CN113445567B - 自主作业装载机行走速度控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及装载机铲装技术，为解决针对现有装载机自主作业行驶速度快慢控制的问题；提供一种自主作业装载机行走速度控制系统及控制方法，其中系统包括用于每次作业循环中装载机在铲料路线上行驶时采集整车在竖直方向上的加速度信息的加速度检测装置、用于检测运料路线上行驶时对运料路线地面平整度的地面平整度检测装置；数据处理模块根据采集的加速度信息确定铲料路线上的行驶速度限值，根据地面平整度信息确定作业循环中装载机在运料路线上的行驶速度限值。本发明同时兼顾机器安全和作业效率，避免装载机的行驶速度过快而产生幅度过大的颠簸造成机器的损坏，同时又避免装载机的行驶速度过慢而影响作业效率。

Description

自主作业装载机行走速度控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种装载机铲装技术，更具体地说，涉及一种自主作业装载机行走速度控制系统及控制方法。

背景技术

随着用工成本的不断增加，以及智能化技术的发展，装载机的无人化自主作业将会成为未来的发展趋势。

然而实现装载机的自主化作业仍需要解决诸多问题。譬如装载机铲装过程中行驶速度快慢的控制，在路面不平整情况下，若装载机的行驶速度过快，则整机颠簸严重，容易损坏机器，若装载机的行驶速度过慢，则又容易影响作业效率，如何根据作业现场路面的平整情况对装载机行驶速度进行控制，使装载机在作业过程中能够快速平稳地行驶，这是装载机实现自主铲装作业迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有装载机自主作业行驶速度快慢控制的问题，而提供一种自主作业装载机行走速度控制系统及控制方法，使装载机在无人化自主作业时使装载机选择较为恰当的行驶速度，兼顾机器安全与作业效率。

本发明为实现其目的的技术方案是这样的：提供一种自主作业装载机行走速度控制系统，包括用于控制装载机按规划的铲料路线和运料路线在料堆与卸料点之间行驶并完成作业循环的整车控制单元；

其特征在于控制系统还包括安装于装载机上的加速度检测装置、地面平整度检测装置和数据处理模块：

所述加速度检测装置用于每次作业循环中装载机在铲料路线上行驶时采集整车在竖直方向上的加速度信息；

所述地面平整度检测装置用于检测装载机在运料路线上行驶时对运料路线地面平整度；

所述数据处理模块用于根据每次作业循环在铲料路线上采集的加速度信息确定并向整车控制单元发送下一作业循环中装载机在铲料路线上的行驶速度限值指令，和用于根据运料路线地面平整度信息确定并向整车控制单元发送每次后续作业循环中自装载机在运料路线上的行驶速度限值指令。

在本发明中，装载机往返料堆与卸料点之间，在铲料路线和运料路线分别根据竖直方向上的加速度信息和地面平整度对装载机的行驶上限速度进行调整，使装载机行驶在合理的速度下，同时兼顾机器安全和作业效率，避免装载机的行驶速度过快而产生幅度过大的颠簸造成机器的损坏，同时又避免装载机的行驶速度过慢而影响作业效率。

在本发明中，预先规划好装载机在料堆与卸料点之间行驶路线。铲料路线和运料路线是构成装载机在料堆与卸料点之间行驶路线的两段路线，其分界点为人为设定，例如在料堆与卸料点之间行驶路线距料堆的距离为某值的位置作为铲料路线和运料路线的分界点，位于分界点靠料堆侧的行驶路线为铲料路线，位于分界点靠卸料点一侧的行驶路线为运料路线。

上述自主作业装载机行走速度控制系统中，所述加速度检测装置为惯性导航模块，所述地面平整度检测装置为安装在装载机尾部的激光雷达。

上述自主作业装载机行走速度控制系统中，控制系统还包括至少三个布置于作业场地UWB基站且其中至少有三个UWB基站处于同一个水平面；所述装载机上设置有与数据处理模块连接用于与UWB基站进行单边双向通信测距的UWB标签。进一步地，所述UWB标签为两个且间隔布置安装在装载机后部车身顶部，其中一个UWB标签的安装位置与所述加速度检测装置的安装位置相同。

本发明为实现其目的的技术方案是这样的：提供一种自主作业装载机行走速度控制方法，装载机按规划的铲料路线和运料路线在料堆与卸料点之间行驶并完成作业循环；其特征在于包括如下步骤：

每次作业循环中检测装载机行驶在铲料路线上时在竖直方向上的加速度信息，并根据每次检测的加速度信息确定下次作业循环中装载机在铲料路线上的铲料行驶速度限值；根据装载机首次在运料路线上行驶时对运料路线地面平整度进行检测，并根据检测到的地面平整度确定后续作业循环中装载机在运料路线上的运料行驶速度限值；

装载机整车控制单元将铲料行驶速度限值和运料行驶速度限值分别作为装载机在铲料路线和运料路线上行驶的上限目标速度控制装载机行驶。

上述自主作业装载机行走速度控制方法中，在每进行预定次数的作业循环后重新对运料路线地面平整度进行检测，并根据重新获得的平整度确定后续作业循环中装载机在运料路线上的运料行驶速度限值。

上述自主作业装载机行走速度控制方法中，所述铲料行驶速度限值Vc＝Vcs-Vcr，其中Vcs为铲料速度设定值，Vcr为铲料速度调节值，依据加速度信息计算确定装载机在铲料路线上的加速度平均值，Vcr与加速度平均值呈正比例。

上述自主作业装载机行走速度控制方法中，每次作业循环所述加速度信息检测包括装载机驶向料堆方向上的铲前加速度信息检测和/或铲料结束后驶离料堆方向上的铲后加速度信息检测并根据对应的加速度信息确定装载机在铲料路线上对应行驶方向上的铲料行驶速度限值。

上述自主作业装载机行走速度控制方法中，所述运料行驶速度限值Vt＝Vts-Vtr，其中Vts为运料速度设定值，Vtr为运料速度调节值；所述运料路线地面平整度检测包括获取运料路线上行驶方向上相邻两个扫描点的高度差并计算各高度差的高度差平均值，Vtr与高度差平均值呈正比例。

上述自主作业装载机行走速度控制方法中，所述运料路线地面平整度扫描包括装载机驶向卸料点方向上的卸料路线地面平整度检测和/或卸料后返回路线的地面平整度检测并根据对应的地面平整度确定装载机在运料路线上对应行驶方向上的铲料行驶速度限值。

本发明与现有技术相比，在本发明中，装载机往返料堆与卸料点之间，在铲料路线和运料路线分别根据竖直方向上的加速度信息和地面平整度对装载机的行驶上限速度进行调整，使装载机行驶在合理的速度下，同时兼顾机器安全和作业效率，避免装载机的行驶速度过快而产生幅度过大的颠簸造成机器的损坏，同时又避免装载机的行驶速度过慢而影响作业效率。

附图说明

图1是本发明装载机作业场景示意图。

图2是UWB基站坐标系示意图。

图3是UWB基站、卸料点和装载机之间的通信示意图。

图4是装载机上激光雷达安装位置示意图。

图中零部件名称及序号：

UWB基站1、装载机2、数据处理与显示模块21、车载定位UWB标签22、惯性导航模块23、整车控制单元24、无线数据收发模块25、料堆3、卸料点4、卸料定位UWB标签41、无线数据收发模块42、规划路线6、停靠点61、第一路线62、铲料路线63、运料路线64、激光雷达7。

具体实施方式

下面结合附图说明具体实施方案。

在装载机的自主作业系统中，在作业现场布置有UWB基站1，如图1所示。UWB基站1设置在装载机作业现场周围，其中三个UWB基站1处于同一个水平面上，组成作业场地的X轴和Y轴，形成UWB基站平面坐标系。另一个UWB基站与其他三个UWB基站非共面设置，每个UWB基站之间的相互距离已知。作业现场具有待铲的料堆3、卸料平点4等。

装载机2具有前车架和后车架以及安装于前车架上的工作装置，前车架和后车架可相对转动，装载机通过前车架和后车架的相对转动来转向。如图2所示，在装载机2上设置有两个与UWB基站进行双向通信测距的UWB标签，该两个UWB标签为车载定位UWB标签22，两个车载定位UWB标签安装在装载机的两个不同部位(在作业面上的投影处于不同位置)，两者之间具有一定的距离。车载定位UWB标签22通过与UWB基站进行双向通信测距，获取两个车载定位UWB标签与各个UWB基站的测距信息，根据装载机两个点(车载定位UWB标签安装位置)上测距信息可解算出装载机2相对各UWB基站1的距离和朝向。

如图3所示，装载机2上还设置有数据处理和显示模块21(由数据处理模块和显示模块整合而成)、惯性导航模块23、无线数据收发模块25、位姿传感器(图中未示出)、整车控制单元24。车载定位UWB标签22、惯性导航模块23、无线数据收发模块25、整车控制单元24与数据处理和显示模块21相连，数据处理和显示模块21通过整车控制单元获取位姿传感器的检测数据。

惯性导航模块23安装位置与两个车载定位UWB标签22中的其中一个的安装位置相同，用于作业过程中基于初始位置推算装载机的航迹和航向。惯性导航模块23与车载定位UWB标签22对装载机进行组合定位，惯性导航模块23与车载定位UWB标签22的定位数据由数据处理和显示模块21按一定方式进行数据融合后得出装载机在UWB基站坐标系内的具体位置。

惯性导航模块23还作为加速度检测装置，用于测量装载机在竖直方向上的加速度。装载机行驶在高低不平的路面上而产生颠簸，数据处理模块通过惯性导航模块采集整车在竖直方向上的加速度信息，并以加速度的均值表征该路段路面的颠簸程度，并进行存储。

如图4所示，在装载机的尾部设置有激光雷达7，激光雷达7作为地面平整度检测装置检测地面的平整度。数据处理模块控制激光雷达对地面进行扫描，并对激光雷达的数据进行处理，在行驶方向上以相邻两个扫描点的高度差的均值b表征行驶路面平整度，并进行存储。

位姿传感器包括用于检测装载机前后车架相对转动角度的转向角度传感器、用于检测动臂转动角度的动臂传感器、用于检测铲斗转动角度的转斗传感器，通过动臂传感器和转斗传感器检测工作装置的状态。

如图3所示，卸料点4可以是运货卡车，装载机自主作业从料堆3处铲料后运输至卸料点4处卸料，向货运卡车中卸料。卸料点4上设置有无线数据收发模块42和两个与UWB基站进行双向通信测距的UWB标签，该UWB标签为卸料定位UWB标签41。两个卸料定位UWB标签41安装在不同位置，两者之间具有一定的距离，卸料定位UWB标签41与无线数据收发模块42连接，根据卸料点上两个点(卸料定位UWB标签安装位置)上测距信息可解算出卸料点相对各UWB基站1的距离和朝向，从而确定卸料点在UWB基站平面坐标系中的位置。

数据处理和显示模块21用于收集包括卸料定位UWB标签41和车载定位UWB标签22的测距信息、惯性导航模块23的定位信息、上位机设定的作业边界的数据、位姿传感器的数据以及装载机运行的工作参数，并对收集的数据进行处理，解算出装载机2和卸料点4在UWB基站平面坐标系内的位置以及投影轮廓，并以显示模块左下角作为坐标原点对定位物体在x轴和y轴坐标平面内的投影轮廓按一定比例进行图形化显示，如图2所示。

装载机2的工作参数包括但不限于为装载机提供动力的发动机或电机的转速、挡位等，通过挡位可判别装载机行驶方向。

装载机的整车控制单元内置自主作业控制程序，通过各传感器获取装载机自身的各项工作参数，控制装载机按规划路线行驶并自动完成铲装。其控制装载机行驶速度方法如下：

根据料堆、卸料点以及作业场地情况，规划好装载机停靠点至料堆的第一路线62和料堆至卸料点的第二路线。行驶路线的规划可以在上位机上人工划定，规划好了行驶路线再下载至装载机上，也可以由装载机的数据处理模块自动智能规划。

第二路线上设置一个分界点A，第二路线上分界点至料堆之间的路线为铲料路线63，分界点至卸料点之间的路线为运料路线64。铲料路线63与第一路线62靠近料堆3的部分路线重合。分界点A与料堆之间的距离通常为预定值，例如装载机前端距离料堆轮廓边沿具有一个车身的距离时，激光雷达所在位置为分界点的位置，即分界点距离料堆轮廓的距离为两个装载机车身长度的距离。

整车控制单元控制装载机由停靠点61按第一路线62驶向料堆3，开始首次作业循环，装载机在料堆处铲料完毕按照第二路线驶向卸料点4进行卸料，卸料完成后从卸料点按照第二路线64驶向料堆，回到分界点A完成首次作业循环。后续作业循环包括装载机由分界点A按铲料路线63驶向料堆铲料，铲料完毕后按铲料路线63后退经分界点A后按运料路线64驶向卸料点(先后退，再前进驶向卸料点)，卸料完毕后再后退、换向驶向料堆,到达分界点时完成一个后续作业循环。重复后续作业循环直至停止作业或更换路线。

在首次作业循环中，整车控制单元控制装载机按照铲料速度设定值Vcs为上限目标速度控制装载机在第一路线上行驶，按照运料速度设定值Vts为上限目标速度控制装载机在运料路线上行驶。铲料速度设定值Vcs可以是一个固定值，也可以是根据装载机在路线上的不同位置而设置不同值。同理运料速度设定值Vts可以是一个固定，也可以是根据装载机在路线上的不同位置而设置不同值。

装载机进行首次作业循环时，装载机由分界点在铲料路线上驶向料堆铲料(铲料去程)，铲料结束后按铲料路线63返回分界点(铲料回程)。在首次作业循环中，整车控制单元按照铲料速度设定值Vcs作为上限目标速度控制装载机控制装载机的速度。在铲料去程和铲料回程上惯性导航模块23测量装载机在竖直方向上的加速度，并以加速度的均值表征该路段路面的颠簸程度，并进行存储。测量装载机在竖直方向上的加速度，可只在铲料去程中测量，也可以在铲料回程中检测，或者在铲料去程和铲料回程均进行检测。

装载机铲料结束后按铲料路线行驶越过分界点(在分界点不停留)按照运料路线64驶向卸料点(运料去程)，卸料结束后由卸料点按照运料路线驶向分界点(运料回程)。首次作业循环中，整车控制单元以运料速度设定值Vts为上限目标速度控制装载机行驶。

在运料去程和运料回程上激光雷达扫描运料路线地面的平整度。数据处理模块控制激光雷达对地面进行扫描，并采集激光雷达的扫描数据进行处理，在行驶方向上以相邻两个扫描点的高度差的均值表征行驶路面平整度，并进行存储。

扫描运料路线上地面的平整度，可以只在运料去程的过程中扫描，也可以在运料回程的过程中扫描，或者在运料去程和运料回程的过程中均进行扫描。当料堆至卸料点之间的距离较短，即运料路线较短时，运料去程的路线和运料回程的路线基本上重合，此时可以只在运料去程或运料回程的过程中扫描一次。如果运料路线较长，运料去程和运料回程的路线可能只存在部分重合，此时可在运料去程和运料回程都进行地面扫描以获取完整的运料路线状况。激光雷达对运料路线扫描完毕后，数据处理模块根据高度差的均值确定运料速度调节值Vtr，Vtr与高度差平均值呈正比例。

首次作业循环完成后，在下一次的作业循环中，依据前一次检测的加速度信息确定下次作业循环中装载机在铲料路线上的铲料行驶速度限值。铲料行驶速度限值Vc＝Vcs-Vcr，其中Vcs为铲料速度设定值，Vcr为铲料速度调节值，Vcr与前一次检测到的加速度平均值呈正比例。装载机的每次作业循环都进行竖直方向上的加速度检测，并将前次的加速度信息作为确定后次作业循环中铲料行驶速度限值的确定依据。

检测装载机行驶在铲料路线上时在竖直方向上的加速度信息，并根据每次检测的加速度信息确定下次作业循环中装载机在铲料路线上的铲料行驶速度限值；根据装载机首次在运料路线上行驶时对运料路线地面平整度进行检测，并根据检测到的地面平整度确定后续作业循环中装载机在运料路线上的运料行驶速度限值；运料行驶速度限值Vt＝Vts-Vtr，其中Vts为运料速度设定值，Vtr为运料速度调节值，运料路线地面平整度检测包括获取运料路线上行驶方向上相邻两个扫描点的高度差并计算各高度差的高度差平均值，Vtr与高度差平均值呈正比例。

装载机整车控制单元将铲料行驶速度限值和运料行驶速度限值分别作为装载机在铲料路线和运料路线上行驶的上限目标速度控制装载机行驶。

当装载机完成了若干个作业循环后，当装载机再次行驶在运料路线上时，激光雷达重新对运料路线地面进行扫描，并计算相邻两个扫描点的高度差的均值，并以该均值确定此后若干个作业循环中的运料速度调节值Vtr，以便确定此后若干个作业循环中的运料行驶速度限值，在此后的若干个作业循环中，整车控制单元均以新确定的运料行驶速度限值作为上限目标速度控制装载机在运料路线上行驶。

Claims (9)

1.一种自主作业装载机行走速度控制系统，包括用于控制装载机按规划的铲料路线和运料路线在料堆与卸料点之间行驶并完成作业循环的整车控制单元；

其特征在于控制系统还包括安装于装载机上的加速度检测装置、地面平整度检测装置和数据处理模块、至少三个布置于作业场地的UWB基站、设置于装载机上与数据处理模块连接用于与UWB基站进行单边双向通信测距以确定装载机具体位置的UWB标签；其中至少有三个UWB基站处于同一个水平面；

所述加速度检测装置用于每次作业循环中采集装载机在铲料路线上行驶时整车在竖直方向上的加速度信息；

所述地面平整度检测装置用于装载机在运料路线上行驶时检测运料路线地面平整度；

所述数据处理模块，用于根据每次作业循环在铲料路线上采集的加速度信息确定并向整车控制单元发送下一次作业循环中装载机在铲料路线上的行驶速度限值指令，和用于根据运料路线地面平整度信息确定并向整车控制单元发送后续每次作业循环中装载机在运料路线上的行驶速度限值指令。

2.根据权利要求1所述的自主作业装载机行走速度控制系统，其特征在于所述加速度检测装置为惯性导航模块，所述地面平整度检测装置为安装在装载机尾部的激光雷达。

3.根据权利要求1所述的自主作业装载机行走速度控制系统，其特征在于所述UWB标签为两个且间隔布置安装在装载机后部车身顶部，其中一个UWB标签的安装位置与所述加速度检测装置的安装位置相同。

4.一种自主作业装载机行走速度控制方法，其特征在于用于具有权利要求1至3中任一项所述自主作业装载机行走速度控制系统的装载机速度控制，其包括如下步骤：

每次作业循环中检测装载机行驶在铲料路线上时在竖直方向上的加速度信息，并根据每次检测的加速度信息确定下次作业循环中装载机在铲料路线上的铲料行驶速度限值；装载机首次在运料路线上行驶时对运料路线地面平整度进行检测，并根据检测到的地面平整度确定后续作业循环中装载机在运料路线上的运料行驶速度限值；

装载机整车控制单元将铲料行驶速度限值和运料行驶速度限值分别作为装载机在铲料路线和运料路线上行驶的上限目标速度控制装载机行驶。

5.根据权利要求4所述的自主作业装载机行走速度控制方法，其特征在于在每进行预定次数的作业循环后重新对运料路线地面平整度进行检测，并根据重新获得的平整度确定后续作业循环中装载机在运料路线上的运料行驶速度限值。

6.根据权利要求4或5所述的自主作业装载机行走速度控制方法，其特征在于所述铲料行驶速度限值Vc＝Vcs-Vcr，其中Vcs为铲料速度设定值，Vcr为铲料速度调节值，Vcr与前一次检测到的加速度平均值呈正比例。

7.根据权利要求6所述的自主作业装载机行走速度控制方法，其特征在于每次作业循环中所述加速度信息检测包括装载机驶向料堆方向上的铲前加速度信息检测和/或铲料结束后驶离料堆方向上的铲后加速度信息检测，根据对应的加速度信息确定装载机在铲料路线上对应行驶方向上的铲料行驶速度限值。

8.根据权利要求4或5所述的自主作业装载机行走速度控制方法，其特征在于所述运料行驶速度限值Vt＝Vts-Vtr，其中Vts为运料速度设定值，Vtr为运料速度调节值；所述运料路线地面平整度检测包括获取运料路线上行驶方向上相邻两个扫描点的高度差并计算各高度差的高度差平均值，Vtr与高度差平均值呈正比例。

9.根据权利要求8所述的自主作业装载机行走速度控制方法，其特征在于所述运料路线地面平整度扫描包括装载机驶向卸料点方向上的卸料路线地面平整度检测和/或卸料后返回路线的地面平整度检测并根据对应的地面平整度确定装载机在运料路线上对应行驶方向上的铲料行驶速度限值。

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