用于电动挖掘机的碰撞避免系统的制作方法

专利名称：用于电动挖掘机的碰撞避免系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及碰撞避免的系统和方法，尤其涉及减少第一对象和第二对 象之间碰撞概率的系统和方法，其中第一对象的轨迹基本上由操作员输入 指令来控制。
本发明的实施例主要提出了关于操作员控制的机械的碰撞控制和碰 撞避免，尤其是例如矿用电动挖掘机的重型机械，并且涉及所述机械和辅 助对象之间的碰撞，有时辅助对象与所述机械本身为一整体(也就是说， 自身碰撞和外部碰撞两者都可以避免)。例如，在矿用电动挖掘机的环境 中，潜在的碰撞可能在挖掘机铲斗和挖掘机械的其它零件之间，或挖掘机 铲斗和外界障碍物，例如转向架托架和漏斗车之间的碰撞。尽管在下文中 会参照这样的应用来描述本发明的实施例，但可以理解的是，本发明并没 有如此被限制，并且可容易地延伸到重型机械及其之外领域的，更广范围 内可能的碰撞控制和碰撞避免。
背景技术：
说明书中的任何背景技术的讨论，决不应该认为是一种认可，因为， 这样的背景技术是广泛公知的或已成为本领域部分普通技术的现有技术。
碰撞表明了在机械操作环境中的重大风险。传统地，当机械处于人工 操作员控制之下时，操作员的任务就是人工地避免碰撞。
近来，机械的自动化控制有所增加。这些机械由自动化装置来控制， 并不需要人工操作员。当然，在没有操作员时，碰撞避免变成了自动化控 制系统的职责，并且在自动化控制系统中己经出现了各种避免碰撞的技 术。
尽管自动化控制系统的普及在增加，但在许多情况下，人工控制仍然
6是最合适的手段，甚至是唯一的可行的手段。例如在一些情况下，对于完 成某些任务的某些机械的自动化控制的技术还是不够先进。在其他的情况 下，尽管自动化控制的技术是存在的，但是这些方法的成本和/或维护费用 还是不切实际的。
人工操作员的手动地避免碰撞的能力具有天生的局限性，例如受到经 验、疲劳等类似的因素限制。因此，伴随着用来约束机械某些其他可能运 动的一般方法，各种技术己经应用在人工操作的机械上以减少碰撞的风 险。在矿用电动挖掘机的环境中，这样的技术包括防止铲斗与吊臂接触的 吊臂靠模，和通过禁止机械壳体在机械后部己经预定的弧度内摆动的方式 来防止铲斗与钢丝巻筒相接触的钢丝巻筒保护。然而，这样的技术在试图 解决的所述问题的总体方案中是比较基础的。
在本领域需要这样的系统的方法，即减少第一对象和第二对象之间的 碰撞概率的系统和方法，所述第一对象轨迹基本上由操作员输入指令控 制。

发明内容
根据本发明的一个方面， 一种减少第一对象和第二对象之间碰撞概率 的方法，第一对象的轨迹基本上由操作员输入指令来控制，该方法包括步 骤
(i) 接收表示第一控制数据的操作员输入指令；
(ii) 生成表示最接近所述第一对象物理环境虚拟结构的模型数据；
(m)处理所述第一控制数据来预测所述环境中所述第一对象的未来动
态；
(iv) 基于所述预测的动态和所述模型数据，在所述环境中，判断所述
第一对象是否预计与第二对象相碰撞；
(v) 在预计所述第一对象与在所述环境中所述第二对象碰撞的情况下， 定义第二控制数据，由此，所述第一对象预计不与所述环境中的第二对象 相碰撞；和
(vi) 向与所述第一对象连接的控制器提供所述第二控制数据，这样， 根据所述第二控制数据来控制所述第一对象，从而基本上避免所述第一对
7象和所述第二对象的碰撞。
一个实施例提出一种方法，其中所述第一控制数据表示了所述第一对 象的第一轨迹方向且所述第二控制数据表示了所述第一对象的校正轨迹 方向。
一个实施例提出一种方法，其中，所述第一控制数据表示所述第一对 象的第一移动速度且所述第二控制数据表示所述第一对象的第二移动速 度。
一个实施例提出了一种方法，其中，所述第二移动速度比所述第一移 动速度慢。
一个实施例提出一种方法，其中，基于所述预测动态和所述模型数据， 产生多个响应来确定在所述环境中，预测所述第一对象是否与第二对象相 碰撞；该方法还包括处理所述多个响应的步骤以确定所述第一对象的控制 动态，由此，所述第一对象降低了在所述环境中与所述第二对象碰撞的概 率，其中，所述第二控制数据表示所述控制动态。
一个实施例提出一种方法，其中，所述多个响应的处理是通过模型预 测控制来处理的。
一个实施例提出了一种方法，其中，所述多个响应是通过碰撞控制层 和碰撞避免层产生的。
一个实施例提供一种方法，其中，所述操作员输入指令来自人工操作员。
一个实施例提供一种方法，其中，所述方法基本上实时地执行。 一个实施例提供一种方法，其中，所述第一对象包括一项机械设备的 活动部件。
一个实施例提供一种方法，其中，所述第一对象包括一项重型机械设 备的活动部件。
一个实施例提供一种方法，其中，所述第一对象包括电动挖掘机械的 铲斗部件。
本发明的另一个方面，提供一种载有一组指令的计算机可读载体介 质，当一个或多个处理器执行时，其使得一个或多个处理器执行上述权利 要求所述的方法。本发明的另一个方面，提供一种降低第一对象和第二对象之间碰撞概 率的系统，第一对象的轨迹基本上由控制数据控制，该系统适于执行如上 所述的方法。
本发明的另一个方面，提供一种降低第一对象和第二对象之间碰撞概 率的系统，第一对象的轨迹基本上由控制数据控制，其中，所述第一对象 的轨迹基本上处于操作员控制之内，该系统包括
(i) 模拟系统，用来模拟包括一个或多个所述第二对象的外部环境的位
置；
(ii) 动态预测系统，适于接收表示操作员输入指令的第一控制数据以预
测所述第一对象将来的位置；
(iii) 超控系统，其与所述动态预测系统和所述模拟系统连接，从而生 成超越操作员控制的第二控制数据；当所述动态预测系统预测所述第一对 象可能与通过所述模拟系统定位的所述第二对象碰撞时，所述超控系统适 于限定超越所述第一控制数据的第二控制数据；所述超控系统还适于向连 接至所述第一对象的控制器提供所述第二控制数据，这样根据所述第二控 制数据控制的所述第一对象基本上避免了所述第一对象和所述第二对象 的碰撞。
在一个实施例中，所述第一控制数据表示了所述第一对象的第一轨迹 方向且所述第二控制数据表示了所述第一对象的校正轨迹方向。
在一个实施例中，所述第一控制数据表示所述第一对象的第一移动速 度且所述第二控制数据表示所述第一对象的第二移动速度。
本发明还有一个方面，提供一种操作具有人工控制铲斗部件的挖掘机 械的方法，该方法包括步骤
(i) 接收来自人工操作员的表示控制指令的第一控制数据；
(ii) 分析所述第一控制数据以预测所述铲斗部件和第二对象之间的碰
撞；
(m)在预测到碰撞的情况下，定义预计不发生碰撞的第二控制数据；
(i力向与所述第一对象连接的控制器提供所述第二控制数据，这样， 根据所述第二控制数据来控制所述铲斗部件。
在一个实施例中，所述第二对象是所述挖掘机械的零件。本发明还有一个方面，提供降低挖掘机械铲斗部件和第二对象之间碰 撞概率的方法，所述铲斗部件的轨迹基本上由操作员的输入指令控制，该 方法包括步骤
(i) 接收表示第一控制数据的操作员输入指令；
(ii) 生成表示最接近所述铲斗部件物理环境虚拟结构的模型数据；
(iii) 处理所述第一控制数据来预测所述环境中所述铲斗部件的未来动
态；
(iv) 基于所述预测的动态和所述模型数据，判断所述铲斗部件是否预 计与所述环境中的第二对象相碰撞；
(v) 在预计所述铲斗部件与在所述环境中的所述第二对象碰撞的情况 下，定义第二控制数据，由此，所述铲斗部件预计不与所述环境中的所述 第二对象相碰撞；和
(vi) 向与所述铲斗部件连接的控制器提供所述第二控制数据，这样， 根据所述第二控制数据来控制所述铲斗部件，从而基本上避免所述铲斗部 件和所述第二对象的碰撞。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种实现避免碰撞的方法，所述 方法包括步骤提出运动的第一对象周围环境的模型；预测第一对象的可 能的未来的动态；判断所述对象的今后的运动是否可能包括碰撞；和如果 可能存在碰撞，或者改变所述对象的轨迹方向来避免碰撞，或者将所述对 象减速。所述对象的动态位置一般地可处于人工控制之内。所述对象可包 括矿用电动挖掘机。
根据本发明的另外的方面，提供一种降低第一对象和第二对象之间碰 撞概率的系统，所述第一对象的轨迹基本上处于操作员控制之内，该系统 包括模拟系统，用来模拟所述第一对象的外部环境；动态预测系统，用 来预测在所述模型内所述第一对象将来的状态；超控系统，当所述动态预 测系统预测所述对象可能与所述第二对象碰撞时，用来超越所述第一对象 的轨迹的人工控制；所述第一对象可包括矿用电动挖掘机。
附图简要说明
现参照附图，仅以示例的形式来描述本发明的实施例，其中
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图1至图3图示了矿用电动挖掘机运行；
图4是根据一个实施例的矿用电动挖掘机控制部分的示例性的功能方 框图5是一个实施例执行步骤的示例性的流程图； 图6执行一个实施例执行步骤的示例性的流程图；和 图7是根据一个实施例的示例性的系统。
具体实施例方式
这里描述的是减少第一对象和第二对象之间碰撞概率的系统和方法， 其中第一对象的轨迹基本上由操作员输入指令来控制。在一个实施例中， 这样的方法包括步骤接收表示第一控制数据的操作员输入指令；生成表 示最接近所述第一对象物理环境虚拟结构的模型数据；处理所述第一控制 数据来预测所述环境中所述第一对象的未来动态；基于所述预测的动态和 所述模型数据，确定在所述环境中，判断所述第一对象是否预计与第二对 象相碰撞；在预计所述第一对象与在所述环境中所述第二对象碰撞的情况 下，定义第二控制数据，由此，所述第一对象预计不与所述环境中的第二 对象相碰撞；和向与所述第一对象连接的控制器提供所述第二控制数据， 这样，根据所述第二控制数据来控制所述第一对象，从而基本上避免所述 第一对象和所述第二对象的碰撞。在一些实施例中，对于重型机械，实现 了这样的方法或系统。例如，在一个实施例中，第一对象是矿用电动挖掘 机的,产斗部件，和第二对象可能是所述机械的另一个部分(例如铲斗)或 与所述机械性质不同的对象。
总之，伴随应用的局限性，当前的系统和方法考虑了机械一般的无约 束人工控制，以降低碰撞概率。特别地，在这里，碰撞是基于正演模拟程 序来预测的，从而阻止了预期的导致这样碰撞的操作员输入指令的直接作 用。可替代的，修改表示指令的控制数据以定义修正指令数据，其中，基 于所述修正数据，不希望所述先前的预测的碰撞发生。有时，其包括改变 与机械的移动部件有关的运动轨迹，且有时其可包括所述机械活动的部件 的减速或制动。
接收表示第一控制数据的操作员输入指令一般包括从操纵杆和/或其 他的人工可操作的控制装置接收电子信号。典型地，所述控制数据包括方向和大小方面，且通过控制器部件变换为有关所述机械的具体运动的指令 (这里可包括将电流施加到特殊的部件以该激活部件)。
在一些实施例中，基于一个或多个传感器，例如照相机(和/或立体摄 影机组合)采集的数据，来生成表示最接近第一对象物理环境的虚拟结构的 模型数据。实施例中使用了包括基于光和共振的各种传感器。在一些情况 下，生成模型数据所需的输入是预先确定的或经过人工参与得到的。
有时，处理第一控制数据来预测第一对象在所述环境中的未来动态， 包括，基于控制数据和存储在内存的与响应于控制数据的有关的机械特性 来判断受控制数据支配的活动部件的速度和运动方向。
基于预测动态和模型数据来确定在所述环境中，预测所述第一对象是 否与第二对象相碰撞，在一些实施例中是基于计算机系统中估定的三维仿 真来确定的。在其他的实施例中，是基于在不同的未来时间里，对象预测 空间坐标和表示碰撞的重叠部分来确定的。
可以理解的是，这里教导的常规方法考虑了关于人工控制机械的碰撞 避免协议的使用，该协议对用户实际上是显而易见的。也就是说，用户可 按常用的方式来自主控制机械，且如果预测要碰撞，那么就仅遵守"例外 的"(即修正的)控制特性。
人工操作重型机械的碰撞避免引入了错综复杂的状态，包括回路的 (/"-Ae-foop)人工操作员的存在，和必须产生和再生的用来操纵挖掘机 的有效动能。
关于回路(/"-Ae-foop)人工操作员的存在，当前的实施例中，起到
了这样的作用，即操作者继续总体地控制机械，这样任何碰撞控制和碰撞 避免系统向操作者提供了操作挖掘机的援助功能，但不是取代全部控制。 碰撞控制/避免系统的介入对操作员基本上是显而易见的。这样，所述碰撞 控制和避免系统实质上不会限制操作员以预期的方式操作所述设备，并且 还能实时地修改以校正任何存在问题的控制指令，从而避免碰撞。
公认的，操作员经常操作挖掘机接近其的性能极限，和碰撞控制/避免 系统不会限制熟练操作员对挖掘机的控制(值班期间，其对操作员的生产 能力是不利的)。
与管理生产操纵铲斗的有效动能相比，电动驱动器再生的速度受到限 制。例如，为了使得铲斗停止，必须通过电力驱动器再生有效动能。因此， 优选地，系统要预先作好准备并计划未来的动作，以保证在充分的时间内开始再生从而在碰撞之前使得铲斗停止。矿用挖掘机上现有的控制系统不 会考虑当前控制作用未来涉及的问题，因此在再生时不会做出抉择。
当前的一些实施例，当应用于挖掘机械时，说明了挖掘机性能在持续 改善，因此，对于通过设置更大功率的驱动系统和使用例如动力场衰减的 技术强化正在强制提高的挖掘机速度，碰撞避免的需求就变得越来越重 要。更高的运行速度就等于高的碰撞概率和更高的碰撞破坏的可能性。
图1至图3图示了一种典型的矿用电动挖掘机100。图示的该矿用挖掘 机包括活动的铲斗部件IIO，其连接于铲斗臂120的一端，所述铲斗臂可活 动地相对于铲斗部件安装。
在铲斗臂120及其他对象之间，或者铲斗部件110的其他部分(自身碰
撞)或挖掘机周围环境中的其他的对象(外部碰撞)之间，铲斗臂的碰撞
是无意间(unintended)碰撞。如图2所示，最常见的情况是，在挖掘机循 环的"返回到縮拢"阶段，铲斗臂120或者与履带轮-履带130或地面140的 碰撞。如图3所示，其他的情况包括铲斗臂120和钢丝绳巻筒150之间的碰 撞，典型地，其发生在当铲斗臂朝挖掘机的背后放下，变速结束(end-of-shift change-overs)的时候。外部碰撞的范例是在装料期间，铲斗臂120和转向 架-底盘或漏斗车(未示出)之间碰撞。
典型地，铲斗臂的碰撞是操作员判断错误的结果。操作员在没有技术 支持的12小时值班时间，避免全部的碰撞的期望是难以实现的。甚至优秀 的操作员偶尔的也有判断错误和/或精力不集中的情况，并且，典型地，有 能力和经验操作员可能在每个班次上碰撞一次或两次铲斗臂。可以预料， 新手会更加的频繁。
因为碰撞时有效能量会被铲斗结构吸收，所以控制/避免铲斗臂的碰撞 是非常重要的。例如，由尸^//話> >^￡^^;^",制造的满载的410(^ 8铲 斗具有大约200， OOOkg的有效质量(操纵柄、铲斗臂和净载重量的总质量)， 其重心可能在距离旋转轴10米处并且以3米/每秒在移动。碰撞时消耗的动 能是1MJ的数量级(相当于l吨的汽车以161km/hr的速度前进)。在接触瞬 间，这个能量转变为冲击力。在和转向架底盘碰撞时，这个冲量的持续时 间可能是2秒，无论在哪种情况下，在铲斗臂和所述转向架底盘之间的平 均作用力都会达到0.6MN，其峰值力可能达到3-5MN或更高。
对于铲斗臂120和履带130(例如图2所示)之间的碰撞，通常动能会消耗 O.IMJ(所述铲斗是空的且速度较低)，但是，因为碰撞主体具有更高的有 效硬度，所以碰撞的持续时间常常较小，并且作用力的峰值还会大达到3-5MN。履带轮-履带碰撞的常见直接后果是一个或多个履带轮履带板的错 位，但是通过反作用力的传递，累积的破坏会作用到所有部件上。这个包 括操纵柄，铲臂变速器，车辆-主体结构和转动变速器。由此，铲斗臂碰撞 是挖掘机在正常作业中，最具破坏性的事件-典型地，相对较小的碰撞发 生在操纵柄和高应力状态下的铲臂变速器。
在这里考虑的挖掘机械环境下的各种实施例涉及
>预测在铲斗臂和各种对象之间碰撞的可能性，无论那些对象是内 部的(挖掘机的其他局部)或是外部的(转向架底盘或漏斗车)。
>决定如何减慢铲斗速度或改变铲斗轨迹方向以避免碰撞，同时不
妨碍所述机械的运转能力。 >以显而易见的方式向操作员提供上述能力，而不以另外的方式强
制施加或妨碍他们的挖掘机指令。
为了说明这些方面， 一个实施例利用了现代控制理论，并且尤其是利
用了模型预测控制(MPC)。这个实施例通过在碰撞之前降低铲斗臂的速度
来停止碰撞-^/#逆翁和通过改变伊斗臂的轨迹来避免碰撞，即铲斗防撞性 能的持续改善方面的重要因数-^/羞^免之间进行判别。
参照图4，示出了根据一个实施例的一个示例性的碰撞控制和避免系 统以及在操作员和例如机械100的挖掘机的驱动装置控制系统之间交互作
用的示意图。在这个实施例中，防撞系统400具有两层；为了碰撞控制的
第一层410和为了碰撞避免的第二层420。这两层都是为了降低碰撞的频率 和严重程度，但是提供了不同的功能。特别地，碰撞避免层420建立在由 碰撞控制层410提供的能力之上。两层截取操纵杆起始条件430，所述操纵 杆条件对应于来自操作员440的指令，并且适当的修改这些指令以降低碰 撞概率。
只有基于铲斗臂120当前运动而预测碰撞将发生时，所述碰撞控制层 410变得有效。这里，如果未预测到碰撞，操作员起始条件基本上不改变 地传递到铲斗控制系统和驱动机构450并且挖掘机按常规的方式对操作员 指令做出响应。
在一个实施例中，碰撞控制层410的目的在于当其认为碰撞将以另外 的方式发生时，就通过所述,产斗臂的电动驱动器再生其动能，从而使得铲 斗臂基本上停止。在一个实施例中，碰撞避免层420的目的是修正来自人工控制作用(例
如，利用操作员的操纵杆430)的指令，以便在不使铲斗臂停止的情况下
避免预计碰撞，并且，暗示了没有强行增加由于铲斗停止而带来的循环时 间。碰撞避免层以共享控制模式操作，其中，操作员保留对挖掘机摆动的
控制，而单板计算机系统来改变铲斗臂120的推挤和升起运动以避免碰撞。
在一些实施例中，碰撞避免层420通过自动的和对于操作员基本上显 而易见的方式，调整那些通常由操作员输入指令提供的铲斗臂120的运动, 从而协助操作员避免大多数碰撞。当没有找到避免潜在碰撞可能的可行的 铲斗臂运动时，碰撞控制层410和碰撞避免层420—起使得铲斗臂120停止。
应用在防撞系统400以同步地处理碰撞控制层410和碰撞避免层420的 方法是模型预测控制(MPC)。该方法需要计算，但是计算机技术的进步已 经使得利用采矿设备的实时控制技术变为可能。
模型预测控制可选择控制方式，其预先指出一个超过约束控制范围的 适当的输出量并当操作员的指令变化时，连续实时地更新控制决策。在一 些实施例中，这个范围随着时间移动，基本上考虑了实时分析。
在一些实施例中，模型预测控制提供了以下的一个或多个
>所述控制方式取决于预测的特性，例如，碰撞距离。这个预测的 形式对避免碰撞是关键的。
>利用包括系统已经设置的挖掘机几何形状和其活动能力范围的动 态模型来计算预测特性。
>考虑了操纵杆起始条件确定的操作员的指令，与未来要实时应用 的挖掘机的几何形状和动态相比较，在传递到铲斗控制系统之前 改变，从而不发生碰撞。或者使得铲斗臂停止或改变其路径以避
>执行连续的程序以便控制范围退回到未来，并且在任何时候变化
后的指令要利用最新的可用信息。 在一个碰撞避免系统的实施例中，需要专用计算机硬件平台来运行控
制算法。在有些情况下，合适的系统包括一个基于PC104和EBX计算机说 明书的计算机。这样的系统理想地具有足够的计算能力并且适合目前所需 的处理水平。
参照图5，在一个实施例中，执行碰撞避免500的方法包括步骤 (a)接收表示操作员输入指令的第一控制数据(步骤510);.
15(b)生成第一对象周围环境的模型数据(步骤520); (C)预测所述第一对象未来的动态(步骤530);
(d) 确定所述第一对象未来的动态是否可能包括碰撞(步骤540);
(e) 所述第一对象不可能涉及碰撞时定义第二控制数据(步骤550);和
(f) 为了实质上避免第一对象的碰撞，向控制器提供第二控制数据(步骤
560)。
预测未来第一对象动态的目的是预测在一个或多个未来时间场合下 所述对象的位置。在实施例中，第一对象是矿用电动挖掘机的伊斗部件。
生成第一对象周围环境的模型数据的目的是预测在一个或多个未来 的时间场合下在所述环境中的其他对象的位置。在一个实施例中，这些对 象包括矿用电动挖掘机的部件，它们可能碰撞到萨斗部件或矿用电动挖掘 机外部的其他的对象，例如地面。
在一些实施例中，第二控制数据表示为了避免碰撞所述对象轨迹方向 的改变或所述对象速度的降低。这里，第一控制数据表示第一对象的第一 轨迹方向，第二控制数据表示可控制第一对象产生的校正的轨迹方向。这 里，第一控制数据表示第一对象的第一轨迹方向，第二控制数据表示可以 控制所述第一对象而产生的校正轨迹方向。这里，第一控制数据表示第一 对象的第一移动速度，第二控制数据表示为控制第一对象而产生的第二移 动速度。
在一些实施例中，确定所述对象是否可能涉及碰撞的多个响应由碰撞 控制层和碰撞避免层并行地提供。在这个实施例中，利用模型预测控制可 选择570合适的方式。
在一个实施例中，典型地，为了预测未来碰撞，所述系统的模型预测 控制方法需要挖掘机几何形状的三维计算机图像。可以理解的是，挖掘机 的计算机图像必须是特定挖掘机的电子机械系统的满足需要的模型，所述 系统可在其中运行。在要求控制作用来避免铲斗臂碰撞时，需要这个系统 作出预测。
对于利用3D-CAD程序包设计的机械，例如由P&H Mining Equipment 制造的作为范例的4100XPBs，所需的几何模型的计算机图像可简单地从已 有的CAD模型提取并输入碰撞控制和避免系统。对于3D-CAD工具引入之 前开发的矿用挖掘机，例如，由P&HMiningEquipment在1987年制造的 2100BLE，可以理解的是，适用的主要装配件包括铲斗臂，操纵杆，悬臂，
16机器壳体，履带轮-履带和钢丝绳巻轴的3D-CAD模型可以根据读入碰撞控
制模块的原始的工程图重新建模。
通过操作员当前的控制动作， 一些实施例中，可基于几何模型和来自 挖掘机控制系统的实时输入数据来预测未来的自身碰撞或,产斗臂和地面
之间的碰撞。
因此， 一些实施例设定了实时的，最近的可能时间，在该时间，根据 对当前运动的预测来提供停止挖掘机铲斗和防止原本要发生的挖掘机碰 撞的能力，为了停止铲斗臂而进行再生。
在实施例中，适当的改变操作员指令以避免碰撞方法是在模型预测控
制框架内实现的并且包括许多控制方法，例如
>利用适当的数值曲线或成本函数来判断在给定的瞬间哪种方式是 最好的。容易理解的成本函数是最小时间，然而，其他的函数也 是适用的。
>提供一个方案来处理约束，例如与挖掘机外形有关的几何约束。 >实时操作。
图6示出了例如由碰撞避免层410和碰撞控制层420(如图4所示)执行的 流程图600，其包括以下步骤
(i) 利用适当的传感器设备建立最接近挖掘机环境的3维模型(步骤
610);
(ii) 建立所述机械当前状态的完整动态模型(步骤620);
(m)下一步，利用完整的动态模型，估计未来最有可能的机械状态(步
骤630);
(iv) 下一步，确定与碰撞概率相关的、预测的未来机械状态有关的任
何可能的未来(步骤640);
(v) 下一步，依靠碰撞概率的相关程度，或应用再生停止当前机械或提
供碰撞避免的测量(步骤650)。
基本上实时地，不断地重复这些步骤。
可以理解的是，上述实施例在挖掘车自动控制技术领域提出了重大改 进，特别着重于碰撞的控制和避免。还可以理解的是，这样的系统和方法 适合于来自任何厂商的实质上任何大小的矿用挖掘机。将实施例用在其他 类型的挖掘机是很简单的，尽管可能要对那些设备的控制系统做相当大的修改以及对所述系统做相应的改进，然而，这些改进对于本领域技术人员 是显而易见的。
参照图7，示出了降低第一对象和第二对象之间碰撞概率的碰撞避免 系统700的示例性的实施例，其中第一对象的轨迹通过第一控制数据基本 上在人工控制之中。
这个系统从操作员控制模块710接收表示操作员控制的第一控制数
据，所述系统包括
(i) 模拟系统720，模拟第一对象的外部环境；
(ii) 动态预测系统730，预测所述模型内的第一对象的未来状态；
(iii) 超控系统，当所述动态预测系统预测所述对象可能与第二对象碰 撞时，该超控系统将超控第一对象轨迹的人工控制；
所述超控系统生成了基本上避免第一对象碰撞的第二控制数据，并将 第二控制数据提供给控制系统750。优选地，为了选择合适的方式，所述 超控系统适于执行模型预测控制。
在一个实施例中，第二控制数据表示了实质上避免碰撞的对象的轨迹 方向的改变，或速度的降低。
如上所述的碰撞控制和避免系统的各种实施例提供了直接益处来帮 助挖掘机操作员，并且减少了机器损坏的频率，得到了更高的生产效率。 各种实施例的益处包括
>通过降低碰撞的可能性，使得机械操作更安全； >通过将碰撞的破坏后果降至最小来减小机械负载； >通过减少高负载的碰撞事件的频率和严重程度来提高设备的可靠 性；
>通过降低碰撞频率为操作员提供更安全的工作环境；
>在高回转速度和更低的碰撞危险下，通过允许操作员来操作设备
来减少稳定的循环时间； >加强现有设备保护系统，尤其是钢丝绳巻筒和悬臂的保护； >通过减少由设备破坏导致的停机时间从而提高生产能力； 可以理解的是，举例说明的碰撞避免系统和方法考虑了实质上的包括 矿用电动挖掘机碰撞频率和严重程度的最小化。除非特别说明，否则，根据以下清楚的讨论，应当理解整个说明书讨 论，利用诸如"处理"、"计算"、"核算"、"确定"、"分析"等之类的术语， 指的是计算机或计算系统的操纵，或类似的电子计算装置的操纵和/或处 理，操作和/或变换表示物理的，例如电子学的数据，量化类似表示物理量 的其他的数据。
在一个实施例中，这里所述的方法是通过一个或多个处理器执行的， 那些处理器接收包括一组指令的计算机可读(也称作机器可读)程序，通过 一个或多个处理器执行时，可实现在这里所述方法中的至少一个。任何能 执行一组指令的处理器(连续的或者相反)，包括了可执行的指定动作。因 此， 一个示例是包括一个或多个处理器的典型处理系统。每个处理器可包 括一个或多个中央处理器CPU，图形处理单元和可编程序DSP单元。处理
系统还可包括内存子系统，其包括主RAM和/或静态RAM，和/或ROM。 可能包括总线子系统，以在所述部件之间通信。所述处理系统还可能是通 过网络与处理器连接的分布式处理系统。如果所述处理系统需要显示器， 那么可包括显示器，例如液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT)显示器。如 果需要人工数据入口，所述处理系统也包括输入设备，例如一个或多个字 母数字的输入装置例如键盘，指向控制装置例如鼠标，等等。这里使用的 术语记忆单元，如果在上下文中是清楚的且除非明确说明的之外，也包括 存储系统例如磁盘驱动单元。在一些组合中，所述处理系统包括声音输出 装置，和网络接口装置。所述存储器子系统因此包括计算机-可读载体媒介， 其记载了包括用来执行的一组指令的计算机-可读程序(例如软件)，当通过 一个或多个处理器执行时，这里描述了多个方法中的一个。注意当所述方 法包括一些构件，例如一些步骤，除非明确地说明，否则这样的构件没有 顺序之分。在通过计算机系统执行期间，所述软件可存在于硬盘，或完全 地或至少部分地存在于RAM和/或处理器的内部。因此，存储器和处理器 也组成载有计算机可读代码的计算机-可读载体媒介。
此外，计算机-可读载体媒介可形成或被归入计算机程序产品。
因此，这里所述的每种方法的实施例是在计算机-可读载体媒介的形式 中传递一组指令，例如在一个或多个处理器上执行的计算机程序，例如一 个或多个处理器是在建管理系统的一部分。因此，本领域技术人员可以理 解，本发明的实施例可具体化为方法，装置，例如特殊用途装置，装置， 例如数据处理系统装置，或计算机可读载体媒介，例如计算机程序产品。 计算机-可读载体媒介承载包括一组指令的计算机可读程序，当执行一个或多个处理器使得一个处理器或处理器组实现该方法。因此，本发明可以是 方法的形式，完全硬件的实施方式，完全软件的实施方式或硬件和软件方 面结合的实施方式。此外，本发明可以采用承载包含在介质中的计算机可 读程序代码段的承载介质(例如计算机可读存储介质上的计算机程序产品) 的形式。
应当理解所讨论的方法的步骤在一个实施例中是由执行被存储在存 储装置中的指令(计算机-可读程序)的处理(S卩，计算机)系统的合适的处理 器(或多个处理器)来执行的。还将理解本发明不局限于任何特定的实现方 式或编程计数，并且本发明可以利用用于实现这里所描述的功能的任何合 适的技术来实现。本发明不局限于任何特定的编程语言或操作系统。
整个说明书中所提及的"一个实施例"或"实施例"意思是结合该实 施例所描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例 中。因而，在整个说明书中的不同地方出现的短语"在一个实施例中"或 "在实施例中"不一定都是指同一个实施例。此外，所述特定的特征、结 构或特性可以按任何合适的方式在一个或多个实施例中被组合，本领域普 通技术人员根据本公开应当清楚这一点。
类似地，应当理解，在以上对本发明示例性实施例的描述中，本发明 的各个特征有时被组合在单个实施例、图或其描述中，从而简化本公开并 且帮助理解各个发明方面中的一个或多个方面。但是，所公开的方法不是 要被解释为反映所要求保护的发明需要比在每个权利要求中所明确表述 的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，发明方面可 依赖少于单个前面所公开的实施例的所有特征。从而，附在详细描述之后 的权利要求书被明确地并入该详细描述，每个权利要求单独作为本发明的 独立的实施例。
此外，虽然这里所描述的一些实施例包括其它实施例中所包括的一些 特征，而不包括其它实施例中所包括的其它特征，但是本领域技术人员应 当理解，不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成不 同的实施例。例如，在所附权利要求中，所要求保护的实施例都可被用在 任意组合中。
此外，实施例中的一些在这里被描述为方法或方法的多个元素的组 合，所述方法可以由计算机系统的处理器执行，或者通过执行功能的其它 手段来执行。从而，具有用于执行这种方法或方法的元素的必要指令的处 理器就形成了用于执行所述方法或方法的元素的手段。此外，这里所描述
20的装置实施例的元素是为了执行本发明而用于执行所述元素所执行的功 能的手段的示例。
在这里的描述中，给出了大量具体的细节。但是，应当理解在没有这 些细节的情况下也可以实现本发明的实施例。在其它示例中，为了不影响 对本说明书的理解，没有详细示出公知的方法、结构和技术。
除非另外指明，否则这里使用顺序形容词"第一"、"第二"、"第 三"等来描述共同的对象只是表示所引用的相似对象的不同示例，并且不 希望隐含所描述的对象必须在时间上、空间上、级别上或者在任何其它方 式上按照给定的顺序。
在以下的权利要求书和这里的描述中，术语"包括"、"由…构成"或 者"其包括"中的任一个都是开放式术语，意思是至少包括后面的元素/ 特征，但是不排除其它特征。因而，当在权利要求中使用术语"包括"时， 该术语不应被解释为局限于其后所列出的手段或元素或步骤。例如，以下 表述"设备包括A和B"不应当被限制为设备仅仅由元件A和B构成。这里 所使用的术语"包括"或者"其包括"中的任一个也都是开放式的术语， 也表示至少包括该术语之后的元素/特征，但是不排除其它特征。因而， 所有的"包括"都是同义的。
类似地，要注意当在权利要求中使用术语"被耦合"时，该术语不应 被解释为限制为只能直接连接。因为术语"被耦合"和"被连接"以及它 们的派生词都可以使用。应该理解的是，这些术语并不意味着它们彼此是
同义词。因而，表述"被耦合到设备B的设备A"的范围不应当被限制为 其中设备A的输出被直接连接到设备B的输入的设备或系统。其意思是在A 的输出和B的输入之间存在路径，该路径可以是包括其它设备或装置的路 径。"被耦合"意味着两个或多个的构件或者直接物理接触或者电接触， 或者两个或多个构件彼此没有直接接触但是依旧彼此配合或相互作用。
因而，虽然已经描述了被认为是本发明的优选实施例的内容，但足本 领域技术人员将意识到在不脱离本发明的精神的情况下，可以进行其它进 一步的修改，并且意图要求保护落在本发明的范围内的所有这样的改变和 修改。例如，以上所给出的任何方案都只是代表可以使用的过程。可以添 加功能或者从框图中删减功能，并且操作可以在功能块之间被互换。在木 发明的范围内，可以针对所描述的方法添加或删减步骤。
参考文献以下的参考文献提供一些与现有实施方式技术相关的补充内容。
这里有已经建立的检测运动对象之间交会、计算两对象之间最短距 离、和计算两对象的最近特征(例如边缘，顶点，面)的算法，例如
S. Gottschalk.利用定向边际逻辑单元的碰撞查询，计算机科学系博士 论文，北卡罗来纳大学，2000;
M. Lin and S. Gottschalk.几何模型间的碰撞检测综述，公开在国际 仪器分析方法(IMA)会议，1998;
M. Lin and D. Manocha.几何模型间有效接触判定.计算几何学和应 用杂志，7(1)， pp. 123-151， 1997;禾口
F. Schwarzer， M. Saha， and J.C. Latombe,精确的自动机械路径碰撞 检测.机器人工程学算法基础，J.D. Boissonnat， J. Burdick， K. Goldberg, and S. Hutchinson (eds.)， Springer专著的高等机器人工程学，Springer, pp. 25-41， 2004。
这里也有用来设计在任意复杂环境中碰撞的自由路径的已知的方法，
例如
J. C丄atombe机器人运动设计.Kluwer学会出版，Boston, MA， 1991 and K. Goldberg, D. Halperin， J.C. Latombe， and R.H.机器人工程学算法基 础，(eds.).AK论文，Wellesley， MA， 1995。
这里也有实时地改变自动机械路径和速度以避免碰撞的己知方法，例
如
Shaffer CA， Herb GM.实时机械手碰撞避免装置.电气及电子工程师 学会.自动化机器和自动装置.8(2): 149-160. 1992;
Bruce J， Veloso MM.机器人导航的实时不规则路径设计.人工智能的 讲稿.2752: 288-295.2003;
LimD， SerajiH.可动轻巧自动机械的轮廓调整实时运行和试验.机 器人工程学研究.16(5): 601-618.1997;
Barraquand， B.Langlois， and J.C. Latombe.机器人路径设计的数值势 场技术.电气及电子工程师学会学报，系统、人和机械控制学，22(2): 224-241. 1992;
GalbraithJM， Kenyon GT， Ziolkowski RW.运动的碰撞时间评估.基于 电气及电子工程师学会学报.模式分析与机械智能，27(8): 1279-1291. 2005;Lumdsky VJ， Cheung E.遥控整体感应机械手控制器的实时碰撞避免. 电气及电子工程师学会学报.系统、人工和控制理论，23 (1): 194-203. 1993;
SerajiH.位置控制器的实时碰撞避免.电气及电子工程师学会学报. 机器人工程学和自动化.15 (4): 670-677.1999;禾口
HsuD， KindelR， LatombeJC， et al.运动障碍物的不规则运动动态设 计.机器人工程研究.21 (3): 233-255.2002.
应该理解在这些范例中，实时被定义为在连续过程里处理信息的瞬间 开始，与后处理"事后"相对。
控制自动机械限度-应变器在自由空间运动的变化从而限制与其周围 的碰撞也是己知的，例如
McAree PR， Daniel RW.利用遥测碰撞估计的力反射远程操作的稳定 碰撞.机器人工程学研究.19(4): 349-364.2000;
LiYR基于自动机械转换控制策略的传感器.机器人工程学研究.15 (2):128-136. 1996;和
Hyde JM，点动灵巧控制的Cutkosky多重回归分析处理结构.电气及电 子工程师学会学报.机器人工程学和自动化.14(6): 978-985.1998。
权利要求
1、一种减少第一对象和第二对象之间碰撞概率的方法，第一对象的轨迹基本上由操作员输入指令来控制，该方法包括步骤接收表示第一控制数据的操作员输入指令；生成表示最接近所述第一对象物理环境虚拟结构的模型数据；处理所述第一控制数据来预测在所述环境中所述第一对象的未来动态；基于所述预测的动态和所述模型数据，判断所述第一对象在所述环境中是否预计与第二对象相碰撞；在预计所述第一对象在所述环境中与所述第二对象碰撞的情况下，定义第二控制数据，由此，所述第一对象在所述环境中预计不与第二对象相碰撞；和向与所述第一对象连接的控制器提供所述第二控制数据，这样，根据所述第二控制数据来控制所述第一对象，从而基本上避免所述第一对象和所述第二对象的碰撞。
2、 如权利要求1所述的方法，其中所述第一控制数据表示了所述第 一对象的第一轨迹方向且所述第二控制数据表示了所述第一对象的校正 轨迹方向。
3、 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一控制数据 表示所述第一对象的第一移动速度且所述第二控制数据表示所述第一对 象的第二移动速度。
4、 如权利要求3所述的方法，其中，所述第二移动速度比所述第一 移动速度慢。
5、 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于所述预测动态 和所述模型数据，产生多个响应来确定在所述环境中，预测所述第一对象 是否与第二对象相碰撞，该方法还包括处理所述多个响应的步骤以确定所 述第一对象的控制动态，由此，所述第一对象降低了在所述环境中与所述 第二对象碰撞的概率，其中，所述第二控制数据表示所述控制动态。
6、 如权利要求5所述的方法，其中，所述多个响应的处理是通过模 型预测控制来处理的。
7、 如权利要求5或6所述的方法，其中，所述多个响应是通过碰撞 控制层和碰撞避免层产生的。
8、 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述操作员输入指 令来自人工操作员。
9、 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法基本上实 时地执行。
10、 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一对象包括 一项机械设备的活动部件。
11、 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一对象包括 一项重型机械设备的活动部件。
12、 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一对象包括 电动挖掘机械的铲斗部件。
13、 一种载有一组指令的计算机可读载体介质，当被一个或多个处理 器执行时，所述计算机可读载体介质使得所述一个或多个处理器执行上述 权利要求所述的方法。
14、 一种降低第一对象和第二对象之间碰撞概率的系统，第一对象的 轨迹基本上由控制数据控制，该系统适于执行上述权利要求中任一项所述 的方法。
15、 一种降低第一对象和第二对象之间碰撞概率的系统，第一对象的 轨迹基本上由控制数据控制，其中，所述第一对象的轨迹基本上处于操作 员控制之内，该系统包括模拟系统，用来模拟包括一个或多个所述第二对象的外部环境的位置；动态预测系统，适于接收表示操作员输入指令的第一控制数据以预测 所述第一对象将来的位置；和超控系统，其与所述动态预测系统和所述模拟系统连接，从而生成超 越操作员控制的第二控制数据；当所述动态预测系统预测所述第一对象可 能与通过所述模拟系统定位的所述第二对象碰撞时，所述超控系统适于限定超越所述第一控制数据的第二控制数据；所述超控系统还适于向连接至 所述第一对象的控制器提供所述第二控制数据，这样根据所述第二控制数 据控制的所述第一对象基本上避免了所述第一对象和所述第二对象的碰 撞。
16、 如权利要求15所述的系统，其中，所述第一控制数据表示了所 述第一对象的第一轨迹方向且所述第二控制数据表示了所述第一对象的 校正轨迹方向。
17、 如权利要求15所述的系统，其中，所述第一控制数据表示所述 第一对象的第一移动速度且所述第二控制数据表示所述第一对象的第二 移动速度。
18、 一种操作具有人工控制铲斗部件的挖掘机械的方法，该方法包括 步骤接收来自人工操作员的表示控制指令的第一控制数据； 分析所述第一控制数据以预测所述铲斗部件和第二对象之间的碰撞； 在预测到碰撞的情况下，定义预计不发生碰撞的第二控制数据； 向与所述铲斗部件连接的控制器提供所述第二控制数据，这样，根据 所述第二控制数据来控制所述铲斗部件。
19、 如权利要求18所述的方法，其中，所述第二对象是所述挖掘机 械的零件。
20、 一种降低挖掘机械铲斗部件和第二对象之间碰撞概率的方法，所 述铲斗部件的轨迹基本上由操作员的输入指令控制，该方法包括步骤接收表示第一控制数据的操作员输入指令； 生成表示最接近所述铲斗部件物理环境虚拟结构的模型数据； 处理所述第一控制数据来预测所述环境中所述铲斗部件的未来动态； 基于所述预测的动态和所述模型数据，判断所述铲斗部件是否预计与所述环境中的第二对象相碰撞；在预计所述铲斗部件与在所述环境中的所述第二对象碰撞的情况下，定义第二控制数据，由此，所述铲斗部件预计不与所述环境中的所述第二对象相碰撞；和向与所述铲斗部件连接的控制器提供所述第二控制数据，这样，根据所述第二控制数据来控制所述铲斗部件，从而基本上避免所述铲斗部件和 所述第二对象的碰撞。
全文摘要
这里描述了一种减少第一对象和第二对象之间碰撞概率的系统和方法，第一对象的轨迹基本上由操作员输入指令来控制，在一个实施例中，该方法包括步骤接收表示第一控制数据的操作员输入指令；生成表示最接近所述第一对象物理环境虚拟结构的模型数据；处理所述第一控制数据来预测所述环境中所述第一对象的未来动态；基于所述预测的动态和所述模型数据，确定在所述环境中，判断所述第一对象是否预计与第二对象相碰撞；在预计所述第一对象与在所述环境中所述第二对象碰撞的情况下，定义第二控制数据，由此，所述第一对象预计不与所述环境中的第二对象相碰撞；和向与所述第一对象连接的控制器提供所述第二控制数据，这样，根据所述第二控制数据来控制所述第一对象，从而基本上避免所述第一对象和所述第二对象的碰撞。在一些实施例中，在有关重型机械中实现这样的系统和方法。例如，在一个实施例中，所述第一对象是挖掘机的铲斗部件，且所述第二对象可能是所述机械的另一部分(例如铲斗臂)或与所述机械独立的对象。
文档编号B60T7/12GK101500840SQ200780029018
公开日2009年8月5日 申请日期2007年8月6日 优先权日2006年8月4日
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