CN112900519A - 工程机械的控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种工程机械的控制方法，其中，根据第一挖掘轨迹移动作业装置的铲斗，并对作业地区的地面执行挖掘作业；计算在所述挖掘作业的期间内施加于所述铲斗的挖掘力；基于计算出的所述挖掘力来生成新的第二挖掘轨迹；并且根据所述第二挖掘轨迹移动所述铲斗。

Description

工程机械的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种工程机械的控制方法及系统。更详细而言，涉及一种用于控制诸如自主挖掘机的工程机械的方法及用于执行该方法的工程机械的控制系统。
背景技术
自动化挖掘机系统可以在给定的环境中自行判断而执行挖掘作业。无人挖掘机应具有以可靠而有效的方式生成最佳运动的性能。然而，虽然可以通过激光雷达(Lidar)、雷达(radar)等识别地形，但由于无法识别地下的障碍物等，当根据现有的挖掘轨迹执行挖掘作业时会发生施加过度的压力或致使铲斗被困在地下的问题。
发明内容
技术问题
本发明的一课题在于，提供一种执行能够提高燃料效率、工程机械的耐久性及作业效率的自动挖掘功能的工程机械的控制方法。
本发明的另一课题在于，提供一种用于执行上述控制方法的工程机械的控制系统。
技术方案
在用于达成上述本发明的一课题的一些示例性的实施例的工程机械的控制方法中，根据第一挖掘轨迹移动作业装置的铲斗，并对作业地区的地面执行挖掘作业；计算在所述挖掘作业的期间内施加于所述铲斗的挖掘力；基于计算出的所述挖掘力来生成新的第二挖掘轨迹；并且根据所述第二挖掘轨迹移动所述铲斗。
在一些示例性的实施例中，计算施加于所述铲斗的挖掘力的步骤可以包括：测量所述挖掘作业的期间内的所述作业装置的接头状态值及缸压力值；以及利用所述接头状态值及所述缸压力值由所述工程机械的动力学方程计算施加于所述铲斗的挖掘力。
在一些示例性的实施例中，计算所述挖掘力的步骤可以包括利用以基于动量的扰动观测器(momentum-based disturbance observer)为基础执行的控制技术。
在一些示例性的实施例中，所述接头状态值可以包括动臂、斗杆及铲斗接头中的每一个的角度和角速度，所述缸压力值包括动臂缸、斗杆缸及铲斗缸的压力值。
在一些示例性的实施例中，基于所述挖掘力来生成所述第二挖掘轨迹的步骤可以包括：执行已学习的预测算法。
在一些示例性的实施例中，所述执行已学习的预测算法的步骤可以包括：将所述挖掘力及所述作业地区的地形数据用作用于预测所述第二挖掘轨迹的学习数据来执行经训练的算法。
在一些示例性的实施例中，所述已学习的预测算法可以包括将所述第二挖掘轨迹设定为临界动力学模型的基于DMP(动态运动基元，Dynamic Movement Primitives)的学习算法。
在一些示例性的实施例中，基于所述挖掘力来生成所述第二挖掘轨迹的步骤可以包括：当所述挖掘力超过已设定的值时，以降低挖掘速度和挖掘深度的方式生成所述第二挖掘轨迹。
在一些示例性的实施例中，所述第二挖掘轨迹可以包括对应于时间的所述作业装置的动臂、斗杆及铲斗接头的角度值。
在一些示例性的实施例中，可以考虑作业地形及运动学约束条件来决定所述第一挖掘轨迹。
在一些示例性的实施例中，可以通过执行已学习的预测算法，并使用从作业区域的地形数据提取的参数及接头状态值的输入数据来生成所述第一挖掘轨迹。
用于达成上述本发明的另一课题的一些示例性的实施例的工程机械的控制系统可以包括：测量部，其用于测量工程机械的作业装置的接头状态值及缸压力值；控制装置，其用于输出用于执行所述工程机械的自动挖掘作业的控制信号，计算在对应于第一挖掘轨迹的挖掘作业期间内施加于铲斗的挖掘力，基于计算出的所述挖掘力来生成新的第二挖掘轨迹，并输出用于所述第二挖掘轨迹的控制信号；以及作业控制装置，其根据用于所述第二挖掘轨迹的控制信号来移动所述铲斗。
在一些示例性的实施例中，所述测量部可以包括多个传感器，该多个传感器用于测量所述作业装置的动臂、斗杆及铲斗接头中的每一个的角度和角速度和动臂缸、斗杆缸及铲斗缸的压力值。
在一些示例性的实施例中，所述控制装置可以包括：挖掘力推定部，其用于利用所述接头状态值及所述缸压力值由所述工程机械的动力学方程计算施加于所述铲斗的挖掘力；以及轨迹生成部，其用于基于计算出的所述挖掘力来生成所述第二挖掘轨迹。
在一些示例性的实施例中，所述挖掘力推定部可以利用以基于动量的扰动观测器执行的控制技术为基础来计算所述挖掘力。
在一些示例性的实施例中，所述控制装置可以接收作业地区的地形数据，所述轨迹生成部可以将所述挖掘力及所述作业地区的地形数据用作用于预测所述第二挖掘轨迹的学习数据来执行经训练的算法。
在一些示例性的实施例中，所述算法可以包括将所述第二挖掘轨迹设定为临界动力学模型的基于DMP(Dynamic Movement Primitives)的学习算法。
在一些示例性的实施例中，当所述挖掘力超过已设定的值时，所述控制装置可以以降低挖掘速度和挖掘深度的方式生成所述第二挖掘轨迹。
在一些示例性的实施例中，所述第二挖掘轨迹可以包括对应于时间的所述作业装置的动臂、斗杆及铲斗接头的角度值。
发明的效果
根据一些示例性的实施例，工程机械的控制装置可以根据已设定的第一挖掘轨迹推定执行自动挖掘作业时施加于铲斗的挖掘力，并基于所推定的所述挖掘力来生成新的第二挖掘轨迹。
基于所述第二挖掘轨迹的挖掘作业可以防止向液压泵、动臂缸、斗杆缸及铲斗缸施加过度的压力，并且可以防止私有铲斗在作业时被困(stuck)在地下。从而，可以提高燃料效率及工程机械的耐久性，并提高作业效率。
需要说明的是，本发明的效果不限于上面提及的效果，可以在不脱离本发明的思想和领域的范围内被多样地扩展。
附图说明
图1是示出一些示例性的实施例的工程机械的侧面图。
图2是示出图1的工程机械的液压控制系统的框图。
图3是示出一些示例性的实施例的工程机械的控制系统的框图。
图4是示出图3的控制装置框图。
图5是示出基于来自图4的控制装置的控制信号的移动的铲斗的挖掘轨迹的剖视图。
图6是示出由图4的挖掘力推定部执行的扰动观测器控制模型的框图。
图7是示出与由图4的挖掘力推定部计算的挖掘力和利用测力传感器测量的挖掘力的图表。
图8是示出由图4的轨迹生成部执行的基于DMP的模仿学习的图。
图9是示出由图4的轨迹生成部生成的挖掘轨迹和比较例的挖掘轨迹的图表。
图10是示出一些示例性的实施例的工程机械的控制方法的顺序图。
附图标记
10：工程机械，20：下部行驶体，30：上部旋回体，32：上部框架，40：配重，50：驾驶室，60：作业装置，62：驱动器，70：动臂，72：动臂缸，80：斗杆，82：斗杆缸，90：铲斗，92：铲斗缸，110：发动机，120：液压泵，122：泵调节器，124：高压液压管线，130：主控制阀，140：阀芯位移调整部，150：先导泵，200：控制装置，210：挖掘力推定部，220：轨迹生成部，230：输出部，300：测量部，400：管控部。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
在本发明的各图中，为了本发明的清楚性，结构物的尺寸是比实际放大而图示的。
在本发明中，第一、第二等术语可以用于说明多种构成要素，但这些构成要素不应限定于这些术语。这些术语仅用作区分一构成要素与另一构成要素的目的。
本发明中使用的术语仅用于说明特定的实施例，并不意图限定本发明。除非上下文中明确不同地定义，单数的表述包括复数的表述。在本申请中，“包括”或“具有”等术语应被理解为用于指定说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或这些的组合的存在，而并非预先排除一个或一个以上的其他特征或数字、步骤、动作、构成要素、部件或这些的组合的存在或可附加性。
对于本文所公开的本发明的实施例，特定的结构性乃至功能性说明只是以用于说明本发明的实施例的目的例示的，本发明的实施例可以被实施为多种形态，而不应解释为限于在本文中说明的实施例。
即，本发明可以追加多种变更，且可以具有多种形态，一些特定的实施例将例示于附图，并在本文中进行详细说明。但是，这并不意图将本发明限定于特定的公开形态，而是应理解为包括落入本发明的思想和技术范围的所有变更、均等物乃至替代物。
图1是示出一些示例性的实施例的工程机械的侧面图。图2是示出图1的工程机械的液压控制系统的框图。
参照图1和图2，工程机械10可以包括下部行驶体20、以能够旋回的方式搭载于下部行驶体20上的上部旋回体30、以及设置于上部旋回体30的驾驶室50和作业装置60。
下部行驶体20可以支撑上部旋回体30，并利用有发动机110产生的动力使诸如挖掘机的工程机械10行驶。下部行驶体20可以是包括履带的履带式行驶体。不同于此，下部行驶体20可以是包括行驶轮的轮式行驶体。上部旋回体30可以具备基部的上部框架32，并且在下部行驶体20上与地面平行的平面上旋转而设定作业方向。
驾驶室50可以设置于上部框架32的左侧前方部，作业装置60可以安装于上部框架32的前方部。配重40可以安装于上部框架32的后方，以在所述工程机械执行向上部提升荷重的作业时平衡外力来稳定所述工程机械。
作业装置60可以包括动臂70、斗杆80及铲斗90。作业装置60可以通过诸如动臂缸72、斗杆缸82及铲斗缸92的驱动器62的驱动来启动。具体地，在动臂70与上部框架32之间可以设置用于控制动臂70的动作的动臂缸72。在动臂70与斗杆80之间可以设置用于控制斗杆80的动作的斗杆缸82。另外，在斗杆80与铲斗90之间可以设置用于控制铲斗90的动作的铲斗缸92。通过动臂缸72、斗杆缸82及铲斗缸92伸长或收缩，动臂70、斗杆80及铲斗90可以实现多样的动作，作业装置60可以执行多种作业。此时，动臂缸72、斗杆缸82及铲斗缸92可以通过由液压泵120供给的工作油来伸长或收缩。
另一方面，根据作业目的，在斗杆80的一端，除了铲斗90外，还可以附接多样的附件。例如，所述铲斗可以用于挖掘作业或地面平坦化作业，并且，为了破碎岩石等，可以使用破碎机(未图示)。此外，为了切割废铁等，可以使用切割机。
如图2所示，工程机械的液压控制系统可以包括：发动机110；液压泵120，其通过发动机110驱动；至少一个驱动器62，其能够通过由液压泵120排出的工作油来进行动作；主控制阀130，其包括设置于液压泵120与驱动器62之间且用于根据具备于内部的阀芯的位移量来控制由液压泵120供给至驱动器62的工作油的油量的至少一个控制阀；以及阀芯位移调整部140，其包括向所述阀芯供给用于与所输入的控制信号成比例地控制所述控制阀的阀芯的位移量的先导信号压力的阀芯位移调整阀。
在一些示例性的实施例中，所述工程机械可以包括挖掘机、轮式装载机、叉车等。下面对所述工程机械为挖掘机的情况进行说明。但是，可以理解的是，一些示例性的实施例的控制系统并不因此而限于用于控制挖掘机。
液压泵120可以连接于作为机械驱动部的发动机110的输出轴。例如，液压泵120可以包括压力控制式电子液压泵。液压泵120的排出油量可以由斜盘角度决定。泵调节器122可以根据所输入的先导压力来调节液压泵120的斜盘角度。电子比例减压阀142可以控制输入至泵调节器122的先导压力。泵调节器122可以以电子比例减压阀142为媒介连接于先导泵150。从而，当作为来自控制装置200的电流指令值的泵控制信号被输入至电子比例减压阀142时，电子比例减压阀142将与所述泵控制信号成比例的先导压力输出至泵调节器122，泵调节器122可以根据所输入的先导压力来调节液压泵120的斜盘角度。
液压泵120可以通过高压液压管线124连接于主控制阀130。诸如动臂缸72、斗杆缸82、铲斗缸92及行驶电机的驱动器62可以通过高压液压管线连接于主控制阀130。
先导泵150可以连接于发动机110的输出轴，并且随着所述输出轴旋转而被驱动，以排出控制油。例如，所述先导泵可以是齿轮泵。在这种情况下，所述工作油和所述控制油可以包括实质上相同的物质。
从先导泵150排出的控制油可以经阀芯位移调整部140的所述阀芯位移调整阀被供给至所述控制阀的阀芯。所述阀芯位移调整阀可以向所述控制阀的阀芯供给用于与所输入的控制信号成比例地控制所述控制阀的阀芯的位移量的先导信号压力。
例如，一对阀芯位移调整阀可以具备于相应的控制阀的阀芯的两侧。从所述阀芯位移调整阀输出的先导信号压力可以被供给至所述相应的控制阀内的阀芯的两侧，由此切换所述控制阀。所述阀芯位移调整阀可以供给与所输入的控制信号成比例的大小的先导信号。所述控制阀内的阀芯的移动可以由所述先导信号压力控制。即，可以根据所述先导信号压力的供给方向来决定所述阀芯的移动方向，并且根据所述先导信号压力的强度来决定所述阀芯的位移量。
例如，作为具有所述控制阀的组件的主控制阀130可以是电子液压式主控制阀。所述阀芯位移调整阀可以包括电子比例减压阀(EPPRV)，该电子比例减压阀根据所输入的电信号来控制施加于控制阀内的阀芯的先导工作油。
因此，与所输入的控制信号成比例地控制主控制阀130的所述控制阀的阀芯的位移量的阀芯位移调整部140可以被设置为用于作业装置60的作业控制装置。
在一些示例性的实施例中，控制装置200计算用于自主挖掘机的最佳挖掘轨迹，并根据计算出的所述挖掘轨迹向所述阀芯位移调整阀输出压力指令信号作为用于操作作业装置60的控制信号。所述电子比例减压阀可以通过向所述阀芯输出与所述压力指令信号成比例的二次压力来利用电控制信号控制所述阀芯。
再次参照图1，在一些示例性的实施例的控制方法中利用的三维正交坐标系中，Z轴可以对应于上部旋回体30的枢轴，原点O可以对应于所述枢轴与工程机械10的设置面的交点。此外，与Z轴正交的X轴可以在前作业装置60的延伸方向上延伸。
相对于上部旋回体30的动臂70的安装位置可以用动臂接头位置P1表示，动臂接头位置P1是作为动臂旋转轴的动臂销的位置。类似地，相对于动臂70的斗杆80的安装位置可以用斗杆接头位置P2表示，斗杆接头位置P2是作为斗杆旋转轴的斗杆销的位置。相对于斗杆80的铲斗90的安装位置可以用铲斗接头位置P3表示，铲斗接头位置P3是作为铲斗旋转轴的铲斗销的位置。此外，铲斗90的前端位置可以用铲斗前端位置P4表示。
在连接动臂接头位置P1和斗杆接头位置P2的线段与水平面之间形成的角度可以用动臂旋转角度θ1表示，在连接斗杆接头位置P2和铲斗接头位置P3的线段与水平面之间形成的角度可以用斗杆旋转角度θ2表示，在连接铲斗接头位置P3和铲斗前端位置P4的线段与水平面之间形成的角度可以用铲斗旋转角度θ3表示。
由于动臂接头位置P1为固定值，当决定了动臂旋转角度θ1、斗杆旋转角度θ2及铲斗旋转角度θ3时，可以显式地决定铲斗前端位置P4的坐标值。如后述，铲斗前端位置P4的轨迹可以称为挖掘轨迹，所述挖掘轨迹可以由动臂旋转角度θ1、斗杆旋转角度θ2及铲斗旋转角度θ3决定。例如，动臂旋转角度θ1、斗杆旋转角度θ2及铲斗旋转角度θ3可以由分别设置于动臂接头位置P1、斗杆接头位置P2及铲斗接头位置P3的角度传感器测量。
下面对所述工程机械的控制系统进行说明。
图3是示出一些示例性的实施例的工程机械的控制系统的框图。图4是示出图3的控制装置框图。图5是示出基于来自图4的控制装置的控制信号的移动的铲斗的挖掘轨迹的剖视图。图6是示出由图4的挖掘力推定部执行的扰动观测器控制模型的框图。图7是示出与由图4的挖掘力推定部计算的挖掘力和利用测力传感器测量的挖掘力的图表。图8是示出由图4的轨迹生成部执行的基于DMP的模仿学习的图。图9是示出由图4的轨迹生成部生成的挖掘轨迹和比较例的挖掘轨迹的图表。
参照图3至图9，工程机械的控制系统可以包括用于测量工程机械的作业装置60的接头状态值及缸压力值的测量部300；用于控制所述工程机械的自动挖掘作业的控制装置200；以及用于控制作业装置60的动作的作业控制装置。此外，所述工程机械的控制系统还可以包括：管控部400，其用于提供所述工程机械的自动挖掘作业的作业地形的地形信息及作业信息(作业种类)。
在一些示例性的实施例中，测量部300可以包括多个传感器，该多个传感器用于测量作业装置60的动臂70、斗杆80及铲斗90的接头中的每一个的角度和角速度和动臂缸72、斗杆缸82及铲斗缸92的压力值。
例如，角度传感器及IMU传感器可以测量动臂70、斗杆80及铲斗90的接头中的每一个的角度、角速度，角加速度值。压力传感器可以测量动臂70、斗杆80及铲斗90的接头中的每一个的角度值，并测量动臂缸72、斗杆缸82及铲斗缸92的压力值。
此外，测量部300可以包括用于获取执行诸如所述挖掘作业、挖沟作业、平整作业等的自动化作业的作业区域的地形信息的传感器。例如，所述传感器可以包括激光雷达(LiDAR)传感器、立体相机传感器、雷达(Radar)传感器、超声波传感器等。所述传感器可以扫描所述作业区域来获取挖掘机前方的形状信息数据。所述传感器可以向控制装置300输出点云数据(PCD，Point Cloud Data)信息。PCD可以是将所测量的区域的地形表示为具有坐标值的点的数据。
在一些示例性的实施例中，工程机械的控制装置200可以从管控部400接收用于自动挖掘作业的作业地区的地形信息和作业信息。所述作业地区可以被定义为用于挖掘机移动并进行作业的区域。所述作业信息可以包括关于所述挖掘机的移动路径和作业路径的指令信息。控制装置200可以接收关于所述移动路径及作业路径的指令信息，并根据所述移动路径及作业路径来移动所述挖掘机。控制装置200可以基于作业地区的地形数据及所述作业信息来决定待进行作业的面积、体积或路径(作业计划)。控制装置200可以输出用于执行所决定的所述作业计划的控制信号。控制装置200可以生成并输出与对应于时间的动臂、斗杆及铲斗的接头角度值相对应的控制信号。
管控部400可以利用作为卫星信号接收机的一种的GNSS(全球导航卫星系统)探测车(rover)收集包括对所述作业地区的多个地点的纬度、经度、高度的坐标信息来获取原始数据(raw data)。或者，可以通过航空图片拍摄等已知的多种方法来获取作业地区的地形信息。例如，管控部400可以收集和处理所述地形信息，并以点云数据(Point Cloud Data，PCD)的形式提供至工程机械的控制装置200。
工程机械的控制装置200可以与管控部400无线连接。例如，工程机械10可以包括用于与管控部400的无线通信的无线收发部。所述无线收发部可以利用诸如CDMA、GSM的蜂窝通信、Wi-Fi、如同无线通信公知的通信规格。
在一些示例性的实施例中，工程机械的控制装置200可以计算对应于第一挖掘轨迹的在挖掘作业期间内施加于铲斗90的挖掘力，基于计算出的所述挖掘力来生成新的第二挖掘轨迹，并输出用于所述第二挖掘轨迹的控制信号。工程机械的控制装置200可以包括挖掘力推定部210、轨迹生成部220及输出部230。
挖掘力推定部210可以利用所述接头状态值及所述缸压力值，由从所述工程机械的动力学方程计算施加于铲斗90的挖掘力。轨迹生成部220可以基于计算出的所述挖掘力来生成所述第二挖掘轨迹。挖掘力推定部210及轨迹生成部220可以包括用于执行本说明书中说明的功能的指定的硬件、软件及电路。这些构成要素可以由诸如逻辑电路、微处理器和存储装置等的电路物理地执行。
如图5所示，铲斗90可以根据初始挖掘轨迹(第一挖掘轨迹)来执行挖掘作业(digging work)。对应于时间的动臂旋转角度θ1、斗杆旋转角度θ2及铲斗旋转角度θ3可以形成所述挖掘轨迹。可以只考虑作业地形及运动学约束条件来决定所述初始挖掘轨迹(第一挖掘轨迹)。如后述，轨迹生成部220可以通过执行已学习的预测算法(机器学习算法)来生成所述初始挖掘轨迹。例如，可以将从所述作业区域的地形数据提取的参数及初始接头状态值用作输入数据来生成所述初始挖掘轨迹(第一挖掘轨迹)。
当铲斗90根据所述第一挖掘轨迹移动时，在所述挖掘轨迹路径上有无法识别的障碍物/地面物时，会向铲斗90的末端施加荷重(即，挖掘力)。这样的荷重可能导致在液压泵120及驱动器产生过度的压力，致使挖掘效率下降。工程机械的控制装置200推定这样的挖掘力，并基于该挖掘力生成新的挖掘轨迹(第二挖掘轨迹)，从而可以提高自动挖掘作业的效率。
在一些示例性的实施例中，挖掘力推定部210可以从测量部300接收所述接头状态值及所述缸压力值的测量数据，并由工程机械的动力学方程计算施加于铲斗90的挖掘力。挖掘机动力学方程可以如下式(1)表示。
Figure BDA0002787171420000111
其中，q、q’、q”是接头的角度、角速度、角加速度，M是惯性矩阵(inertialmatrix)，C是科里奥利(Coriolis)和离心力(centrifugal)项，g是重力项，τu是驱动器产生的扭矩，τμ是摩擦力产生的扭矩，τe是外力产生的扭矩。
所述驱动器产生的扭矩τu可以由动臂缸72、斗杆缸82及铲斗缸92的压力值计算，所述摩擦力产生的扭矩τμ可以由实验数据计算。
所述外力产生的扭矩τe对应于施加于铲斗90的挖掘力，如图6所示，可以利用以基于动量的扰动观测器(Momentum-based Disturbance Observer)为基础执行的控制技术来计算。基于扰动观测器(DOB)的控制模型，可以通过下式(2)来计算观测器输出r(τe)。
Figure BDA0002787171420000112
其中，
Figure BDA0002787171420000113
K0是观测器增益值，N是等同于图6的β的值，τu和τμ的和是等同于图6的τm的值。
为了解决挖掘机的质量、质心(center of mass)等参数的不准确性，可以利用从测力传感器(load cell)获取的信息来进行参数推定(parameter identification)。
如图7所示，根据第一实施例推定的挖掘力可以进行与由测力传感器测量的力进行比较的验证流程。第二实施例的图表是示出在未进行上述参数推定的情况下推定的挖掘力的图表。
轨迹生成部220可以基于计算出的所述挖掘力及所述作业地区的地形数据实时地生成新的第二挖掘轨迹。轨迹生成部220可以将所述挖掘力和地形数据(地形PCD)用作学习数据来执行经训练的算法。所述算法可以是设定为临界动力学模型的基于DMP(DynamicMovement Primitives)的学习算法。
如图8所示，为了生成能够应对环境变化的轨迹，可以将整体路径设定为临界阻尼动力学模型(critical damped system)。可以通过高斯混合模型(Gaussian mixturemodel)或神经网络(neural network)学习并生成以表示外部环境的特征的变量(函数)而输出外力模型的非线性函数。
整体路径可以用非时间的单调(monotonic)函数的形式的相位正则动力学变量(phase canonical dynamics variable)的函数来表示。当计算出的挖掘力为已设定的值(临界值)以上时，为了减少挖掘力，可以重新生成轨迹，以降低挖掘速度和挖掘深度。
在这种情况下，DMP动力学模型可以由下式(3)表示，正则系统(canonicalsystem)可以由下式(4)表示。
Figure BDA0002787171420000121
Figure BDA0002787171420000122
图9示出第一挖掘轨迹的图表和基于所推定的挖掘力生成的第二挖掘轨迹的图表。当所推定的所述挖掘力超过已设定的值时，可以以降低挖掘速度和挖掘深度的方式生成所述第二挖掘轨迹。基于所述第二挖掘轨迹的挖掘作业可以防止向液压泵120和驱动器62施加过度的压力，并且能够防止铲斗90在作业时被困(stuck)在地下。输出部230可以输出用于所述第二挖掘轨迹的控制信号。输出部230可以生成与对应于时间的动臂、斗杆及铲斗的接头角度值相对应的控制信号，例如电流，并施加至阀芯位移调整部140的阀芯位移调整阀。所述阀芯位移调整阀可以将与所施加的所述电流强度成比例的先导信号压力分别供应至相应的控制阀130的阀芯，由此根据所施加的先导信号压力的强度来移动铲斗90。
从而，诸如动臂缸72、斗杆缸82及铲斗缸92的驱动器62与所述控制信号对应地被所述控制阀驱动，由此，铲斗90的前端可以根据所述第二挖掘轨迹移动来执行挖掘作业。
此外，挖掘力推定部210在铲斗90根据所生成的所述第二挖掘轨迹移动时重新实时地计算施加于铲斗90的挖掘力，轨迹生成部220可以基于重新计算出的所述挖掘力及所述作业地区的地形数据实时地生成新的第三挖掘轨迹。从而，铲斗90的前端可以根据所述第三挖掘轨迹移动来继续执行所述挖掘作业。
如上所述，工程机械的控制装置200可以推定在根据已设定的第一挖掘轨迹执行自动挖掘作业时施加于铲斗90的挖掘力，并基于所推定的所述挖掘力来生成新的第二挖掘轨迹。
基于所述第二挖掘轨迹的挖掘作业能够防止向液压泵120、动臂缸72、斗杆缸82及铲斗缸92施加过度的压力，并且能够防止铲斗90在作业时被困(stuck)在地下。从而，能够改善燃料效率及工程机械的耐久性，并提高作业效率。
下面对利用图3的工程机械的控制系统来控制工程机械的方法进行说明。
图10是示出一些示例性的实施例的工程机械的控制方法的顺序图。
参照图1至图4和图10，首先，可以根据已设定的第一挖掘轨迹移动作业装置60的铲斗90，以对作业地区的地面G执行挖掘作业(S100)。
在一些示例性的实施例中，自主挖掘机的控制装置200可以从管控部400接收作业地区的地形信息及作业信息，并基于所述地形信息及作业信息来决定对作业地区的地面G的第一挖掘轨迹，并将作业控制装置控制为沿所决定的所述第一挖掘轨迹移动铲斗90。
可以考虑所述作业地形及运动学约束条件决定所述第一挖掘轨迹。所述第一挖掘轨迹可以由对应于时间的动臂、斗杆及铲斗的接头角度值体现。
接着，可以计算施加于在所述挖掘作业的期间内施加于铲斗90的挖掘力(S110)，并基于计算出的所述挖掘力来生成新的第二挖掘轨迹(S120)。之后，可以根据所述第二挖掘轨迹移动铲斗90来执行挖掘作业(S130)。
当铲斗90根据所述第一挖掘轨迹移动时，在所述挖掘轨迹路径上有无法识别的障碍物/地面物时，可能会向铲斗90的末端施加荷重(即，挖掘力)。工程机械的控制装置200推定这样的挖掘力，并基于该挖掘力生成新的挖掘轨迹，从而可以提高自动挖掘作业的效率。
具体地，可以获取在所述挖掘作业期间内的作业装置60的接头状态值及缸压力值的测量数据，并由工程机械的动力学方程计算施加于铲斗90的挖掘力。所述接头状态值可以包括动臂70、斗杆80及铲斗90接头中的每一个的角度和角速度，所述缸压力值可以包括动臂缸72、斗杆缸82及铲斗缸92的压力值。此时，可以利用以基于动量的扰动观测器(momentum-based disturbance observer)为基础执行的控制技术来计算所述挖掘力。
为了解决挖掘机的质量、质心(center of mass)等参数的不准确性，可以利用从测力传感器(load cell)获取的信息来进行参数推定(parameter identification)。
接着，可以基于计算出的所述挖掘力及所述作业地区的地形数据实时地生成新的第二挖掘轨迹。可以从管控部400以点云数据(Point Cloud Data，PCD)的形式获取所述地形数据。例如，可以将所述挖掘力及所述地形数据(地形PCD)用作学习数据执行经训练的算法来生成所述第二挖掘轨迹。此时，所述算法可以是设定为临界动力学模型的基于DMP(Dynamic Movement Primitives)的学习算法。
当所推定的挖掘力超过已设定的值时，可以以减少挖掘速度和挖掘深度的方式生成所述第二挖掘轨迹。基于所述第二挖掘轨迹的挖掘作业能够防止向液压泵120、动臂缸72、斗杆缸82及铲斗缸92施加过度的压力，并且能够防止铲斗90在作业时被困(stuck)在地下。
尽管上面参照本发明的实施例进行了说明，但本领域中的一般的技术人员可以理解在不脱离下面的权利要求书中记载的本发明的思想及领域的范围内可以多样地修改和变更本发明。

Claims (19)

1.一种工程机械的控制方法，其特征在于，包括：
根据第一挖掘轨迹移动作业装置的铲斗，并对作业地区的地面执行挖掘作业；
计算在所述挖掘作业的期间内施加于所述铲斗的挖掘力；
基于计算出的所述挖掘力来生成新的第二挖掘轨迹；以及
根据所述第二挖掘轨迹移动所述铲斗。
2.根据权利要求1所述的工程机械的控制方法，其特征在于，
计算施加于所述铲斗的挖掘力的步骤包括：
测量所述挖掘作业的期间内的所述作业装置的接头状态值及缸压力值；以及
利用所述接头状态值及所述缸压力值由所述工程机械的动力学方程计算施加于所述铲斗的挖掘力。
3.根据权利要求2所述的工程机械的控制方法，其特征在于，
计算所述挖掘力的步骤包括利用以基于动量的扰动观测器为基础执行的控制技术。
4.根据权利要求2所述的工程机械的控制方法，其特征在于，
所述接头状态值包括动臂、斗杆及铲斗接头中的每一个的角度和角速度，所述缸压力值包括动臂缸、斗杆缸及铲斗缸的压力值。
5.根据权利要求1所述的工程机械的控制方法，其特征在于，
基于所述挖掘力来生成所述第二挖掘轨迹的步骤包括：
执行已学习的预测算法。
6.根据权利要求5所述的工程机械的控制方法，其特征在于，
所述执行已学习的预测算法的步骤包括：
将所述挖掘力及所述作业地区的地形数据用作用于预测所述第二挖掘轨迹的学习数据来执行经训练的算法。
7.根据权利要求6所述的工程机械的控制方法，其特征在于，
所述已学习的预测算法包括将所述第二挖掘轨迹设定为临界动力学模型的基于DMP的学习算法。
8.根据权利要求1所述的工程机械的控制方法，其特征在于，
基于所述挖掘力来生成所述第二挖掘轨迹的步骤包括：
当所述挖掘力超过已设定的值时，以降低挖掘速度和挖掘深度的方式生成所述第二挖掘轨迹。
9.根据权利要求1所述的工程机械的控制方法，其特征在于，
所述第二挖掘轨迹包括对应于时间的所述作业装置的动臂、斗杆及铲斗接头的角度值。
10.根据权利要求1所述的工程机械的控制方法，其特征在于，
考虑作业地形及运动学约束条件来决定所述第一挖掘轨迹。
11.根据权利要求1所述的工程机械的控制方法，其特征在于，
通过执行已学习的预测算法，并使用从作业区域的地形数据提取的参数及接头状态值的输入数据来生成所述第一挖掘轨迹。
12.一种工程机械的控制系统，其特征在于，包括：
测量部，其用于测量工程机械的作业装置的接头状态值及缸压力值；
控制装置，其用于输出用于执行所述工程机械的自动挖掘作业的控制信号，计算在对应于第一挖掘轨迹的挖掘作业期间内施加于铲斗的挖掘力，基于计算出的所述挖掘力来生成新的第二挖掘轨迹，并输出用于所述第二挖掘轨迹的控制信号；以及
作业控制装置，其根据用于所述第二挖掘轨迹的控制信号来移动所述铲斗。
13.根据权利要求12所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
所述测量部包括多个传感器，该多个传感器用于测量所述作业装置的动臂、斗杆及铲斗接头中的每一个的角度和角速度和动臂缸、斗杆缸及铲斗缸的压力值。
14.根据权利要求12所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
所述控制装置包括：
挖掘力推定部，其用于利用所述接头状态值及所述缸压力值由所述工程机械的动力学方程计算施加于所述铲斗的挖掘力；以及
轨迹生成部，其用于基于计算出的所述挖掘力来生成所述第二挖掘轨迹。
15.根据权利要求14所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
所述挖掘力推定部利用以基于动量的扰动观测器执行的控制技术为基础来计算所述挖掘力。
16.根据权利要求14所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
所述控制装置接收作业地区的地形数据，
所述轨迹生成部将所述挖掘力及所述作业地区的地形数据用作用于预测所述第二挖掘轨迹的学习数据来执行经训练的算法。
17.根据权利要求16所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
所述算法是将所述第二挖掘轨迹设定为临界动力学模型的基于DMP的学习算法。
18.根据权利要求12所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
当所述挖掘力超过已设定的值时，所述控制装置以降低挖掘速度和挖掘深度的方式生成所述第二挖掘轨迹。
19.根据权利要求12所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
所述第二挖掘轨迹包括对应于时间的所述作业装置的动臂、斗杆及铲斗接头的角度值。
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