CN102561445A - 用于判断挖掘机的工作姿态的系统和方法、挖掘机 - Google Patents

用于判断挖掘机的工作姿态的系统和方法、挖掘机 Download PDF

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CN102561445A CN2012100042429A CN201210004242A CN102561445A CN 102561445 A CN102561445 A CN 102561445A CN 2012100042429 A CN2012100042429 A CN 2012100042429A CN 201210004242 A CN201210004242 A CN 201210004242A CN 102561445 A CN102561445 A CN 102561445A
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Abstract

本发明提供了一种用于判断挖掘机的工作姿态的系统，包括：数据获取装置，实时获取挖掘机的铲斗与履带地面间的测量距离；速度获取装置，根据测量距离获取铲斗的运动速度及运动方向；数据存储装置，在挖掘机完成一次挖掘动作的过程中，若运动速度为零，存储历史测量距离；阈值设定装置，根据历史测量距离，设定距离阈值；挖掘预判装置，在运动方向在竖直方向上为向下、且测量距离达到距离阈值时，确认挖掘机将要进行挖掘动作。相应地，本发明还提供了一种挖掘机和一种用于判断挖掘机的工作姿态的方法。通过本发明的技术方案，可以准确识别出挖掘机是否将进行挖掘动作，从而提前将挖掘机的发动机转速调节至预设转速，避免转速过低导致的动力滞后等问题。

Description

用于判断挖掘机的工作姿态的系统和方法、挖掘机
技术领域
本发明涉及机械控制领域，具体而言，涉及一种用于判断挖掘机的工作姿态的系统和方法、一种挖掘机。
背景技术
挖掘机在工作过程中会经常发生负载变化，比如为了降低油耗，新一代电控挖掘机所采取的控制策略是：实时进行发动机转速与挖掘机负载的精确匹配，使得发动机转速会跟随负载变化而发生较大幅度变化。当负载突然增加时，发动机转速需求也会陡然升高，这时会出现动力响应滞后现象，使挖掘机操作变得不顺畅，并在一定程度上影响挖掘效率。
研究挖掘机工作过程得知，负载的突变主要发生在铲斗接触工作面开始挖掘的瞬间。为了解决该瞬间由于转速需要突变而导致的动力响应滞后，可以通过挖掘机姿态的识别，对即将到来的挖掘动作做出预判断，提前给发动机加速，使挖掘开始时的发动机转速达到较高水平。
因此，需要一种新的用于判断挖掘机的工作姿态的技术，可以准确识别出挖掘机是否将进行挖掘动作，从而提前将挖掘机的发动机转速调节至预设转速，避免转速过低导致的动力滞后等问题。
发明内容
本发明正是基于上述问题，提出了一种新的用于判断挖掘机的工作姿态的技术，可以准确识别出挖掘机是否将进行挖掘动作，从而提前将挖掘机的发动机转速调节至预设转速，避免过低导致的动力滞后等问题。
有鉴于此，本发明提出了一种用于判断挖掘机的工作姿态的系统，包括：数据获取装置，实时获取挖掘机的铲斗与所述挖掘机履带所处的履带地面之间的测量距离；速度获取装置，根据所述数据获取装置获取的所述测量距离，实时获取所述铲斗的运动速度及运动方向；数据存储装置，在所述挖掘机完成一次挖掘动作的过程中，在所述运动速度为零时，将所述数据获取装置获取的测量距离作为历史测量距离进行存储；阈值设定装置，根据所述数据存储装置存储的所述历史测量距离，设定所述铲斗与所述履带地面之间的距离阈值；挖掘预判装置，在所述运动方向在竖直方向上为向下、且所述测量距离达到所述距离阈值的情况下，确认所述挖掘机将要进行挖掘动作。
在该技术方案中，实现了一个挖掘过程中的自学习策略：通过在每次完成一次挖掘动作后，保存此时铲斗与挖掘机行驶时所处的履带地面之间的距离，从而在下一次挖掘动作时，用于实时产生距离阈值。由于每次进行挖掘动作时，都使用了实时产生的、对应于上一次挖掘动作的结果的距离阈值，从而使得对挖掘机的姿态判断更为准确。
在上述技术方案中，优选地，所述数据获取装置具体包括：角度传感器，测量动臂与水平面之间的第一夹角以及斗杆与水平面之间的第二夹角；距离计算单元，按照h1＝l1sinθ1-l2sinθ2+h2进行计算，其中，h1为所述测量距离，h2为所述动臂与所述挖掘机的连接位置与所述履带地面之间的距离，θ1为所述第一夹角，θ2为所述第二夹角。在该技术方案中，由于在进行挖掘动作时，铲斗需要与挖掘对象进行接触，因此如果直接在铲斗上安装测距仪，则可能由于铲斗与挖掘对象的接触，导致测距仪被损坏。因而此处通过角度传感器对角度的测量，从而获取铲斗与水平面之间的距离数据，进而对挖掘机是否将要进行挖掘动作进行判断。
在上述技术方案中，优选地，所述速度获取装置具体包括：时间设定单元，设定延迟时间；速度计算单元，按照
Figure BSA00000653732900021
进行计算，其中，v为所述铲斗的运动速度，h1 t为所述数据获取装置在所述延迟时间之前获取的第一测量距离，h1 t+Δt为所述数据获取装置在经过所述延迟时间之后获取的第二测量距离，Δt为所述延迟时间，其中，在所述运动速度v为正数的情况下，所述运动方向在竖直方向上为向下，在所述运动速度v为负数的情况下，所述运动方向在竖直方向上为向上。在该技术方案中，在获取铲斗与水平面之间的距离后，通过对时间的掌控，可以进而获取铲斗的运动方向和运动速度。这里对于铲斗与水平面之间的距离，设定为：当铲斗位于水平面上方时，距离为正数，当铲斗位于水平面下方时，距离为负数，当铲斗位于水平面处时，距离为0；由此得到的铲斗的运动速度也存在数值的正负，比如在计算得到的运动速度为正数时，说明铲斗运动方向在竖直方向上为向下，为负数时，运动方向在竖直方向上为向上，而当运动速度为0时，则说明铲斗处于与挖掘对象分离的瞬间。
在上述技术方案中，优选地，所述数据存储装置在所述运动速度v为0的情况下，将所述数据获取装置获取的测量距离作为所述历史测量距离进行存储。在该技术方案中，运动速度为0时，说明此时铲斗处于与挖掘对象分离的瞬间，通过对此时的测量距离的存储，也就是记录了此时挖掘对象距离水平面的距离，如果是利用挖掘机挖一个坑，就可以理解为每次挖掘后的坑的深度，可以认为是对本次挖掘动作的挖掘效果进行记录，以便下一次的挖掘动作可以以此作为基准，实时生成新的距离阈值，确保对挖掘机可能产生的挖掘动作做出准确的判断。
在上述技术方案中，优选地，所述阈值设定装置按照
Figure BSA00000653732900031
设置所述距离阈值，其中，h1 0为所述距离阈值，
Figure BSA00000653732900032
为所述历史测量距离，X为对应于所述挖掘机的发动机的调速速度和所述铲斗的下降速度的校正值。在该技术方案中，每次产生的距离阈值，是针对于上一次存储的历史测量距离产生的，而计算的基本思想，是希望在该距离阈值处判断出挖掘机将要进行挖掘动作后，在铲斗刚好接触到挖掘对象之前，能够使得挖掘机完成对发动机的转速的调节，因此，这关系到铲斗的下降速度，同时也关系到发动机的调速速度，显然铲斗下降得越快、发动机的调速速度越慢，需要的距离阈值越大。
在上述技术方案中，优选地，在所述数据存储装置中不存在所述历史测量距离
Figure BSA00000653732900033
时，所述历史测量距离
Figure BSA00000653732900034
为预设距离。在该技术方案中，在对同一挖掘对象进行的一次挖掘过程中，比如在挖掘一个坑的过程中，根据本申请的技术方案，通过对上一次的挖掘结果的记录，从而对下一次挖掘动作进行判断。然而，在首次进行挖掘动作时，比如在挖一个坑时，在没有进行挖掘而想要进行第一次挖掘时，是没有历史记录的，因为在本次挖掘过程中，还没有产生上一次挖掘的历史数据，此时，通过预设历史测量距离为预设距离。
当然，显然可以针对不同的挖掘对象和挖掘环境，通过预设多个不同的初始历史测量距离，从而使得用户可以在需要的时候，选用对应的数据，具体可以通过如多个不同的按钮进行实现。
在上述技术方案中，优选地，还包括：命令发送装置，在所述挖掘预判装置确认所述挖掘机将要进行挖掘动作的情况下，向所述挖掘机的发动机的控制装置发送调速命令，使所述发动机的转速被调节至预设转速。在该技术方案中，在判断出挖掘机将要进行挖掘动作后，对发动机进行提速，使得在铲斗接触到挖掘对象时，发动机达到了较高的转速，从而避免由于发动机的速度不足，使得挖掘动作的动力滞后，影响工作效率，缩短发动机的使用寿命，还可以避免造成冒黑烟，从而避免燃料浪费、环境污染。
根据本发明的又一方面，还提出了一种挖掘机，包括如上述技术方案所述的用于判断挖掘机的工作姿态的系统。在该技术方案中，实现了一个挖掘过程中的自学习策略：通过在每次完成一次挖掘动作后，保存此时铲斗与挖掘机行驶时所处的履带地面之间的距离，从而在下一次挖掘动作时，用于实时产生距离阈值。由于每次进行挖掘动作时，都使用了实时产生的、对应于上一次挖掘动作的结果的距离阈值，从而使得对挖掘机的姿态判断更为准确。
根据本发明的又一方面，还提出了一种用于判断挖掘机的工作姿态的方法，包括：步骤302，实时获取挖掘机的铲斗与所述挖掘机履带所处的履带地面之间的测量距离；步骤304，根据所述测量距离，实时获取所述铲斗的运动速度及运动方向；步骤306，利用存储的历史测量距离，设定所述铲斗与所述履带地面之间的距离阈值，其中，所述历史测量距离为：所述挖掘机最近一次完成挖掘动作的过程中，在所述运动速度为零时获取的测量距离；步骤308，若所述运动方向在竖直方向上为向下、且所述测量距离达到所述距离阈值，则确认所述挖掘机将要进行挖掘动作。在该技术方案中，实现了一个挖掘过程中的自学习策略：通过在每次完成一次挖掘动作后，保存此时铲斗与挖掘机行驶时所处的履带地面之间的距离，从而在下一次挖掘动作时，用于实时产生距离阈值。由于每次进行挖掘动作时，都使用了实时产生的、对应于上一次挖掘动作的结果的距离阈值，从而使得对挖掘机的姿态判断更为准确。
在上述技术方案中，优选地，所述步骤302具体包括：利用角度传感器测量动臂与水平面之间的第一夹角、及斗杆与水平面之间的第二夹角；按照h1＝l1sinθ1-l2sinθ2+h2进行计算，其中，h1为所述测量距离，h2为所述动臂与所述挖掘机的连接位置与所述履带地面之间的距离，θ1为所述第一夹角，θ2为所述第二夹角。在该技术方案中，由于在进行挖掘动作时，铲斗需要与挖掘对象进行接触，因此如果直接在铲斗上安装测距仪，则可能由于铲斗与挖掘对象的接触，导致测距仪被损坏。因而此处通过角度传感器对角度的测量，从而获取铲斗与水平面之间的距离数据，进而对挖掘机是否将要进行挖掘动作进行判断。
在上述技术方案中，优选地，所述步骤304具体包括：设定延迟时间；按照
Figure BSA00000653732900051
进行计算，其中，v为所述铲斗的运动速度，h1 t为在所述延迟时间之前获取的第一测量距离，h1 t+Δt为在经过所述延迟时间之后获取的第二测量距离，Δt为所述延迟时间，其中，若所述运动速度v为正数，则所述运动方向在竖直方向上为向下，若所述运动速度v为负数，则所述运动方向在竖直方向上为向上。在该技术方案中，在获取铲斗与水平面之间的距离后，通过对时间的掌控，可以进而获取铲斗的运动方向和运动速度。这里对于铲斗与水平面之间的距离，设定为：当铲斗位于水平面上方时，距离为正数，当铲斗位于水平面下方时，距离为负数，当铲斗位于水平面处时，距离为0；由此得到的铲斗的运动速度也存在数值的正负，比如在计算得到的运动速度为正数时，说明铲斗运动方向在竖直方向上为向下，为负数时，运动方向在竖直方向上为向上，而当运动速度为0时，则说明铲斗处于与挖掘对象分离的瞬间。
在上述技术方案中，优选地，还包括：所述延迟时间为：对所述第一夹角和所述第二夹角进行采集时的采集周期的整数倍。在该技术方案中，可以利用角度传感器对数据的采集周期，从而方便对延迟时间的设定，并且便于数据的分析处理。
在上述技术方案中，优选地，步骤306具体包括：按照设置所述距离阈值，其中，h1 0为所述距离阈值，
Figure BSA00000653732900062
为所述历史测量距离，X为对应于所述挖掘机的发动机的调速速度和所述铲斗的下降速度的校正值。在该技术方案中，每次产生的距离阈值，是针对于上一次存储的历史测量距离产生的，而计算的基本思想，是希望在该距离阈值处判断出挖掘机将要进行挖掘动作后，在铲斗刚好接触到挖掘对象之前，能够使得挖掘机完成对发动机的转速的调节，因此，这关系到铲斗的下降速度，同时也关系到发动机的调速速度，显然铲斗下降得越快、发动机的调速速度越慢，需要的距离阈值越大。
在上述技术方案中，优选地，在所述步骤308之后，还包括：向所述挖掘机的发动机的控制装置发送调速命令，使所述发动机的转速被调节至预设转速。在该技术方案中，在判断出挖掘机将要进行挖掘动作后，对发动机进行提速，使得在铲斗接触到挖掘对象时，发动机达到了较高的转速，从而避免由于发动机的速度不足，使得挖掘动作的动力滞后，影响工作效率，缩短发动机的使用寿命，还可以避免造成冒黑烟，从而避免燃料浪费、环境污染。
通过以上技术方案，可以准确识别出挖掘机是否将进行挖掘动作，从而提前将挖掘机的发动机转速调节至预设转速，避免过低导致的动力滞后等问题。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的用于判断挖掘机的工作姿态的系统的框图；
图2示出了根据本发明的实施例的挖掘机的框图；
图3示出了根据本发明的实施例的用于判断挖掘机的工作姿态的方法的流程图；
图4示出了根据本发明的实施例的判断挖掘机的工作姿态的流程图；以及
图5示出了根据本发明的实施例的判断挖掘机的工作姿态的示意图。
其中，图5中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
502铲斗  503斗杆   504挖掘对象  505第一长度
506第一角度传感器  508第一角度  510动臂  512第二长度
514第二角度传感器  516第二角度  518第一高度  520第二高度
522历史高度  524阈值高度  526控制装置
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
图1示出了根据本发明的实施例的用于判断挖掘机的工作姿态的系统的框图。
如图1所示，根据本发明的实施例的用于判断挖掘机的工作姿态的系统100，包括：数据获取装置102，实时获取挖掘机的铲斗与挖掘机履带所处的履带地面之间的测量距离；速度获取装置104，根据数据获取装置102获取的测量距离，实时获取铲斗的运动速度及运动方向；数据存储装置106，在挖掘机完成一次挖掘动作的过程中，在所述运动速度为零时，将数据获取装置102获取的测量距离作为历史测量距离进行存储；阈值设定装置108，根据数据存储装置106存储的历史测量距离，设定铲斗与履带地面之间的距离阈值；挖掘预判装置110，在运动方向在竖直方向上为向下、且测量距离达到距离阈值的情况下，确认挖掘机将要进行挖掘动作。在该技术方案中，实现了一个挖掘过程中的自学习策略：通过在每次完成一次挖掘动作后，保存此时铲斗与挖掘机行驶时所处的履带地面之间的距离，从而在下一次挖掘动作时，用于实时产生距离阈值。由于每次进行挖掘动作时，都使用了实时产生的、对应于上一次挖掘动作的结果的距离阈值，从而使得对挖掘机的姿态判断更为准确。
在上述技术方案中，数据获取装置102具体包括：角度传感器1020，测量动臂与水平面之间的第一夹角以及斗杆与水平面之间的第二夹角；距离计算单元1022，按照h1＝l1sinθ1-l2sinθ2+h2进行计算，其中，h1为测量距离，h2为动臂与挖掘机的连接位置与履带地面之间的距离，θ1为第一夹角，θ2为第二夹角。在该技术方案中，由于在进行挖掘动作时，铲斗需要与挖掘对象进行接触，因此如果直接在铲斗上安装测距仪，则可能由于铲斗与挖掘对象的接触，导致测距仪被损坏。因而此处通过角度传感器1020对角度的测量，从而获取铲斗与水平面之间的距离数据，进而对挖掘机是否将要进行挖掘动作进行判断。
在上述技术方案中，速度获取装置104具体包括：时间设定单元1040，设定延迟时间；速度计算单元1042，按照
Figure BSA00000653732900081
进行计算，其中，v为铲斗的运动速度，h1 t为数据获取装置102在延迟时间之前获取的第一测量距离，h1 t+Δt为数据获取装置102在经过延迟时间之后获取的第二测量距离，Δt为延迟时间，其中，在运动速度v为正数的情况下，运动方向在竖直方向上为向下，在运动速度v为负数的情况下，运动方向在竖直方向上为向上。在该技术方案中，在获取铲斗与水平面之间的距离后，通过对时间的掌控，可以进而获取铲斗的运动方向和运动速度。这里对于铲斗与水平面之间的距离，设定为：当铲斗位于水平面上方时，距离为正数，当铲斗位于水平面下方时，距离为负数，当铲斗位于水平面处时，距离为0；由此得到的铲斗的运动速度也存在数值的正负，比如在计算得到的运动速度为正数时，说明铲斗运动方向在竖直方向上为向下，为负数时，运动方向在竖直方向上为向上，而当运动速度为0时，则说明铲斗处于与挖掘对象分离的瞬间。
在上述技术方案中，数据存储装置106在运动速度v为0的情况下，将数据获取装置102获取的测量距离作为历史测量距离进行存储。在该技术方案中，运动速度为0时，说明此时铲斗处于与挖掘对象分离的瞬间，通过对此时的测量距离的存储，也就是记录了此时挖掘对象距离水平面的距离，如果是利用挖掘机挖一个坑，就可以理解为每次挖掘后的坑的深度，可以认为是对本次挖掘动作的挖掘效果进行记录，以便下一次的挖掘动作可以以此作为基准，实时生成新的距离阈值，确保对挖掘机可能产生的挖掘动作做出准确的判断。
在上述技术方案中，阈值设定装置108按照
Figure BSA00000653732900091
设置距离阈值，其中，h1 0为距离阈值，
Figure BSA00000653732900092
为历史测量距离，X为对应于挖掘机的发动机的调速速度和铲斗的下降速度的校正值。在该技术方案中，每次产生的距离阈值，是针对于上一次存储的历史测量距离产生的，而计算的基本思想，是希望在该距离阈值处判断出挖掘机将要进行挖掘动作后，在铲斗刚好接触到挖掘对象之前，能够使得挖掘机完成对发动机的转速的调节，因此，这关系到铲斗的下降速度，同时也关系到发动机的调速速度，显然铲斗下降得越快、发动机的调速速度越慢，需要的距离阈值越大。
在上述技术方案中，在数据存储装置106中不存在历史测量距离
Figure BSA00000653732900093
时，历史测量距离
Figure BSA00000653732900094
为预设距离。在该技术方案中，在对同一挖掘对象进行的一次挖掘过程中，比如在挖掘一个坑的过程中，根据本申请的技术方案，通过对上一次的挖掘结果的记录，从而对下一次挖掘动作进行判断。然而，在首次进行挖掘动作时，比如在挖一个坑时，在没有进行挖掘而想要进行第一次挖掘时，是没有历史记录的，因为在本次挖掘过程中，还没有产生上一次挖掘的历史数据，此时，通过预设历史测量距离为预设距离。
当然，显然可以针对不同的挖掘对象和挖掘环境，通过预设多个不同的初始历史测量距离，从而使得用户可以在需要的时候，选用对应的数据，具体可以通过如多个不同的按钮进行实现。
在上述技术方案中，还包括：命令发送装置112，在挖掘预判装置110确认挖掘机将要进行挖掘动作的情况下，向挖掘机的发动机的控制装置发送调速命令，使发动机的转速被调节至预设转速。在该技术方案中，在判断出挖掘机将要进行挖掘动作后，对发动机进行提速，使得在铲斗接触到挖掘对象时，发动机达到了较高的转速，从而避免由于发动机的速度不足，使得挖掘动作的动力滞后，影响工作效率，缩短发动机的使用寿命，还可以避免造成冒黑烟，从而避免燃料浪费、环境污染。
图2示出了根据本发明的实施例的挖掘机的框图。
如图2所示，针对图1所示的用于判断挖掘机的工作姿态的系统100，根据本发明的技术方案，还提出了一种挖掘机200的实施例，包括如图1中的技术方案所述的用于判断挖掘机的工作姿态的系统100。在该技术方案中，实现了一个挖掘过程中的自学习策略：通过在每次完成一次挖掘动作后，保存此时铲斗与挖掘机行驶时所处的履带地面之间的距离，从而在下一次挖掘动作时，用于实时产生距离阈值。由于每次进行挖掘动作时，都使用了实时产生的、对应于上一次挖掘动作的结果的距离阈值，从而使得对挖掘机200的姿态判断更为准确。
在上述技术方案中，用于判断挖掘机的工作姿态的系统100，包括：数据获取装置102，实时获取挖掘机200的铲斗与挖掘机履带所处的履带地面之间的测量距离；速度获取装置104，根据数据获取装置102获取的测量距离，实时获取铲斗的运动速度及运动方向；数据存储装置106，在挖掘机200完成一次挖掘动作的过程中，在所述运动速度为零时，将数据获取装置102获取的测量距离作为历史测量距离进行存储；阈值设定装置108，根据数据存储装置106存储的历史测量距离，设定铲斗与履带地面之间的距离阈值；挖掘预判装置110，在运动方向在竖直方向上为向下、且测量距离达到距离阈值的情况下，确认挖掘机200将要进行挖掘动作。在该技术方案中，实现了一个挖掘过程中的自学习策略：通过在每次完成一次挖掘动作后，保存此时铲斗与挖掘机行驶时所处的履带地面之间的距离，从而在下一次挖掘动作时，用于实时产生距离阈值。由于每次进行挖掘动作时，都使用了实时产生的、对应于上一次挖掘动作的结果的距离阈值，从而使得对挖掘机200的姿态判断更为准确。
在上述技术方案中，数据获取装置102具体包括：角度传感器1020，测量动臂与水平面之间的第一夹角以及斗杆与水平面之间的第二夹角；距离计算单元1022，按照h1＝l1sinθ1-l2sinθ2+h2进行计算，其中，h1为测量距离，h2为动臂与挖掘机200的连接位置与履带地面之间的距离，θ1为第一夹角，θ2为第二夹角。在该技术方案中，由于在进行挖掘动作时，铲斗需要与挖掘对象进行接触，因此如果直接在铲斗上安装测距仪，则可能由于铲斗与挖掘对象的接触，导致测距仪被损坏。因而此处通过角度传感器1020对角度的测量，从而获取铲斗与水平面之间的距离数据，进而对挖掘机200是否将要进行挖掘动作进行判断。
在上述技术方案中，速度获取装置104具体包括：时间设定单元1040，设定延迟时间；速度计算单元1042，按照
Figure BSA00000653732900111
进行计算，其中，v为铲斗的运动速度，h1 t为数据获取装置102在延迟时间之前获取的第一测量距离，h1 t+Δt为数据获取装置102在经过延迟时间之后获取的第二测量距离，Δt为延迟时间，其中，在运动速度v为正数的情况下，运动方向在竖直方向上为向下，在运动速度v为负数的情况下，运动方向在竖直方向上为向上。在该技术方案中，在获取铲斗与水平面之间的距离后，通过对时间的掌控，可以进而获取铲斗的运动方向和运动速度。这里对于铲斗与水平面之间的距离，设定为：当铲斗位于水平面上方时，距离为正数，当铲斗位于水平面下方时，距离为负数，当铲斗位于水平面处时，距离为0；由此得到的铲斗的运动速度也存在数值的正负，比如在计算得到的运动速度为正数时，说明铲斗运动方向在竖直方向上为向下，为负数时，运动方向在竖直方向上为向上，而当运动速度为0时，则说明铲斗处于与挖掘对象分离的瞬间。
在上述技术方案中，数据存储装置106在运动速度v为0的情况下，将数据获取装置102获取的测量距离作为历史测量距离进行存储。在该技术方案中，运动速度为0时，说明此时铲斗处于与挖掘对象分离的瞬间，通过对此时的测量距离的存储，也就是记录了此时挖掘对象距离水平面的距离，如果是利用挖掘机200挖一个坑，就可以理解为每次挖掘后的坑的深度，可以认为是对本次挖掘动作的挖掘效果进行记录，以便下一次的挖掘动作可以以此作为基准，实时生成新的距离阈值，确保对挖掘机200可能产生的挖掘动作做出准确的判断。
在上述技术方案中，阈值设定装置108按照
Figure BSA00000653732900112
设置距离阈值，其中，h1 0为距离阈值，
Figure BSA00000653732900113
为历史测量距离，X为对应于挖掘机200的发动机的调速速度和铲斗的下降速度的校正值。在该技术方案中，每次产生的距离阈值，是针对于上一次存储的历史测量距离产生的，而计算的基本思想，是希望在该距离阈值处判断出挖掘机200将要进行挖掘动作后，在铲斗刚好接触到挖掘对象之前，能够使得挖掘机200完成对发动机的转速的调节，因此，这关系到铲斗的下降速度，同时也关系到发动机的调速速度，显然铲斗下降得越快、发动机的调速速度越慢，需要的距离阈值越大。
在上述技术方案中，在数据存储装置106中不存在历史测量距离
Figure BSA00000653732900121
时，历史测量距离
Figure BSA00000653732900122
为预设距离。在该技术方案中，在对同一挖掘对象进行的一次挖掘过程中，比如在挖掘一个坑的过程中，根据本申请的技术方案，通过对上一次的挖掘结果的记录，从而对下一次挖掘动作进行判断。然而，在首次进行挖掘动作时，比如在挖一个坑时，在没有进行挖掘而想要进行第一次挖掘时，是没有历史记录的，因为在本次挖掘过程中，还没有产生上一次挖掘的历史数据，此时，通过预设历史测量距离为预设距离。
当然，显然可以针对不同的挖掘对象和挖掘环境，通过预设多个不同的初始历史测量距离，从而使得用户可以在需要的时候，选用对应的数据，具体可以通过如多个不同的按钮进行实现。
在上述技术方案中，还包括：命令发送装置112，在挖掘预判装置110确认挖掘机200将要进行挖掘动作的情况下，向挖掘机200的发动机的控制装置发送调速命令，使发动机的转速被调节至预设转速。在该技术方案中，在判断出挖掘机200将要进行挖掘动作后，对发动机进行提速，使得在铲斗接触到挖掘对象时，发动机达到了较高的转速，从而避免由于发动机的速度不足，使得挖掘动作的动力滞后，影响工作效率，缩短发动机的使用寿命，还可以避免造成冒黑烟，从而避免燃料浪费、环境污染。
图3示出了根据本发明的实施例的用于判断挖掘机的工作姿态的方法的流程图。
如图3所示，根据本发明的实施例的用于判断挖掘机的工作姿态的方法，包括：步骤302，实时获取挖掘机的铲斗与挖掘机履带所处的履带地面之间的测量距离；步骤304，根据测量距离，实时获取铲斗的运动速度及运动方向；步骤306，利用存储的历史测量距离，设定铲斗与履带地面之间的距离阈值，其中，历史测量距离为：挖掘机最近一次完成挖掘动作的过程中，在所述运动速度为零时获取的测量距离；步骤308，若运动方向在竖直方向上为向下、且测量距离达到距离阈值，则确认挖掘机将要进行挖掘动作。在该技术方案中，实现了一个挖掘过程中的自学习策略：通过在每次完成一次挖掘动作后，保存此时铲斗与挖掘机行驶时所处的履带地面之间的距离，从而在下一次挖掘动作时，用于实时产生距离阈值。由于每次进行挖掘动作时，都使用了实时产生的、对应于上一次挖掘动作的结果的距离阈值，从而使得对挖掘机的姿态判断更为准确。
在上述技术方案中，步骤302具体包括：利用角度传感器测量动臂与水平面之间的第一夹角、及斗杆与水平面之间的第二夹角；按照h1＝l1sinθ1-l2sinθ2+h2进行计算，其中，h1为测量距离，h2为动臂与挖掘机的连接位置与履带地面之间的距离，θ1为第一夹角，θ2为第二夹角。在该技术方案中，由于在进行挖掘动作时，铲斗需要与挖掘对象进行接触，因此如果直接在铲斗上安装测距仪，则可能由于铲斗与挖掘对象的接触，导致测距仪被损坏。因而此处通过角度传感器对角度的测量，从而获取铲斗与水平面之间的距离数据，进而对挖掘机是否将要进行挖掘动作进行判断。
在上述技术方案中，步骤304具体包括：设定延迟时间；按照进行计算，其中，v为铲斗的运动速度，h1 t为在延迟时间之前获取的第一测量距离，h1 t+Δt为在经过延迟时间之后获取的第二测量距离，Δt为延迟时间，其中，若运动速度v为正数，则运动方向在竖直方向上为向下，若所述运动速度v为负数，则运动方向在竖直方向上为向上。在该技术方案中，在获取铲斗与水平面之间的距离后，通过对时间的掌控，可以进而获取铲斗的运动方向和运动速度。这里对于铲斗与水平面之间的距离，设定为：当铲斗位于水平面上方时，距离为正数，当铲斗位于水平面下方时，距离为负数，当铲斗位于水平面处时，距离为0；由此得到的铲斗的运动速度也存在数值的正负，比如在计算得到的运动速度为正数时，说明铲斗运动方向在竖直方向上为向下，为负数时，运动方向在竖直方向上为向上，而当运动速度为0时，则说明铲斗处于与挖掘对象分离的瞬间。
在上述技术方案中，还包括：将运动速度v为0时获取的测量距离作为历史测量距离进行存储。在该技术方案中，运动速度为0时，说明此时铲斗处于与挖掘对象分离的瞬间，通过对此时的测量距离的存储，也就是记录了此时挖掘对象距离水平面的距离，如果是利用挖掘机挖一个坑，就可以理解为每次挖掘后的坑的深度，可以认为是对本次挖掘动作的挖掘效果进行记录，以便下一次的挖掘动作可以以此作为基准，实时生成新的距离阈值，确保对挖掘机可能产生的挖掘动作做出准确的判断。
在上述技术方案中，还包括：延迟时间为：对第一夹角和第二夹角进行采集时的采集周期的整数倍。在该技术方案中，可以利用角度传感器对数据的采集周期，从而方便对延迟时间的设定，并且便于数据的分析处理。
在上述技术方案中，步骤306具体包括：按照
Figure BSA00000653732900141
设置距离阈值，其中，h1 0为距离阈值，
Figure BSA00000653732900142
为历史测量距离，X为对应于挖掘机的发动机的调速速度和铲斗的下降速度的校正值。在该技术方案中，每次产生的距离阈值，是针对于上一次存储的历史测量距离产生的，而计算的基本思想，是希望在该距离阈值处判断出挖掘机将要进行挖掘动作后，在铲斗刚好接触到挖掘对象之前，能够使得挖掘机完成对发动机的转速的调节，因此，这关系到铲斗的下降速度，同时也关系到发动机的调速速度，显然铲斗下降得越快、发动机的调速速度越慢，需要的距离阈值越大。
在上述技术方案中，在步骤308之后，还包括：向挖掘机的发动机的控制装置发送调速命令，使发动机的转速被调节至预设转速。在该技术方案中，在判断出挖掘机将要进行挖掘动作后，对发动机进行提速，使得在铲斗接触到挖掘对象时，发动机达到了较高的转速，从而避免由于发动机的速度不足，使得挖掘动作的动力滞后，影响工作效率，缩短发动机的使用寿命，还可以避免造成冒黑烟，从而避免燃料浪费、环境污染。
图4示出了根据本发明的实施例的判断挖掘机的工作姿态的流程图。
如图4所示，根据本发明的实施例的判断挖掘机的工作姿态的流程如下：
步骤402，获取历史高度h2 T，这里的高度是指挖掘机的铲斗距离挖掘机所处水平面之间的距离，对于该距离的获取将在下面的步骤进行详细说明，而针对这里的历史高度h2 T，是指挖掘机在一次挖掘工作的过程中，需要对同一个挖掘对象进行多次挖掘，则当进行了一次挖掘动作后，便将进行该挖掘动作的过程中，铲斗与挖掘对象分离的瞬间、铲斗与挖掘机所处水平面之间的距离，作为历史高度h2 T进行存储，可以认为，该历史高度h2 T就是经过一次挖掘动作后，挖掘对象距离水平面的高度，是本次挖掘动作带来的动作效果或结果，比如在挖一个坑的时候，每次挖掘动作，都会使得挖掘对象——坑的深度变得更深，则每次挖掘动作完成后的坑的深度就是历史高度h2 T。
步骤404，采集第一夹角θ1和第二夹角θ2。这里的第一夹角θ1是指由安装在动臂上的角度传感器获取的动臂与水平面之间的夹角，而第二夹角θ2是指由安装在斗杆上的角度传感器获取的斗杆与水平面之间的夹角。用户希望直接在铲斗上安装测距仪等类似的装置，从而可以直接获取其与挖掘对象之间的距离，但由于铲斗与挖掘对象之间的接触动作可能导致安装的装置被损坏，因此通过在动臂、斗杆等不需要直接与挖掘对象接触的部分安装角度传感器，从而对距离数据进行间接获取。
步骤406，结合动臂和斗杆的长度，计算第二高度h2。可见，将角度传感器安装在动臂和斗杆上，有着其自身的优势，就是动臂和斗杆的长度是与挖掘机自身的型号关联的，对于一款挖掘机而言，其动臂和斗杆的长度是已知的，从而可以用于本申请的距离计算。当然，这里间接获取的并不是铲斗与挖掘对象之间的距离，而是斗杆上的角度传感器与挖掘机履带所处水平面之间的距离，其中，角度传感器与铲斗之间的距离误差可以通过后续的每次挖掘动作之间的阈值高度的计算进行校正。
具体而言，假定动臂的长度为l1、斗杆的长度为l2，则h2＝l2sinθ2-l1sinθ1+h1，其中，h1为安装在动臂上的角度传感器与挖掘机履带所处水平面之间的距离，在挖掘机型号已知的情况下，h1也是已知的数据。另外，可以看出，在铲斗位于挖掘机履带所处水平面之上时，h2为正数，在铲斗位于挖掘机履带所处水平面之下时，h2为负数，在铲斗位于挖掘机履带所处水平面时，h2为0。
步骤408，计算铲斗的运动速度v。由于铲斗距离水平面的第二高度h2(误差可以在后续计算中进行校正，因而直接作为铲斗和水平面之间的距离进行处理)已经计算得到，只要对时间进行计算，就可以得到对应的铲斗的运动速度v。此外，这里的运动速度v根据铲斗的运动方向的不同，也存在数值上的正负，如当铲斗在竖直方向上为向下运动时，则为正数，而当铲斗在竖直方向上为向上运动时，则为负数，因而也可以认为，可以根据得到的运行速度v的数值的正负情况，从而得知铲斗的运动方向。
步骤409，判断是否向发动机发出提速命令。此处用于区分是否已经判断出挖掘机将要进行挖掘动作，若本次挖掘机的挖掘动作的判断尚未结束，则显然达不到预设转速，则进入步骤410，进行进一步判断；而如果已经判断出将要进行挖掘动作，则转速必然已经被调整，然后进入步骤416，为获取和存储历史数据做准备。
步骤410，计算本次的阈值高度
Figure BSA00000653732900161
这里是根据步骤402得到的历史高度h2 T和步骤408得到的运动速度v、运动方向计算得到的，具体而言，采用了
Figure BSA00000653732900162
其中，X为对应于发动机的加速时间和铲斗在挖掘动作中的运动速度v、运动方向的校正值，其中，发动机的加速时间与挖掘机的型号相关，而铲斗的运动速度v已经通过计算得到，因而可以在每次进行挖掘动作时，得到本次挖掘动作应该使用的阈值高度
Figure BSA00000653732900163
步骤412，判断是否满足条件：v＞0且
Figure BSA00000653732900164
其中，v＞0表明铲斗正在竖直方向上进行向下运动，而
Figure BSA00000653732900165
表明铲斗与挖掘对象之间的距离已经很短，从而表明挖掘机将要进行挖掘动作。若满足条件，则进入步骤414，否则返回步骤404进行数据的采集，这说明对于挖掘机的工作意图的判断中，是通过实时连续采集数据，从而对其工作意图进行实时连续判断的，从而及时准确地了解到挖掘机的真正工作意图。
步骤414，将发动机转速调节至预设转速。由于挖掘机在不进行挖掘动作时，发动机处于空载状态，为了节约资源，会将发动机的转速降低，从而使得挖掘机在进行下一次挖掘动作时，在铲斗与挖掘对象接触时，尤其是在接触的瞬间，会导致发动机的负载迅速增大，这要求发动机能够在短时间内将转速提升至较高数值水平，但显然转速的提升需要一定时间，而无法在短时间内完成，从而造成发动机的动力滞后，还会冒黑烟，污染环境、浪费燃料。因此，可以通过对挖掘机是否将要进行挖掘动作进行预判，从而在合适的时间对发动机进行提前提速，并在铲斗与挖掘对象接触前，将发动机的转速提升至较高转速，获得对应的动力，达到较好的动力响应特性。
步骤416，判断是否满足v＝0，若不满足，由于对于第二高度h2和运动速度v的获取和计算都是实时连续进行的，因此需要返回步骤404，继续进行实时计算；若满足，则说明此时为挖掘机的铲斗即将离开挖掘对象的瞬间，比如在用挖掘机挖坑的过程中，一次挖掘动作后，使得坑的深度加大，从而在铲斗运动速度为0的时候，获取的铲斗与挖掘机履带所处水平面之间的距离，可以认为是坑的深度，而这个深度是随着每次挖掘动作之后都会改变的，因而此时获取的铲斗与挖掘机履带所处水平面之间的距离可以认为是本次挖掘动作导致的，会对之后的挖掘动作产生影响，具体是对后续的阈值高度
Figure BSA00000653732900171
的数值产生影响。
步骤418，将此时的h2作为历史高度h2 T进行存储，从而用于下次挖掘动作时对阈值高度
Figure BSA00000653732900172
的计算。
对于基于本发明的技术方案的具体实施方式，下面结合图5进行说明，其中，图5示出了根据本发明的实施例的判断挖掘机的工作姿态的示意图。
如图5所示，在本实施例中，通过安装在斗杆503上的第一角度传感器506和安装在动臂510上的第二角度传感器514，来对挖掘机的工作意图进行判断，使其是否将要进行挖掘动作。
由于挖掘机在不进行挖掘动作时，发动机处于空载状态，为了节约资源，会将发动机的转速降低，从而使得挖掘机在进行下一次挖掘动作时，在铲斗502与挖掘对象504接触时，尤其是在接触的瞬间，会导致发动机的负载迅速增大，这要求发动机能够在短时间内将转速提升至较高数值水平，但显然转速的提升需要一定时间，而无法在短时间内完成，从而造成发动机的动力滞后，还会冒黑烟，污染环境、浪费燃料。因此，可以通过对挖掘机是否将要进行挖掘动作进行预判，从而在合适的时间对发动机进行提前提速，并在铲斗502与挖掘对象504接触前，将发动机的转速提升至较高转速，获得对应的动力，达到较好的动力响应特性。
本实施例的具体方式如下：
通过安装在斗杆503上的第一角度传感器506，对斗杆503与水平面之间的第一角度508(记为θ1)进行测量，而根据挖掘机的型号，其斗杆503的长度为已知数据第一长度505(记为l1)；通过安装在动臂510上的第二角度传感器514，对动臂510与水平面之间的第二角度516(记为θ2)进行测量，而根据挖掘机的型号，其动臂510的长度为已知数据第二长度512(记为l2)，再加上第二角度传感器514至挖掘机履带所在水平面之间的距离也是已知且不变的第一高度518(记为h1)，则第一角度传感器506与挖掘机履带所处水平面之间的距离为第二高度520(记为h2)，可以计算得到h2＝l2sinθ2-l1sinθ1+h1。由此计算公式可见，第二高度520在第一角度传感器506位于挖掘机履带所在水平面之上的时候，为正数，在第一角度传感器506位于挖掘机履带所在水平面之下的时候，为负数，而在第一角度传感器506位于挖掘机履带所在水平面处的时候，为0。
由控制装置526对第一角度508和第二角度516的数据进行实时获取和计算，得到实时连续的第二高度520，并由第二高度520的大小变化和变化速度，得知第一角度传感器506(以及铲斗502)在竖直方向上的运动方向和运动速度。由第二高度520的数值性质，可知第一角度传感器506的运动速度在运动方向为向上时为负数，在运动方向为向下时为正数。
这里由于铲斗502需要接触到挖掘对象504，可能不适合将第一角度传感器506安装在铲斗502上，因而将第一角度传感器506安装在斗杆503上，而这其中产生的误差，可以由下面将要介绍到的自学习策略进行校正。
本实施例体现出了挖掘机在一次作业过程中的自学习能力，具体体现在：在完成一次挖掘动作后，记录铲斗502接触到挖掘对象504时的第二高度520的数值，并将其作为历史测量高度(记为h2 T)进行存储。
在将要进行下一次挖掘动作时，利用存储的历史测量高度生成高度阈值(记为h0)，这里的
Figure BSA00000653732900191
其中，X为对应于发动机的加速时间和铲斗502在挖掘动作中的运动速度的校正值，其中，发动机的加速时间与挖掘机的型号相关，而铲斗502的运动速度可以通过计算得到，因而可以在每次进行挖掘动作时，得到本次挖掘动作应该使用的高度阈值。
当第二高度502不大于高度阈值、且铲斗502的运动方向为向下时，则可以判定为挖掘机将要进行挖掘动作，并由控制装置526向发动机的转速控制装置发送调速命令，使铲斗502与挖掘对象504接触之前，令发动机的转速达到预设转速。
以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，考虑到挖掘机在工作过程中，会出现由于转速突变而导致的动力响应滞后，因此，本发明提供了一种用于判断挖掘机的工作姿态的系统、一种挖掘机和一种用于判断挖掘机的工作姿态的方法，可以准确识别出挖掘机是否将进行挖掘动作，从而提前将挖掘机的发动机转速调节至预设转速，避免过低导致的动力滞后等问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于判断挖掘机的工作姿态的系统，其特征在于，包括：
数据获取装置(102)，实时获取挖掘机的铲斗与所述挖掘机履带所处的履带地面之间的测量距离；
速度获取装置(104)，根据所述数据获取装置(102)获取的所述测量距离，实时获取所述铲斗的运动速度及运动方向；
数据存储装置(106)，在所述挖掘机完成一次挖掘动作的过程中，在所述运动速度为零时，将所述数据获取装置(102)获取的测量距离作为历史测量距离进行存储；
阈值设定装置(108)，根据所述数据存储装置(106)存储的所述历史测量距离，设定所述铲斗与所述履带地面之间的距离阈值；
挖掘预判装置(110)，在所述运动方向在竖直方向上为向下、且所述测量距离达到所述距离阈值的情况下，确认所述挖掘机将要进行挖掘动作。
2.根据权利要求1所述的用于判断挖掘机的工作姿态的系统，其特征在于，所述数据获取装置(102)具体包括：
角度传感器(1020)，测量动臂与水平面之间的第一夹角以及斗杆与水平面之间的第二夹角；
距离计算单元(1022)，按照h1＝l1sinθ1-l2sinθ2+h2进行计算，其中，h1为所述测量距离，h2为所述动臂与所述挖掘机的连接位置与所述履带地面之间的距离，θ1为所述第一夹角，θ2为所述第二夹角。
3.根据权利要求1或2所述的用于判断挖掘机的工作姿态的系统，其特征在于，所述速度获取装置(104)具体包括：
时间设定单元(1040)，设定延迟时间；
速度计算单元(1042)，按照
Figure FSA00000653732800011
进行计算，其中，v为所述铲斗的运动速度，h1 t为所述数据获取装置(102)在所述延迟时间之前获取的第一测量距离，h1 t+Δt为所述数据获取装置(102)在经过所述延迟时间之后获取的第二测量距离，Δt为所述延迟时间，其中，
在所述运动速度v为正数的情况下，所述运动方向在竖直方向上为向下，在所述运动速度v为负数的情况下，所述运动方向在竖直方向上为向上。
4.根据权利要求1或2所述的用于判断挖掘机的工作姿态的系统，其特征在于，所述阈值设定装置(108)按照
Figure FSA00000653732800021
设置所述距离阈值，其中，h1 0为所述距离阈值，为所述历史测量距离，X为对应于所述挖掘机的发动机的调速速度和所述铲斗的下降速度的校正值。
5.根据权利要求4所述的用于判断挖掘机的工作姿态的系统，其特征在于，在所述数据存储装置(106)中不存在所述历史测量距离
Figure FSA00000653732800023
时，所述历史测量距离
Figure FSA00000653732800024
为预设距离。
6.根据权利要求1或2所述的用于判断挖掘机的工作姿态的系统，其特征在于，还包括：
命令发送装置(112)，在所述挖掘预判装置(110)确认所述挖掘机将要进行挖掘动作的情况下，向所述挖掘机的发动机的控制装置发送调速命令，使所述发动机的转速被调节至预设转速。
7.一种挖掘机，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的用于判断挖掘机的工作姿态的系统。
8.一种用于判断挖掘机的工作姿态的方法，其特征在于，包括：
步骤302，实时获取挖掘机的铲斗与所述挖掘机履带所处的履带地面之间的测量距离；
步骤304，根据所述测量距离，实时获取所述铲斗的运动速度及运动方向；
步骤306，利用存储的历史测量距离，设定所述铲斗与所述履带地面之间的距离阈值，其中，所述历史测量距离为：所述挖掘机最近一次完成挖掘动作的过程中，在所述运动速度为零时获取的测量距离；
步骤308，若所述运动方向在竖直方向上为向下、且所述测量距离达到所述距离阈值，则确认所述挖掘机将要进行挖掘动作。
9.根据权利要求8所述的用于判断挖掘机的工作姿态的方法，其特征在于，所述步骤302具体包括：
利用角度传感器测量动臂与水平面之间的第一夹角、及斗杆与水平面之间的第二夹角；
按照h1＝l1sinθ1-l2sinθ2+h2进行计算，其中，h1为所述测量距离，h2为所述动臂与所述挖掘机的连接位置与所述履带地面之间的距离，θ1为所述第一夹角，θ2为所述第二夹角。
10.根据权利要求8或9所述的用于判断挖掘机的工作姿态的方法，其特征在于，所述步骤304具体包括：
设定延迟时间；
按照
Figure FSA00000653732800031
进行计算，其中，v为所述铲斗的运动速度，h1 t为在所述延迟时间之前获取的第一测量距离，h1 t+Δt为在经过所述延迟时间之后获取的第二测量距离，Δt为所述延迟时间，其中，
若所述运动速度v为正数，则所述运动方向在竖直方向上为向下，若所述运动速度v为负数，则所述运动方向在竖直方向上为向上。
11.根据权利要求10所述的用于判断挖掘机的工作姿态的方法，其特征在于，还包括：
所述延迟时间为：对所述第一夹角和所述第二夹角进行采集时的采集周期的整数倍。
12.根据权利要求8或9所述的用于判断挖掘机的工作姿态的方法，其特征在于，步骤306具体包括：
按照
Figure FSA00000653732800032
设置所述距离阈值，其中，h1 0为所述距离阈值，为所述历史测量距离，X为对应于所述挖掘机的发动机的调速速度和所述铲斗的下降速度的校正值。
13.根据权利要求8或9所述的用于判断挖掘机的工作姿态的方法，其特征在于，在所述步骤308之后，还包括：
向所述挖掘机的发动机的控制装置发送调速命令，使所述发动机的转速被调节至预设转速。
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