CN110453749A - 一种液压挖掘机智能挖掘系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及挖掘机控制技术领域，特别是涉及一种液压挖掘机智能挖掘系统及控制方法，包括中央控制器、视觉模块、工作模块、动力模块、电比例控制多路阀、与所述电比例控制多路阀连接的挖掘机主阀；视觉模块包括图像处理器以及摄像头；工作模块包括回转装置、动臂、斗杆和工作头，中央控制器通过角位移传感器获得所述回转装置的转动角度，并通过各个倾角传感器分别获得所述动臂、斗杆和工作头的倾角；动力模块包括发动机、液压变量泵和挖掘机主阀。本发明的控制方法包括自动控制模式、手动控制模式以及故障保护模式。本发明利用传感器实时检测工作装置的位置，可有效防倾翻，同时利用视觉模块可实现精准的图像识别和智能行走，自动化程度更高。

Description

一种液压挖掘机智能挖掘系统及控制方法

技术领域

本发明涉及挖掘机控制技术领域，特别是涉及一种液压挖掘机智能挖掘系统及控制方法。

背景技术

挖掘机被广泛应用于在矿山开采、楼房建筑、路桥修建的施工工地。现有技术中，挖掘机普遍采用液压系统驱动，人工操控的方式进行施工。但是由于施工工地环境较为恶劣，使得工作人员的工作舒适性较差，并且随着用工成本提高，受工人体力和外界天气等的影响，挖掘机不能全天候工作，给企业和业主带来巨大的资源浪费。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种具有自动控制模式的液压挖掘机智能挖掘系统及控制方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种液压挖掘机智能挖掘系统，其特征在于，包括中央控制器、视觉模块、工作模块、动力模块、电比例控制多路阀、与所述电比例控制多路阀连接的挖掘机主阀，所述电比例控制多路阀与所述中央控制器连接；其中：

所述视觉模块用于为所述中央控制器提供图像信号，其包括与所述中央控制器连接的图像处理器以及设置于挖掘机本体上的摄像头，所述摄像头与所述图像处理器连接；

所述工作模块为执行机构，其包括回转装置、动臂、斗杆和工作头，所述中央控制器通过角位移传感器获得所述回转装置的转动角度，并通过各个倾角传感器分别获得所述动臂、斗杆和工作头的倾角；

所述动力模块包括发动机、液压变量泵和挖掘机主阀，所述挖掘机主阀为所述工作模块提供动力。

在一些实施例中，还包括与所述中央控制器连接的电控挡位器、与所述电控挡位器连接的挖掘机控制器，所述挖掘机控制器分别与所述发动机和所述液压变量泵连接，所述液压变量泵与所述挖掘机主阀连接。

在一些实施例中，所述摄像头至少为两个，所述视觉模块还包括补光光源以及相配合的激光测距传感器。

在一些实施例中，所述液压挖掘机智能挖掘系统还包括与所述中央控制器连接的报警器以及扬声器。

在一些实施例中，所述液压挖掘机智能挖掘系统还包括与所述中央控制器连接的网络通讯模块，所述网络通讯模块连接有远程监控显示屏和手机APP客户端。

在一些实施例中，所述工作模块还包括行走装置，所述行走装置与所述动力模块中的挖掘机主阀连接。

在一些实施例中，还包括手动控制系统，所述手动控制系统包括电控先导手柄，所述电控先导手柄与所述电比例控制多路阀连接。

本发明还公开了一种液压挖掘机智能挖掘系统的控制方法，包括以下工作模式：

自动控制模式：系统启动，所述摄像头用于拍摄现场图像并将图像信号传递给所述图像处理器进行处理，所述图像处理器将处理后的图像信号传递给所述中央控制器，所述中央控制器根据处理后的图像信号进行分析、运算，发出控制指令给电比例多路控制阀以及电控挡位器，所述电控挡位器根据所述中央控制器的控制指令，将挡位信息传递给挖掘机控制器确定挖掘机工作挡位，同时，所述电比例多路控制阀接收中央控制器的控制指令，并按照中央控制器的控制指令要求控制挖掘机主阀，随后所述挖掘机主阀控制所述工作模块的工作，同时，所述工作模块的各传感器将工作信号传递给中央控制器，所述中央控制器继续接收所述图像处理器的图像信息，所述中央控制器根据工作模块的工作信号以及图像信息计算出新的工作路径，直至图像信息显示工作完成即停止工作；

手动控制模式：所述中央控制器与所述视觉模块均不工作，工作人员通过操作所述电控先导手柄对工作模块进行控制并驱动所述工作模块的工作；

故障保护模式：当系统监测到故障时，所述中央控制器控制所述报警器与扬声器工作，发出系统异常警报信号，进入故障保护模式。

在一些实施例中，所述自动控制模式中摄像头拍摄前还设有挖掘机倾翻确认步骤，当系统检测到挖掘机有倾翻倾向时，启动防倾翻程序，当系统检测到挖掘机无倾翻时，进行所述自动控制模式的后续步骤。

在一些实施例中，所述自动控制模式中，系统启动后，摄像头拍摄前还设有智能行走步骤，摄像头扫视挖掘机周围环境，对挖掘机周围的石块和障碍物的识别，并进一步确定作业目标石块和工作面，以及对作业目标石块实现测距。当系统确定工作面和移动目标位置后，系统控制行走装置向目标位置移动，在移动行进过程中，视觉模块获取行走区域内的图像，当系统检测到行走路径范围内存在断崖、断壁、巨石时，自动控制行走装置避开断崖、断壁、巨石移动，到达目标位置后，挖掘机停止移动，进行所述自动控制模式的后续步骤。

在一些实施例中，所述自动控制模式中工作模块工作前还设有轨迹规划步骤，系统根据挖掘机定位及作业目标位置，进行路径规划并在参数空间中离散化，通过逆运动学求解、逆懂力学求解步骤，构造并求解最优时间轨迹优化和最光滑轨迹优化，获得最优轨迹规划后，工作模块根据最优轨迹规划完成挖掘机控制指令的动作，直至视觉模块获取的图像信息显示工作完成即停止工作。

相较于现有技术，本发明的液压挖掘机智能挖掘系统及其控制方法达到了以下有益效果：

1.根据摄像头摄取的现场工况信息，智能控制挖掘机，真正实现无人自动操作，智能水平高；

2.工作装置位置移动闭环控制，保证工作的准确性，保护工作装置不异常损坏；

3.图像识别采用边缘算法再加上智能分析，辅助以部分基于机器学习的智能识别，在省去大量人力物力资源的同时，达到较高的识别率，也可以为全面机器学习准备条件。

附图说明

图1为实施例一的一种液压挖掘机智能挖掘系统及控制方法的控制系统图；

图2为实施例一的一种液压挖掘机智能挖掘系统及控制方法的控制流程图；

图3为实施例一的一种液压挖掘机智能挖掘系统及控制方法中挖掘机的结构示意图；

图中，1、GPS定位模块1；2、网络通讯模块；3、报警器；4、摄像头；5、补光光源；6、角位移传感器；7、图像处理器；8、中央控制器；9、动臂倾角传感器；10、斗杆倾角传感器；11、智能行走控制器；12、水平倾角传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1至图3，本发明液压挖掘机智能挖掘系统，包括中央控制器8、视觉模块、工作模块、动力模块、电比例控制多路阀、与所述电比例控制多路阀连接的挖掘机主阀，所述电比例控制多路阀与所述中央控制器8连接。视觉模块用于为中央控制器8提供图像信号，其包括与中央控制器8连接的图像处理器7以及设置于挖掘机本体上的摄像头4，摄像头4与图像处理器7连接。工作模块为执行机构，用于完成挖掘机控制指令的动作，其包括回转装置、动臂、斗杆和工作头，中央控制器8通过角位移传感器6获得所述回转装置的转动角度，并通过动臂倾角传感器9获得动臂的倾角，通过斗杆倾角传感器10获得斗杆的倾角，通过工作头倾角传感器(图中未示)获得工作头的倾角。动力模块包括发动机、液压变量泵和挖掘机主阀，所述挖掘机主阀为所述工作模块提供动力。

角位移传感器6、动臂倾角传感器9、斗杆倾角传感器10以及工作头倾角传感器均与所述中央控制器8连接，用于将回转装置、动臂、斗杆以及工作头的工作信号传递给中央控制器8，方便中央控制器8对工作模块的下一步的工作路径的计算。这里的回转装置、动臂、斗杆以及工作头均可以采用现有的结构。例如，工作头可采用诸如如图所示的破碎锤。所述工作模块还包括行走装置，所述行走装置与所述动力模块中的挖掘机主阀连接。

本实施例的液压挖掘机智能挖掘系统还包括与中央控制器连接的电控挡位器、与电控档位器连接的挖掘机控制器，挖掘机控制器与发动机和液压变量泵连接。

同时，在本实施例中，挖掘机的本体上还设置有GPS定位模块1，将GPS定位模块1与中央控制器8连接，使得中央控制器8在控制挖掘机行走时能精确定位。安装在挖掘机本体上的GPS定位模块能够获取挖掘机本体的实时三维坐标(x，y，z)以及挖掘机本体上车部的方向角。

所述液压挖掘机智能挖掘系统还包括与所述中央控制器8连接的报警器3以及扬声器。报警器3与扬声器的作用在于有效防止因为持续的工作异常而导致零件的损害，避免产生安全事故。

本实施例的摄像头4作用在于拍摄现场图片，并将图片传递至图像处理器7处理。在本实施例中，摄像头4的数量为两个，设置在挖掘机的车头位置，即驾驶室顶部的前方，方便对现场的拍摄。本实施例中的摄像头4优选为CCD相机，其采用旋转式连接方式固定在挖掘机上，以便于本发明的挖掘机智能行走系统启动时，摄像头4可以对挖掘机所处的工作区域四周进行环绕扫视。摄像头4的旋转连接结构为常规安装方式，在此不再赘述。

液压挖掘机智能挖掘系统还包括与所述中央控制器8连接的补光光源5。补光光源5的作用在于针对部分光照度较低的区域，中央控制器8根据图像的信息，能控制补光光源5的工作，从而提高工作区域的光照强度，便于挖掘机作业，也便于视觉模块获取清晰的图像。

另外所述液压挖掘机智能挖掘系统还包括与所护中央控制器8连接的网络通讯模块2，网络通讯模块2连接与监控显示屏和手机客户端通信。这种设置方式，一是可以直接通过网络通讯模块2给中央控制器8提供工作信号，另一方面，也可以将现场的工作信息及时传递给手机APP客户端与远程监控显示屏，使得即使人不在现场也能实施监控挖掘机的挖掘工作。具体地，手机APP客户端用于获取摄像头4拍摄的图像以及操控挖掘机。

所述液压挖掘机智能挖掘系统还包括手动控制系统，所述手动控制系统包括电控先导手柄，所述电控先导手柄与所述电比例控制多路阀连接。在自动工作模块出现故障时，依然可以通过电控先导手柄进行人工控制。

本实施例中，为了增加安全性，挖掘机本体上还设有多个毫米微波雷达，譬如4个，挖掘机的中央控制器8实时获取毫米微波雷达测量挖掘机到周围障碍物的距离信息，当挖掘机到障碍物的距离小于设定的安全距离时，在监控显示屏上显示警报信息，并通过报警器3和扬声器进行警报提醒。同时挖掘机的中央控制器8还可以发出控制信号，使工作模块动作，调整挖掘机的位置。

本发明还公开了一种液压挖掘机智能挖掘系统的控制方法，包括以下工作模式：

自动控制模式：系统启动，所述摄像头4用于拍摄现场图像并将图像信号传递给所述图像处理器7进行处理，所述图像处理器7将处理后的图像信号传递给所述中央控制器8，所述中央控制器8根据处理后的图像信号进行分析、运算，发出控制指令给电比例多路控制阀以及电控挡位器，所述电控挡位器根据所述中央控制器8的控制指令确定挖掘机工作挡位，同时，所述电比例多路控制阀收到中央控制器8的控制指令，并按照中央控制器的控制指令控制挖掘机主阀，随后所述挖掘机主阀控制所述工作模块的工作，同时，所述工作模块的各传感器将工作信号传递给中央控制器8，所述中央控制器8继续接收所述图像处理器7的图像信息，中央控制器8根据工作模块的工作信号以及图像信息计算出新的工作路径，直至图像信息显示工作完成即停止工作；

手动控制模式：所述中央控制器8与所述视觉模块均不工作，工作人员通过所述电控先导手柄对工作模块进行控制并驱动所述工作模块的工作；

故障保护模式：当系统监测到故障时，所述中央控制器8控制所述报警器3与扬声器工作，发出系统异常警报信号，进入故障保护模式。

作为较好的实施例：所述自动控制模式中摄像头4拍摄前还设有挖掘机倾翻确认步骤，当系统检测到挖掘机有倾翻倾向时，启动防倾翻程序，当系统检测到挖掘机无倾翻时，进行所述自动控制模式的后续步骤。还可以将挖掘机采用铲斗为工作头，并增加了智能行走系统，该智能行走系统包括集成在中央控制器8上的智能行走控制器和水平倾角传感器，水平倾角传感器设置在挖掘机的下车部，具体地设置在挖掘机执行机构中的行走装置的回转平台上，用于检测挖掘机的前后方向和左右方向的倾角信息。摄像头4设置在驾驶室顶部前方，用于拍摄挖掘机行走路径区域内的图像。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种液压挖掘机智能挖掘系统，其特征在于，包括中央控制器、视觉模块、工作模块、动力模块、电比例控制多路阀、与所述电比例控制多路阀连接的挖掘机主阀，所述电比例控制多路阀与所述中央控制器连接；其中：

所述视觉模块用于为所述中央控制器提供图像信号，其包括与所述中央控制器连接的图像处理器以及设置于挖掘机本体上的摄像头，所述摄像头与所述图像处理器连接；

所述工作模块为执行机构，其包括回转装置、动臂、斗杆和工作头，所述中央控制器通过角位移传感器获得所述回转装置的转动角度信息，并通过各个倾角传感器分别获得所述动臂、斗杆和工作头的倾角信息；

所述动力模块包括发动机、液压变量泵和挖掘机主阀，其为所述工作模块提供动力。

2.根据权利要求1所述的液压挖掘机智能挖掘系统，其特征在于，还包括与所述中央控制器连接的电控挡位器、与所述电控挡位器连接的挖掘机控制器，所述挖掘机控制器分别与所述发动机和所述液压变量泵连接，所述液压变量泵与所述挖掘机主阀连接。

3.根据权利要求1所述的液压挖掘机智能挖掘系统，其特征在于，所述摄像头至少为两个，所述视觉模块还包括补光光源。

4.根据权利要求1所述的液压挖掘机智能挖掘系统，其特征在于，所述液压挖掘机智能挖掘系统还包括与所述中央控制器连接的报警器以及扬声器。

5.根据权利要求1所述的液压挖掘机智能挖掘系统，其特征在于，所述液压挖掘机智能挖掘系统还包括与所述中央控制器连接的网络通讯模块，所述网络通讯模块连接有远程监控显示屏和手机APP客户端。

6.根据权利要求1所述的液压挖掘机智能挖掘系统，其特征在于，所述工作模块还包括行走装置，所述行走装置与所述动力模块中的挖掘机主阀连接。

7.根据权利要求1所述的液压挖掘机智能挖掘系统，其特征在于，所述液压挖掘机智能挖掘系统还包括手动控制系统，所述手动控制系统包括电控先导手柄，所述电控先导手柄与所述电比例控制多路阀连接。

8.一种采用如权利要求1-7任一所述的液压挖掘机智能挖掘系统进行工作的控制方法，其特征在于，包括以下工作模式：

自动控制模式：系统启动，所述摄像头用于拍摄现场图像并将图像信号传递给所述图像处理器进行处理，所述图像处理器将处理后的图像信号传递给所述中央控制器，所述中央控制器根据处理后的图像信号进行分析、运算，发出控制指令给电比例多路控制阀以及电控挡位器，所述电控挡位器根据所述中央控制器的控制指令，将挡位信息传递给挖掘机控制器确定挖掘机工作挡位，同时，所述电比例多路控制阀接收中央控制器的控制指令，并按照中央控制器的控制指令要求控制挖掘机主阀，随后所述挖掘机主阀控制所述工作模块的工作，同时，所述工作模块的各传感器将工作信号传递给中央控制器，所述中央控制器继续接收所述图像处理器的图像信息，所述中央控制器根据工作模块的工作信号以及图像信息计算出新的工作路径，直至图像信息显示工作完成即停止工作；

手动控制模式：所述中央控制器与所述视觉模块均不工作，工作人员通过操作所述电控先导手柄对工作模块进行控制并驱动所述工作模块的工作；

故障保护模式：当系统监测到故障时，所述中央控制器控制所述报警器与扬声器工作，发出系统异常警报信号，进入故障保护模式。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述自动控制模式中摄像头拍摄前还设有挖掘机倾翻确认步骤，当系统检测到挖掘机有倾翻倾向时，启动防倾翻程序，当系统检测到挖掘机无倾翻时，进行所述自动控制模式的后续步骤。