CN108999228A - 一种双层结构的挖掘机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及挖掘机智能控制系统领域，更具体而言，涉及一种双层结构的挖掘机控制系统，包括行程传感器、液压传感器、传感器数据采集单元、底层轨迹规划系统和上层行为迁移系统，将底层控制系统与上层控制系统相结合，配合上相关的传感器，实现了具有双层结构的智能挖掘机，该控制系统响应快，鲁棒性好，智能化较高，能够很好的用于复杂的工况条件下。当挖掘机在进行一些简单的、动作循环单一的挖掘任务中，如挖沟、装载等挖掘任务，挖掘机控制系统在没有人工干预或较少人工干预的情况下，稳定可靠地自动完成挖掘任务，在一定程度上可以减轻挖掘机操作人员的工作强度。

Description

一种双层结构的挖掘机控制系统

技术领域

本发明涉及挖掘机智能控制系统领域，更具体而言，涉及一种双层结构的挖掘机控制系统。

背景技术

为实现挖掘机自主挖掘，最常用的方法是对挖掘机铲斗齿尖末端的运动轨迹进行规划，挖掘机控制系统按照轨迹规划得到的数据和结果驱动工作装置执行相应动作，这种方法响应慢，智能化低，很难用于复杂的工况条件下。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种双层结构的挖掘机控制系统，解决现有挖掘机控制系统智能化低等问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：包括行程传感器、液压传感器、传感器数据采集单元、底层轨迹规划系统和上层行为迁移系统，所述传感器数据采集单元输入端分别与行程传感器和液压传感器连接，输出端分别与上层行为迁移系统和底层轨迹规划系统连接；

所述行程传感器用于检测挖掘机工作装置各油缸的伸缩长度；

所述液压压力传感器用于检测液压系统压力的大小；

所述传感器数据采集单元用于接收实时传感传过来的信息数据，通过相关计算拟合处理可以得到挖掘机工作装置油缸长度以及液压压力值，识别挖掘机所处姿态和工况等信息，并将处理好的数据传入到上层逻辑状态迁移系统以及底层轨迹规划系统；

所述底层轨迹规划系统用于对挖掘机铲斗齿尖的挖掘轨迹进行规划以及控制挖掘机执行规划好的数据；

所述上层行为迁移系统用于实现挖掘机的挖掘状态的迁移，所控制的挖掘机含有多个动作执行机构，包括挖掘机工作装置、挖掘机行走装置以及挖掘机的回转装置，上层行为迁移系统控制挖掘机的具体行为的转换，根据挖掘机实际的工作任务设定好挖掘机的行为序列，包括轨迹挖掘、满斗提升、回转、卸载以及空斗返回等步骤。

进一步地，所述底层轨迹规划控制系统工作方式包括以下步骤：

S1、实时获取传感器数据采集单元数据信息；

S2、根据S1中数据信息和目标轨迹，进行实时计算和规划；

S3、根据S2规划计算结果控制挖掘机工作装置执行相应动作。

进一步地，所述S2中目标轨迹可以是人工输入的某种函数轨迹，也可以是预先存储的某种挖掘轨迹。

进一步地，所述S2中实时计算和规划具体包括以下步骤：

S1、将目标轨迹进行离散化，得到多个挖掘机工作臂的控制点，所述控制点对应着挖掘机工作臂的动作序列；

S2、结合传感器数据采集单元数据信息，通过运动学模型的逆运算，依次计算出每个点上对应的动臂、斗杆、铲斗的油缸长度序列；

S3、根据计算结果驱动挖掘机三个油缸执行相应的动作，实现挖掘机底层规划系统的设计。

优选地，所述S2中计算方法采用遗传算法，提高规划的计算速度与准确度。

进一步地，所述底层轨迹规划系统在二维空间内对挖掘轨迹进行规划，将轨迹看做连续的姿态描述，并作为遗传基因，将任务要求作为约束，将挖掘合理性作为适应度，不断迭代，直至满足迭代次数要求。更好的配合上层控制系统。

进一步地，所述上层行为迁移系统工作方式包括以下步骤：

S1、实时获取传感器数据采集单元数据信息；

S2、根据S1中传感器信息控制挖掘机执行预先设定好的行为序列，用过传感器信息识别当前挖掘机所处状态，以压力传感器的数据作为迁移条件，判断当前状态迁移，系统根据数据大小决定状态的转移。

进一步地，所述上层行为迁移系统在需要执行具体的轨迹挖掘时，调用底层轨迹规划系统对挖掘轨迹的规划，执行轨迹挖掘。

进一步地，所述传感器数据采集单元的数据传输采用IIC总线进行通信，可提高数据的传输速度与效率。

进一步地，所述底层轨迹规划系统和上层行为迁移系统采用PID控制算法对挖掘机进行控制，提高控制系统的控制精度。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本发明提供了一种双层结构的挖掘机控制系统，将底层控制系统与上层控制系统相结合，配合上相关的传感器，实现了具有双层结构的智能挖掘机，响应快，鲁棒性好，智能化较高，能够很好的用于复杂的工况条件下。当挖掘机在进行一些简单的、动作循环单一的挖掘任务中，如挖沟、装载等挖掘任务，挖掘机控制系统在没有人工干预或较少人工干预的情况下，稳定可靠地自动完成挖掘任务，在一定程度上可以减轻挖掘机操作人员的工作强度。

附图说明

图1为本发明提供的一种双层结构的挖掘机控制系统结构图；

图2为本发明提供的一种双层结构的挖掘机控制系统原理图；

图3为底层轨迹规划控制系统的流程图；

图4为基于挖掘目标遗传算法的轨迹规划流程图；

图5为上层控制系统所进行的行为序列迁移图；

图6为挖掘机进行沟槽挖掘过程中的状态迁移图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，一种双层结构的挖掘机控制系统，包括行程传感器、液压传感器、传感器数据采集单元、底层轨迹规划系统和上层行为迁移系统，所述传感器数据采集单元输入端分别与行程传感器和液压传感器连接，输出端分别与上层行为迁移系统和底层轨迹规划系统连接；

所述行程传感器用于检测挖掘机工作装置各油缸的伸缩长度；

所述液压压力传感器用于检测液压系统压力的大小；

所述传感器数据采集单元用于接收实时传感传过来的信息数据，通过相关计算拟合处理可以得到挖掘机工作装置油缸长度以及液压压力值，识别挖掘机所处姿态和工况等信息，并将处理好的数据传入到上层逻辑状态迁移系统以及底层轨迹规划系统；

所述底层轨迹规划系统用于对挖掘机铲斗齿尖的挖掘轨迹进行规划以及控制挖掘机执行规划好的数据；

所述上层行为迁移系统用于实现挖掘机的挖掘状态的迁移，所控制的挖掘机含有多个动作执行机构，包括挖掘机工作装置、挖掘机行走装置以及挖掘机的回转装置，包括轨迹挖掘、满斗提升、回转、卸载以及空斗返回等步骤。

如图3所示，所述底层轨迹规划控制系统工作方式包括以下步骤：

S1、对进行目标轨迹实时计算和规划；

S2、将轨迹进行离散化，得到多个挖掘机工作臂的控制点，所述控制点对应着挖掘机工作臂的动作序列；

S3、根据运动学模型的逆运算，依次计算出每个点上对应的动臂、斗杆、铲斗的油缸长度序列；

S4、根据计算结果驱动挖掘机三个油缸执行相应的动作，实现挖掘机底层规划系统的设计。

所述目标轨迹可以是人工输入的某种函数轨迹，也可以是预先存储的某种挖掘轨迹。

所述S3中计算方法采用遗传算法，如图4所示，将轨迹看做连续的姿态描述，并作为遗传基因，任务要求作为约束，挖掘合理性作为适应度，不断迭代，直至满足迭代次数要求。

如图5所示，所述上层行为迁移系统工作方式包括以下步骤：

S1、实时获取传感器数据采集单元数据信息；

S2、根据S1中传感器信息控制挖掘机执行预先设定好的行为序列，用过传感器信息识别当前挖掘机所处状态，以压力传感器的数据作为迁移条件，判断当前状态迁移，系统根据数据大小决定状态的转移。

所述上层行为迁移系统控制挖掘机的具体行为的转换，根据挖掘机实际的工作任务设定好挖掘机的行为序列；上层行为迁移系统根据挖掘任务需要执行某种特定的挖掘轨迹时，可以调用底层轨迹规划系统。

一个典型的挖掘作业循环包括挖掘、满斗提升、回转、卸载和空斗返回五个步骤，上层迁移系统则对应着五种状态，其中挖掘状态则依靠底层规划系统所规划的轨迹，过载状态则根据实际工况让挖掘机停止执行或执行一定的动作来避免过载。

如图6所示，挖掘机进行沟槽挖掘过程中的状态迁移，包含了8种状态，除了典型挖掘中的五种状态，还包括了起始状态、动臂下降状态以及检测到挖掘机过载后要执行的状态。当挖掘机要进行自主挖掘时，必须要让挖掘机工作装置处于一个安全的、适合挖掘的姿态，然后再进行挖掘行为。在挖掘机的工作装置到达初始状态后，则需要下降动臂直到与地面接触，这时候就可以转到挖掘态执行任务轨迹的挖掘。同时，在挖掘机挖掘过程中遇到过载行为也是很危险的，在遇到过载时也要采取相应的动作避免过载给挖掘机带来的危害。上层系统中状态迁移的条件是判断压力传感器传入的数据，系统根据数据的大小决定状态的转移。在上层系统计中，每一个状态对应挖掘机的一个行为，如果挖掘机的当前行为完成后，则油泵处于空载状态，压力传感器采集到的数值就偏小，在上层系统中设定一个较小的阀值，如果液压压力传感器采集的数据为零或者小于这个阀值，则判定当前状态已完成，向下一个状态转换。当挖掘机在挖掘时遇到过载的情况，压力传感器采集的数据明显的非常大，为了避免对挖掘机造成损害，必须采取有效措施。在上层系统中，如果检测到液压压力传感器的值大于过载阀值时，则迁移到过载处理状态，让挖掘机停止过载行为。本文所设计的挖掘态以及过载态都是调用下层规划系统所规划的轨迹，然后控制挖掘机铲斗按照规划轨迹结果进行运动，在过载态中可采用不同的轨迹绕过障碍物。

所述传感器数据采集单元的数据传输采用IIC总线进行通信，可提高数据的传输速度与效率。所述底层轨迹规划系统和上层行为迁移系统采用PID控制算法对挖掘机进行控制，提高控制系统的控制精度。

在挖掘机控制系统进行设计时还要考虑更多的实际情况，比如在挖掘机行走过程中不进行挖掘及回转行为；在挖掘中要考虑到铲斗的插入角度；有时为了工作效率，要考虑各个油缸及回转进行联动动作；还要考虑到配合液压系统，以及最大的保证各零部件的使用寿命等等，这些问题在借鉴熟练驾驶员的操作经验的基础上对挖掘机的上层控制系统进行设计。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：包括行程传感器、液压传感器、传感器数据采集单元、底层轨迹规划系统和上层行为迁移系统，所述传感器数据采集单元输入端分别与行程传感器和液压传感器连接，输出端分别与上层行为迁移系统和底层轨迹规划系统连接；

所述行程传感器用于检测挖掘机工作装置各油缸的伸缩长度；

所述液压压力传感器用于检测液压系统压力的大小；

所述传感器数据采集单元用于接收传感传过来的信息数据，识别挖掘机所处姿态和工况等信息，并将处理好的数据传入到上层行为迁移系统以及底层轨迹规划系统；

所述底层轨迹规划系统用于对挖掘机铲斗齿尖的挖掘轨迹进行规划以及控制挖掘机执行规划好的数据；

所述上层行为迁移系统用于实现挖掘机的挖掘状态的迁移。

2.根据权利要求1所述的一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：所述底层轨迹规划控制系统工作方式包括以下步骤：

S1、实时获取传感器数据采集单元数据信息；

S2、根据目标轨迹和S1中数据信息，进行实时计算和规划；

S3、根据S2规划计算结果控制挖掘机工作装置执行相应动作。

3.根据权利要求2所述的一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：所述S2中目标轨迹可以是人工输入的某种函数轨迹，也可以是预先存储的某种挖掘轨迹。

4.根据权利要求2所述的一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：所述S2中实时计算和规划具体包括以下步骤：

S1、将目标轨迹进行离散化，得到多个挖掘机工作臂的控制点，所述控制点对应着挖掘机工作臂的动作序列；

S2、结合传感器数据采集单元数据信息，通过运动学模型的逆运算，依次计算出每个点上对应的动臂、斗杆、铲斗的油缸长度序列；

S3、根据计算结果驱动挖掘机三个油缸执行相应的动作，实现挖掘机底层规划系统的设计。

5.根据权利要求4所述的一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：所述S2中计算方法采用遗传算法。

6.根据权利要求2所述的一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：所述底层轨迹规划系统在二维空间内对挖掘轨迹进行规划。

7.根据权利要求1所述的一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：所述上层行为迁移系统工作方式包括以下步骤：

S1、实时获取传感器数据采集单元数据信息；

S2、根据S1中传感器信息控制挖掘机执行预先设定好的行为序列。

8.根据权利要求7所述的一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：所述上层行为迁移系统在需要执行具体的轨迹挖掘时，调用底层轨迹规划系统对挖掘轨迹的规划，执行轨迹挖掘。

9.根据权利要求1所述的一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：所述传感器数据采集单元的数据传输采用IIC总线进行通信。

10.根据权利要求1所述的一种双层结构的挖掘机控制系统，其特征在于：所述底层轨迹规划系统和上层行为迁移系统采用PID控制算法对挖掘机进行控制。