CN113006185B - 一种挖掘机自动导航作业方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种挖掘机自动导航作业方法及系统，该方法在挖掘机重复挖掘及堆放物料时，预先记录挖掘机司机各操纵下挖掘机的工作姿态，进行剩余操作时，根据司机操作序列的正方向要求及挖掘机姿态，自动进行各姿态的自动导航，引导挖掘机按照设定的工作姿态路径完成挖掘及堆放动作。本发明还提供了一种挖掘作业自动导航系统，包括操纵手柄、工况记忆开关、导航使能开关、车载控制器、电磁阀等装置，能够控制挖掘机进行手柄操纵、正序列导航、反序列导航3种模式作业，减轻司机进行重复劳动时的工作强度，提升作业效率。

Description

一种挖掘机自动导航作业方法及系统
技术领域
本发明涉及工程机械自动控制技术领域，具体为挖掘机自动导航作业方法及系统。
背景技术
利用挖掘机进行的挖掘作业，主要是操纵挖掘机回转、动臂、斗杆、铲斗等工作装置，多次循环挖掘、回转、堆放的操纵过程，从料场挖掘土壤、煤、泥沙等物料并把物料转运到堆料场、运输车辆等。现有技术主要依靠挖掘机司机依靠观察和操作经验，反复进行挖掘、回转、堆放的操纵循环，并需要密切注意每个动作的位置，才能精准、高效的完成挖掘作业。
但是现有技术方案存在两点不足：一、由于取料地点、堆料地点、回转角度等相对固定，挖掘机多次挖掘、堆料作业相对固定，操纵过程重复性大，但是每次操纵都需要挖掘机司机集中精力操纵挖掘机，容易产生操作疲劳；二、挖掘机司机长期从事一项操作，还需要回转、动臂、斗杆、铲斗等多机构的配合，如果操作不当，容易造成物料洒落、堆放地方偏差。综上，现有技术对挖掘机司机技能要求高，操作复杂，容易产生操作疲劳，制约挖掘机的使用效率。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种挖掘作业自动导航方法及系统，在挖掘机重复挖掘及堆放物料时，预先记录挖掘机司机各操纵下挖掘机的工作姿态，进行剩余操作时，根据司机操作序列的正方向要求及挖掘机姿态，自动进行各姿态的自动导航，引导挖掘机按照设定的工作姿态路径完成挖掘及堆放动作，减轻司机进行重复劳动时的工作强度，提升作业效率。
技术方案：本发明的挖掘自动导航作业方法，包括步骤：
(1)所述挖掘机作业时，预先记录司机操纵挖掘机形成的多个作业动作，形成一系列作业序列，每个序列内存储每一作业动作的作业信息；
(2)在执行剩余作业操作时，根据司机操作序列的方向要求和挖掘机当前姿态，匹配序列，并执行作业动作导航。
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(11)车载控制器首先根据挖掘机左操纵手柄、右操纵手柄的信号，判断当前挖掘机司机是否通过操纵手柄操纵挖掘机，若判断结果为是，执行步骤(12)(13)，若判断结果为否，执行步骤(2)；
(12)车载控制器将手柄信号传输至挖掘机各作业部件，实现作业部件的运动，同时读取操作记忆开关状态；
(13)若此时操作记忆开关闭合，车载控制器存储时间t0～tn内挖掘机的作业信息，其中为t0操作记忆开关闭合的起始时间，tn为操作记忆开关由闭合切换为断开的时间节点；
若此时操作记忆开关断开，不记录挖掘机的作业信息。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)在记录完成后，车载控制器判断司机处于正序列导航使能操作使挖掘机正序列导航还是通过反序列使能操作进行反序列导航；
(22)若判断结果为正序列导航，车载控制器自动控制挖掘机的各作业部件状态匹配序列中的最接近作业信息，并执行正向的作业动作；
若判断结果为反序列导航，车载控制器自动控制挖掘机的各作业部件状态匹配序列中的最接近作业信息，并执行反向的作业动作。
(23)执行直到作业信息与记录的tn时刻工作信息一致，此时完成自动作业动作导航。
所述步骤(21)中车载控制器判断司机状态的依据为挖掘机车上暗转的导航使能开关的状态，所述导航使能开关具有正序列导航和反序列导航两种选项。
所述作业信息包括以下至少一种：
a)回转运动的方向和/或速度；
b)铲斗的方向和/或速度；
c)斗杆的方向和/或速度；
d)动臂的方向和/或速度；
e)发动机转速大小。
所述步骤(2)在进行动作导航时，实时读取操纵手柄信号，如果操纵手柄控制信号有效，停止动作导航，切换到手柄控制模式。
本发明的一种挖掘作业自动导航系统，包括操纵手柄、操作记忆开关、导航使能开关、车载控制器；
车载控制器，具有通信单元和存储单元，用于实现所述的控制方法；
操作记忆开关，输出使能开关信号至车载控制器，使车载控制器记录挖掘机工作信息；
导航使能开关，包括正序列开关和反序列开关，用于输出使能开关信号至车载控制器，使控制器控制作业部件动作。
操作记忆使能开关安装在操纵手柄上。
正序列导航操作使能开关、反序列导航操作使能开关为同一个三位常开触点开关，中位为空位，采用脚踏开关的形式安装在挖掘机司机室的地板上。
本发明的挖掘作业自动导航系统，还包括：
设于挖掘机司机室内的左操纵手柄、右操纵手柄，操纵手柄把挖掘机司机的操纵意图转换为电信号传递给车载控制器，控制挖掘机进行挖掘、物料堆放；
设于挖掘机铲斗油缸上的铲斗油缸长度传感器、设于斗杆油缸上的斗杆油缸长度传感器、设于动臂油缸上的动臂油缸长度传感器，分别测量出铲斗、斗杆、动臂的姿态，传递给车载控制器，用于控制挖掘机动作和/或纪录挖掘机姿态。
设于挖掘机回转机构上的回转角度传感器，用于测量挖掘机的回转角度，传递给车载控制器，用于控制挖掘机动作和/或记录挖掘机姿态。
设于挖掘机司机室内的操作记忆使能开关，开关闭合时把挖掘机司机的操纵意图、挖掘机当前各参数表传递给车载控制器，用于控制挖掘机动作和/或记录挖掘机姿态。
设于挖掘机液压阀组内的铲斗油缸电磁阀、斗杆油缸电磁阀、动臂油缸电磁阀、回转马达电磁阀，分别从车载控制器读取操纵指令，控制挖掘机铲斗、斗杆、动臂、回转等运动。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明提供的一种挖掘作业自动导航方法及系统，能够根据挖掘机车载控制器记录的挖掘机操纵指令、参数表以及当前挖掘机姿态，在无需操纵手柄的情况下，自动控制挖掘机实现各目标姿态。
(2)由于支持挖掘机任意姿态下的自动导航，同时可实现正序列导航、反序列导航，不仅能够保证挖掘机司机在自动导航的过程中进行手柄操纵的挖掘机姿态微调，在收到操纵完成后可以参数对比轻松再次寻找最优导航路径。
(3)本发明提供的一种挖掘作业自动导航方法及系统，在挖掘机进行长时间、重复性挖掘和堆料的操纵中，不需要随时随地的谨慎操纵和多动作配合操，挖掘机司机操纵简单、工作效率高、适用性广。
附图说明
图1是根据本发明实施例的挖掘作业自动导航系统框图；
图2是根据本发明实施例的挖掘作业自动导航的程序主流程图。
附图1标记说明：
11：左操纵手柄；12：右操纵手柄；13：操作记忆使能开关；14：正序列导航操作使能开关；15：反序列导航操作使能开关；21：回转角度传感器；23：铲斗油缸长度传感器；24：斗杆油缸长度传感器；25：动臂油缸长度传感器；3：车载控制器；51：铲斗油缸电磁阀；52：斗杆油缸电磁阀；53：动臂油缸电磁阀；54：回转马达电磁阀；4：发动机ECU。
具体实施方式
基于附图对本发明的挖掘作业自动导航实施方式进行说明。
首先，使用图1对本实施例的挖掘作业自动导航系统的构成进行说明。图1是本实施方式的铲斗随动控制系统示意图。挖掘机司机通过操纵左操纵手柄11和右操纵手柄12，把操纵意图传递给车载控制器3进行分析和控制，驱动铲斗油缸电磁阀51、斗杆油缸电磁阀52、动臂油缸电磁阀53、回转马达电磁阀54，并通过发动机ECU 4控制发动机输出转速及扭矩，继而根据操纵手柄操纵方向和大小控制挖掘机进行作业。
在本实施例中，当需要记录挖掘机作业工况时，挖掘机司机闭合操作记忆使能开关13，车载控制器3记录操纵左操纵手柄11和右操纵手柄12的操纵指令，以及回转角度传感器21、铲斗油缸长度传感器23、斗杆油缸长度传感器24、动臂油缸长度传感器25、发动机控制参数，以参数表的形式存储到车载控制器3。
在本实施例中，挖掘机司机闭合正序列导航操作使能开关14或者反序列导航操作使能开关15，车载控制器3根据当前回转角度传感器21、铲斗油缸长度传感器23、斗杆油缸长度传感器24、动臂油缸长度传感器25的值，与存储在车载控制器3中的操纵参数表进行比较，寻找最接近的工况，控制挖掘机进行正序列导航作业或反序列导航作业。
在本实施例中，左操纵手柄11和右操纵手柄12为电比例手柄，每个手柄双轴(X轴、Y轴)输出(输出信号为0.5∽4.5VDC)控制挖掘机的两个动作，不仅可以通过操纵手柄的倾角改变挖掘机的工作速度，还可以操纵一个手柄同时完成一个单独动作或两个动作。采用总线型或者电流型操纵手柄能够完成相同的功能。
在本实施例中，车载控制器3为可编程控制器(PLC)，通过其模拟量输入端口(AI)、开关量输入断开(DI)、总线通信等方式读取输入指令或工况参数，通过其脉宽调制信号(PWM)控制各电磁阀。
在本实施例中，铲斗姿态、斗杆姿态、动臂姿态是通过安装在各驱动油缸上的铲斗油缸长度传感器23、斗杆油缸长度传感器24、动臂油缸长度传感器25的长度值测量的。
在本实施例中，铲斗油缸长度传感器23、斗杆油缸长度传感器24、动臂油缸长度传感器25为磁滞伸缩型长度传感器，安装在相对应的油缸上，各传感器的测量长度根据油缸伸缩长度提前设定，输出为4∽20mA电流型信号。
在本实施例中，挖掘机的回转角度是通过安装在挖掘机中心回转装置上的回转角度传感器21测量的，传感器为0∽360°绝对值型编码器，输出为4∽20mA电流型信号。考虑挖掘机铲斗的恶劣工作条件，回转角度传感器21具有防尘、防水、防撞击的物理保护结构。
在本实施例中，操作记忆使能开关13安装在左操纵手柄11上，为微动开关，挖掘机司机操纵左操纵手柄11的同时，可以断开或者闭合操作记忆使能开关13。
在本实施例中，正序列导航操作使能开关14和反序列导航操作使能开关15为同一个三位常开开关的两个开关位置，且采用脚踏开关形式，其中向前脚踏进行正序列导航使能，开关中位为空位不执行动作，向后脚踏进行反序列导航使能。
图2是根据本发明实施例的挖掘作业自动导航的程序主流程图，该流程主要在车载控制器3中完成，主要包括以下步骤：
步骤S312，车载控制器3读取左操纵手柄11和右操纵手柄12的操纵输入信号，如果左操纵手柄11和右操纵手柄12中有任意一个或者两个同时有输入信号，表示挖掘机司机希望通过操纵手柄控制挖掘机作业，执行步骤S333；如果左操纵手柄11和右操纵手柄12同时都无操纵输入信号，执行步骤S313。
步骤S333，左操纵手柄11和右操纵手柄12中有任意一个或者两个同时有输入信号，车载控制器3控制铲斗油缸、斗杆油缸、动臂油缸、回转马达运动。
步骤S334，判断挖掘机司机通过操纵手柄控制挖掘机作业的同时是否需要记录挖掘机作业工况：
如果操作记忆使能开关闭合，挖掘机司机希望通过操纵手柄控制挖掘机作业的同时记录挖掘机作业工况，执行步骤S335，车载控制器3读取并存储时间t0～tm～tn内左操纵手柄操纵信号、右操纵手柄操纵信号、回转角度、铲斗油缸长度、斗杆油缸长度、动臂油缸长度以及发动机转速等作业动作，形成一系列的作业序列，每个序列内存储每一作业动作的作业信息；
如果操作记忆使能开关闭合，挖掘机司机不希望通过操纵手柄控制挖掘机作业的同时记录挖掘机作业工况，执行步骤S319，结束。
步骤S313，左操纵手柄11和右操纵手柄12同时都无操纵输入信号时，判断正序列导航操作使能开关14是否闭合：
如果正序列导航操作使能开关14闭合，说明挖掘机司机希望进行正序列导航操作，执行步骤S314；
如果正序列导航操作使能开关14断开，执行步骤S323。
步骤S314，从车载控制器3读取已经存储的时间t0～tm～tn内左操纵手柄操纵信号、右操纵手柄操纵信号、回转角度、铲斗油缸长度、斗杆油缸长度、动臂油缸长度以及发动机转速，作为正序列导航操作的依据。
步骤S315，车载控制器3读取当前回转角度、铲斗油缸长度、斗杆油缸长度、动臂油缸长度等变量值，根据当前回转角度、铲斗油缸长度、斗杆油缸长度、动臂油缸长度判断最接近的工况tm。
步骤S316，车载控制器3把tm+1的工况参数作为控制目标，分别挖掘机各电磁阀执行tm～tn的操作，继而完成步骤S317的控制发动机目标转速，以及铲斗油缸、斗杆油缸、动臂油缸、回转马达运动。
步骤S318，判断当前进行的正序列导航作业是否完成tn的工况参数：
如果当前挖掘机各姿态参数与tn的工况参数一致，正序列导航操作完成，执行步骤S319，导航结束；
如果当前挖掘机各姿态参数与tn的工况参数不一致，正序列导航操作未完成，执行步骤S312，持续进行正序列导航。
步骤S323，左操纵手柄11和右操纵手柄12同时都无操纵输入信号时，且正序列导航操作使能开关14断开，判断反序列导航操作使能开关15是否闭合：
如果反序列导航操作使能开关15闭合，说明挖掘机司机希望进行反序列导航操作，执行步骤S324；
如果反序列导航操作使能开关15断开，执行步骤S319，结束。
步骤S324，从车载控制器3读取已经存储的时间t0～tm～tn内左操纵手柄操纵信号、右操纵手柄操纵信号、回转角度、铲斗油缸长度、斗杆油缸长度、动臂油缸长度以及发动机转速，作为反序列导航操作的依据。
步骤S325，车载控制器3读取当前回转角度、铲斗油缸长度、斗杆油缸长度、动臂油缸长度等变量值，根据当前回转角度、铲斗油缸长度、斗杆油缸长度、动臂油缸长度判断最接近的工况tm。
步骤S326，车载控制器3把tm-1的工况参数作为控制目标，分别挖掘机各电磁阀执行tm～t0的操作，继而完成步骤S327的控制发动机目标转速，以及铲斗油缸、斗杆油缸、动臂油缸、回转马达运动。
步骤S328，判断当前进行的反序列导航作业是否完成t0的工况参数：
如果当前挖掘机各姿态参数与t0的工况参数一致，反序列导航操作完成，执行步骤S319，导航结束；
如果当前挖掘机各姿态参数与t0的工况参数不一致，反序列导航操作未完成，执行步骤S312，持续进行反序列导航。
在本实施例中，由于在正序列导航、反序列导航作业前，均需要执行步骤S312，在进行自动导航操纵时，如果操纵手柄控制信号有效，自动停止自动导航，切换到手柄控制模式，保证手动操纵最高优先级。
在本实施例中，通过步骤S314与步骤S315组合，或者步骤S324与步骤S325组合，查询当前工况与导航工况的最接近值，保证任意时间点、挖掘机任意姿态下，只要导航操纵使能，挖掘机都能够根据姿态参数表与存储的参数表比较，找到最优导航路径，不受切入点限制。
在本实施例中，在进行自动导航操纵时，只需要正序列导航操作使能开关14和反序列导航操作使能开关15，选择导航的操纵方向并保持导航使能状态，挖掘机自动导航到指定目标，不需要操纵手柄控制。

Claims (7)

1.一种挖掘机自动导航作业方法，其特征在于，包括步骤：
(1)所述挖掘机作业时，预先记录司机操纵挖掘机形成的多个作业动作，形成一系列作业序列，每个序列内存储每一作业动作的作业信息，作业信息包括：回转运动的方向和/或速度，铲斗的方向和/或速度，斗杆的方向和/或速度，动臂的方向和/或速度，发动机转速大小；车载控制器存储时间t0～tn内挖掘机的作业信息，其中t0为操作记忆开关闭合的起始时间，tn为操作记忆开关由闭合切换为断开的时间节点；
(2)在执行剩余作业操作时，根据司机操作序列的方向要求和挖掘机当前姿态，匹配序列，并执行作业动作导航；根据左操纵手柄和右操纵手柄是否存在信息输入，以及正序列开关和反序列开关的闭合情况确定进行正序列导航作业或反序列导航作业；车载控制器根据当前回转角度传感器测量的回转运动的方向和/或速度、铲斗油缸长度传感器测量的铲斗的方向和/或速度、斗杆油缸长度传感器测量的斗杆的方向和/或速度、动臂油缸长度传感器测量的动臂的方向和/或速度、发动机转速大小，与存储在车载控制器中的操纵参数表进行比较，寻找最接近的工况，控制挖掘机进行正序列导航作业或反序列导航作业；执行直到作业信息与记录的tn时刻工作信息一致，此时完成自动作业动作导航。
2.根据权利要求1所述的挖掘机自动导航作业方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(11)车载控制器首先根据挖掘机左操纵手柄、右操纵手柄的信号，判断当前挖掘机司机是否通过操纵手柄操纵挖掘机，若判断结果为是，执行步骤(12)(13)，若判断结果为否，执行步骤(2)；
(12)车载控制器将手柄信号传输至挖掘机各作业部件，实现作业部件的运动，同时读取操作记忆开关状态；
(13)若此时操作记忆开关闭合，车载控制器存储时间t0～tn内挖掘机的作业信息；
若此时操作记忆开关断开，不记录挖掘机的作业信息。
3.根据权利要求1所述的挖掘机自动导航作业方法，其特征在于，所述步骤(2)在进行动作导航时，实时读取操纵手柄信号，如果操纵手柄控制信号有效，停止动作导航，切换到手柄控制模式。
4.一种挖掘机自动导航作业系统，其特征在于，包括操作记忆开关、导航使能开关和车载控制器；
车载控制器，具有通信单元和存储单元，用于实现权利要求1～3任一项所述的挖掘机自动导航作业方法；
操作记忆开关，输出使能开关信号至车载控制器，使车载控制器记录挖掘机工作信息；
导航使能开关，包括正序列开关和反序列开关，用于输出使能开关信号至车载控制器，使控制器控制作业部件动作。
5.根据权利要求4所述的挖掘机自动导航作业系统，其特征在于，操作记忆开关安装在操纵手柄上，开关闭合时把挖掘机司机的操纵意图和挖掘机当前各参数表传递给车载控制器，用于控制挖掘机动作和/或记录挖掘机姿态。
6.根据权利要求4所述的挖掘机自动导航作业系统，其特征在于，正序列开关、反序列开关为同一个三位常开触点开关，中位为空位，采用脚踏开关的形式安装在挖掘机司机室的地板上。
7.根据权利要求4所述的挖掘机自动导航作业系统，其特征在于，还包括：
设于挖掘机铲斗油缸上的铲斗油缸长度传感器、设于斗杆油缸上的斗杆油缸长度传感器和设于动臂油缸上的动臂油缸长度传感器，分别测量出铲斗、斗杆、动臂的姿态，传递给车载控制器，用于控制挖掘机动作和/或记录挖掘机姿态；
设于挖掘机回转机构上的回转角度传感器，用于测量挖掘机的回转角度，传递给车载控制器，用于控制挖掘机动作和/或记录挖掘机姿态；
设于挖掘机液压阀组内的铲斗油缸电磁阀、斗杆油缸电磁阀、动臂油缸电磁阀和回转马达电磁阀，分别从车载控制器读取操纵指令，控制挖掘机运动。
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