CN113741462A - 一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于智能挖掘机控制技术领域，提供了一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统和方法，包括：RTK接收机、定向天线、定位天线、基站、下位机PLC控制器和上位机计算机；所述RTK接收机与下位机PLC控制器通信连接，所述RTK接收机和下位机PLC控制器均安装在电铲上，所述定向天线和定位天线均与RTK接收机连接，所述下位机PLC控制器和上位机计算机连接。定向天线和定位天线接收卫星的电磁波信号并转成电流，之后对电流信号进行放大和变频处理，RTK接收机对经过放大和变频处理的信号进行跟踪、处理和测量，获取电铲的实时位置坐标信息、航向角信息、速度信息以及RTK的解状态信息，基站接收卫星信号，并将观测的数据实时发送给接收机。

Description

一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统和方法

技术领域

本发明属于智能挖掘机控制技术领域，尤其涉及一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统和方法。

背景技术

大型矿用机械正铲式挖掘机是指在露天固体资源开采中使用，单斗容量大于12立方米，集“挖掘”和“装载”两大职能的机械正铲式挖掘机，其综合性能决定着整个矿山的开采效率。由于全球露天固体资源年采量达几十亿吨，大型电铲需求量巨大，未来十年约150台，价值约200亿，将拉动相关投入3000亿元。

目前我国大型电铲的自主化设计制造成绩掩盖不了大型电铲“缺核少智”的窘境。据了解，我国大型电铲在智能化方面落后严重，较卡特彼勒等国际先进水平相差10年以上。为了打破“引进一代、消化一代、落后一代、再引进”的窠臼，无人操作的大型电铲的研究迫在眉睫。

在实现电铲的自动化挖掘过程中需要考虑到复杂机电系统动力学特性的重型履带轨迹跟踪。电铲重型履带行走装置具有复杂的机电耦合特性和独特的转向行驶机理，在履带行驶路径规划过程中忽略轨迹偏移必然会导致实际轨迹与规划路径的偏差。因此，如何提供一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统和方法是本领域技术人员急需解决的关键问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统和方法，旨在解决在履带行驶路径规划过程中因为轨迹偏移导致实际轨迹与规划路径有偏差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统，包括：

RTK接收机、定向天线、定位天线、基站、下位机PLC控制器和上位机计算机；

所述RTK接收机与下位机PLC控制器通信连接，所述RTK接收机和下位机PLC控制器均安装在电铲上，所述定向天线和定位天线均与RTK接收机连接，所述下位机PLC控制器和上位机计算机连接，所述定向天线和定位天线间隔安装在电铲上，所述基站与RTK接收机连接；

所述定向天线和定位天线用于接收卫星的电磁波信号并转成电流，且所述定向天线和定位天线用于对电流信号进行放大和变频处理，所述RTK接收机通过对放大和变频处理的信号进行跟踪、处理和测量，进而获取电铲的实时位置坐标信息、航向角信息、速度信息以及RTK的解状态信息，所述基站用于接收卫星信号，且所述基站将接收的数据实时发送给RTK接收机；

所述上位机计算机通过RTK接收机和下位机PLC控制器实时读取电铲的实时位置坐标、航向角和速度，从而得到电铲左右两侧的电机转速，所述上位机计算机将电机转速传输至下位机PLC控制器中，所述下位机PLC控制器用于控制电铲自适应行走。

进一步的技术方案，所述的下位机PLC控制器包括信息读取模块和电机控制模块，所述信息读取模块通过RTK接收机读取电铲当前位置的实时坐标信息、航向角和速度信息，所述电机控制模块通过控制电铲左右两侧履带的运动对电铲的行驶速度进行调整。

进一步的技术方案，所述上位机计算机包括信息处理模块和自适应模糊PID控制模块；所述信息处理模块用于读取下位机PLC控制器中实时存储的信息并根据当前的路径轨迹计算成信息，且所述信息处理模块将信息输入自适应模糊PID控制模块中。

进一步的技术方案，所述自适应模糊PID控制模块包括模糊控制器和PID控制器。

进一步的技术方案，所述信息处理模块由参数模糊化、模糊推理、去模糊化以及PID控制模块四部分组成。

进一步的技术方案，所述自适应模糊PID控制模块通过模糊逻辑并根据一定的模糊规则对PID的参数进行实时的优化，所述自适应模糊PID控制模块通过实时采集到的信息计算得到预瞄偏差和质心距离偏差作为系统的输入参数，所述模糊控制器通过确定好的隶属度函数和模糊规则运算对输入参数处理后得到Kp、Ki和Kd三个输出值，所述自适应模糊PID控制模块和模糊控制器的输出端与PID控制器的输入端连接，且所述PID控制器根据电铲的动力学模型计算得到所需的控制信息，所述PID控制器将控制信息传输给下位机PLC控制器，下位机PLC控制器通过控制信息实时调整电铲两侧电机转速。

一种大型智能电铲的无人控制自适应行走方法：包括

步骤1、在RTK所处的坐标系下规划完成路径之后，上位机计算机读取预设轨迹的路径点坐标信息，并经由信息处理模块进行处理；

步骤2、下位机PLC控制器经由RTK接收机采集到坐标信息和航向角信息后搜寻预设轨迹上离电铲预瞄距离最近的点计算预瞄距离偏差和质心距离偏差；

步骤3、将计算得到的预瞄偏差和质心距离偏差输入到自适应模糊PID控制模块中，通过PID控制器的运算得到电铲左右两侧的电机转速；

步骤4、上位机计算机将计算得到的电机转速传输至下位机PLC控制器；

步骤5、电机控制模块读取下位机PLC控制器中的电机转速信息，从而控制两侧履带行走速度快慢实现无人控制的自适应轨迹跟踪。

本发明实施例提供的一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统和方法，RTK接收机通过RS-232标准接口与电铲中的下位机PLC控制器连接通信，下位机PLC控制器和上位机计算机之间相互连接，互相通信，定向天线和定位天线两者之间至少间隔1m安装；定向天线和定位天线接收卫星的电磁波信号并转成电流，之后对电流信号进行放大和变频处理，RTK接收机对经过放大和变频处理的信号进行跟踪、处理和测量，获取电铲的实时位置坐标信息、航向角信息、速度信息以及RTK的解状态信息，基站接收卫星信号，并将观测的数据实时发送给接收机，下位机PLC控制器对RTK接收机的信息进行实时读取和存储，上位机计算机实时读取下位机PLC控制器中电铲的位置坐标、航向角和速度且经过运算之后得到电铲左右两侧的电机转速，再传输至下位机PLC控制器中，下位机PLC控制器控制电铲自适应行走。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统和方法的总体示意图；

图2为本发明实施例提供的电铲的预瞄偏差和质心偏差的示意图；

图3为本发明实施例提供的模糊PID控制模块的结构图；

图4为本发明实施例提供的模糊规则表；

图5为本发明实施例提供的安装示意图；

图6为本发明实施例提供的电铲自适应行走实现方法的流程图。

附图中：RTK接收机1、定向天线2、定位天线3、基站4、下位机PLC控制器5、信息读取模块51、电机控制模块52、上位机计算机6、信息处理模块61、自适应模糊PID控制模块62。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1和图5所示，为本发明一个实施例提供的一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统，包括：

RTK接收机1、定向天线2、定位天线3、基站4、下位机PLC控制器5和上位机计算机6；

所述RTK接收机1与下位机PLC控制器5通信连接，所述RTK接收机1和下位机PLC控制器5均安装在电铲上，所述定向天线2和定位天线3均与RTK接收机1连接，所述下位机PLC控制器5和上位机计算机6连接，所述定向天线2和定位天线3间隔安装在电铲上，所述基站4与RTK接收机1连接；

所述定向天线2和定位天线3用于接收卫星的电磁波信号并转成电流，且所述定向天线2和定位天线3用于对电流信号进行放大和变频处理，所述RTK接收机1通过对放大和变频处理的信号进行跟踪、处理和测量，进而获取电铲的实时位置坐标信息、航向角信息、速度信息以及RTK的解状态信息，所述基站4用于接收卫星信号，且所述基站4将接收的数据实时发送给RTK接收机1；

所述上位机计算机6通过RTK接收机1和下位机PLC控制器5实时读取电铲的实时位置坐标、航向角和速度，从而得到电铲左右两侧的电机转速，所述上位机计算机6将电机转速传输至下位机PLC控制器5中，所述下位机PLC控制器5用于控制电铲自适应行走。

在本发明实施例中，RTK接收机1通过RS-232标准接口与电铲中的下位机PLC控制器5连接通信，下位机PLC控制器5和上位机计算机6之间相互连接，互相通信，定向天线2和定位天线3两者之间至少间隔1m安装；定向天线2和定位天线3接收卫星的电磁波信号并转成电流，之后对电流信号进行放大和变频处理，RTK接收机1对经过放大和变频处理的信号进行跟踪、处理和测量，获取电铲的实时位置坐标信息、航向角信息、速度信息以及RTK的解状态信息，基站4接收卫星信号，并将观测的数据实时发送给接收机1，下位机PLC控制器5对RTK接收机1的信息进行实时读取和存储，上位机计算机6实时读取下位机PLC控制器5中电铲的位置坐标、航向角和速度且经过运算之后得到电铲左右两侧的电机转速，再传输至下位机PLC控制器5中，下位机PLC控制器5控制电铲自适应行走。

如图1和3所示，作为本发明的一种优选实施例，所述的下位机PLC控制器5包括信息读取模块51和电机控制模块52，所述信息读取模块51通过RTK接收机1读取电铲当前位置的实时坐标信息、航向角和速度信息，所述电机控制模块52通过控制电铲左右两侧履带的运动对电铲的行驶速度进行调整。

在本发明实施例中，信息读取模块51对RTK接收机1中电铲当前位置的实时坐标信息、航向角和速度信息进行读取，电机控制模块52控制电铲左右两侧履带的运动，调整电铲的行驶速度。

如图1和图3所示，作为本发明的一种优选实施例，所述上位机计算机6包括信息处理模块61和自适应模糊PID控制模块62；所述信息处理模块61用于读取下位机PLC控制器5中实时存储的信息并根据当前的路径轨迹计算成信息，且所述信息处理模块61将信息输入自适应模糊PID控制模块62中，所述自适应模糊PID控制模块62包括模糊控制器和PID控制器。

在本发明实施例中，信息处理模块61读取下位机PLC控制器5中实时存储的信息并根据当前的路径轨迹进行计算作为信息输入至自适应模糊PID控制模块62中。

如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述信息处理模块61由参数模糊化、模糊推理、去模糊化以及PID控制模块四部分组成。

在本发明实施例中，信息处理模块61由参数模糊化、模糊推理、去模糊化以及PID控制模块四部分组成。

如图1和图2所示，作为本发明的一种优选实施例，所述自适应模糊PID控制模块62通过模糊逻辑并根据一定的模糊规则对PID的参数进行实时的优化，所述自适应模糊PID控制模块62通过实时采集到的信息计算得到预瞄偏差和质心距离偏差作为系统的输入参数，所述模糊控制器通过确定好的隶属度函数和模糊规则运算对输入参数处理后得到Kp、Ki和Kd三个输出值，所述自适应模糊PID控制模块和模糊控制器的输出端与PID控制器的输入端连接，且所述PID控制器根据电铲的动力学模型计算得到所需的控制信息，所述PID控制器将控制信息传输给下位机PLC控制器5，下位机PLC控制器5通过控制信息实时调整电铲两侧电机转速。

在本发明实施例中，所述的自适应模糊PID控制模块62利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对PID的参数进行实时的优化，提高电铲轨迹跟踪精度；通过RTK接收机1实时采集到的信息计算得到预瞄偏差和质心距离偏差作为系统的输入参数传至模糊控制器，在模糊控制器模块中输入参数根据确定好的隶属度函数和模糊规则运算得到Kp、Ki和Kd三个输出值；将模糊控制器的三个输出值和预瞄偏差、质心距离偏差输入至PID控制器；经过PID控制器调节校正后的输出，根据电铲的动力学模型计算得到所需的控制信息传输给下位机PLC控制器5中，根据实时得到的控制信息便可以实时调整电铲两侧电机转速，控制电铲的行走轨迹，实现轨迹跟踪的效果。

本实施例中电铲的预瞄偏差和质心偏差的计算方法为：

结合图2根据电铲的行驶速度的设置预瞄距离L，O点为电铲的质心位置，C点是距离质心位置前方距离L处的预瞄点，A、B点分别是预设轨迹上的两个点，其中A点为预设轨迹上离电铲在当前位置时质心O的最近点，B点为预设轨迹上离预瞄点的最近点，θ为电铲的航向角大小，d₀即为质心偏差，d即为预瞄偏差。

电铲质心位置坐标信息通过RTK实时采集为(x₀,y₀)，A、B为预设轨迹上搜索到的点分别是(x_A,y_A)和(x_B,y_B)，因此可以得到预瞄点C的坐标：

从而可以计算得到预瞄距离偏差和质心偏差为：

本实施例中自适应模糊PID控制模块62的具体运算方法为：

将计算得到的预瞄偏差和质心距离偏差输入到自适应模糊PID控制模块62中，通过PDI控制器的运算得到电铲左右两侧的电机转速；

对于电铲轨迹跟踪控制过程，模糊控制器的反馈信号是实际履带质心的坐标(x₀,y₀)和航向角度，对于预设轨迹所给出某一时刻固定的坐标和航向角度，可得模糊控制部分的两个输入偏差分别预瞄偏差和质心距离偏差。在模糊控制器中，决定了模糊控制中的各变量之后，就要选定各个变量的模糊子集，以及各个隶属度函数。对于误差变量范围上的子集选取应根据需要选择，选择的过多虽然可以增加控制的精确度，但是会给计算带来负担，计算量变多和质量会变差，所以选择预瞄偏差、质心偏差的子集都为7个，分别为：NB负向大、NM负向中、NS负向小、ZO零、PS正向小、PM正向中、PB正向大，当偏差超过调节范围时，电铲会以最大速度进行调整，模糊规则表如图4所示，共有49中模糊控制规则；对两个输入变量分别取三角形的隶属函数。

PID控制器的三个参数Kp，Ki和Kd即为模糊控制器的输出变量，Kp，Ki和Kd分别分为7个等级对应着模糊控制器的7个子集。

Kp为比例系数，反应系统的当前偏差，Kp数值越大，调节速度越快，减小轨迹误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；

Ki为积分系数，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高误差度，一旦系统有误差，积分调节就起到作用，直至系统无误差；

Kd为微分系数，反映系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。

预瞄偏差和质心偏差输入至PID控制器调节之后输出电机的转速，大型智能电铲自适应行走的控制方法如下所述：

当预瞄偏差和质心偏差较大时，选取相对较大的Kp来迅速的减少误差；

当预设轨迹与实际轨迹偏差较小时，Ki取较大值，增加系统的响应速度，使车辆尽快回复；

当偏差较大时，Kd取较大值，减小系统的震荡，当系统偏差较小时，减小Kd，使积分环节能够很好的调节误差，增加系统的调节精度。

如图6所示，一种大型智能电铲的无人控制自适应行走方法：包括

步骤1、在RTK所处的坐标系下规划完成路径之后，上位机计算机6读取预设轨迹的路径点坐标信息，并经由信息处理模块61进行处理；

步骤2、下位机PLC控制器5经由RTK接收机1采集到坐标信息和航向角信息后搜寻预设轨迹上离电铲预瞄距离最近的点计算预瞄距离偏差和质心距离偏差；

步骤3、将计算得到的预瞄偏差和质心距离偏差输入到自适应模糊PID控制模块62中，通过PID控制器的运算得到电铲左右两侧的电机转速；

步骤4、上位机计算机6将计算得到的电机转速传输至下位机PLC控制器5；

步骤5、电机控制模块52读取下位机PLC控制器5中的电机转速信息，从而控制两侧履带行走速度快慢实现无人控制的自适应轨迹跟踪。

在本实施例中，履带车辆轨迹跟踪是指实际履带车辆严格按照提前设定的希望轨迹行进，并且到达规定的位置，并且车辆的航向也需要保持一致。电铲是属于双侧履带差速运动的履带车辆，其左右两侧履带分别由各自的电机提供动力，并且挖掘机的直线行走以及转向也是由左右电机的同速和差速控制。

具体实现步骤如下所示：

第一步，确定电铲初始位姿，电铲的初始位姿由安装在电铲上的RTK测量所得；

第二步，确定预瞄点的坐标，预瞄点的坐标由电铲的位姿和预瞄距离计算求得，其中预瞄距离为L

假设电铲当前位姿为X，Y，θ，则预瞄点的横纵坐标为：

X_a＝L·，

Y_a＝L·；

第三步，根据预瞄点的坐标寻找离散轨迹中离当前位置最近的轨迹点；

第四步，判断找到的轨迹点是否超出给定轨迹，若超出给定轨迹，则说明跟踪完成，若没有超出给定轨迹，则继续计算；

第五步，根据找到的轨迹点坐标与电铲当前位置坐标和预瞄点坐标计算预瞄偏差，将预瞄偏差带入模糊PID控制器计算得到控制量u，控制量u的值决定电铲的转向，进而得到电铲左右履带下一时刻的速度值；

第六步，将上面得到的速度值基于OPC通讯协议写入到PLC，再通过PLC改变变频器的频率，控制左右履带电机转速；

第七步，电铲通过以上得到的速度行驶后，再通过RTK读取新的位姿，基于新的位姿再返回到第一步，如此循环直到电铲跟踪给定轨迹行驶到终点

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大型智能电铲的无人控制自适应行走系统，其特征在于，包括：

RTK接收机、定向天线、定位天线、基站、下位机PLC控制器和上位机计算机；

所述RTK接收机与下位机PLC控制器通信连接，所述RTK接收机和下位机PLC控制器均安装在电铲上，所述定向天线和定位天线均与RTK接收机连接，所述下位机PLC控制器和上位机计算机连接，所述定向天线和定位天线间隔安装在电铲上，所述基站与RTK接收机连接；

所述定向天线和定位天线用于接收卫星的电磁波信号并转成电流，且所述定向天线和定位天线用于对电流信号进行放大和变频处理，所述RTK接收机通过对放大和变频处理的信号进行跟踪、处理和测量，进而获取电铲的实时位置坐标信息、航向角信息、速度信息以及RTK的解状态信息，所述基站用于接收卫星信号，且所述基站将接收的数据实时发送给RTK接收机；

所述上位机计算机通过RTK接收机和下位机PLC控制器实时读取电铲的实时位置坐标、航向角和速度，从而得到电铲左右两侧的电机转速，所述上位机计算机将电机转速传输至下位机PLC控制器中，所述下位机PLC控制器用于控制电铲自适应行走。

2.根据权利要求1所述的大型智能电铲的无人控制自适应行走系统，其特征在于，所述的下位机PLC控制器包括信息读取模块和电机控制模块，所述信息读取模块通过RTK接收机读取电铲当前位置的实时坐标信息、航向角和速度信息，所述电机控制模块通过控制电铲左右两侧履带的运动对电铲的行驶速度进行调整。

3.根据权利要求1所述的大型智能电铲的无人控制自适应行走系统，其特征在于，所述上位机计算机包括信息处理模块和自适应模糊PID控制模块；所述信息处理模块用于读取下位机PLC控制器中实时存储的信息并根据当前的路径轨迹计算成信息，且所述信息处理模块将信息输入自适应模糊PID控制模块中。

4.根据权利要求3所述的大型智能电铲的无人控制自适应行走系统，其特征在于，所述自适应模糊PID控制模块包括模糊控制器和PID控制器。

5.根据权利要求3所述的大型智能电铲的无人控制自适应行走系统，其特征在于，所述信息处理模块由参数模糊化、模糊推理、去模糊化以及PID控制模块四部分组成。

6.根据权利要求4所述的大型智能电铲的无人控制自适应行走系统，其特征在于，所述自适应模糊PID控制模块通过模糊逻辑并根据一定的模糊规则对PID的参数进行实时的优化，所述自适应模糊PID控制模块通过实时采集到的信息计算得到预瞄偏差和质心距离偏差作为系统的输入参数，所述模糊控制器通过确定好的隶属度函数和模糊规则运算对输入参数处理后得到Kp、Ki和Kd三个输出值，所述自适应模糊PID控制模块和模糊控制器的输出端与PID控制器的输入端连接，且所述PID控制器根据电铲的动力学模型计算得到所需的控制信息，所述PID控制器将控制信息传输给下位机PLC控制器，下位机PLC控制器通过控制信息实时调整电铲两侧电机转速。

7.适用于权利要求1-6任一所述的大型智能电铲的无人控制自适应行走系统的一种大型智能电铲的无人控制自适应行走方法，其特征在于，包括：

步骤1、在RTK所处的坐标系下规划完成路径之后，上位机计算机读取预设轨迹的路径点坐标信息，并经由信息处理模块进行处理；

步骤2、下位机PLC控制器经由RTK接收机采集到坐标信息和航向角信息后搜寻预设轨迹上离电铲预瞄距离最近的点计算预瞄距离偏差和质心距离偏差；

步骤3、将计算得到的预瞄偏差和质心距离偏差输入到自适应模糊PID控制模块中，通过PID控制器的运算得到电铲左右两侧的电机转速；

步骤4、上位机计算机将计算得到的电机转速传输至下位机PLC控制器；

步骤5、电机控制模块读取下位机PLC控制器中的电机转速信息，从而控制两侧履带行走速度快慢实现无人控制的自适应轨迹跟踪。

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