CN107882080B - 挖掘机精细工作控制方法、系统及挖掘机 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了挖掘机精细工作控制方法、系统及挖掘机，其中，挖掘机精细工作控制方法，通过分别建立以挖掘机上车身旋转点的第一坐标系及参考点为原点的第二坐标系，并通过将第一坐标系中的原点移动到第二坐标系的原点，获取两个坐标系之间的转换关系，从而可以将限制点在第二坐标系中的坐标值转换为第一坐标系中的坐标值，进而可以得到挖掘机工作时的限制边界，并根据传感器的检测参数确定挖掘机和限制边界的关系进行显示。本专利设计精巧，控制简单，操作人员能够准确的知晓操控的范围，不需要由另一人和额外的测量设备进行测量等辅助工作，能够提高工作效率，降低人工成本，节省了作业时间和燃油消耗，同时保证挖掘工作的准确性和可靠性。

Description

挖掘机精细工作控制方法、系统及挖掘机

技术领域

本发明涉及挖掘机领域，尤其是挖掘机精细工作控制方法、系统及挖掘机。

背景技术

挖掘机，又称挖掘机械（excavating machinery)、挖土机，是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。

挖掘机在现场作业时，完全靠操作者自己对工作环境和路面的状态进行判断，如果是在边坡旁、隧道中、桥梁或高压线下面、城市高楼中间等条件受限的环境中作业，操作者必需放慢速度小心操作以防事故，作业效率低，控制难度大。

在精细作业场境，还需要另外增加一个现场测量员对作业的深度、平整度、斜坡角度等作业效果进行测量、评估，并指导操作者的动作，这种测量、评估、操作、再测量、再评估、再操作的过程往往要重复多次才能达到施工要求，这样，人员要求多，作业周期长，设备运转时间长，同时也增加了能源消耗和排放。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供挖掘机精细工作控制方法、系统及挖掘机。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

挖掘机精细工作控制方法，包括如下步骤：

S1，以挖掘机上车身旋转点作为原点建立第一坐标系，根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的信号，确定挖掘机各点在第一坐标系中的坐标；

S2，根据参考点信号，确定以参考点为原点的第二坐标系，确认将第一坐标系中的原点移动到第二坐标系的原点时，第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系；

S3，接收各限制点在第二坐标系中的坐标，根据上述第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系计算各限制点在第一坐标系中的坐标，从而确定出挖掘机的限制边界；

S4，根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的实时信号，确定挖掘机与限制边界的相对位置并发信号给显示器。

优选的，所述的挖掘机精细工作控制方法，其中：所述参考点是铲斗斗齿的中心点或地面绝对点，

当所述参考点是铲斗斗齿的中心点时，所述整车状态检测传感器至少包括，铲斗角度传感器、斗杆角度传感器、大臂角度传感器、上车身角度传感器、X向倾角传感器及Y向倾角传感器；

当所述参考点是地面绝对点时，所述整车状态检测传感器还包括用于确定挖掘机相对于参考点移动距离的惯性传感器。

优选的，所述的挖掘机精细工作控制方法，其中：所述限制点的数量为8个，它们中的部分或全部可形成二维的限制平面或三维的限制空间。

优选的，所述的挖掘机精细工作控制方法，其中：还包括S5步骤，根据报警阈值，在挖掘机的挖掘部件移动到报警阈值和限制边界形成的报警区域时，发出声和/或光报警，且根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，控制报警的频次。

优选的，所述的挖掘机精细工作控制方法，其中：还包括S6步骤，在挖掘机的挖掘部件移动到报警区域时，还根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，通过泵流量控制比例阀来控制各挖掘部件的运动速度。

优选的，所述的挖掘机精细工作控制方法，其中：还包括S7步骤，在挖掘机的挖掘部件到达限制边界时，通过流量切断阀切断挖掘部件的液压泵的油液供应，且当判断控制部件的移动趋势为远离限制边界时，恢复挖掘部件的液压泵的油液供应。

挖掘机精细工作控制系统，包括

第一坐标系建立单元，用于以挖掘机上车身旋转点作为原点建立第一坐标系，根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的信号，确定挖掘机各点在第一坐标系中的坐标；

坐标系转化单元，用于根据参考点信号，确定以参考点为原点的第二坐标系，确认将第一坐标系中的原点移动到第二坐标系的原点时，第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系；

限制边界形成单元，用于接收各限制点在第二坐标系中的坐标，根据上述第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系计算各限制点在第一坐标系中的坐标，从而确定出挖掘机的限制边界；

以及，显示单元，用于根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的实时信号，确定挖掘机与限制边界的相对位置并发信号给显示器。

优选的，所述的挖掘机精细工作控制系统，还包括

报警单元，用于根据报警阈值，在挖掘机的挖掘部件移动到报警阈值和限制边界形成的报警区域时，发出声和/或光报警，且根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，控制报警的频次

挖掘部件速度控制单元，用于在挖掘机的挖掘部件移动到报警区域时，还根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，通过泵流量控制比例阀来控制各挖掘部件的运动速度。

挖掘部件启停单元，用于在挖掘机的挖掘部件到达限制边界时，通过流量切断阀切断挖掘部件的液压泵的油液供应，且当判断控制部件的移动趋势为远离限制边界时，恢复挖掘部件的液压泵的油液供应。

挖掘机，包括挖掘机机身、显示器及控制器，所述挖掘机机身上至少设置有铲斗角度传感器、斗杆角度传感器、大臂角度传感器、上车身角度传感器、X向倾角传感器及Y向倾角传感器以及一组泵流量控制比例阀，所述控制器包括上述任一的挖掘机精细工作控制系统且与所述铲斗角度传感器、斗杆角度传感器、大臂角度传感器、上车身角度传感器、X向倾角传感器及Y向倾角传感器以及一组泵流量控制比例阀连接。

优选的，所述的挖掘机，其中：所述挖掘机机身上还设置有惯性传感器及流量切断阀。

本发明技术方案的优点主要体现在：

本专利设计精巧，控制简单，通过分别建立以挖掘机上车身旋转点及参考点为原点的坐标系，并通过坐标平移，获取两个坐标系之间的转换关系，从而可以将限制点在第二坐标系中的坐标值转换为第一坐标系中的坐标值，进而可以得到挖掘机工作时的限制边界，并根据传感器的检测参数确定挖掘机和限制边界的关系进行显示，操作人员能够准确的知晓操控的范围，并且不需要由另一人和额外的测量设备进行测量等辅助工作，能够提高工作效率，降低人工成本，节省了作业时间和燃油消耗，同时保证挖掘工作的准确性和可靠性。

通过声光报警能够进一步提高提醒的直观性，更容易抓取工作人员的注意力，从而起到更好的提示效果，从而确保操作人员能够更加合理的操作。

进一步，通过控制各挖掘部件的泵流量及各挖掘部件的泵流量的供应与否，能够根据实际情况，进行挖掘部件的速度或是否可动作的控制，以防人工操作失误，从而能够避免挖掘部件越界工作的情况出现，有利于避免挖掘部件与周围环境的接触，避免机械损坏，保证挖掘准确性。

当采用地面绝对点作为参考点时，能够有效的避免挖掘机移动造成的限制边界移动的问题，结合惯性传感器进行挖掘机移动状态的监控，从而可以更好的满足实际的操作要求，使得挖掘机控制更佳灵活，避免只能使挖掘部件动作的问题。

附图说明

图1是本发明的方法过程示意图；

图２是本发明的系统框图及控制器与传感器、显示器、阀的连接示意图；

图３是本发明的挖掘机的结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了挖掘机精细工作控制方法，如附图１所示，包括如下步骤：

S1，以挖掘机上车身旋转点作为原点建立第一坐标系，例如，以上车身旋转点为原点，规定挖掘机的前后方向为X轴、挖掘机的左右方向为Y轴、挖掘机的上下方向为Z轴，即可得到第一坐标系，当然也可以采用其他方式定义第一坐标系，在此不再赘述。

根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的信号，确定挖掘机各点在第一坐标系中的坐标，得到挖掘机坐标系统；其中，挖掘机整车数据参数在出厂时就存储在挖掘机的控制器内部，其至少包括上车车身长度和宽度，大臂、斗杆和铲斗的转轴位置，大臂、斗杆和铲斗的宽度，大臂、斗杆和铲斗的侧面形状等数据；同时，所述整车状态监测传感器实时检测挖掘机的大臂、斗杆和铲斗、上车身及整车的角度状况，从而可以确定出挖掘机的整车姿态数据，将上述数据带入所述第一坐标系，即可得出挖掘机上关键点位的坐标。

S2，根据参考点信号，确定以参考点为原点的第二坐标系，确认将第一坐标系中的原点移动到第二坐标系的原点时，第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系；

其中，所述参考点是铲斗斗齿的中心点或地面绝对点，实际操作时，通过用户在挖掘机的显示界面上选择具体的参考点是地面绝对点或是铲斗斗齿的中心点，当选择确定后，进行初始化，控制器会通过坐标平移，将第一坐标系统的原点移动到第二坐标系的原点（参考点），从而系统会得到两个坐标系的转换关系，同时可自动获得挖掘机的各点在第二坐标系中的坐标值（基于第二坐标系的挖掘机坐标系统），并可通过图像显示出来。

并且，当所述参考点是铲斗斗齿的中心点时，所述整车状态检测传感器只需要包括铲斗角度传感器、斗杆角度传感器、大臂角度传感器、上车身角度传感器、X向倾角传感器及Y向倾角传感器即可。

但是如果选择的是车身相对坐标，即以铲斗斗齿的中心点为参考点，相应的限制点是以挖掘机技身为基准的，则挖掘机在工作过程中，如果挖掘机整体发生了移动，则限制点会跟随机身一起移动，对应的限制边界也会相应地移动了，移动后的限制边界将不满足实际控制的要求，对应的，在这种模式下，就必须使挖掘机整体不移动，即挖掘机的下部驱动车身不工作。

当所述参考点是地面绝对点时，此时，相应的限制点是以地面为参考的，当挖掘机整体移动时，限制点并不移动，对应的限制边界也不会改变，但是此时，还需要记录挖掘机相对于参考点的移动情况，对应的，所述整车状态检测传感器还需要包括用于确定挖掘机相对于参考点移动距离的惯性传感器。

S3，接收各限制点在第二坐标系中的坐标，根据上述第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系计算各限制点在第一坐标系中的坐标，从而确定出挖掘机动作的限制边界。

所述限制点的数量为8个，系统内部已经对每个限制点进行了编号，显示器UI已经指示出限制点位置，并且显示器UI设计好多种输入方式以方便各种位置限制点的坐标输入，实际操作时，操作人员通过挖掘机上的输入设备可以选择限制点的位置并输入它们的坐标值，其具体坐标值可以根据实际工作现场情况以及S2步骤中获得的挖掘机在第二坐标系统中的图像来选定，被选中的部分或全部限制点可形成二维的限制平面或三维的限制空间。

S4，当工作人员操作挖掘机时，所述整车状态检测传感器实时采集挖掘机相关部件的位置信号，并结合接收的挖掘机整车数据参数，确定挖掘机的整车姿态与限制边界的相对位置，并发送信号给显示器进行显示。

进一步，S5步骤，根据操作人员输入的报警阈值，在挖掘机的挖掘部件移动到报警阈值和限制边界形成的报警区域时，发出声和/或光报警，且根据挖掘机的挖掘部件（铲斗、斗杆、大臂）距离限制边界的距离，控制报警的频次，即，挖掘部件越接近限制边界，报警越急促，频率越高，以警示操作者小心操作。

实际操作时，操作人员在显示器上设置好报警阈值，然后选择并确认进入轨迹限制模式后，除了进行上述的报警提示外，还将自动控制挖掘机的挖掘部件在设定的限制边界内动作。

具体来说，还包括S6步骤，在挖掘机的挖掘部件移动到报警区域时，通过计算挖掘部件的关键点坐标距离限制边界的对应面的距离来判断两者距离的远近，并根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，通过泵流量控制比例阀来控制各挖掘部件的运动速度；当两者的距离越近，控制挖掘部件的各泵流量越小，以减缓挖掘部件的运动速度，避免发生碰撞的可能。

进一步，当具有流量切断阀时，还包括S7步骤，通过流量切断阀控制挖掘部件的启停，具体的，在挖掘机的挖掘部件到达限制边界时，通过流量切断阀切断挖掘部件的液压泵的油液供应，使挖掘部件停止工作，且当判断挖掘部件的移动趋势为远离限制边界时，恢复挖掘部件的液压泵的油液供应，使其恢复工作。

并且，通过具体的操作，操作者可以随时取消轨迹限制模式，也可以随时重新进入，重新进入时可以继续上次的轨迹限制过程，也可以通过初始化操作，进入新一轮轨迹限制。在显示器上通过LED灯、图标、文字提示等内容以指示是否处于轨迹限制状态。

本专利还揭示了一种实现上述过程的挖掘机精细工作控制系统，如附图２所示，包括第一坐标系建立单元、坐标系转化单元、限制边界形成单元以及显示单元。

所述第一坐标系建立单元用于以挖掘机上车身旋转点作为原点建立第一坐标系，根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的信号，确定挖掘机各点在第一坐标系中的坐标。

所述坐标系转化单元用于根据参考点信号，确定以参考点为原点的第二坐标系，确认将第一坐标系中的原点移动到第二坐标系的原点时，第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系。

所述限制边界形成单元用于接收各限制点在第二坐标系中的坐标，根据上述第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系计算各限制点在第一坐标系中的坐标，从而确定出挖掘机的限制边界。

所述显示单元用于根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的实时信号，确定挖掘机与限制边界的相对位置并发信号给显示器。

进一步，所述的挖掘机精细工作控制系统，还包括

报警单元，用于根据报警阈值，在挖掘机的挖掘部件移动到报警阈值和限制边界形成的报警区域时，发出声和/或光报警，且根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，控制报警的频次。

挖掘部件速度控制单元，用于在挖掘机的挖掘部件移动到报警区域时，还根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，通过泵流量控制比例阀来控制各挖掘部件的运动速度。

挖掘部件启停单元，用于在挖掘机的挖掘部件到达限制边界时，通过流量切断阀切断挖掘部件的液压泵的油液供应，且当判断控制部件的移动趋势为远离限制边界时，恢复挖掘部件的液压泵的油液供应。

本专利更进一步揭示了一种挖掘机，如附图2-附图３所示，包括挖掘机机身、显示器及控制器，所述挖掘机机身包括下部驱动车身、可转动的设置于所述下部驱动车身上的上车身以及上车身上设置的大臂、斗杆、铲斗、液压泵等基础结构，挖掘机机身为现有挖掘机的已知技术，在此不再赘述。

所述挖掘机机身上至少设置有铲斗角度传感器１、斗杆角度传感器２、大臂角度传感器３、上车身角度传感器４、X向倾角传感器５及Y向倾角传感器６、惯性传感器７、一组泵流量控制比例阀及流量切断阀，所述控制器包括上述的挖掘机精细工作控制系统且与所述铲斗角度传感器１、斗杆角度传感器２、大臂角度传感器３、上车身角度传感器４、X向倾角传感器５、Y向倾角传感器６、惯性传感器７、一组泵流量控制比例阀及流量切断阀连接。

工作时，按照上述方法的过程进行操作和控制，在此不再赘述。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.挖掘机精细工作控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1，以挖掘机上车身旋转点作为原点建立第一坐标系，根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的信号，确定挖掘机各点在第一坐标系中的坐标；

S2，根据参考点信号，确定以参考点为原点的第二坐标系，确认将第一坐标系中的原点移动到第二坐标系的原点时，第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系；

S3，接收各限制点在第二坐标系中的坐标，根据上述第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系计算各限制点在第一坐标系中的坐标，从而确定出挖掘机的限制边界；

S4，根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的实时信号，确定挖掘机与限制边界的相对位置并发信号给显示器。

2.根据权利要求1所述的挖掘机精细工作控制方法，其特征在于：所述参考点是铲斗斗齿的中心点或地面绝对点，

当所述参考点是铲斗斗齿的中心点时，所述整车状态检测传感器至少包括，铲斗角度传感器、斗杆角度传感器、大臂角度传感器、上车身角度传感器、X向倾角传感器及Y向倾角传感器；

当所述参考点是地面绝对点时，所述整车状态检测传感器还包括用于确定挖掘机相对于参考点移动距离的惯性传感器。

3.根据权利要求1所述的挖掘机精细工作控制方法，其特征在于：所述限制点的数量为8个，它们中的部分或全部可形成二维的限制平面或三维的限制空间。

4.根据权利要求1-3任一所述的挖掘机精细工作控制方法，其特征在于：还包括S5步骤，根据报警阈值，在挖掘机的挖掘部件移动到报警阈值和限制边界形成的报警区域时，发出声和/或光报警，且根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，控制报警的频次。

5.根据权利要求4所述的挖掘机精细工作控制方法，其特征在于：还包括S6步骤，在挖掘机的挖掘部件移动到报警区域时，还根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，通过泵流量控制比例阀来控制各挖掘部件的运动速度。

6.根据权利要求4所述的挖掘机精细工作控制方法，其特征在于：还包括S7步骤，在挖掘机的挖掘部件到达限制边界时，通过流量切断阀切断挖掘部件的液压泵的油液供应，且当判断控制部件的移动趋势为远离限制边界时，恢复挖掘部件的液压泵的油液供应。

7.挖掘机精细工作控制系统，其特征在于：包括

第一坐标系建立单元，用于以挖掘机上车身旋转点作为原点建立第一坐标系，根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的信号，确定挖掘机各点在第一坐标系中的坐标；

坐标系转化单元，用于根据参考点信号，确定以参考点为原点的第二坐标系，确认将第一坐标系中的原点移动到第二坐标系的原点时，第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系；

限制边界形成单元，用于接收各限制点在第二坐标系中的坐标，根据上述第一坐标系和第二坐标系各点之间的转换关系计算各限制点在第一坐标系中的坐标，从而确定出挖掘机的限制边界；

以及，显示单元，用于根据接收的挖掘机整车数据参数及整车状态检测传感器的实时信号，确定挖掘机与限制边界的相对位置并发信号给显示器。

8.根据权利要求7所述的挖掘机精细工作控制系统，其特征在于：还包括

报警单元，用于根据报警阈值，在挖掘机的挖掘部件移动到报警阈值和限制边界形成的报警区域时，发出声和/或光报警，且根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，控制报警的频次；

挖掘部件速度控制单元，用于在挖掘机的挖掘部件移动到报警区域时，还根据挖掘机的挖掘部件距离限制边界的距离，通过泵流量控制比例阀来控制各挖掘部件的运动速度；

挖掘部件启停单元，用于在挖掘机的挖掘部件到达限制边界时，通过流量切断阀切断挖掘部件的液压泵的油液供应，且当判断控制部件的移动趋势为远离限制边界时，恢复挖掘部件的液压泵的油液供应。

9.挖掘机，包括挖掘机机身、显示器及控制器，其特征在于：所述挖掘机机身上至少设置有铲斗角度传感器、斗杆角度传感器、大臂角度传感器、上车身角度传感器、X向倾角传感器及Y向倾角传感器以及一组泵流量控制比例阀，所述控制器包括权利要求7或8所述的挖掘机精细工作控制系统且与所述铲斗角度传感器、斗杆角度传感器、大臂角度传感器、上车身角度传感器、X向倾角传感器及Y向倾角传感器以及一组泵流量控制比例阀连接。

10.根据权利要求9所述的挖掘机，其特征在于：所述挖掘机机身上还设置有惯性传感器及流量切断阀。