CN113047368A - 挖掘机电子围栏修正系统、修正方法和挖掘机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及挖掘机技术，为解决现有挖掘机电子围栏在挖掘机移动或姿态改变后需重新手动设置电子围栏的问题；提供一种挖掘机电子围栏修正系统、方法和挖掘机，其中修正系统包括用于设置挖掘机电子围栏的电子围栏设置系统，电子围栏设置系统依据挖掘机前方障碍物设置基于挖掘机坐标系的电子前围栏；修正系统还包括测距仪，测距仪安装于挖掘机的上部车身上，用于测量挖掘机上部车身与障碍物之间的机障距离；电子围栏设置系统计算测距仪在当前测量的当前机障距离与前一次测量的前次机障距离的前后距离差，并在挖掘机坐标系中将电子前围栏的坐标位置值沿X轴平移前后距离差的距离。本发明在挖掘机姿态发生变化后，可快速修正电子前围栏。

Description

挖掘机电子围栏修正系统、修正方法和挖掘机

技术领域

本发明涉及一种挖掘机技术，更具体地说，涉及一种挖掘机电子围栏修正系统、修正方法和挖掘机。

背景技术

电子围墙(或称电子围栏)是一种虚拟的围栏装置，应用在挖掘机作业场景下，电子围栏用于限定挖掘机工作装置的运动位置，当工作装置任意位置靠近电子围栏的边界时，挖掘机控制器锁定挖掘机的操作杆，以避免由于操作员的失误而造成的安全事故。

挖掘机电子围栏包括挖掘机工作装置中心平面内上下前后四个方向上边界，分别是电子上围栏、电子下围栏、电子前围栏和电子后围栏，分别用于限定挖掘机工作装置在前后上下方向上的移动范围。

挖掘机电子围栏是基于挖掘机坐标系建立的虚拟的围栏装置，电子围栏在挖掘机坐标系中的位置设置却是以挖掘机作业环境中的障碍物的位置为参考。当挖掘机行走移动或者其主机姿态发生变化(比如主机发生前倾或后倾)时，挖掘机主机相对障碍物的位置发生变化，但在挖掘机坐标系中，电子围栏在坐标系中的位置却保持不变。

因此，现有挖掘机中，挖掘机标定设置好电子围栏后，若挖掘机出现移动或姿态发生变化时需要重新标定设置挖掘机的电子围栏，否则挖掘机的电子围栏将不能起到使挖掘机避开障碍物的作用。而重新标定设置电子围栏，则比较繁琐，并且若挖掘机存在频繁移动时，每次移动后都需要重新设置电子围栏，其将严重影响挖掘机作业效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有挖掘机电子围栏在挖掘机移动或姿态改变后需重新手动设置电子围栏的问题，而提供一种挖掘机电子围栏修正系统、修正方法和挖掘机，用于在挖掘机移动时自动修正调整电子围栏的坐标位置，使电子围栏的坐标位置和障碍物与挖掘机的相对位置一致。

本发明为实现其目的的技术方案是这样的：提供一种挖掘机电子围栏修正系统，包括用于设置挖掘机电子围栏的电子围栏设置系统，所述电子围栏设置系统依据挖掘机前方障碍物设置基于挖掘机坐标系的电子前围栏；其特征在于修正系统还包括测距仪，测距仪安装于挖掘机的上部车身上，用于测量挖掘机上部车身与障碍物之间的机障距离；

电子围栏设置系统计算测距仪在当前测量的当前机障距离与前一次测量的前次机障距离的前后距离差，并在挖掘机坐标系中将电子前围栏的坐标位置值沿X轴平移前后距离差的距离。在本发明中，当挖掘机相对障碍物移动了一端距离后，通过测距仪测量挖掘机相对障碍物移动的距离(也即前后距离差)，将电子前围栏在挖掘机坐标系中的坐标位置值沿坐标系的X轴平移前后距离差的距离，从而使得挖掘机相对障碍物移动后的相对距离与挖掘机坐标系中电子前围栏于坐标轴(Y轴)的关系保持一致。这种修正系统结构简单，并且修正操作方便简单，测量挖掘机与障碍物之间的距离(简称机障距离)的工作，可以通程序设置定期测量，也可以在挖掘机移动后通过机手手动触发测量。测量机障距离后，基于挖掘机坐标系的电子前围栏自动修正。从而节省挖掘机作业过程中重新标定电子围栏的时间。

测距仪可以是激光雷达、超声波雷达、无线电测距装置等。障碍物可以是有形的，也可以是无形的，当障碍物无法被测距仪识别而难以测量机障距离时，可在障碍物上或障碍物所处位置设置标示靶板，以便精确测量机障距离。

上述挖掘机电子围栏修正系统中，所述挖掘机坐标系位于挖掘机工作装置的中心平面内，其Y轴平行于挖掘机回转中心轴线且穿过动臂与回转平台的铰接轴中点，X轴位于挖掘机的履带着地平面内。

上述挖掘机电子围栏修正系统中，所述修正系统还包括用于测量挖掘机上部车身前后倾角的倾角传感器；电子围栏设置系统计算倾角传感器在当前测量的当前倾角与前次测量的前次倾角的前后倾角差，并在挖掘机坐标系中将电子上围栏和电子下围栏的坐标位置值对应地沿Y轴方向移动，使移动后的电子上围栏和电子下围栏在挖掘机坐标系的X轴和Y轴反向转动前后倾角差的角度后的新坐标系中的Y轴坐标值与前次测量倾角时电子上围栏和电子下围栏在挖掘机坐标系中的Y轴坐标值一致。挖掘机电子围栏设置系统设置电子上围栏和电子下围栏时，机身通常处于水平状态，或者把挖掘机的着地面视为水平面，并以此作为挖掘机坐标系的X轴所在平面，当挖掘机作业时，挖掘机上部平台发生前后方向上的倾斜时，挖掘机坐标系中相对工作环境(以地面为参考)发生偏转。从而使得电子上围栏和电子下围栏在挖掘机坐标系中的坐标位置值与挖掘机设置的上部限制边界和下部限制边界不对应。本发明中通过测量上部车身的前后方向倾角，并以此对电子上围栏和电子下围栏进行修正调整。本发明通过测量挖掘机上部车身的前后方向倾角，并以此对电子上围栏和电子下围栏进行修正，其结构简单，修正过程快捷。

上述挖掘机电子围栏修正系统中，所述电子围栏设置系统还包括报警单元，如果倾角传感器测量的当前倾角与所述电子围栏设置系统设置电子上围栏和电子下围栏时测量的初始倾角的差值大于预定值时所述报警单元发出报警信息。当挖掘机上部平台的倾斜角度超过预定值时，通过修正系统修正后的电子围栏可能无法做到原先那样精确，需要重新设置电子围栏方能保证安全。此时修正系统通过报警单元，发出报警信息提示操作人员重新设定电子围栏，确保安全。

本发明为实现其目的的技术方案是这样的：提供一种挖掘机，其特征在于具有前述的挖掘机电子围栏修正系统。

本发明为实现其目的的技术方案是这样的：提供一种所述挖掘机包括电子围栏设置系统、测距仪；所述修正方法包括：

所述电子围栏设置系统依据挖掘机前方障碍物设置基于挖掘机坐标系的电子前围栏时通过测距仪测量挖掘机上部车身与障碍物之间的机障距离；随后在每次测量挖掘机上部车身与障碍物之间的机障距离后，计算当前机障距离与前一次测量的前次机障距离的前后距离差，并在挖掘机坐标系中将电子前围栏的坐标位置值沿X轴平移前后距离差的距离。

上述挖掘机电子围栏修正方法中，修正方法还包括测量挖掘机上部车身前后倾角；并依据前后倾角差进行坐标转换，将电子上围栏、电子下围栏、电子前围栏在前一次测量时的挖掘机坐标系中的坐标位置值转换为当前挖掘机坐标系中的坐标位置值；前一次测量时的挖掘机坐标系与当前挖掘机坐标系的坐标原点相同，对应坐标轴之间的夹角为前后倾角差。。

上述挖掘机电子围栏修正方法中，在电子围栏设置系统设置电子上围栏和电子下围栏时测量挖掘机上部车身前后方向上的初始倾角，若当前倾角与初始倾角的差值大于预定值时所述电子围栏设置系统通过报警单元发出报警信息。

上述挖掘机电子围栏修正方法中，所述挖掘机坐标系位于挖掘机工作装置的中心平面内，其Y轴平行于挖掘机回转中心轴线且穿过动臂与回转平台的铰接轴中点，X轴位于挖掘机的履带着地平面内。

本发明为实现其目的的技术方案是这样的：提供一种挖掘机，挖掘机的控制器包括存储器和处理器，其特征在于所述存储器用于存储程序指令，所述程序指令用于所述处理器进行操作以执行前述的挖掘机电子围栏修正方法。

本发明与现有技术相比，本发明在挖掘机发生移动、挖掘机姿态发生改变时可方便快捷地修正电子前围栏、电子上围栏和电子下围栏，避免操作者重新费时设置挖掘机电子围栏。

附图说明

图1是本发明挖掘机电子围栏修正系统的结构框图。

图2是本发明挖掘机的结构和电子围栏布置示意图。

图3是本发明挖掘机电子前围栏的修正示意图图。

图4是本发明挖掘机电子上围栏和电子下围栏的修正示意图。

图中零部件名称及序号：

电子围栏设置系统10、仪表11、控制器12、操控装置13、报警单元14、位姿传感器15、测距仪3、倾角传感器3、下部车身41、回转平台42、动臂43、斗杆44、铲斗45、着地面46、电子下围栏51、电子前围栏52、电子上围栏53、地面54、障碍物6。

具体实施方式

下面结合附图说明具体实施方案。

如图1所示，本实施例中的挖掘机电子围栏修正系统包括电子围栏设置系统10、测距仪2、倾角传感器3。

电子围栏设置系统10用于设置挖掘机的电子围栏，电子围栏设置系统10包括控制器12、操控装置13、仪表11、位姿传感器15、报警单元14等。位姿传感器15包括动臂位姿传感器、斗杆位姿传感器、铲斗位姿传感器，分别用于测量动臂43与回转平台42之间的转动角度、斗杆44与动臂43之间的转动角度、铲斗45与斗杆44之间的角度。

如图2所示，挖掘机包括上部车上和下部车身41，上部车上的回转平台回转安装于下部车身上。工作装置包括动臂43、斗杆44、铲斗45以及相应的液压油缸构成。仪表具有输入显示等模块，用于向控制器12输入一些相关的参数和控制指令等。控制器12通过位姿传感器15检测动臂与回转平台之间的角度、斗杆与动臂之间的角度、铲斗与斗杆之间的角度以及各部件的尺寸参数而计算出工作装置在当前姿态下各关键点在挖掘机坐标系中的坐标位置值。

挖掘机坐标系XOY位于工作装置的中心平面中，其Y轴是与回转平台51中心轴线平行，并且Y轴经过动臂52与回转平台51的铰接销轴的中心点。X轴位于挖掘机的履带着地平面46内。

电子围栏设置系统10用于设置挖掘机的电子围栏，包括设置挖掘机电子前围栏52、电子上围栏53和电子下围栏51。电子围栏设置系统10设置电子围栏时，选择所要设置的电子围栏,如选择电子前围栏，然后操作操控装置13控制挖掘机的工作装置移动，使工作装置的某个预定点例如铲斗的齿尖接近障碍物，控制器12通过位姿传感器15测量相关角度而确定铲斗齿尖在挖掘机坐标系XOY中的坐标位置，并将铲斗齿尖此时在挖掘机坐标系XOY中的坐标位置作为电子前围栏的一个电子围栏分界点，控制器13根据给电子围栏分界点确定为竖直状的电子前围栏；也可以用通过再次操作操控装置控制挖掘机的工作装置移动，并使铲斗齿尖在另外一个位置接近障碍物，控制器通过位姿传感器测量相关角度而确定铲斗齿尖此时在挖掘机坐标系中的坐标位置，并将铲斗齿尖此时在挖掘机坐标系中的坐标位置作为电子前围栏的另一个电子围栏分界点，控制器通过两个电子围栏分界点设置电子前围栏。此时电子前围栏可以呈倾斜状。必要时还可以标定三个甚至更多的电子围栏分界点，使挖掘机的电子前围栏呈折线状，适配挖掘机前端障碍物的形状。电子围栏设置系统可以采用电子前围栏的设置方法设置挖掘机的电子上围栏和电子下围栏。

如图3所示，测距仪2和倾角传感器3安装在挖掘机的上部车身上，例如安装在回转平台上。测距仪2用于测量挖掘机上部车身与挖掘机前方障碍物6之间的距离。机障距离的测量可以是固定时间间隔自动测量，也可以是在挖掘机移动之后由操作者通过仪表手动触发测量。

挖掘机电子围栏修正系统根据前后两次测量的机障距离差而调整电子前围栏在挖掘机坐标系中的坐标位置值，即修正电子前围栏，具体方法如下。

如图3所示，挖掘机相对障碍物停留在实线位置，并在此位置设置电子前围栏52。相对于障碍物6的挖掘机坐标系XOY的坐标原点为O点，电子前围栏52在坐标系XOY中的坐标是A(X,Y),测距仪2测量到挖掘机上部车身与障碍物6之间的机障距离为D1。挖掘机工作一段时间后，操作者驾驶挖掘机向前移动一段距离后，通过测距仪2测量到挖掘机上部车身与障碍物之间的机障距离为D2，前后两次测量的机障距离的差值为d。

挖掘机向障碍物6方向移动了距离d之后，其位置如图中虚线所示，挖掘机坐标系也向障碍物的方向移动了距离d，其坐标原点由原来的O点移动至O’点，在图中由坐标系XOY变化为XO’Y’。为了确保操作安全，电子前围栏52还应保持相对障碍物的位置不变，因此需要修正电子前围栏在坐标系XO’Y’中的坐标位置。电子前围栏52在坐标系XO’Y’中的坐标位置也即是修正后的电子前围栏。修正后的电子前围栏52在坐标系XO’Y’(也即挖掘机移动后的挖掘机坐标系)中的坐标位置值为A(X-d，Y)。挖掘机在移动后的位置作业，以修正后的电子前围栏进行保护控制，可避免挖掘机的铲斗碰到前部的障碍物。

挖掘机电子围栏修正系统还可以修正电子上围栏和电子下围栏，具体方法如下。

如图4所示，电子围栏设置系统10设置电子上围栏53、电子下围栏51、电子前围栏52时的姿态如图中实线所示，其挖掘机坐标系为XOY,在挖掘机坐标系XOY中的设置的电子上围栏53和电子下围栏51为平行围栏，与地面54平行(挖掘机坐标系的X轴与地面平行)、电子前围栏52与地面垂直。挖掘机工作一段时间后，其姿态发生变化，即回转平台在前后方向上发生倾斜，其状态如图中虚线所示。相应地挖掘机坐标系也由图中的XOY坐标系转动至X’OY’坐标系，XOY坐标系与X’OY’坐标系之间的夹角为a。若不对电子上围栏53、电子下围栏51、电子前围栏52进行修正，电子上围栏53也由实线C变化为虚线C’位置，电子下围栏51也由实线B变化为虚线B’位置，电子前围栏52也由实线A变化为虚线A’，电子上围栏53和电子下围栏51、电子前围栏52(虚线位置)在坐标系X’OY’的坐标位置值不发生变化，但相对挖掘机回转平台前后方向倾斜前在坐标系XOY(也即前一次测量时的挖掘机坐标系)中的坐标位置值发生改变，电子前围栏52、电子上围栏53和电子下围栏51相对地面的位置高度都具有相应的升高抬高，并且发生一定的倾斜。若挖掘机以修正之前的电子前围栏52、电子上围栏53和电子下围栏51(图4中的虚线A’虚线C’和虚线B’)作为限制边界，挖掘机工作时工作装置的关键位置点有可能会突破至实线C以上虚线C’以下的部位，与上部障碍物发生碰撞(工作装置的关键位置点需要到达虚线C’的位置，电子围栏控制系统才会限制工作装置的移动动作)。同样，铲斗45也只能在虚线B’的上方移动，不能挖掘虚线B’以下、实线B以上位置的物料，电子前围栏52(虚线位置)也与前方的障碍物的实际位置不一致。

本实施例中对挖掘机回转平台前后方向倾斜后通过倾角传感器3检测回转平台前后方向上的倾角，并计算前后两次倾角的差值a，利用几何坐标变换原理，使挖掘机前后倾斜后，电子前围栏、电子上围栏和电子下围栏在当前坐标系X’OY’(回转平台倾斜之后挖掘机坐标系)中的坐标位置值仍处于图中实线C和实线B处，也即回转平台倾斜后，电子前围栏、电子上围栏和电子下围栏在前一次测量时的挖掘机坐标系XOY中的坐标位置值保持不变，(也即电子前、上、下围栏在以地面为参考的绝对坐标系中位置不变)，使得挖掘机在其回转平台前后方向倾斜后，工作装置移动时其最高点不能突破实线C的位置高度(电子上围栏相对地面的高度)，最低点不能向下突破实线B的位置高度，最前点不能向前突破实线A的位置高度，实现了电子上围栏和电子下围栏在挖掘机坐标系的坐标位置值自动修正。

当挖掘机回转平台的前后方向上的倾角与设置电子上围栏和电子下围栏时的初始倾角相比，其倾角差大于一定值时，通过坐标系变换修正后电子上围栏和电子下围栏与初始设置的电子上围栏和电子下围栏的重合度较低，其差别较大，有可能达不到电子围栏对挖掘机工作装置移动范围限制的要求，此时电子围栏设置系统通过报警单元发出报警信息，提示操作者通过电子围栏设置系统重新设置电子上围栏和电子下围栏，以确保电子围栏具有对工作装置的移动范围具有有效的限制。

在本实施例中，若挖掘机前后两侧测量的时间间隔内，挖掘机相对前障碍物发生了位移，回转平台又有倾斜的变化，挖掘机电子围栏修正系统先根据位移量对电子前围栏进行修正，再根据倾角差对电子上围栏、电子下围栏以及修正后电子前围栏进行修正。

Claims (10)

1.一种挖掘机电子围栏修正系统，包括用于设置挖掘机电子围栏的电子围栏设置系统，所述电子围栏设置系统依据挖掘机前方障碍物设置基于挖掘机坐标系的电子前围栏；其特征在于修正系统还包括测距仪，所述测距仪安装于挖掘机的上部车身上，用于测量挖掘机上部车身与障碍物之间的机障距离；

电子围栏设置系统计算测量的当前机障距离与前一次测量的前次机障距离的前后距离差，并在挖掘机坐标系中将电子前围栏的坐标位置值沿X轴平移前后距离差的距离。

2.根据权利要求1所述的挖掘机电子围栏修正系统，其特征在于所述挖掘机坐标系位于挖掘机工作装置的中心平面内，其Y轴平行于挖掘机回转中心轴线且穿过动臂与回转平台的铰接轴中点，X轴位于挖掘机的履带着地平面内。

3.根据权利要求1或2所述的挖掘机电子围栏修正系统，其特征在于所述修正系统还包括用于测量挖掘机上部车身前后倾角的倾角传感器；

电子围栏设置系统计算倾角传感器在当前测量的当前倾角与前次测量的前次倾角的前后倾角差，并在挖掘机坐标系中将电子上围栏和电子下围栏的坐标位置值对应地沿Y轴方向移动，使移动后的电子上围栏和电子下围栏在挖掘机坐标系的X轴和Y轴反向转动前后倾角差的角度后的新坐标系中的Y轴坐标值与前次测量倾角时电子上围栏和电子下围栏在挖掘机坐标系中的Y轴坐标值一致。

4.根据权利要求3所述的挖掘机电子围栏修正系统，其特征在于所述电子围栏设置系统还包括报警单元，如果倾角传感器测量的当前倾角与所述电子围栏设置系统设置电子上围栏和电子下围栏时测量的初始倾角的差值大于预定值时所述报警单元发出报警信息。

5.一种挖掘机，其特征在于具有权利要求1至4中任一项所述的挖掘机电子围栏修正系统。

6.一种挖掘机电子围栏修正方法，其特征在于，所述挖掘机包括电子围栏设置系统、测距仪；所述修正方法包括：

所述电子围栏设置系统依据挖掘机前方障碍物设置基于挖掘机坐标系的电子前围栏时通过测距仪测量挖掘机上部车身与障碍物之间的机障距离；随后在每次测量挖掘机上部车身与障碍物之间的机障距离后，计算当前机障距离与前一次测量的前次机障距离的前后距离差，并在挖掘机坐标系中将电子前围栏的坐标位置值沿X轴平移前后距离差的距离。

7.根据权利要求6所述的挖掘机电子围栏修正方法，其特征在于修正方法还包括测量挖掘机上部车身前后倾角；

电子围栏设置系统计算当前倾角与前一次测量的前次倾角的前后倾角差，并依据前后倾角差进行坐标转换，将电子上围栏、电子下围栏、电子前围栏在前一次测量时的挖掘机坐标系中的坐标位置值转换为当前挖掘机坐标系中的坐标位置值；前一次测量时的挖掘机坐标系与当前挖掘机坐标系的坐标原点相同，对应坐标轴之间的夹角为前后倾角差。

8.根据权利要求7所述的挖掘机电子围栏修正方法，其特征在于；

在电子围栏设置系统设置电子上围栏和电子下围栏时测量挖掘机上部车身前后方向上的初始倾角，若当前倾角与初始倾角的差值大于预定值时所述电子围栏设置系统通过报警单元发出报警信息。

9.根据权利要求6至7中任一项所述的挖掘机电子围栏修正方法，其特征在于所述挖掘机坐标系位于挖掘机工作装置的中心平面内，其Y轴平行于挖掘机回转中心轴线且穿过动臂与回转平台的铰接轴中点，X轴位于挖掘机的履带着地平面内。

10.一种挖掘机，挖掘机的控制器包括存储器和处理器，其特征在于所述存储器用于存储程序指令，所述程序指令用于所述处理器进行操作以执行根据权利要求6-9中任一项挖掘机电子围栏修正方法。

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