CN109826272A - 一种基于ros的智能矿用挖掘机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ROS的智能矿用挖掘机系统，包括遥控器、激光雷达、惯性测量单元、上位机、工控机和单片机控制板，所述的单片机控制板包括电机控制模块、传感器采集模块和电源管理模块。所述的激光雷达和传感器采集模块构成感知系统，所述的遥控器和电机控制模块构成操控系统。本发明完成了感知系统和操控系统在ROS上的融合，而且融合多传感器易实现挖掘机的智能化控制。本发明建立了多节点数据流的实时通讯机制，实现了挖掘机各节点信息的实时传输与交换。本发明实现了整个挖掘机系统的多机器多节点启动的形式，能实时启动不同的节点并进行监测，也能直接通过主节点来启动所有节点完成挖掘动作。

Description

一种基于ROS的智能矿用挖掘机系统

技术领域

本发明涉及矿用挖掘机，具体涉及一种基于ROS(机器人操作系统)的智能矿用挖掘机系统。

背景技术

近年来，为满足露天矿山高效开采的紧迫需求，采装设备大型化、智能化已成为必然趋势，大型高效挖掘机的研制已成为制约露天矿山开采系统生产能力提升的唯一瓶颈。目前国内的挖掘机基本上采用人工操作方式，效率低下、能耗大，而且大型矿用挖掘机工作环境极端、结构复杂、承载要求苛刻。随着人们对作业质量要求的逐渐提高，对挖掘机的自动化、智能化的要求十分迫切。现有的挖掘机机器只能单一地进行挖掘操作，很难实现连续、高效地自动挖掘操作，而且不具备完善的数据实时通讯机制，很难实时监测实际挖掘过程状态。因此，需要发明一种自动高效、融合多传感器并完成多节点数据流实时通信的挖掘机操作系统，以实现矿用挖掘机的智能化操作。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够实现连续、高效地自动挖掘操作的基于ROS的智能矿用挖掘机系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于ROS的智能矿用挖掘机系统，包括遥控器、激光雷达、惯性测量单元、上位机、工控机和单片机控制板，所述的单片机控制板包括电机控制模块、传感器采集模块和电源管理模块。所述的激光雷达和传感器采集模块构成感知系统，所述的遥控器和电机控制模块构成操控系统。

所述的遥控器通过蓝牙接收器与工控机无线连接，工控机控制挖掘机进行自动挖掘和手动挖掘切换、完成挖掘机旋转、卸料动作。

所述的激光雷达与工控机通过网线连接，激光雷达扫描后的物料坐标传输给工控机进行处理。

所述的惯性测量单元与工控机通过USB串口连接，惯性测量单元记录并保存挖掘机在挖掘过程中前端工作机构的振动数据。

所述的工控机负责整个系统的通讯，包括上位机和工控机之间、工控机和激光雷达之间以及工控机和单片机控制板之间的通讯，工控机还负责激光雷达数据的接收和处理以及数据的保存。工控机通过接收上位机的控制指令，解析指令后控制单片机控制板执行动作，感知系统将实时测量每次挖掘过程中得到的数据发送到工控机上保存并在上位机上作图显示。

所述的上位机与工控机通过路由器无线网络连接，上位机与工控机通过ROS的不同节点进行通信并由上位机远程控制工控机下发执行指令，在上位机上实现挖掘机多节点间数据流的实时通讯机制保证数据间的实时传输与交换，所述的节点包括主节点、传感器节点、手柄节点、惯性测量单元节点和激光雷达节点。所述的数据流包括传感器数据、电机编码器数据以及挖掘状态显示数据。

所述的挖掘机多节点间数据流的实时通讯机制，包括主节点提供整个系统的数据关系，发布话题并订阅其他节点发布的话题，方便各节点信息彼此调用与交换；传感器节点通过将传感器采集模块所有的传感器融合在一个节点上、然后启动节点发布传感器数据话题便于其他节点订阅；手柄节点通过发布手柄不同按钮的话题消息并由主节点订阅进行不同的挖掘动作；惯性测量单元节点通过发布惯性测量话题并由主节点订阅完成保存惯性测量单元数据的工作。主节点发布点云数据的话题并保存，然后由激光雷达节点订阅主节点发布的点云数据的话题，激光雷达节点控制激光雷达进行点云数据保存并且发布点云数据的话题，再由主节点订阅该话题完成信息交换、将获得的数据传入工控机进行计算。

所述的单片机控制板包括电机控制模块、传感器采集模块和电源管理模块，单片机控制板通过接收工控机下发的指令控制电机执行动作并将传感器采集模块采集的数据通过ROS与单片机控制板的接口实时传输到上位机屏幕上显示并在工控机上进行保存，实现在整个系统上融合多个传感器进行工作并实时监测挖掘状态，完成感知系统和操控系统在ROS上的融合。

所述的电机控制模块包括底盘左电机、平台电机、提升电机、推压电机和底盘右电机，底盘左电机和底盘右电机驱动挖掘机底盘进行行走，提升电机和推压电机共同驱动挖掘机提拉绳和推压杆完成挖掘动作，旋转电机驱动挖掘机平台进行旋转，各电机与电机控制模块通过串口进行通信，电机控制模块通过接收单片机控制板的指令执行动作实现挖掘工作。

所述的传感器采集模块包括扭矩传感器、压力传感器、拉力传感器、铲斗编码器、倾角传感器、电磁铁和LED指示灯，各传感器与传感器采集模块通过串口进行通信；所述的传感器采集模块采集的数据由工控机通过单片机控制板调用并在上位机上实时作图显示，传感器采集模块通过扭矩传感器实时记录挖掘过程推压杆的推压力，通过拉力传感器实时记录提拉绳的拉力，通过铲斗编码器实时记录提拉绳实时的长度，压力传感器实时记录料堆质量的变化，通过倾角传感器保证挖掘机在倾斜过程中自动断电保护，通过电磁铁完成挖掘过程中的卸料动作，通过LED指示灯指示挖掘机的实时状态。

所述的挖掘机的实时状态包括：黄灯闪烁表示电压过低；红灯闪烁表示有严重故障发生，包括电机故障或机器发生倾倒；蓝灯常亮表示挖掘机正处于手动模式下；绿灯常亮表示挖掘机正处于自动模式下。

所述的电源管理模块包括电源检测装置，为挖掘机提供电能并负责检测电源电量强弱。

所述的工控机和上位机均安装ubuntu16.04系统和ROS的Kinetic版本。

本发明与现有矿用挖掘机技术相比，具有如下优点：

1、智能化程度高：完成了感知系统和操控系统在ROS上的融合，而且融合多传感器易实现挖掘机的智能化控制。

2、信息传输实时高效：建立了多节点数据流的实时通讯机制，实现了挖掘机各节点信息的实时传输与交换。

3、兼容性强：基于ROS的挖掘机系统，在底层算法方面可采用多种语言编程，代码复用性好，挖掘机智能化实现起来更加容易。ROS跨机器的通信体系实现了整个挖掘机系统的多机器多节点启动的形式，能实时启动不同的节点并进行监测，也能直接通过主节点来启动所有节点完成挖掘动作。

4、拓展性好：ROS是一个集成的开发工具，将ROS系统架构在挖掘机上，可以满足日后挖掘机在路径规划、导航避障和无人化等方面的发展需求。

5、总之，本发明突破了传统矿用挖掘机依赖人工操作而无法实时监测挖掘状态的局限性，用户可通过智能矿用挖掘机操作系统实时监测挖掘过程中挖掘机工作机构的运动状态，而且还融合多传感器实现了感知系统和操作系统之间的配合工作，可以有效解决背景技术中的问题。

附图说明

图1是本发明的总体框架图。

图2是本发明的多节点间数据流通讯结构图。

图3是本发明的操作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步阐述本发明的具体实施方式。

基于ROS的智能矿用挖掘机系统如图1-2所示，激光雷达与工控机通过网线进行连接传输，遥控器通过蓝牙接收器与工控机连接进而控制挖掘机进行动作。工控机与单片机控制板通过USB串口通信，单片机控制板一方面将上位机的指令下达给电机控制模块驱动电机运动，另一方面将传感器采集模块采集的数据返回给工控机上进行订阅。

遥控器包括遥控手柄和蓝牙接收器，主要通过无线网络与工控机通讯，实现挖掘机的遥控手动挖掘、自动挖掘以及机器行走等动作。

激光雷达采用北醒CE30-C固态激光雷达，激光雷达与工控机通过网线进行通信，将激光雷达扫描后的物料坐标传输给工控机进行处理。

上位机通过无线网络与工控机远程连接，由测试者操作上位机控制整个系统测试、数据处理、系统终止、错误处理等，工控机接收激光雷达扫描的结果并处理然后将结果发送给挖掘机单片机控制板通过电机控制模块驱动电机挖掘动作。

工控机负责整个系统的通讯，包括上位机和工控机之间、工控机和激光雷达之间以及工控机和单片机控制板之间的通讯，工控机还负责激光雷达数据的接收和处理以及数据的保存。通过接收上位机控制指令，解析指令后控制挖掘机单片机控制板执行动作，整个系统实时测量每次挖掘过程中得到的数据发送到工控机上保存并在上位机上作图显示。

单片机控制板采用STM32F103主控板，主要包括电机控制模块、传感器采集模块和电源管理模块，主要负责电机驱动、传感器数据采集、LED指示灯驱动、系统电源管理以及与工控机的通讯。通过接收工控机下达的指令以控制电机执行挖掘动作并将传感器模块采集数据实时传输到工控机保存并由上位机实时显示。

电机控制模块通过控制底盘左电机和底盘右电机驱动挖掘机前进后退和转向，通过驱动提升电机和推压电机共同完成挖掘动作，通过驱动平台电机驱动挖掘机平台旋转。

传感器采集模块包括扭矩传感器、压力传感器、拉力传感器、铲斗编码器、倾角传感器、电磁铁和LED指示灯，各元件与传感器采集模块通过串口进行通信，传感器采集的模块采集的数据由工控机通过单片机控制板调用并在上位机上实时作图显示，实现了在挖掘机系统上融合多个传感器进行工作并可实时监测挖掘状态，完成了感知系统和操控系统在ROS上的融合。

LED指示灯黄灯闪烁，表示电压过低；红灯闪烁，表示有严重的故障发生，包括电机故障、机器发生倾倒等；蓝色灯常亮，表示机器正在处于手动模式下；绿色灯常亮，表示机器正在处于自动模式下。

电源管理模块主要通过48V锂电池为挖掘机提供电能以及检测电量的强弱程度以保证整个挖掘过程的顺利完成。

所述的挖掘机多节点间数据流的实时通讯机制，包括主节点提供整个系统的数据关系，发布话题并订阅其他节点发布的话题，方便各节点信息彼此调用与交换，主节点在输入启动命令时便自动启动；传感器节点通过将挖掘机所有传感器融合在一个节点上然后启动节点发布传感器数据话题便于其他节点订阅；手柄节点通过发布手柄不同按钮的话题消息并由主节点订阅进行不同的挖掘动作；惯性测量单元节点通过发布惯性测量话题并由主节点订阅来完成保存惯性测量单元数据的工作。主节点发布保存点云数据的话题，然后由激光雷达节点订阅主节点发布的话题并做出动作控制激光雷达保存扫描的数据并发布点云数据保存完成的话题，再由主节点订阅该话题完成信息交换将获得的数据传入工控机进行计算。

系统上电开机后，由路由器发出网络，工控机和上位机通过无线网络连接然后通过ROS节点进行通信，此时可通过在上位机上启动工控机的主节点启动程序，然后便可对挖掘机进行操作，包括利用遥控手柄进行手动和自动操作以及在上位机上进行数据的调用、处理和作图等操作。用户可通过智能矿用挖掘机系统实时监测挖掘过程中挖掘机工作机构的运动状态，而且还融合多传感器实现了感知系统和操作系统之间的配合。

如图3所示，本发明的工作方法如下：

A、打开挖掘机电源，工控机开始上电，路由器也开始启动，大约一分钟后整个系统启动完毕；

B、在上位机上远程连接工控机之后在终端输入执行命令，此时可以操作遥控器进行遥控；

C、启动遥控器上的复位按钮，此时上位机即时显示挖掘机的状态信息而且各个电机开始初始化操作，每一次上电完成后都需要进行一次电机复位的动作，以便由单片机控制板记录此时电机处于的位置；

D、用户可以根据需要通过模式选择按钮进行模式选择，系统默认的是手动挖掘模式，此时LED指示灯亮蓝灯，可以通过遥控器进行挖掘等动作；点击模式选择按钮后挖掘模式切换为自动挖掘，此时LED指示灯亮绿灯，然后激光雷达开始扫描料堆并将料堆的数据发送到工控机上进行处理，由工控机下发指令到单片机控制板控制电机进行挖掘。若再次点击模式选择按钮，则切换回手动挖掘模式；

E、工控机会在挖掘开始时自动保存挖掘过程中的数据，包括传感器和编码器的数据等；

F、在上位机上调用工控机中保存的数据并绘制挖掘数据曲线图。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于ROS的智能矿用挖掘机系统，其特征在于：包括遥控器、激光雷达、惯性测量单元、上位机、工控机和单片机控制板，所述的单片机控制板包括电机控制模块、传感器采集模块和电源管理模块；所述的激光雷达和传感器采集模块构成感知系统，所述的遥控器和电机控制模块构成操控系统；

所述的遥控器通过蓝牙接收器与工控机无线连接，工控机控制挖掘机进行自动挖掘和手动挖掘切换、完成挖掘机旋转、卸料动作；

所述的激光雷达与工控机通过网线连接，激光雷达扫描后的物料坐标传输给工控机进行处理；

所述的惯性测量单元与工控机通过USB串口连接，惯性测量单元记录并保存挖掘机在挖掘过程中前端工作机构的振动数据；

所述的工控机负责整个系统的通讯，包括上位机和工控机之间、工控机和激光雷达之间以及工控机和单片机控制板之间的通讯，工控机还负责激光雷达数据的接收和处理以及数据的保存；工控机通过接收上位机的控制指令，解析指令后控制单片机控制板执行动作，感知系统将实时测量每次挖掘过程中得到的数据发送到工控机上保存并在上位机上作图显示；

所述的上位机与工控机通过路由器无线网络连接，上位机与工控机通过ROS的不同节点进行通信并由上位机远程控制工控机下发执行指令，在上位机上实现挖掘机多节点间数据流的实时通讯机制保证数据间的实时传输与交换，所述的节点包括主节点、传感器节点、手柄节点、惯性测量单元节点和激光雷达节点；所述的数据流包括传感器数据、电机编码器数据以及挖掘状态显示数据；

所述的挖掘机多节点间数据流的实时通讯机制，包括主节点提供整个系统的数据关系，发布话题并订阅其他节点发布的话题，方便各节点信息彼此调用与交换；传感器节点通过将传感器采集模块所有的传感器融合在一个节点上、然后启动节点发布传感器数据话题便于其他节点订阅；手柄节点通过发布手柄不同按钮的话题消息并由主节点订阅进行不同的挖掘动作；惯性测量单元节点通过发布惯性测量话题并由主节点订阅完成保存惯性测量单元数据的工作；主节点发布点云数据的话题并保存，然后由激光雷达节点订阅主节点发布的点云数据的话题，激光雷达节点控制激光雷达进行点云数据保存并且发布点云数据的话题，再由主节点订阅该话题完成信息交换、将获得的数据传入工控机进行计算；

所述的单片机控制板包括电机控制模块、传感器采集模块和电源管理模块，单片机控制板通过接收工控机下发的指令控制电机执行动作并将传感器采集模块采集的数据通过ROS与单片机控制板的接口实时传输到上位机屏幕上显示并在工控机上进行保存，实现在整个系统上融合多个传感器进行工作并实时监测挖掘状态，完成感知系统和操控系统在ROS上的融合；

所述的电机控制模块包括底盘左电机、平台电机、提升电机、推压电机和底盘右电机，底盘左电机和底盘右电机驱动挖掘机底盘进行行走，提升电机和推压电机共同驱动挖掘机提拉绳和推压杆完成挖掘动作，旋转电机驱动挖掘机平台进行旋转，各电机与电机控制模块通过串口进行通信，电机控制模块通过接收单片机控制板的指令执行动作实现挖掘工作；

所述的传感器采集模块包括扭矩传感器、压力传感器、拉力传感器、铲斗编码器、倾角传感器、电磁铁和LED指示灯，各传感器与传感器采集模块通过串口进行通信；所述的传感器采集模块采集的数据由工控机通过单片机控制板调用并在上位机上实时作图显示，传感器采集模块通过扭矩传感器实时记录挖掘过程推压杆的推压力，通过拉力传感器实时记录提拉绳的拉力，通过铲斗编码器实时记录提拉绳实时的长度，压力传感器实时记录料堆质量的变化，通过倾角传感器保证挖掘机在倾斜过程中自动断电保护，通过电磁铁完成挖掘过程中的卸料动作，通过LED指示灯指示挖掘机的实时状态；

所述的挖掘机的实时状态包括：黄灯闪烁表示电压过低；红灯闪烁表示有严重故障发生，包括电机故障或机器发生倾倒；蓝灯常亮表示挖掘机正处于手动模式下；绿灯常亮表示挖掘机正处于自动模式下；

所述的电源管理模块包括电源检测装置，为挖掘机提供电能并负责检测电源电量强弱；

所述的工控机和上位机均安装ubuntu16.04系统和ROS的Kinetic版本。