆和铲斗的角度信息，掘机油缸的压力信息，挖掘机位置以及偏转、俯仰、回转角度。
46.可选的，挖掘机姿态信息为根据挖掘机运动学模型、挖掘机参数及动臂、斗杆、铲
斗的角度信息，确定的二维坐标系下铲斗齿尖、铲斗与斗杆铰接点、斗杆与动臂铰接点坐标；根据惯导rtk传感器确定的挖掘机位置以及偏转、俯仰、回转角度。油缸长度为通过挖掘机参数及挖掘机动臂、斗杆和铲斗的角度信息，确定的动臂、斗杆、铲斗油缸长度。铲斗的负载为通过挖掘机参数模型及挖掘机油缸的压力信息，确定的挖掘机铲斗负载。
47.可选的，通过挖掘机的挖掘点、卸料点及初始姿态信息确定挖掘机工作装置动作过程及规划目标。
48.在一可能的实施例中，一种挖掘机自动作业控制方法，还包括：判断根据控制量驱动油缸和马达，进行挖掘和卸料动作，是否达到规划目标。
49.根据判断结果继续执行下列步骤：未达到则继续根据偏差和负载进行控制量计算并驱动挖掘机；已达到则继续判断轨迹规划是否结束；未结束则继续进行轨迹规划及后续过程；已结束则整个规划、挖掘过程结束。
50.需要说明的是，上述实施例提供的一种挖掘机自动作业控制方法与挖掘机自动作业控制系统实施例属于同一构思，其体现实现过程详见挖掘机自动作业控制系统实施例，这里不再赘述。
51.在一个实施例中，提出了一种挖掘机，该挖掘机包括如上的控制系统。基于控制系统的描述，参见前述相同或相似部分的描述，在此不再赘述。
52.在一个实施例中，提出了一种计算机设备，计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：实时获取控制挖掘机自动作业的参数信息；根据获取的参数信息计算出用于控制挖掘机作业的控制量；通过控制量控制挖掘机，使挖掘机进行自动作业。
53.参数信息包括挖掘机动臂、斗杆和铲斗的角度信息，掘机油缸的压力信息，挖掘机位置以及偏转、俯仰、回转角度。根据获取的参数信息计算出用于控制挖掘机作业的控制量，包括：对获取的参数信息进行处理，得出挖掘机实时姿态、油缸长度、负载信息；对挖掘机轨迹进行规划，通过挖掘机的挖掘点、卸料点及初始姿态信息确定挖掘机工作装置动作过程及规划目标；将挖掘过程分解为挖掘机目标油缸长度、回转角度信息；计算目标油缸长度、回转角度信息与实时油缸长度、回转角度信息偏差；根据计算的偏差以及实时负载信息，得出控制量，并发送至挖掘机控制器。
54.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
55.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。