CN112380663A - 一种用于电铲计算指定装载点的方法 - Google Patents

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魏辉
丁国徐
高�玉
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Abstract

本发明公开了一种用于电铲计算指定装载点的方法，包括以下步骤：S1.利用倾角传感器和线性位移传感器获取斗杠与水平面的夹角θ2和斗杆行程位置数据；S3.利用GPS定位模块和惯导定位模块数据，获取车身回转角度θ0；S3.利用电铲正运动学模型，解算出铲齿相对于车身回转中心的坐标(x,y,z)；S4.建立铲斗的位姿坐标(x，y，z，roll，pitch，yaw)，其中roll是横滚角，pitch是俯仰角，yaw是偏航角；S5.实时追踪铲斗的位姿坐标(x，y，z，roll，pitch，yaw)，铲斗在装货、运行和卸货时会有多次位置和姿态改变，从而判断整个运行流程中铲斗位姿的改变次数，计算出铲斗的装载次数。其优点在于，可实时计算电铲铲齿相对于电铲回转中心坐标系的(x,y,z)坐标，从而监控电铲装载次数。

Description

一种用于电铲计算指定装载点的方法
技术领域
本发明涉及露天矿山开采技术领域，特别是涉及一种用于电铲计算铲斗指定装载点的方法。
背景技术
目前，随着国家开始大力推广露天化矿山智能化，国内露天矿生产中，大部分都是采用电铲-矿卡协同工作的方案。在电铲-矿卡协同工作时，如何确定电铲铲斗在矿卡上的装载点，以确保装载过程中电铲和矿卡正确协同工作，防止电铲铲斗中的矿石砸坏矿车，是一个广泛研究的课题。
现有的确定电铲-矿卡协同工作装载点的方法是在矿卡上安装距离感应器、单片机和指示装置等来确定装载点的位置，该方法需要在每一台矿卡上安装上述传感器，导致成本较高；还有的是在电铲车身安装GPS定位模块和惯性导航定位模块基于深度学习算法来确定铲斗装载点的位置，该方法计算较复杂，需要通过大量采集实时数据不断训练，把运行轨迹计算描述出来，实现电铲实时定位。专利201910889776.6的方案训练出的神经网络系统只能针对给定工况，若要增加新的工况，必须重复进行耗时的训练过程，没有其他定位方法的灵活性。并且，神经网络作为一种统计模型，从原理上就无法保证的控制成功率，有较高潜在的失控风险，这对于安全要求较高的机械系统是不可接受的。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种可实时计算电铲铲齿相对于电铲回转中心坐标系的(x,y,z)坐标，从而监控电铲装载次数的方法。其技术方案为：
1、一种用于电铲计算指定装载点的方法，包括以下步骤：
S1.利用倾角传感器和线性位移传感器获取斗杠与水平面的夹角θ2和斗杆行程位置数据；
S2.利用GPS定位模块和惯导定位模块数据，获取车身回转角度θ0；
S3.利用电铲正运动学模型，解算出铲齿相对于车身回转中心的坐标(x,y,z)；
S4.建立铲斗的位姿坐标(x，y，z，roll，pitch，yaw)，其中roll是横滚角，pitch是俯仰角，yaw是偏航角；
S5.实时追踪铲斗的位姿坐标(x，y，z，roll，pitch，yaw)，铲斗在装货、运行和卸货时会有多次位置和姿态改变，从而判断整个运行流程中铲斗位姿的改变次数，计算出铲斗的装载次数。
进一步的，步骤S3中，利用三角函数sinθ和cosθ建立电铲正运动学模型，解算出铲齿相对于车身回转中心的坐标(x,y,z)，计算步骤为；
x＝Δx+cosθ0*(cosθ1*L1+cosθ2*L2)
y＝Δy+sinθ0*(cosθ1*L1+cosθ2*L2)
z＝Δz+sinθ1*L1+sinθ2*L2+L3
其中，Δx、Δy和Δz为固定值，分别为动臂根部相对于车身回转中心坐标系的偏距，θ0为车身回转角度，从上向下看逆时针为正；θ1为动臂角度，通常为45度，θ2为斗杠与水平面的夹角，在水平面上为正，水平面下为负；L1为推压机构根部到动臂根部的长度，L2为铲斗齿尖在斗杠上的投影点和推压机构根部点的距离，L3为铲斗齿尖与投影点的长度。
进一步的，步骤S5中，roll角和yaw角均为0°，位姿坐标简化为(x，y，z，pitch)，其中pitch＝90°+θ2。
进一步的，铲斗的工作范围分为装货区和卸货区，装货区表示铲斗去装矿，卸货区表示铲斗在装载点卸货；铲齿的初始位置在矿卡上方装载点处，也在卸货区。
进一步的，S5中，当铲齿运行到装货区时，通过判断pitch的变化区间来判断铲斗是否完成装货动作；然后再实时追踪铲齿的位置(x，y，z)变化，来判断铲齿是否从装货区运行到了卸货区，并停在装载点处，最后再通过判断pitch的变化区间来判断铲斗是否完成卸货动作。
进一步的，S5中装货区pitch的变化区间为0°～30°。
进一步的，S5中卸货区pitch不小于90°。
有益效果
利用成熟的电铲正运动学建立电铲运动学模型，计算铲斗齿尖相对于回转轴心的坐标(x，y，z)；利用位姿方程判断铲斗运动轨迹，从而判断铲斗计数，达到对电铲运动的监控。
附图说明
图1本申请工作原理图；
图2为本申请电铲结构示意图；
其中1-机身；2-动臂；3-斗杆；4-铲斗，41-铲齿，5-拉升机构线缆。
具体实施方式
下面结合附图1-2和具体实施例对技术作进一步说明，以助于理解本发明的内容。
一种用于电铲计算指定装载点的方法，包括以下步骤：
S1.电铲推压机构上安装的倾角传感器和线性位移传感器基于CAN总线通讯采集斗杆相对于水平面的夹角θ2以及斗杆行程位置数据，进而可以获取铲斗齿尖在斗杠上的投影点和推压机构根部点的距离L2；
S2.利用GPS定位模块和惯导定位模块数据，获取车身回转角度θ0；
S3.利用电铲正运动学模型，解算出铲齿相对于车身回转中心的坐标(x,y，z)；
利用三角函数sinθ和cosθ建立电铲正运动学模型，解算出铲齿相对于车身回转中心的坐标(x，y,z)，计算步骤为；
x＝Δx+cosθ0*(cosθ1*L1+cosθ2*L2)
y＝Δy+sinθ0*(cosθ1*L1+cosθ2*L2)
z＝Δz+sinθ1*L1+sinθ2*L2+L3
其中，Δx、Δy和Δz为固定值，分别为动臂根部相对于车身回转中心坐标系的偏距，θ0为车身回转角度，从上向下看逆时针为正；θ1为动臂角度，通常为45度，θ2为斗杠与水平面的夹角，在水平面上为正，水平面下为负；L1为推压机构根部到动臂根部的长度，L2为铲斗齿尖在斗杠上的投影点和推压机构根部点的距离，L3为铲斗齿尖与投影点的长度。
S4.建立铲斗的位姿坐标(x，y，z，roll，pitch，yaw)，其中roll是横滚角，pitch是俯仰角，yaw是偏航角；
S5.实时追踪铲斗的位姿坐标(x，y，z，roll，pitch，yaw)，铲斗的工作范围分为装货区和卸货区，装货区表示铲斗去装矿，卸货区表示铲斗在装载点卸货；铲齿的初始位置在矿卡上方装载点处，也在卸货区。
铲斗在装货、运行和卸货时会有多次位置和姿态改变，从而判断整个运行流程中铲斗位姿的改变次数，计算出铲斗的装载次数。
roll角和yaw角均为0°，位姿坐标简化为(x，y，z，pitch)，其中pitch＝90°+θ2。
S5中，当铲齿运行到装货区时，通过判断pitch的变化区间来判断铲斗是否完成装货动作；然后再实时追踪铲齿的位置(x，y，z)变化，来判断铲齿是否从装货区运行到了卸货区，并停在装载点处，最后再通过判断pitch的变化区间来判断铲斗是否完成卸货动作；S5中装货区pitch的变化区间为0°～30°；S5中卸货区pitch不小于90°。
S6.将铲齿的位姿坐标信息发送给GUI界面。
当然，上述说明并非对本技术的限制，本技术也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本技术的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于电铲计算指定装载点的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.利用倾角传感器和线性位移传感器获取斗杠与水平面的夹角θ2和斗杆行程位置数据；
S2.利用GPS定位模块和惯导定位模块数据，获取车身回转角度θ0；
S3.利用电铲正运动学模型，解算出铲齿相对于车身回转中心的坐标(x,y,z)；
S4.建立铲斗的位姿坐标(x，y，z，roll，pitch，yaw)，其中roll是横滚角，pitch是俯仰角，yaw是偏航角；
S5.实时追踪铲斗的位姿坐标(x，y，z，roll，pitch，yaw)，铲斗在装货、运行和卸货时会有多次位置和姿态改变，从而判断整个运行流程中铲斗位姿的改变次数，计算出铲斗的装载次数。
2.根据权利要求1所述的一种用于电铲计算指定装载点的方法，其特征在于，步骤S3中，利用三角函数sinθ和cosθ建立电铲正运动学模型，解算出铲齿相对于车身回转中心的坐标(x,y,z)，计算步骤为；
x＝Δx+cosθ0*(cosθ1*L1+cosθ2*L2)
y＝Δy+sinθ0*(cosθ1*L1+cosθ2*L2)
z＝Δz+sinθ1*L1+sinθ2*L2+L3
其中，Δx、Δy和Δz为固定值，分别为动臂根部相对于车身回转中心坐标系的偏距，θ0为车身回转角度，从上向下看逆时针为正；θ1为动臂角度，通常为45度，θ2为斗杠与水平面的夹角，在水平面上为正，水平面下为负；L1为推压机构根部到动臂根部的长度，L2为铲斗齿尖在斗杠上的投影点和推压机构根部点的距离，L3为铲斗齿尖与投影点的长度。
3.根据权利要求1所述的一种用于电铲计算指定装载点的方法，其特征在于，步骤S5中，roll角和yaw角均为0°，位姿坐标简化为(x，y，z，pitch)，其中pitch＝90°+θ2。
4.根据权利要求1所述的一种用于电铲计算指定装载点的方法，其特征在于，铲斗的工作范围分为装货区和卸货区，装货区表示铲斗去装矿，卸货区表示铲斗在装载点卸货；铲齿的初始位置在矿卡上方装载点处，也在卸货区。
5.根据权利要求4所述的一种用于电铲计算指定装载点的方法，其特征在于，S5中，当铲齿运行到装货区时，通过判断pitch的变化区间来判断铲斗是否完成装货动作；然后再实时追踪铲齿的位置(x，y，z)变化，来判断铲齿是否从装货区运行到了卸货区，并停在装载点处，最后再通过判断pitch的变化区间来判断铲斗是否完成卸货动作。
6.根据权利要求4所述的一种用于电铲计算指定装载点的方法，其特征在于，S5中装货区pitch的变化区间为0°～30°。
7.根据权利要求4所述的一种用于电铲计算指定装载点的方法，其特征在于，S5中卸货区pitch不小于90°。
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