CN113220065B - 一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，采用基于霍尔传感器的手柄控制方法，实现非接触式的摇杆数据传感，减轻因接触和运动磨损对手柄使用寿命的影响，具有灵敏度较高，性能较好的特性，使得手柄机构操作更加灵活，提升手柄的使用寿命；采用双手协同控制的方式，使用两个三自由度的手柄模拟真实挖掘机的驾驶环境，有利于达到良好的远程操控效果，提高操作者在远程操作过程中的临场感；充分考虑了驾驶员的操作习惯，通过左右手手柄不同自由度的组合，分别控制挖掘机的行走和工作，在结构、运动自由度和工作范围上模拟真实挖掘机的操纵杆，还原挖掘机驾驶的人机交互环境。

Description

一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统

技术领域

本发明实施例涉及远程遥控驾驶技术领域，尤其涉及一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统。

背景技术

在挖掘机远程遥控驾驶领域，操纵机构作为远程驾驶人机交互的重要接口，其性能是影响操作者作业体验的关键。遥控端的操纵机构由操作手柄、脚踏板等组成。一般的操作手柄使用的传感器多为电位器或光电传感器，但使用过程中的机械磨损对手柄的使用寿命造成较大的影响。

随着机器人技术的不断发展，机器人被广泛应用在工业生产、医疗设备、娱乐设施、军事、航空航天等多个领域，促进了现代社会的高速发展。随着人类探索与工作的环境越来越广泛，在人类无法进入且环境危险、复杂场合，如太空空间探索、核工业作业、水下勘查等领域，机器人难以根据预设程序独自完成工作任务。因此，面对恶劣复杂的工作环境，利用人机交互模式的远程操控机器人技术，能够将人类与机器人的特点相结合，充分发挥了人类的经验、智慧与判断力以及机器人精确、稳定、可在恶劣环境中作业的优势，使人类能够远离恶劣环境的同时对复杂危险的工作任务进行处理。

在远程遥控操作系统中，操作者通过操作主端设备，再由主端设备控制从端设备来完成工作任务。典型的远程遥控操作系统由操作者、本地控制机构、计算机、通信通道、从端机器人与现场环境组成。伴随着操作任务复杂度升级，本地控制机构从单一的鼠标、键盘交互方式向驾驶杆，操纵手柄等特殊运动输入设备的方向发展。

挖掘机在危险工况下作业的事故频发，一方面导致工期拖延，另一方面也带来了人身财产的损失。为保障挖掘机作业中的人身安全，可通过远程操控的方式控制挖掘机。操控主手是操纵挖掘机运动并控制其各项功能的装置，其操作手柄不仅需要满足人体工学的设计要求，还需要在结构、运动自由度和工作范围上均与挖掘机的操纵杆相似，从而还原挖掘机驾驶的人机交互环境。现有的远程操作手柄大多采用电位器或光电传感器来检测摇杆手柄的角度信息，当手柄的位置发生变化时会引起电位器的滑动，从而可以得到与手柄位置相对应的电压信号。

目前的远程操控的操作手柄采用滑动电位器来检测手柄的动作位置，但由于是采用接触型传感器，在高频次的使用条件下容易造成机械磨损，使得手柄的操纵精确度和平滑度下降，降低手柄的使用寿命。而使用电感式的操纵杆则具有抑制干扰能力和稳定性不足的特点。

发明内容

本发明实施例提供一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，采用基于霍尔传感器的手柄控制方法，实现非接触式的控制信号输入，减轻因接触和运动磨损对手柄使用寿命的影响；采用两个三自由度手柄控制方式，通过左右手手柄的不同操作方式，模拟真实挖掘机左右手操纵杆的操作环境，提高操作者在远程操作过程中的临场感。

本发明实施例提供一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，包括：

第一三自由度摇杆手柄、第二三自由度摇杆手柄、霍尔传感器、手柄控制器和底座支架；

所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄分别固定在所述底座支架上；且所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄均可绕空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴旋转；

所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄连接所述霍尔传感器，所述霍尔传感器通过串行外设接口SPI连接所述手柄控制器；

所述霍尔传感器用于采集所述第一三自由度摇杆手柄的第一三轴数据和所述第二三自由度摇杆手柄的第二三轴数据，并传输至所述手柄控制器；所述手柄控制器用于将所述第一三轴数据和所述第二三轴数据发送至上位机，以使所述上位机在预设规则中匹配出与所述第一三轴数据和所述第二三轴数据组合下对应的动作控制指令。

作为优选的，所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄分别连接有半球面万向节；所述底座支架上套设有复位弹簧，所述半球面万向节连接所述复位弹簧。

作为优选的，所述第一三自由度摇杆手柄顶端设有第一按键，所述第二三自由度摇杆手柄的顶端设有第二按键。

作为优选的，所述手柄控制器包括中断处理器，所述霍尔传感器、所述第一按键和所述第二按键连接有中断处理器；所述中断处理器用于通过中断I/O中断进行检测所述霍尔传感器、所述第一按键和所述第二按键的数据。

作为优选的，所述手柄控制器通过定时采样的方式读取所述霍尔传感器采集的所述第一三轴数据和所述第二三轴数据，并进行滤波和校准后打包，通过USB通信发送至上位机；

所述手柄控制器用于在所述霍尔传感器和/或所述第一按键和/或所述第二按键的状态发生变化时，将所述第一三轴数据、第二三轴数据和/或所述第一按键的数据和/或所述第二按键的数据发送至上位机。

作为优选的，所述霍尔传感器采用分离的SPI信号线，所述SPI信号线包括MOSI线、MISO线、SS线和SCLK线。

作为优选的，还包括降压模块，所述降压模块连接所述手柄控制器。

本发明实施例提供的一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，采用基于霍尔传感器的手柄控制方法，实现非接触式的摇杆数据传感，减轻因接触和运动磨损对手柄使用寿命的影响，具有灵敏度较高，性能较好的特性，使得手柄机构操作更加灵活，提升手柄的使用寿命；采用双手协同控制的方式，使用两个三自由度的手柄模拟真实挖掘机的驾驶环境，有利于达到良好的远程操控效果，提高操作者在远程操作过程中的临场感；充分考虑了驾驶员的操作习惯，通过左右手手柄不同自由度的组合，分别控制挖掘机的行走和工作，在结构、运动自由度和工作范围上模拟真实挖掘机的操纵杆，还原挖掘机驾驶的人机交互环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的摇杆手柄示意图；

图2为根据本发明实施例的摇杆手柄双手协同操作控制挖掘机方向方案示意图；

图3为根据本发明实施例的摇杆手柄双手协同操作控制挖掘机铲斗方案示意图；

图4为根据本发明实施例的摇杆手柄控制软件流程图；

图5为根据本发明实施例的摇杆手柄硬件电路原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

目前的远程操控的操作手柄采用滑动电位器来检测手柄的动作位置，但由于是采用接触型传感器，在高频次的使用条件下容易造成机械磨损，使得手柄的操纵精确度和平滑度下降，降低手柄的使用寿命。而使用电感式的操纵杆则具有抑制干扰能力和稳定性不足的特点。

因此，本发明实施例提供一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，目前的远程操控的操作手柄采用滑动电位器来检测手柄的动作位置，但由于是采用接触型传感器，在高频次的使用条件下容易造成机械磨损，使得手柄的操纵精确度和平滑度下降，降低手柄的使用寿命。而使用电感式的操纵杆则具有抑制干扰能力和稳定性不足的特点。以下将通过实施例进行展开说明和介绍。

图1为本发明实施例提供一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，包括：

第一三自由度摇杆手柄、第二三自由度摇杆手柄、霍尔传感器、手柄控制器和底座支架；

所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄分别固定在所述底座支架上；且所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄均可绕空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴旋转；

所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄连接所述霍尔传感器，所述霍尔传感器通过串行外设接口SPI连接所述手柄控制器；

所述霍尔传感器用于采集所述第一三自由度摇杆手柄的第一三轴数据和所述第二三自由度摇杆手柄的第二三轴数据，并传输至所述手柄控制器；所述手柄控制器用于将所述第一三轴数据和所述第二三轴数据发送至上位机，以使所述上位机在预设规则中匹配出与所述第一三轴数据和所述第二三轴数据组合下对应的动作控制指令。

具体的，本发明实施例的摇杆手柄(第一三自由度摇杆手柄和第二三自由度摇杆手柄)示意图如图1所示。摇杆手柄1具有3轴，即3自由度手柄，其三个自由度分别是绕x轴旋转、绕y轴旋转和绕z轴旋转。摇杆手柄1通过一个半球面万向节固定在底座支架3上，当操控摇杆手柄1进行前后、左右、和沿轴向旋转过程中，能输出对应的3轴角度数据。

采用基于霍尔传感器的手柄控制方法，实现非接触式的摇杆数据传感，减轻因接触和运动磨损对手柄使用寿命的影响，具有灵敏度较高，性能较好的特性，使得手柄机构操作更加灵活，提升手柄的使用寿命；采用双手协同控制的方式，使用两个三自由度的手柄模拟真实挖掘机的驾驶环境，有利于达到良好的远程操控效果，提高操作者在远程操作过程中的临场感；充分考虑了驾驶员的操作习惯，通过左右手手柄不同自由度的组合，分别控制挖掘机的行走和工作，在结构、运动自由度和工作范围上模拟真实挖掘机的操纵杆，还原挖掘机驾驶的人机交互环境。

第一三自由度摇杆手柄、第二三自由度摇杆手柄双手协同操作控制方案示意图如图2和图3所示。其中图2为两个摇杆手柄配合控制挖掘机方向的组合示意图，图3为两个摇杆手柄配合控制挖掘机铲杆、铲斗示意图，当两个手柄同时前推或后推时控制挖掘机前进或后退，当两个手柄一前一后时控制挖掘机左转或右转，而左手柄的左、右推和顺、逆时针旋转分别控制着挖掘机的斗杆和车体，右手柄的左、右推和顺、逆时针旋转则分别控制着挖掘机的铲斗和动臂，图3中，(1)表示车体顺时针旋转，(2)表示都敢收缩，(3)表示车体逆时针旋转，(4)表示斗杆展开，(5)表示动臂抬升，(6)表示铲斗张开，(7)表示动臂降落，(8)表示铲斗闭合。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄分别连接有半球面万向节；所述底座支架上套设有复位弹簧，所述半球面万向节连接所述复位弹簧。

在支架周围半球面万向节的下方安装一个复位弹簧，复位弹簧外设有密封圈4。当使用者操控摇杆手柄1时，通过半球面万向节可方便地实现3自由度连续操控，在操控过程中，前后和左右(分别对应x、y轴)方向的操控会对复位产生压迫，从而保证操控力释放后手柄会回到初始竖直位置。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述第一三自由度摇杆手柄顶端设有第一按键(如图1中标号的按键2)，所述第二三自由度摇杆手柄的顶端设有第二按键。

为了拓展手柄功能，摇杆手柄顶部设计了按键输入功能，使用者可在操控摇杆手柄的同时按下按键，实现复杂的操控功能。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述手柄控制器包括中断处理器，所述霍尔传感器、所述第一按键和所述第二按键连接有中断处理器；所述中断处理器用于通过中断I/O中断进行检测所述霍尔传感器、所述第一按键和所述第二按键的数据。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述手柄控制器通过定时采样的方式读取所述霍尔传感器采集的所述第一三轴数据和所述第二三轴数据，并进行滤波和校准后打包，通过USB通信发送至上位机；

所述手柄控制器用于在所述霍尔传感器和/或所述第一按键和/或所述第二按键的状态发生变化时，将所述第一三轴数据、第二三轴数据和/或所述第一按键的数据和/或所述第二按键的数据发送至上位机。

手柄控制器的控制软件流程图如图4所示。摇杆系统软件主要实现按键的数据和摇杆手柄的3轴数据的采集、数据处理和计算，并通过USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)通信实现与上位计算机之间的数据传输。其中初始化设置主要实现控制器的内部寄存器设置，设置系统时钟频率、定时器设置、外部I/O端口设置、通信方式、通信速率、SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)参数初始化以及中断相关设置等；功能按键(第一按键、第二按键)和3轴角度等数据的采集是通过中断处理程序实现；其中按键通过外部I/O中断进行检测。当有按键按下时，进入外部中断检测具体的按键状态。控制器通过定时采样方式读取霍尔传感器内部的3轴数据，控制器成功获取传感器数据后，则对数据进行处理和打包，并通过USB通信发送出去。其中按键数据信息可以直接传送，但摇杆手柄的3轴数据需要进行滤波和校准后再进行传送。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述霍尔传感器采用分离的SPI信号线，所述SPI信号线包括MOSI线、MISO线、SS线和SCLK线。

手柄控制器硬件电路原理图如图5所示。控制器通过SPI接口与霍尔传感器相连，其中霍尔传感器使用全双工的SPI协议，因此采用分离的SPI信号线：MOSI线，MISO线，SS线和SCLK线。而按键输入为数字信号。当按键被按下时，与按键相连的I/O端口会接收到一个低电平信号，程序会做出相应的处理。在工作过程中，手柄控制主程序将实时监测传感器和按键的状态变化，当状态发生变化时则通过USB通讯方式发送数据到上位计算机，状态无变化则不发送数据。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，还包括降压模块，所述降压模块连接所述手柄控制器。

本发明实施例提供的一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，采用基于霍尔传感器的手柄控制方法，实现非接触式的摇杆数据传感，减轻因接触和运动磨损对手柄使用寿命的影响，具有灵敏度较高，性能较好的特性，使得手柄机构操作更加灵活，提升手柄的使用寿命；采用双手协同控制的方式，使用两个三自由度的手柄模拟真实挖掘机的驾驶环境，有利于达到良好的远程操控效果，提高操作者在远程操作过程中的临场感；充分考虑了驾驶员的操作习惯，通过左右手手柄不同自由度的组合，分别控制挖掘机的行走和工作，在结构、运动自由度和工作范围上模拟真实挖掘机的操纵杆，还原挖掘机驾驶的人机交互环境。

本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidStateDisk)等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，该流程可以由计算机程序来指令相关的硬件完成，该程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。而前述的存储介质包括：ROM或随机存储记忆体RAM、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，其特征在于，包括：

第一三自由度摇杆手柄、第二三自由度摇杆手柄、霍尔传感器、手柄控制器和底座支架；

所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄分别固定在所述底座支架上；且所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄均可绕空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴旋转；

所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄连接所述霍尔传感器，所述霍尔传感器通过串行外设接口SPI连接所述手柄控制器；

所述霍尔传感器用于采集所述第一三自由度摇杆手柄的第一三轴数据和所述第二三自由度摇杆手柄的第二三轴数据，并传输至所述手柄控制器；所述手柄控制器用于将所述第一三轴数据和所述第二三轴数据发送至上位机，以使所述上位机在预设规则中匹配出与所述第一三轴数据和所述第二三轴数据组合下对应的动作控制指令；

所述第一三自由度摇杆手柄顶端设有第一按键，所述第二三自由度摇杆手柄的顶端设有第二按键；

所述手柄控制器通过定时采样的方式读取所述霍尔传感器采集的所述第一三轴数据和所述第二三轴数据，并进行滤波和校准后打包，通过USB通信发送至上位机；

所述手柄控制器用于在所述霍尔传感器和/或所述第一按键和/或所述第二按键的状态发生变化时，将所述第一三轴数据、第二三轴数据和/或所述第一按键的数据和/或所述第二按键的数据发送至上位机。

2.根据权利要求1所述的用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，其特征在于，所述第一三自由度摇杆手柄和所述第二三自由度摇杆手柄分别连接有半球面万向节；所述底座支架上套设有复位弹簧，所述半球面万向节连接所述复位弹簧。

3.根据权利要求1所述的用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，其特征在于，所述手柄控制器包括中断处理器，所述霍尔传感器、所述第一按键和所述第二按键连接有中断处理器；所述中断处理器用于通过中断I/O中断进行检测所述霍尔传感器、所述第一按键和所述第二按键的数据。

4.根据权利要求1所述的用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，其特征在于，所述霍尔传感器采用分离的SPI信号线，所述SPI信号线包括MOSI线、MISO线、SS线和SCLK线。

5.根据权利要求1所述的用于远程操作的挖掘机手柄控制系统，其特征在于，还包括降压模块，所述降压模块连接所述手柄控制器。

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