CN112196004B - 一种基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及装载机无人驾驶技术领域，具体是一种基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，包括以下步骤：标定装载机的滑转阈值，将滑转阈值应用于装载机的控制系统得到相关设定值；监测系统监测物料堆的状态、装载机的状态及相关位置参数；控制系统控制装载机运动进行物料的铲装，根据监测系统的监测数据判断铲斗的载荷，并调整铲斗的姿态，修正滑转阈值后继续铲装以触发运输指令；当铲斗的载荷使装载机触发运输指令后，控制系统控制装载机后退并转移物料。本发明的有益效果是：可实现在不同环境中对同种类物料的自主铲装作业，有效提高作业效率；并能根据装载机与环境的状态进行铲掘作业的动态控制，及时响应意外情况。

Description

一种基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法
技术领域
本发明涉及装载机无人驾驶技术领域，具体是一种基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法。
背景技术
轮式装载机是集物料铲、装、运、挖等功能为一体的工程机械，由于它的这些功能，现如今轮式装载机的使用越来越广泛，在各类工程施工中都扮演着十分重要的角色。装载机更多的被应用在铲装作业中，铲装作业多为循环作业，通过重复的“铲装-运输-卸载”循环将煤、沙、土等散状物料转移到其他指定位置。开展装载机无人驾驶技术研究在降低驾驶员劳动强度，减少作业事故和提高作业效率等方面具有重要意义。
现有研究成果中实现装载机的自动铲装主要有两种方式：一种为复现驾驶员铲装动作的方法，首先由驾驶员操作装载机进行物料铲装，控制系统录制驾驶员操作下的装载机动作，而后反复进行回放，以此达到自动铲装的目的；另一种方法为在装载机控制系统中存储多种铲装轨迹，在每次作业之前，驾驶员输入物料的种类等信息，装载机依据此信息选择相应的工作模式，进行自动铲装。
上述铲装方式都是以固定的动作来进行铲装作业，而当物料属性发生改变时，以这种方式进行作业将无法得到良好效果。对于以铲装轨迹作为对象的控制方法来说，由于作业环境的变化以及这种变化的随机性，如何实现控制的准确性与实时性也是一个很大的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，包括以下步骤：
标定装载机的滑转阈值，将滑转阈值应用于装载机的控制系统得到相关设定值；
监测系统监测物料堆的状态、装载机的状态及相关位置参数；
控制系统控制装载机运动进行物料的铲装，根据监测系统的监测数据判断铲斗的载荷，并调整铲斗的姿态，修正滑转阈值后继续铲装以触发运输指令；
当铲斗的载荷使装载机触发运输指令后，控制系统控制装载机后退并转移物料。
作为本发明进一步的方案：所述监测系统包括双目立体相机和激光雷达，所述双目立体相机和激光雷达分别安装在装载机的驾驶室顶部，用于监测和采集物料堆的状态、装载机的状态及相关位置参数。
作为本发明再进一步的方案：所述滑转阈值的标定包括以下步骤：控制系统控制装载机驶向物料堆；当车轮发生滑转时制动，记录发生滑转瞬间的相关信息；根据相关信息得到滑转阈值。
作为本发明再进一步的方案：所述调整铲斗的姿态包括：通过动臂油缸驱动动臂举升铲斗；通过转斗油缸调节铲斗的转动角度。
作为本发明再进一步的方案：通过所述监测系统监测物料铲装时的动臂油缸的压力，防止动臂油缸失速。
作为本发明再进一步的方案：若动臂油缸的压力接近压力阈值，控制系统控制转斗油缸进行转斗动作，以降低动臂油缸的压力。
作为本发明再进一步的方案：若动臂油缸的压力小于压力阈值，控制系统控制铲斗继续进行物料的铲装；同时判断举升次数、铲斗的载荷及滑转阈值是否达到相关设定值，并发出相关指令控制铲斗动作。
作为本发明再进一步的方案：当所述铲斗的举升次数达到设定值时，控制系统控制铲斗停止举升并收斗。
作为本发明再进一步的方案：所述监测系统包括压力传感器，多个压力传感器分别监测动臂油缸和转斗油缸的输出液压和输入液压。
作为本发明再进一步的方案：当所述装载机触发运输指令后，控制系统通过转斗油缸与动臂油缸降低铲斗的重心。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可实现在不同环境中对同种类物料的自主铲装作业，有效提高作业效率；并能根据装载机与环境的状态进行铲掘作业的动态控制，及时响应意外情况，通用性和实用性强。
附图说明
图1为本发明实施例中基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法的工作原理图。
图2为本发明实施例中滑转阈值标定的流程图。
图3为本发明实施例中基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法的工作流程图。
图4为本发明实施例中装载机分段铲装法的铲装轨迹示意图。
图5为本发明实施例中装载机的结构示意图。
附图中：1、双目立体相机甲；2、双目立体相机乙；3、激光雷达；4、位移传感器甲；5、位移传感器乙；6、中央控制器；7、转斗油缸；8、动臂油缸；9、动臂；10、铲斗；11、驾驶室。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实施例公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
请参阅图1-3，本发明实施例中，一种基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，包括以下步骤：标定装载机的滑转阈值，将滑转阈值应用于装载机的控制系统得到相关设定值；监测系统监测物料堆的状态、装载机的状态及相关位置参数；控制系统控制装载机运动进行物料的铲装，根据监测系统的监测数据判断铲斗的载荷，并调整铲斗的姿态，修正滑转阈值后继续铲装以触发运输指令；当铲斗的载荷使装载机触发运输指令后，控制系统控制装载机后退并转移物料。
具体的，如图4所示，分段铲装法的工作过程:首先将铲斗置于贴近地面的位置，随后装载机前进，装载机插入一定距离后，动臂提升一定的高度，装载机前进一定距离后动臂再次提升，如此反复适当的次数后，进行收斗，完成铲装。当插入阻力较大时，一次插入的深度不能达到要求，这种方法通过反复的铲入可以得到较高的满斗率。
如图5所示，所述装载机设有转斗油缸7驱动铲斗10旋转，设有的动臂油缸8通过动臂9举升铲斗，所述转斗油缸7、动臂油缸8受驾驶室11内的中央控制器6控制；所述转斗油缸7、动臂油缸8上分别设有位移传感器甲4、位移传感器乙5，所述位移传感器甲4、位移传感器乙5分别监测转斗油缸7、动臂油缸8的伸缩量，并将监测结果发送给中央控制器6。
如图3所示，所述基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法的具体步骤包括以下：当完成滑转阈值的标定后，中央控制器6接收到开始铲装命令时开始控制各部件工作，首先进行铲装的初始化，即将最新标定的滑转阈值应用于此次铲装，将举升次数计数器归零等操作。接下来，装载机驶向物料堆，同时根据监测系统的监测数据调整铲斗的姿态，如所铲为松散物料，则放平铲斗，降低插入阻力；如所铲为碎石，则稍微下翻铲斗，避免碎石作用在铲斗外侧的底部。在装载机前进的过程中，通过监测系统测量铲斗与物料堆的距离，并结合驱动铲斗的各油缸的压力波动与车轮转矩变化情况，来进行装载机是否插入物料堆的判断，若未插入，则更新数据继续进行判断，若插入则进行满斗率的判断。通过监测系统视觉测量铲斗内物料的装载量，估算到铲斗内此刻的物料体积与此状态下进行收斗将会铲装到的物料体积相加会使铲斗达到满斗的状态时，即判断为满斗，发出收斗的命令。当铲斗未达到满斗条件时，则继续执行剩余的铲装，进行车轮滑转阈值的判断，当车轮即将发生滑转时，发出提升铲斗的动臂的指令直至达到设定值时，停止举升；举升动臂的目的是松散物料，降低铲斗的插入阻力，并使物料的重量作用在装载机上，增加前轮受到的压力，提高滑转阈值的大小。多次举升至铲斗满斗后，发出收斗的命令，且铲斗满斗触发运输指令；控制系统控制装载机后退并转移物料。
所述的修正滑转阈值为：当车轮即将发生滑转时，发出举升动臂9的指令，控制动臂油缸8伸出，直至位移传感器乙5检测到动臂油缸8伸出的长度达到设定值时，停止动臂9的举升，举升动臂的目的是松散物料，降低铲斗的插入阻力，并使物料的重量作用在装载机上，增加前轮受到的压力，提高滑转阈值的大小达到修正的目的，这样可以在保证满斗率情况下降低功耗。
综上所述，所述控制方法可实现在不同环境中对同种类物料的自主铲装作业，有效提高作业效率；并能根据装载机与环境的状态进行铲掘作业的动态控制，及时响应意外情况，通用性和实用性强。
请参阅图5，本发明的另一个实施例中，所述监测系统包括双目立体相机和激光雷达3，所述双目立体相机和激光雷达3分别安装在装载机的驾驶室顶部，用于监测和采集物料堆的状态、装载机的状态及相关位置参数。
所述双目立体相机分别是设置在驾驶室顶部两侧的双目立体相机甲1、双目立体相机乙2，通过双目立体相机甲1、双目立体相机乙2和激光雷达3对物料堆的状态、装载机的状态及相关位置参数进行监测采集，供中央控制器6参考，以便之后根据装载机与环境的状态控制装载机进行铲掘作业。所述监测系统还包括压力传感器，多个压力传感器分别监测动臂油缸和转斗油缸的输出液压和输入液压。
在装载机前进进行铲装的过程中，通过双目立体相机甲1、双目立体相机乙2、激光雷达3测量铲斗与物料堆的距离，并结合油缸的压力波动与车轮转矩变化情况，来进行装载机是否插入物料堆的判断，若未插入，则更新数据继续进行判断，若插入则进行满斗率的判断。
请参阅图2，本发明的另一个实施例中，所述滑转阈值的标定包括以下步骤：控制系统控制装载机驶向物料堆；当车轮发生滑转时制动，记录发生滑转瞬间的相关信息；根据相关信息得到滑转阈值。
当装载机驶向物料堆一段路程后，车轮未发生滑转；继续控制装载机前进，至车轮发生滑转后再制动，记录发生滑转瞬间的相关信息；根据相关信息得到滑转阈值。
请参阅图3，本发明的另一个实施例中，所述调整铲斗的姿态包括：通过动臂油缸驱动动臂举升铲斗；通过转斗油缸调节铲斗的转动角度。
具体的，装载机铲装工作的过程中，若动臂油缸8的压力接近设定的压力阈值，控制系统控制转斗油缸7进行转斗动作，以降低动臂油缸8的压力。
若动臂油缸8的压力小于压力阈值，而双目立体相机甲1、双目立体相机乙2和激光雷达3监测到铲斗未满斗，则控制系统控制铲斗继续进行物料的铲装；同时判断举升次数、铲斗的载荷及滑转阈值是否达到相关设定值，并发出结束自主铲装的指令并控制铲斗收斗。
其中，即使双目立体相机甲1、双目立体相机乙2和激光雷达3监测到铲斗10未满斗，而当所述铲斗10的举升次数达到设定值时，也由控制系统控制铲斗10停止举升并收斗。
优选的，通过所述监测系统监测物料铲装时的动臂油缸的压力，防止动臂油缸失速。
通过将多个压力传感器分别安装在动臂油缸和转斗油缸上，通过多个压力传感器分别监测动臂油缸和转斗油缸的输出液压和输入液压，在各输出液压和输入液压达到设定的压力阈值时，通过转斗油缸旋转铲斗将物料的重力作用转移到装载机，降低动臂油缸收到的压力，防止动臂油缸失速。
综上所述，装载机铲装工作的过程中，控制系统根据环境和装载机的自身状态，动态进行铲斗的铲装调整，没有固定的动作与轨迹，具有更强的灵活性，适用于复杂且多变的工作环境；且控制过程简单，易于实现。
请参阅图3，本发明的另一个优选实施例中，当所述装载机触发运输指令后，控制系统通过转斗油缸与动臂油缸降低铲斗的重心。
装载机完成收斗后，控制车轮停止前进，然后控制转斗油缸7抖动铲斗10，使铲斗内物料的重心尽量分布在铲斗中间位置，避免在运输过程中物料洒落。随后装载机后退，退出物料堆的范围后，控制转斗油缸7与动臂油缸8将铲斗10调整至运输姿态，避免铲斗位置过高而造成装载机运输过程中的不稳定。
本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
标定装载机的滑转阈值，将滑转阈值应用于装载机的控制系统得到相关设定值；
监测系统监测物料堆的状态、装载机的状态及相关位置参数；
控制系统控制装载机运动进行物料的铲装，根据监测系统的监测数据判断铲斗的载荷，并调整铲斗的姿态，修正滑转阈值后继续铲装以触发运输指令；
当铲斗的载荷使装载机触发运输指令后，控制系统控制装载机后退并转移物料；
所述控制系统调整铲斗的姿态具体为：通过监测系统视觉测量铲斗内物料的装载量，估算到铲斗内此刻的物料体积与此状态下进行收斗将会铲装到的物料体积相加会使铲斗达到满斗的状态时，即判断为满斗，发出收斗的命令；当铲斗未达到满斗条件时，则继续执行剩余的铲装，进行车轮滑转阈值的判断，当车轮即将发生滑转时，发出提升铲斗的动臂的指令直至达到设定值时，停止举升。
2.根据权利要求1所述的基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，其特征在于，所述监测系统包括双目立体相机和激光雷达，所述双目立体相机和激光雷达分别安装在装载机的驾驶室顶部，用于监测和采集物料堆的状态、装载机的状态及相关位置参数。
3.根据权利要求1所述的基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，其特征在于，所述滑转阈值的标定包括以下步骤：控制系统控制装载机驶向物料堆；当车轮发生滑转时制动，记录发生滑转瞬间的相关信息；根据相关信息得到滑转阈值。
4.根据权利要求1所述的基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，其特征在于，所述调整铲斗的姿态包括：通过动臂油缸驱动动臂举升铲斗；通过转斗油缸调节铲斗的转动角度。
5.根据权利要求4所述的基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，其特征在于，通过所述监测系统监测物料铲装时的动臂油缸的压力，防止动臂油缸失速。
6.根据权利要求5所述的基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，其特征在于，若动臂油缸的压力接近压力阈值，控制系统控制转斗油缸进行转斗动作，以降低动臂油缸的压力。
7.根据权利要求4所述的基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，其特征在于，若动臂油缸的压力小于压力阈值，控制系统控制铲斗继续进行物料的铲装；同时判断举升次数、铲斗的载荷及滑转阈值是否达到相关设定值，并发出相关指令控制铲斗动作。
8.根据权利要求7所述的基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，其特征在于，当所述铲斗的举升次数达到设定值时，控制系统控制铲斗停止举升并收斗。
9.根据权利要求4所述的基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，其特征在于，所述监测系统包括压力传感器，多个压力传感器分别监测动臂油缸和转斗油缸的输出液压和输入液压。
10.根据权利要求1所述的基于分段铲装法的装载机自主铲装动态控制方法，其特征在于，当所述装载机触发运输指令后，控制系统通过转斗油缸与动臂油缸降低铲斗的重心。
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