CN111622297B - 一种挖掘机的在线作业纠偏系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对挖掘机自主挖掘阶段，提出一种提高自动挖掘准确度的在线作业纠偏方法。包括应用特殊安装方法的环境检测设备激光扫描仪，将其安装在挖掘机动臂两侧，利用视觉的广角对挖掘部分的盲区进行监控与计算，所述发明还包括自动化纠偏操作系统，针对智能化自主操作挖掘机，可用于挖掘作业过程中的在线目标物料定位，以及挖掘过程中自主纠偏。

Description

一种挖掘机的在线作业纠偏系统和方法

技术领域

本发明涉及挖掘机，尤其涉及一种挖掘机的在线作业纠偏系统和方法。

背景技术

挖掘机在自动化土方挖掘过程中，需要对表面区域进行建模扫描，自动驾驶技术中扫描仪常规环境建模的方法为通过在车顶安装激光扫描仪，通过扫描仪自身的旋转运动在一定角度范围内对周围环境进行建模，在对挖掘工况建模上由于工作装置液压臂机构的阻挡，无法有效对挖掘面进行覆盖，不利于自动化过程中对工作面的识别。

四川绵阳自动化研究所在“一种基于激光雷达的挖掘作业面检测装置”中提出通过电机将二维激光雷达转化为三维激光雷达的方法，以此扩大扫描范围。但是，采用单个传感设备在对目标测距定位中存在随机不确定误差，同样不利于提高自动化过程中对工作面的识别精度。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对挖掘机自主挖掘阶段，提出一种提高自动挖掘准确度的在线作业纠偏方法。本发明包括一种激光扫描仪的布置方式与基于该布置方式下的挖掘纠偏方法与系统。以解决挖掘过程中存在的目标遮挡（挖掘铲斗、挖掘斗杆杆臂遮挡挖掘面），传统激光扫描仪方法移动机身工作效率低等问题，以及在自动挖掘研究中作业面成型质量的控制问题，进而提高挖掘机无人化挖掘阶段的准确度与效率。

本发明在第一方面提供了一种无人化挖掘机的在线作业纠偏系统，包括激光扫描装置，激光扫描装置包括至少两台，且分别设置在挖掘机动臂的两侧，激光扫描装置的扫描角度为至少30°；激光扫描装置被设定为以周期T进行循环扫描并将扫描数据发送至控制装置；控制装置，控制装置被设置为接收激光扫描装置发送的扫描数据，还包括：工作面检测模块，工作面检测模块读取扫描数据并建立三维点云地图，进而得到包括当前开挖面的表面形貌图，且根据激光扫描仪自身的物理安装位置相对于挖掘机机体的远点位姿，计算得到开挖面相对于挖掘机机体的位姿；规划模块，规划模块根据设定的作业目标和扫描得到的开挖面的表面形貌图按照分层移除的方式对挖掘过程进行规划，规划每一步的挖掘目标；在线纠偏模块，在线纠偏模块在挖掘机每执行一步挖掘动作后，即将工作面检测模块反馈的开挖面的表面形貌相对于挖掘目标进行对比，获得偏差量，进而根据偏差量对下一步的挖掘动作的控制量进行实时纠偏调整，直至开挖面达到作业目标要求。

无人化挖掘机的在线作业纠偏系统，还包括安装在液压系统中的压力传感器以及流量传感器，目的是对挖掘分层作业过程中的各动作机构压力流量进行检测，辅组计算控制量。

无人化挖掘机的在线作业纠偏系统，还包括安装在工作装置（动臂、斗杆、铲斗）上的角度传感器以及安装在机身上的位姿传感器，在挖掘过程中实时对铲斗位姿进行计算。

无人化挖掘机的在线作业纠偏系统，还包括机载处理器和控制器，用于对采集到的挖掘面参数进行实时计算，得到挖掘偏差，并对采集到的挖掘机动臂、斗杆、铲斗、回转、行走的油缸位移、速度、压力进行计算，得到时变控制参数，计算系统输出控制量。

进一步地，激光扫描装置为多线激光扫描仪。

进一步地，工作面检测模块将扫描数据通过融合算法进行融合得到表面形貌图。

进一步地，分层移除为依次按照高度、长度或宽度分层作业。

进一步地，控制量包括控制量包括液压系统电磁阀的开度，控制参数包括挖掘机动臂、斗杆、铲斗、回转、行走的油缸位移、速度、压力。

本发明在另一方面提供了一种挖掘机的在线作业纠偏方法，包括如下步骤：由至少两台且分别设置在挖掘机动臂的两侧激光扫描装置，以周期T进行循环扫描并将扫描数据发送至控制装置，且激光扫描装置的扫描广角至少为30°；控制装置接收激光扫描装置发送的扫描数据，还包括：工作面检测模块，规划模块，在线纠偏模块；工作面检测模块读取扫描数据并建立三维点云地图，进而得到包括当前开挖面的表面形貌图，且根据激光扫描仪自身的物理安装位置相对于挖掘机机体定义坐标系的位姿，计算得到开挖面相对于挖掘机机体的位姿；规划模块根据设定的作业目标和扫描得到的开挖面的表面形貌图按照分层移除的方式对挖掘过程进行规划，规划每一步的挖掘目标；在线纠偏模块在挖掘机每执行一步挖掘动作后，即将工作面检测模块反馈的开挖面的表面形貌相对于挖掘目标进行对比，获得偏差量，进而根据偏差量对下一步的挖掘动作的控制量进行实时调整，以此达到纠正偏差的目的，如此循环，在目标成型面挖掘层上，开挖面精度可达到作业目标要求。

进一步地，激光扫描装置为多线激光扫描仪。

进一步地，工作面检测模块将扫描数据通过融合算法进行融合得到表面形貌图。

进一步地，分层移除为依次按照高度、长度或宽度分层作业。

进一步地，控制量包括控制量包括液压系统电磁阀的开度，控制参数包括挖掘机动臂、斗杆、铲斗、回转、行走的油缸位移、速度、压力。

本发明针对挖掘机自主挖掘阶段，提出一种提高自动挖掘准确度的在线作业纠偏方法。包括应用特殊安装方法的环境检测设备激光扫描仪，将其安装在挖掘机动臂两侧，利用视觉的广角对挖掘部分的盲区进行监控与计算，所述发明还包括自动化纠偏操作系统，针对智能化自主操作挖掘机，可用于挖掘作业过程中的在线目标物料定位，以及挖掘过程中自主纠偏。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例中的激光扫描仪的安装布置示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例中的自动化挖掘纠偏操作系统的结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例中的计算模组的程序结构示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

如图1所示，在根据本发明的一个具体实施例中，利用激光扫描仪2对挖掘机1周围环境进行实时扫描建模，通过计算机处理在挖掘过程中实时提供挖掘物料表面形貌信息，该信息将结合参数传感模组返回信息，形成时变参数，为下一次的挖掘循环提供控制量如何变化的参考，直至物料表面达到计算机设计表面参数的要求后停止挖掘。

在研究自动挖掘必须的环境建模过程中，一般采用的激光雷达或基于视觉的检测方法将设备安装于驾驶室顶部或者车身前部，如此设计由于机身结构的原因观测范围被大大限制，照成挖掘区域检测不全或者需要依靠回转运动辅组建图等问题，同时建图精度不高。根据本发明的一个具体实施例中，将激光扫描仪安装在动臂两侧，以此形成最直观观测面，对挖掘区域进行检测，同时方便对高程修坡作业的观测。具体的方法为：选取多线激光扫描仪2台，分别安装在动臂两侧，激光扫描仪可以在其俯仰方向30度内进行扫描，并周期性提供扫描结果。通过同一时刻对挖掘面的观测，可以对直接挖掘面形状进行配准，同时检测周围工作面表面情况。

挖掘过程中工作面的检测方法为构建挖掘面的表面形貌信息地图，确定挖掘机位姿。当设备到达预定开挖地点时，如图2所示，双侧激光扫描仪以周期T对挖掘机开挖面进行循环扫描，通过总线将周期性数据发送给机载处理器建图，所述信息主要包括开挖面表面的距离、检测角、时间。经滤波算法后发送给目标机后根据自身物理安装位置相对于机体坐标系位姿，经D-H方法变换到挖掘机坐标系下可以换算出开挖面相对于机体空间下位姿。以此得到开挖面与周围一定工作范围内的表面形貌信息地图，该地图为初级地图较为粗糙。针对实际工作区域，进一步可以将双侧激光扫描仪信息通过融合算法进行融合，得到更为精细的地图信息，为进一步控制挖掘精度做准备。

根据本发明的一个实施例进一步提出了一种自动挖掘的在线纠偏方法，纠偏系统结构如图2所示。其中，计算模块的流程结构如图3所示，计算模组在接收到挖掘表面形貌指令后，首先规划模块根据设定的作业目标和扫描得到的开挖面的表面形貌图按照分层移除的方式对挖掘过程进行规划，规划每一层的挖掘面曲线方程，通过将方程转化到构型空间曲线，并通过机构映射为流量空间，以此获得每次的控制信号曲线；之后，由工作面检测模块读取激光雷达扫描数据并建立三维点云地图，进而得到包括当前开挖面的表面形貌图，且根据激光扫描仪自身的物理安装位置相对于挖掘机机体定义坐标系的位姿，计算得到开挖面相对于挖掘机机体的位姿；在线纠偏模块在挖掘机每执行一步挖掘动作后，即将工作面检测模块反馈的开挖面的表面形貌曲线相对于挖掘目标曲线进行对比，获得偏差量，进而根据偏差量对下一步的挖掘动作的控制量进行实时调整。对于土方作业自动化，在挖掘前需要检测施工前土方几何分布情况，同时与人工设定的完成要求值进行对比，从而对移除土方量进行估计。由于铲斗容量限制，移除设计成分层移除形式，即将移除或者堆积量分层，作业过程中依次按照高度信息自顶向下分层作业。因此在每层的作业循环过程中，设计实时对挖掘过后土方表面形貌特征的检测模组（图2中），根据图2中计算模组将传感融合实测得到的土方表面形貌信息，与该次循环工作装置齿间的规划信息对比，判断实际控制过程中的挖掘误差，将该次误差作用于下一次挖掘的控制量上，通过图2中计算模组的机载控制器输出，经图2中驱动模组通过液压传动，最终作用于执行机构动臂、斗杆、铲斗上。从而对下一次的土方作业表面形貌进行估计。实现挖掘过程中的时变参数条件下的自主纠偏。

需要说明的是，第一，作业类型包括如沟渠、基坑类型的移除土方类型作业，以及如修坡类型的斜面类型作业。第二，控制量包括液压系统电磁阀的开度信息，时变参数包括挖掘机动臂、斗杆、铲斗、回转、行走的油缸位移、速度、压力、流量信息。第三、特殊安装的双雷达检测一方面保证了作业过程中实时检测的连续性和可靠性，避免了停工检测对时间的浪费，另一方面也通过相互配准提高了具体开挖区域的检测质量。第四、自主挖掘的在线纠偏过程是从第一层挖掘规划开始的，每次将作用结果即挖掘后表面与规划表面进行对比。第五、分成分层移除可以是高度方向分层、也可以是从长度、宽度方向分层。

第六、每挖一次，获得当前形貌，获得实际挖掘信息；将分层挖局目标与实际挖掘信息对比，获得设计值与实际值的偏差，根据偏差调整下一次挖掘的控制量。

第七、理论上偏差是可以收敛，即实现由多次分解挖掘构成的一次整体挖掘，就可以达到预定精度要求。

另外，分层挖掘过程中，层数为N的挖掘层会被N+1层挖掘层覆盖，即使在第N层挖掘不到位，对N+1层的挖掘也会将土方移除。也就是说，每一次挖掘相当于是对上一次挖掘的精修、精挖。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种挖掘机的在线作业纠偏系统，其特征在于，包括

传感模组，包括激光扫描装置，所述激光扫描装置有至少两台，分别设置在挖掘机动臂的两侧，且所述激光扫描装置的扫描角度为至少30°，所述激光扫描装置被设定为以周期T进行循环扫描并将扫描数据发送至控制装置；传感模组还包括对挖掘机信号的检测装置，由流量压力传感器、角度传感器、位姿传感器组成；

计算模组，所述计算模组被设置为接收所述激光扫描装置发送的扫描数据，由机载处理器和机载控制器组成，机载处理器功能包括：

工作面检测模块，所述工作面检测模块读取所述扫描数据并建立三维点云地图，进而得到包括当前开挖面的表面形貌图，且根据所述激光扫描装置自身的物理安装位置相对于挖掘机机体的远点位姿，计算得到开挖面相对于挖掘机机体的位姿；

规划模块，所述规划模块根据设定的作业目标和扫描得到的开挖面的所述表面形貌图按照分层移除的方式对挖掘过程进行规划，规划每一步的挖掘目标；

在线纠偏模块，所述在线纠偏模块在挖掘机每执行一步挖掘动作后，即将工作面检测模块反馈的开挖面的表面形貌相对于挖掘目标进行对比，获得偏差量，进而根据所述偏差量对下一步的挖掘动作的控制量进行实时调整，达到纠正挖掘偏差的目的，直至开挖面达到所述作业目标要求；

驱动模组，由电液先导阀和多路比例阀组成。

2.如权利要求1所述的挖掘机的在线作业纠偏系统，其中，所述激光扫描装置为多线激光扫描仪。

3.如权利要求1所述的挖掘机的在线作业纠偏系统，其中，所述工作面检测模块将所述扫描数据通过融合算法进行融合得到所述表面形貌图。

4.如权利要求1所述的挖掘机的在线作业纠偏系统，其中，所述分层移除为依次按照高度、长度或宽度分层作业。

5.如权利要求1所述的挖掘机的在线作业纠偏系统，其中，所述控制量包括液压系统电磁阀的开度，控制参数包括挖掘机动臂、斗杆、铲斗、回转、行走的油缸位移、速度、压力、流量。

6.一种挖掘机的在线作业纠偏方法，其特征在于，包括如下步骤：

由至少两台且分别设置在挖掘机动臂的两侧激光扫描装置，以周期T进行循环扫描并将扫描数据发送至控制装置，且所述激光扫描装置的扫描角度为至少30°；

控制装置接收所述激光扫描装置发送的扫描数据，还包括：工作面检测模块，规划模块，在线纠偏模块；

所述工作面检测模块读取所述扫描数据并建立三维点云地图，进而得到包括当前开挖面的表面形貌图，且根据所述激光扫描装置自身的物理安装位置相对于挖掘机机体的远点位姿，计算得到开挖面相对于挖掘机机体的位姿；

所述规划模块根据设定的作业目标和扫描得到的开挖面的所述表面形貌图按照分层移除的方式对挖掘过程进行规划，规划每一步的挖掘目标；

所述在线纠偏模块在挖掘机每执行一步挖掘动作后，即将工作面检测模块反馈的开挖面的表面形貌相对于挖掘目标进行对比，获得偏差量，进而根据所述偏差量对下一步的挖掘动作的控制量进行实时调整，达到纠正挖掘偏差的目的，如此循环，直至开挖面达到所述作业目标要求。

7.如权利要求6所述的挖掘机的在线作业纠偏方法，其中，所述工作面检测模块将所述扫描数据通过融合算法进行融合得到所述表面形貌图。

8.如权利要求6所述的挖掘机的在线作业纠偏方法，其中，所述分层移除为依次按照高度、长度或宽度分层作业。

9.如权利要求6所述的挖掘机的在线作业纠偏方法，其中，所述控制量包括控制量包括液压系统电磁阀的开度，控制参数包括挖掘机动臂、斗杆、铲斗、回转、行走的油缸位移、速度、压力、流量。

10.如权利要求6所述的挖掘机的在线作业纠偏方法，其中，所述的在线纠偏模块将一次移除挖掘任务分解为多层次，在每层次上进行在线纠偏调整，以这种方式替代传统对表面形貌有要求的土方移除操作中的粗挖掘和精挖掘作业方式。

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