CN114411840B - 平地控制方法、装置和挖掘机 - Google Patents

平地控制方法、装置和挖掘机 Download PDF

Info

Publication number
CN114411840B
CN114411840B CN202210023350.4A CN202210023350A CN114411840B CN 114411840 B CN114411840 B CN 114411840B CN 202210023350 A CN202210023350 A CN 202210023350A CN 114411840 B CN114411840 B CN 114411840B
Authority
CN
China
Prior art keywords
inclination angle
excavator
bucket
determining
land leveling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210023350.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114411840A (zh
Inventor
陆有康
颜焱
余洋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Huaxing Digital Technology Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Huaxing Digital Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Huaxing Digital Technology Co Ltd filed Critical Shanghai Huaxing Digital Technology Co Ltd
Priority to CN202210023350.4A priority Critical patent/CN114411840B/zh
Publication of CN114411840A publication Critical patent/CN114411840A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114411840B publication Critical patent/CN114411840B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E02F3/437—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like providing automatic sequences of movements, e.g. linear excavation, keeping dipper angle constant
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices
    • E02F9/261—Surveying the work-site to be treated
    • E02F9/262—Surveying the work-site to be treated with follow-up actions to control the work tool, e.g. controller
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices
    • E02F9/264—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool
    • E02F9/265—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool with follow-up actions (e.g. control signals sent to actuate the work tool)

Abstract

本发明提供一种平地控制方法、装置和挖掘机，其中方法包括：确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点；基于所述铲斗齿尖在各控制点的位置，确定所述铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量；所述工作部件包括动臂、斗杆以及铲斗中的至少一个；基于各工作部件的倾角变化量，对各所述工作部件的倾角进行调整，控制所述挖掘机进行平地作业。本发明提供的平地控制方法、装置和挖掘机，实现了挖掘机平地作业的自动控制，无需人工参与，提高了挖掘机的作业效率。

Description

平地控制方法、装置和挖掘机
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种平地控制方法、装置和挖掘机。
背景技术
挖掘机可以执行挖掘、装卸、平整、刮剥、破碎、起吊、牵引等施工作业，广泛应用于各种施工场景。其中，平整地面作业(简称平地)是挖掘机经常执行的施工作业。
现有技术中，挖掘机执行平地作业时，需要操作员根据铲斗齿尖的位置，不断调整动臂、斗杆和铲斗的位姿，协调动臂、斗杆和铲斗相互配合才能较好地完成。现有的平地控制方法非常依赖操作员的工作经验和操作技能，自动化程度低，作业效率低。
发明内容
本发明提供一种平地控制方法、装置和挖掘机，用于解决现有技术中挖掘机的平地控制方法自动化程度低，作业效率低的技术问题。
本发明提供一种平地控制方法，包括：
确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点；
基于所述铲斗齿尖在各控制点的位置，确定所述铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量；所述工作部件包括动臂、斗杆以及铲斗中的至少一个；
基于各工作部件的倾角变化量，对各所述工作部件的倾角进行调整，控制所述挖掘机进行平地作业。
根据本发明提供的平地控制方法，所述基于所述铲斗齿尖在各控制点的位置，确定所述铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量，包括：
基于所述铲斗齿尖在上一控制点的位置、以及动臂支点的位置，确定所述铲斗齿尖与动臂支点之间的第一相对位移；
基于所述铲斗齿尖在下一控制点的位置、以及动臂支点的位置，确定所述铲斗齿尖与动臂支点之间的第二相对位移；
基于所述第一相对位移、所述第二相对位移、以及所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量。
根据本发明提供的平地控制方法，所述基于所述第一相对位移、所述第二相对位移、以及所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量，包括：
基于所述第一相对位移、以及所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定所述挖掘机的各工作部件的第一倾角；
基于所述第二相对位移、以及所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定所述挖掘机的各工作部件的第二倾角；
基于各工作部件的第一倾角和第二倾角，确定各所述工作部件的倾角变化量。
根据本发明提供的平地控制方法，所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系基于如下步骤确定：
基于D-H模型构建动臂坐标系、斗杆坐标系、铲斗坐标系以及铲斗齿尖坐标系；
基于动臂倾角，确定动臂坐标系至斗杆坐标系的第一变换矩阵；
基于斗杆倾角和动臂长度，确定斗杆坐标系至铲斗坐标系的第二变换矩阵；
基于铲斗倾角和斗杆长度，确定铲斗坐标系至铲斗齿尖坐标系的第三变换矩阵；
基于第一、第二及第三变换矩阵，确定动臂坐标系至铲斗齿尖坐标系的第四变换矩阵；
基于所述第四变换矩阵，确定所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系。
根据本发明提供的平地控制方法，在所述确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点的步骤之前包括：
对平地作业区域进行作业任务规划；
基于平地作业区域中各个子作业区域的作业状态和/或所述挖掘机所处的位置，确定所述挖掘机的目标子作业区域；
基于所述目标子作业区域的作业起点和作业终点，确定所述挖掘机的平地作业轨迹。
本发明提供一种平地控制装置，包括：
控制点确定单元，用于确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点；
倾角确定单元，用于基于所述铲斗齿尖在各控制点的位置，确定所述铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量；所述工作部件包括动臂、斗杆以及铲斗中的至少一个；
平地控制单元，用于基于各工作部件的倾角变化量，对各所述工作部件的倾角进行调整，控制所述挖掘机进行平地作业。
根据本发明提供的平地控制装置，还包括：
任务规划单元，用于对平地作业区域进行作业任务规划；具体地，基于平地作业区域中各个子作业区域的作业状态和/或所述挖掘机所处的位置，确定所述挖掘机的目标子作业区域；并基于所述目标子作业区域的作业起点和作业终点，确定所述挖掘机的平地作业轨迹。
本发明提供一种挖掘机，包括所述的平地控制装置。
本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述平地控制方法的步骤。
本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述平地控制方法的步骤。
本发明提供的平地控制方法、装置和挖掘机，根据铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点的位置，确定挖掘机的各工作部件的倾角变化量，其中，工作部件包括动臂、斗杆以及铲斗中的至少一个；根据各工作部件的倾角变化量，对各工作部件的倾角进行调整，控制挖掘机进行平地作业，实现了挖掘机平地作业的自动控制，无需人工参与，提高了挖掘机的作业效率，同时，由于整个平地控制过程受到平地作业轨迹中的控制点约束，提高了挖掘机的平地精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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为本发明提供的平地控制方法的流程示意图；
图2为本发明提供的铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移的计算示意图；
图3为本发明提供的平地控制装置的结构示意图；
图4为本发明提供的平地控制系统的结构示意图；
图5为本发明提供的任务规划模块的工作示意图；
图6为本发明提供的平地任务规划的栅格示意图；
图7为本发明提供的单次平地任务的轨迹示意图；
图8为本发明提供的挖掘机的结构示意图；
图9为本发明提供的电子设备的结构示意图。
附图标记：
300：平地控制装置；310：控制点确定单元；320：倾角确定单元；330：平地控制单元；400：挖掘机；A：动臂支点；L：斗杆支点；D：铲斗支点；C：铲斗齿尖；O：回转中心。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
图1为本发明提供的平地控制方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
步骤110，确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点。
具体地，齿尖位于铲斗的末端，与被挖掘的物质直接接触。挖掘机进行平地作业时，是通过控制铲斗齿尖沿着地面进行移动，将高于地面的土推到低于地面的位置。由于挖掘机进行平地作业时，一般是动臂和斗杆相互配合，尽量保持挖掘机的铲斗齿尖垂直向下，并尽量在地平面上移动。铲斗齿尖在挖掘机履带面所在的平面内做单次直线运动，即铲斗齿尖的高度坐标在运动过程中保持不变。
平地作业轨迹是指挖掘机在平地作业时铲斗齿尖的移动轨迹。在单次直线运动中，平地作业轨迹为沿着挖掘机动臂在地面投影的直线段。
平地作业轨迹可以在挖掘机进行平地作业前进行规划得到。例如，若挖掘机所需要进行平整的地面的形状为长条形，则可以确定平地作业轨迹为一条直线段；若挖掘机所需要进行平整的地面的形状为扇形，则可以确定平地作业轨迹为多条首尾相接的直线段。
可以在平地作业轨迹中设置多个控制点，对挖掘机的铲斗齿尖的移动位置进行约束。例如，在单次直线运动中，平地作业轨迹为5米长的直线段，可以按照1米的间隔距离，设置6个控制点。控制点之间的间隔距离可以根据需要进行设置。
步骤120，基于铲斗齿尖在各控制点的位置，确定铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中挖掘机的各工作部件的倾角变化量；工作部件包括动臂、斗杆和铲斗中的至少一个。
具体地，在挖掘机的车身结构中，动臂支点为动臂与回转平台的连接点，也是动臂相对于回转平台的枢转点。斗杆支点为斗杆与动臂的连接点，也是斗杆相对于动臂的枢转点。铲斗支点为铲斗与斗杆的连接点，也是铲斗相对于斗杆的枢转点。
动臂倾角为动臂支点与斗杆支点所确定的直线和动臂支点所在的水平面之间的夹角，用来衡量挖掘作业时动臂的张开角度。斗杆倾角为动臂支点与斗杆支点所确定的直线和斗杆支点与铲斗支点所确定的直线之间的夹角，用来衡量挖掘作业时斗杆的张开角度。铲斗倾角为斗杆支点与铲斗支点所确定的直线和铲斗支点与铲斗齿尖所确定的直线之间的夹角。上述倾角在挖掘作业过程中会时刻发生变化，可以通过倾角传感器直接测量或者根据测量结果间接计算得到。
挖掘机的动臂、斗杆和铲斗是相互连接的，并且动臂、斗杆和铲斗的长度是固定的。在挖掘机进行平地作业时，铲斗倾角可以是固定不变的，可以不断调节动臂倾角和斗杆倾角，控制铲斗齿尖沿着平地作业轨迹移动，从上一控制点移动至下一控制点。其中，上一控制点与下一控制点为平地作业轨迹中的相邻控制点。
平地控制过程中，动臂和斗杆两个部件参与了控制，动臂倾角和斗杆倾角与铲斗齿尖的位置存在对应关系。可以根据这种对应关系，在上一控制点和下一控制点处，分别根据铲斗齿尖的位置确定两个控制点处的动臂倾角和斗杆倾角，从而得到动臂倾角变化量和斗杆倾角变化量。
铲斗齿尖在各控制点的位置是可以根据平地作业轨迹预先确定的。
步骤130，基于各工作部件的倾角变化量，对各工作部件的倾角进行调整，控制挖掘机进行平地作业。
具体地，根据动臂倾角变化量，可以生成控制动臂倾角变化的动臂油缸的控制指令；根据斗杆倾角变化量，可以生成控制斗杆倾角变化的斗杆油缸的控制指令；分别根据动臂油缸的控制指令和斗杆油缸的控制指令，对挖掘机的各工作部件的姿态进行调整，从而使得铲斗齿尖沿着平地作业轨迹移动。
本发明实施例提供的平地控制方法，根据铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点的位置，确定挖掘机的各工作部件的倾角变化量，其中，工作部件包括动臂、斗杆和铲斗中的至少一个；根据各工作部件的倾角变化量，对各工作部件的倾角进行调整，控制挖掘机进行平地作业，实现了挖掘机平地作业的自动控制，无需人工参与，提高了挖掘机的作业效率，同时，由于整个平地控制过程受到平地作业轨迹中的控制点约束，提高了挖掘机的平地精度。
基于上述实施例，步骤120包括：
基于铲斗齿尖在上一控制点的位置，以及动臂支点的位置，确定铲斗齿尖与动臂支点之间的第一相对位移；
基于铲斗齿尖在下一控制点的位置，以及动臂支点的位置，确定铲斗齿尖与动臂支点之间的第二相对位移；
基于第一相对位移、第二相对位移、以及铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定挖掘机的各工作部件的倾角变化量。
具体地，由于平地控制过程中动臂和斗杆两个部件参与了控制，动臂倾角和斗杆倾角与铲斗齿尖的位置存在对应关系。例如，当动臂倾角发生改变和/或斗杆倾角发生改变时，将导致铲斗齿尖的位置发生改变。
考虑到平地控制过程中，动臂、斗杆和铲斗都在同一平面内运动，动臂支点的位置是固定不变的，若以动臂支点的位置为原点，铲斗齿尖的位置可以用铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移来表示。
也就是说，铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间存在对应关系。
根据铲斗齿尖在上一控制点的位置，以及动臂支点的位置，确定铲斗齿尖与动臂支点之间的第一相对位移；根据铲斗齿尖在下一控制点的位置，以及动臂支点的位置，确定铲斗齿尖与动臂支点之间的第二相对位移。
根据铲斗齿尖相对于动臂支点发生第一相对位移时各工作部件的倾角，和铲斗齿尖相对于动臂支点发生第二相对位移时各工作部件的倾角，可以得到各工作部件的倾角变化量。
基于上述任一实施例，基于第一相对位移、第二相对位移、以及铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定挖掘机的各工作部件的倾角变化量，包括：
基于第一相对位移、以及铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定挖掘机的各工作部件的第一倾角；
基于第二相对位移、以及铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定挖掘机的各工作部件的第二倾角；
基于各工作部件的第一倾角和第二倾角，确定各工作部件的倾角变化量。
具体地，根据第一相对位移，以及铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，可以得到各工作部件的第一倾角，此处第一倾角包括第一动臂倾角和第一斗杆倾角。
同样地，可以得到各工作部件的第二倾角，此处第二倾角包括第二动臂倾角和第二斗杆倾角。
根据第一动臂倾角和第二动臂倾角，可以得到动臂倾角变化量；根据第一斗杆倾角和第二斗杆倾角，可以得到斗杆倾角变化量。
基于上述任一实施例，若各工作部件的倾角变化量存在多组候选解，则基于动臂倾角变化量最小的候选解，确定各工作部件的倾角变化量。
具体地，动臂倾角变化量越小，挖掘机的各工作部件的动作稳定性越高，平地精度越高。
基于上述任一实施例，铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系基于如下步骤确定：
基于D-H模型构建动臂坐标系、斗杆坐标系、铲斗坐标系以及铲斗齿尖坐标系；
基于动臂倾角，确定动臂坐标系至斗杆坐标系的第一变换矩阵；
基于斗杆倾角和动臂长度，确定斗杆坐标系至铲斗坐标系的第二变换矩阵；
基于铲斗倾角和斗杆长度，确定铲斗坐标系至铲斗齿尖坐标系的第三变换矩阵；
基于第一、第二及第三变换矩阵，确定动臂坐标系至铲斗齿尖坐标系的第四变换矩阵；
其中，第四变换矩阵用于表征铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系。
具体地，挖掘机的动臂、斗杆和铲斗相互连接关系，实质上构成了一个空间开链连杆结构，其中，动臂、斗杆和铲斗为连杆，动臂支点、斗杆支点、铲斗支点和铲斗齿尖为关节。因此可以采用机器人正向运动学的D-H(Denavit-Hartenberg)参数模型来计算挖掘机的铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移。
本实施例中基于D-H参数法分别建立动臂坐标系、斗杆坐标系、铲斗坐标系和铲斗齿尖坐标系。图2为本发明提供的铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移的计算示意图，如图2所示，挖掘机回转中心为O，采用D-H建模方法，建立以动臂支点A为原点的动臂坐标系、以斗杆支点L为原点的斗杆坐标系和以铲斗支点D为原点的铲斗坐标系，以铲斗齿尖C为原点的铲斗齿尖坐标系。由于动臂、斗杆和铲斗都在同一平面，因此，动臂坐标系、斗杆坐标系、铲斗坐标系和铲斗齿尖坐标系的X轴(垂直于动臂、斗杆和铲斗所在的平面)上的位置变化均为零且不在图中表示。对于动臂坐标系，以动臂支点A与斗杆支点L的连线为Y1轴，以动臂、斗杆和铲斗所在的平面内垂直于Y1轴的方向为Z1轴。对于斗杆坐标系，以斗杆支点L与铲斗支点D的连线为Y2轴，以动臂、斗杆和铲斗所在的平面内垂直于Y2轴的方向为Z2轴。对于铲斗坐标系，以铲斗支点D与铲斗齿尖C的连线为Y3轴，以动臂、斗杆和铲斗所在的平面内垂直于Y3轴的方向为Z3轴。对于铲斗齿尖坐标系而言，其Y轴和Z轴位于动臂、斗杆和铲斗所在的平面内，在图中未示出。
θ1为动臂倾角，θ2为斗杆倾角，θ3为铲斗倾角。此外，为了便于描述，动臂长度表示为L1，斗杆长度表示为L2，铲斗长度表示为L3。
根据动臂倾角θ1，确定动臂坐标系至斗杆坐标系的第一变换矩阵RAL，用公式表示为：
根据斗杆倾角θ2和动臂长度L1，确定斗杆坐标系至铲斗坐标系的第二变换矩阵RLD，用公式表示为：
根据铲斗倾角θ3和斗杆长度L2，确定铲斗坐标系至铲斗齿尖坐标系的第三变换矩阵RDC，用公式表示为：
根据动臂坐标系至斗杆坐标系的第一变换矩阵RAL、斗杆坐标系至铲斗坐标系的第二变换矩阵RLD、铲斗坐标系至铲斗齿尖坐标系的第三变换矩阵RDC，确定动臂坐标系至铲斗齿尖坐标系的第四变换矩阵RAC，用公式表示为：
RAC＝RAL·RLD·RDC
根据动臂坐标系至铲斗齿尖坐标系的第四变换矩阵RAC，确定车身坐标系中铲斗齿尖C与动臂支点A之间的相对位移AC，用公式表示为：
AC＝RAC·[0 L3 0 1]T
由上式可知，在已知相对位移AC，动臂长度L1，斗杆长度L2，铲斗长度L3，铲斗倾角θ3的情况下，可以求解得到动臂倾角θ1和斗杆倾角θ2。
基于上述任一实施例，步骤110之前包括：
对平地作业区域进行作业任务规划；具体地，
基于平地作业区域中各个子作业区域的作业状态和/或所述挖掘机所处的位置，确定挖掘机的目标子作业区域；
基于目标子作业区域的作业起点和作业终点，确定挖掘机的平地作业轨迹。
具体地，平地作业区域为挖掘机需要进行地面平整的施工区域。可以对平地作业区域进行进行作业任务规划，通过栅格化的方式来表示，得到多个子作业区域，以及各子作业区域的作业状态。栅格的尺寸与子作业区域的尺寸相对应。
子作业区域的作业状态可以包括已平整、未平整以及平整中。其中，平整中代表有挖掘机正在对该子作业区域进行平地作业，或者，对该子作业区域进行平地的任务已被分配给某一挖掘机。当平地作业区域中存在多个挖掘机时，可以根据各个子作业区域的作业状态，确定各个挖掘机的目标子作业区域。
例如，对于任一子作业区域，若由挖掘机A平整完毕，则该子作业区域的作业状态将由未平整切换至已平整。系统从平地作业区域中作业状态为未平整的子作业区域中确定挖掘机A的目标子作业区域，从而控制挖掘机A行驶至目标子作业区域，并执行平地作业。
当存在多个未平整的子作业区域时，还基于挖掘机所处的位置与该多个未平整的子作业区域之间的距离。可以以未平整的子作业区域为目标位置，采用最短路径规划算法确定挖掘机的目标子作业区域。也可以以该挖掘机完成上述多个未平整的子作业区域的平地作业任务，移动距离最短来确定挖掘机的目标子作业区域。
对于目标子作业区域，可以预先确定挖掘机的作业起点和作业终点，根据作业起点和作业终点，确定挖掘机的平地作业轨迹。
基于上述任一实施例，图3为本发明提供的平地控制装置的结构示意图，如图3所示，平地控制装置300包括：
控制点确定单元310，用于确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点；
倾角确定单元320，用于基于铲斗齿尖在各控制点的位置，确定铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中挖掘机的各工作部件的倾角变化量；工作部件包括动臂、斗杆以及铲斗中的至少一个；
平地控制单元330，用于基于各工作部件的倾角变化量，对各工作部件的倾角进行调整，控制挖掘机进行平地作业。
本发明实施例提供的平地控制装置，根据铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点的位置，确定挖掘机的各工作部件的倾角变化量，其中，各工作部件包括动臂、斗杆以及铲斗中的至少一个；根据各工作部件的倾角变化量，对各工作部件的倾角进行调整，控制挖掘机进行平地作业，实现了挖掘机平地作业的自动控制，无需人工参与，提高了挖掘机的作业效率，同时，由于整个平地控制过程受到平地作业轨迹中的控制点约束，提高了挖掘机的平地精度。
基于上述任一实施例，还包括：
任务规划单元，用于对平地作业区域进行作业任务规划；具体地，基于所述平地作业区域中各子作业区域的作业状态和/或挖掘机所处的位置，确定挖掘机的目标子作业区域；并基于目标子作业区域的作业起点和作业终点，确定挖掘机的平地作业轨迹。
基于上述任一实施例，倾角确定单元包括：
第一相对位移确定子单元，用于基于铲斗齿尖在上一控制点的位置，以及动臂支点的位置，确定铲斗齿尖与动臂支点之间的第一相对位移；
第二相对位移确定子单元，用于基于铲斗齿尖在下一控制点的位置，以及动臂支点的位置，确定铲斗齿尖与动臂支点之间的第二相对位移；
倾角变化量确定子单元，用于基于第一相对位移和第二相对位移，以及铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定挖掘机的各工作部件的倾角变化量。
基于上述任一实施例，倾角变化量确定子单元具体用于：
基于第一相对位移，以及铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定挖掘机的各工作部件的第一倾角；
基于第二相对位移，以及铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定挖掘机的各工作部件的第二倾角；
基于各工作部件的第一倾角和第二倾角，确定各工作部件的倾角变化量。
基于上述任一实施例，还包括：
移倾角对应单元，用于基于D-H模型构建动臂坐标系、斗杆坐标系、铲斗坐标系以及铲斗齿尖坐标系；
基于动臂倾角，确定动臂坐标系至斗杆坐标系的第一变换矩阵；
基于斗杆倾角和动臂长度，确定斗杆坐标系至铲斗坐标系的第二变换矩阵；
基于铲斗倾角和斗杆长度，确定铲斗坐标系至铲斗齿尖坐标系的第三变换矩阵；
基于第一、第二及第三变换矩阵，确定动臂坐标系至铲斗齿尖坐标系的第四变换矩阵；
基于第四变换矩阵，确定铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系。
基于上述任一实施例，图4为本发明提供的平地控制系统的结构示意图，如图4所示，该平地控制系统包括了数据采集模块、数据处理模块、任务规划模块、数据存储模块、数据显示模块、数据维护模块。
数据采集模块，用于获取平地任务区域，获取各角度传感器及车载定位GNSS(Global Navigation Satellite System)数据并进行解析。具体地，通过TCP-CAN设备建立数据采集存储软件、回转角度传感器、车身角度传感器、动臂角度传感器、斗杆角度传感器、铲斗角度传感器、车载GNSS之间CAN通信网络。数据采集存储软件实时获取CAN总线中数据，根据获取的帧ID和帧数据实时解析出传感器及GNSS数据。并将采集解析后的数据发送至数据维护模块进行检测。
数据解析流程如下：
1)解析GNSS坐标及航向角并记录截获时间；
2)解析挖掘机车身姿态并记录截获时间；
3)解析挖掘机动臂、斗杆、铲斗、回转角度并记录截获时间。
数据处理模块，用于接收有效数据，根据数据获取的时间，分析在指定时间范围内同时采集到所有的数据的集合，将此数据记录为有效数据，否则记录为无效数据。将数据存入内存中备用。此外，还用于将有效数据发送到任务规划模块及数据显示模块。
数据存储模块，用于将数据处理模块发送过来的计算数据、铲斗齿尖坐标数据以及算法自动生成的任务数据按照设定格式存储到电子介质中。
数据显示模块，用于实时显示计算数据、铲斗齿尖坐标数据、挖掘机历史任务数据和挖掘机任务进度数据，同时在数据异常时给出弹出异常提示。
数据维护模块，用于接收数据采集模块解析后的数据，监测解析后的数据是否在正常值范围内，若解析后的数据为异常数据，则生成错误日志并发送到显示模块；若解析后的数据为正常数据，则传入数据处理模块进行计算。若数据超过存储期限，则丢弃。
任务规划模块(相当于上述实施例中的平地控制装置)，用于执行上述实施例中的平地控制方法，并将执行上述方法的过程中生成的控制点位置、工作部件的倾角变化量、铲斗齿尖坐标等数据发送到数据存储模块及数据显示模块。
任务规划模块根据任务端显示的任务输入内容，自动生成任务规划方案，并将其分解为多个单次作业任务输入到控制器端。控制器端根据单次作业任务挖掘机所需到达的位置以及单次作业任务挖掘机铲尖的起始坐标对挖掘机进行车身及关节的移动操作。
图5为本发明提供的任务规划模块的工作示意图，如图5所示，任务规划模块的具体执行步骤包括：
步骤一：接收挖掘机平地任务目标
挖掘机任务规划目标最好的情况下是由操作人员在显示屏端手动划分出目标区域，但更简单的做法是由操作人员在显示屏端输入以挖掘机为中心的矩形平地目标区域。
步骤二：生成动态平地规划方案
挖掘机根据输入的任务目标相对距离以及车载定位信息自动生成目标区域的边界矩形，根据生成的边界信息自动生成任务规划方案。任务规划方案是在任务目标的基础上生成相对应的栅格图，并在栅格图的每个位置添加当前状态(是否已进行平地操作)并保存。图6为本发明提供的平地任务规划的栅格示意图，如图6所示，挖掘机下一步的任务根据栅格图的状态信息进行动态调整，即利用目标栅格图已完成的平地信息动态的生成下一步挖掘机操作指令。
步骤三：单次平地任务控制算法
生成单次平地任务的平地作业轨迹，确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点。在挖掘机定位引导的基础上，挖掘机能够实时计算出铲斗齿尖坐标。挖掘机平地要求铲斗齿尖点在挖掘机履带面所在的平面内做单次直线运动，即要求挖掘机齿尖的高度坐标在运动过程中保持不变。为了达成以上操作要求，需要在挖掘机实施运动过程中对挖掘机关节夹角进行实时控制。图7为本发明提供的单次平地任务的轨迹示意图，如图7所示，在单次任务过程中，可以将一次直线操作划分为多个周期，在每个周期内通过控制动臂油缸改变动臂夹角，在此基础上通过高度坐标不变，铲斗夹角不变，反解出斗杆所需变化角度，并通过斗杆油缸做出相应的控制，达到挖掘机齿尖直线运动要求。将挖掘机齿尖移动到单次作业任务的下一个作业位置坐标，重复以上直线控制操作，直至达到设定的半扇形平地目标，则单次作业任务完成。
步骤四：根据规划的目标平地任务完成进度以及完成状态生成下一步的单次平地任务。若目标平地完成进度为100％，则任务完成，挖掘机停止工作。
基于上述任一实施例，图8为本发明提供的挖掘机的结构示意图，如图8所示，挖掘机400包括平地控制装置300。
具体地，平地控制装置300可以作为单独的控制装置与挖掘机400的控制系统连接；也可以作为一个控制模块与控制系统进行集成。
基于上述任一实施例，图9为本发明提供的电子设备的结构示意图，如图9所示，该电子设备可以包括：处理器(Processor)910、通信接口(Communications Interface)920、存储器(Memory)930和通信总线(Communications Bus)940，其中，处理器910，通信接口920，存储器930通过通信总线940完成相互间的通信。处理器910可以调用存储器930中的逻辑命令，以执行如下方法：
确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点；基于铲斗齿尖在各控制点的位置，确定铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中挖掘机的各工作部件的倾角变化量；工作部件包括动臂、斗杆和铲斗中的至少一个；基于各工作部件的倾角变化量，对各工作部件的倾角进行调整，控制挖掘机进行平地作业。
此外，上述的存储器930中的逻辑命令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干命令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例提供的电子设备中的处理器可以调用存储器中的逻辑指令，实现上述方法，其具体的实施方式与前述方法实施方式一致，且可以达到相同的有益效果，此处不再赘述。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的方法，例如包括：
确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点；基于铲斗齿尖在各控制点的位置，确定铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中挖掘机的各工作部件的倾角变化量；工作部件包括动臂、斗杆和铲斗中的至少一个；基于各工作部件的倾角变化量，对各工作部件的倾角进行调整，控制挖掘机进行平地作业。
本发明实施例提供的非暂态计算机可读存储介质上存储的计算机程序被执行时，实现上述方法，其具体的实施方式与前述方法实施方式一致，且可以达到相同的有益效果，此处不再赘述。
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 (8)

1.一种平地控制方法，其特征在于，包括：
确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点；
基于所述铲斗齿尖在各控制点的位置，确定所述铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量；所述工作部件包括动臂、斗杆以及铲斗中的至少一个；
基于各工作部件的倾角变化量，对各所述工作部件的倾角进行调整，控制所述挖掘机进行平地作业；
若各工作部件的倾角变化量存在多组候选解，则基于动臂倾角变化量最小的候选解，确定各工作部件的倾角变化量；
在所述确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点的步骤之前包括：
基于平地作业区域中各个子作业区域的作业状态和/或所述挖掘机所处的位置，确定所述挖掘机的目标子作业区域；
基于所述目标子作业区域的作业起点和作业终点，确定所述挖掘机的平地作业轨迹。
2.根据权利要求1所述的平地控制方法，其特征在于，所述基于所述铲斗齿尖在各控制点的位置，确定所述铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量，包括：
基于所述铲斗齿尖在上一控制点的位置、以及动臂支点的位置，确定所述铲斗齿尖与动臂支点之间的第一相对位移；
基于所述铲斗齿尖在下一控制点的位置、以及动臂支点的位置，确定所述铲斗齿尖与动臂支点之间的第二相对位移；
基于所述第一相对位移、所述第二相对位移、以及所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量。
3.根据权利要求2所述的平地控制方法，其特征在于，所述基于所述第一相对位移、所述第二相对位移、以及所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量，包括：
基于所述第一相对位移、以及所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定所述挖掘机的各工作部件的第一倾角；
基于所述第二相对位移、以及所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系，确定所述挖掘机的各工作部件的第二倾角；
基于各工作部件的第一倾角和第二倾角，确定各所述工作部件的倾角变化量。
4.根据权利要求2所述的平地控制方法，其特征在于，所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系基于如下步骤确定：
基于D-H模型构建动臂坐标系、斗杆坐标系、铲斗坐标系以及铲斗齿尖坐标系；
基于动臂倾角，确定动臂坐标系至斗杆坐标系的第一变换矩阵；
基于斗杆倾角和动臂长度，确定斗杆坐标系至铲斗坐标系的第二变换矩阵；
基于铲斗倾角和斗杆长度，确定铲斗坐标系至铲斗齿尖坐标系的第三变换矩阵；
基于第一、第二及第三变换矩阵，确定动臂坐标系至铲斗齿尖坐标系的第四变换矩阵；
基于所述第四变换矩阵，确定所述铲斗齿尖与动臂支点之间的相对位移与各工作部件的倾角之间的对应关系。
5.一种平地控制装置，其特征在于，包括：
控制点确定单元，用于确定挖掘机的铲斗齿尖在平地作业轨迹中的多个控制点；
倾角确定单元，用于基于所述铲斗齿尖在各控制点的位置，确定所述铲斗齿尖从上一控制点移动至下一控制点的过程中所述挖掘机的各工作部件的倾角变化量；所述工作部件包括动臂、斗杆以及铲斗中的至少一个；
平地控制单元，用于基于各工作部件的倾角变化量，对各所述工作部件的倾角进行调整，控制所述挖掘机进行平地作业；
若各工作部件的倾角变化量存在多组候选解，则基于动臂倾角变化量最小的候选解，确定各工作部件的倾角变化量；
任务规划单元，用于基于平地作业区域中各个子作业区域的作业状态和/或所述挖掘机所处的位置，确定所述挖掘机的目标子作业区域；并基于所述目标子作业区域的作业起点和作业终点，确定所述挖掘机的平地作业轨迹。
6.一种挖掘机，其特征在于，包括权利要求5所述的平地控制装置。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任一项所述平地控制方法的步骤。
8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述平地控制方法的步骤。
CN202210023350.4A 2022-01-10 2022-01-10 平地控制方法、装置和挖掘机 Active CN114411840B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210023350.4A CN114411840B (zh) 2022-01-10 2022-01-10 平地控制方法、装置和挖掘机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210023350.4A CN114411840B (zh) 2022-01-10 2022-01-10 平地控制方法、装置和挖掘机

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114411840A CN114411840A (zh) 2022-04-29
CN114411840B true CN114411840B (zh) 2024-02-02

Family

ID=81270634

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210023350.4A Active CN114411840B (zh) 2022-01-10 2022-01-10 平地控制方法、装置和挖掘机

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114411840B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115288218A (zh) * 2022-07-28 2022-11-04 中联重科股份有限公司 用于控制臂架的方法、挖掘机、存储介质及处理器
CN115387426B (zh) * 2022-08-29 2023-11-28 三一重机有限公司 作业机械的控制方法、装置、设备及作业机械

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63194030A (ja) * 1987-02-04 1988-08-11 Komatsu Ltd パワ−シヨベルの作業機制御方法および装置
JP2011043002A (ja) * 2009-08-24 2011-03-03 Naomasa Nitta 掘削支援装置
CN107882103A (zh) * 2017-10-26 2018-04-06 南京工业大学 一种挖掘机三维姿态显示及远程自动控制系统
CN110409546A (zh) * 2019-07-25 2019-11-05 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 一种挖掘机的电控系统及正流量系统挖掘机
CN110565711A (zh) * 2019-09-20 2019-12-13 太原科技大学 一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统及轨迹规划方法
CN111042245A (zh) * 2019-12-31 2020-04-21 潍柴动力股份有限公司 一种挖掘机辅助作业控制方法及系统
CN113668546A (zh) * 2021-08-30 2021-11-19 山推工程机械股份有限公司 一种挖掘机进行自动修坡的施工方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6714534B2 (ja) * 2017-03-29 2020-06-24 日立建機株式会社 建設機械

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63194030A (ja) * 1987-02-04 1988-08-11 Komatsu Ltd パワ−シヨベルの作業機制御方法および装置
JP2011043002A (ja) * 2009-08-24 2011-03-03 Naomasa Nitta 掘削支援装置
CN107882103A (zh) * 2017-10-26 2018-04-06 南京工业大学 一种挖掘机三维姿态显示及远程自动控制系统
CN110409546A (zh) * 2019-07-25 2019-11-05 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 一种挖掘机的电控系统及正流量系统挖掘机
CN110565711A (zh) * 2019-09-20 2019-12-13 太原科技大学 一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统及轨迹规划方法
CN111042245A (zh) * 2019-12-31 2020-04-21 潍柴动力股份有限公司 一种挖掘机辅助作业控制方法及系统
CN113668546A (zh) * 2021-08-30 2021-11-19 山推工程机械股份有限公司 一种挖掘机进行自动修坡的施工方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114411840A (zh) 2022-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114411840B (zh) 平地控制方法、装置和挖掘机
EP3597831B1 (en) Construction machinery
US8577564B2 (en) System and method for controlling movement along a three dimensional path
CN112962709B (zh) 工程机械设备及其作业轨迹规划方法和系统、存储介质
CN108713084B (zh) 工程机械
CN113605483B (zh) 一种挖掘机自动作业控制方法和装置
KR101934052B1 (ko) 작업기 제어 장치 및 작업 기계
CA3064719C (en) Blade control below design
JP2002515559A (ja) フロントエンドローダ向けの掘削戦略を決定する方法と装置
US10399325B2 (en) Systems and methods for preparing a worksite for additive construction
KR20180062968A (ko) 작업기 제어 장치 및 작업 기계
KR20190034648A (ko) 작업 기계
JP5255643B2 (ja) 液圧作動ブームの調整方法、装置およびコンピュータプログラム
KR20190002592A (ko) 작업기 제어 장치 및 작업 기계
CN113338371B (zh) 挖掘机平地控制方法及系统
Shao et al. Automatic excavation planning of hydraulic excavator
CN115059127B (zh) 挖掘机稳定性评价系统和方法、控制器和挖掘机
JP7314429B2 (ja) 作業機械
CN114592559A (zh) 一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统
CN115387413B (zh) 挖掘机智能辅助施工基准修正方法、系统及挖掘机
CN115012468A (zh) 一种挖掘机自动作业控制系统、方法及挖掘机
KR20240026519A (ko) 제어 시스템, 제어 방법 및 제어 프로그램
WO2022196330A1 (ja) 作業機械
CN117738256A (zh) 一种挖掘机控制方法、装置及挖掘机
KR20230108154A (ko) 건설 기계의 유압 제어 방법 및 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant