CN114482160A - 作业控制方法、装置和作业机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种作业控制方法、装置和作业机械，其中方法包括：基于作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置、以及世界坐标系与电子施工图纸的三维图纸坐标系之间的坐标转换关系，确定工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置；基于工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定作业机械的先导控制油压；基于作业机械的先导控制油压，对作业机械的工作部件的动作速度进行控制。本发明提供的方法、装置和作业机械，提高了作业机械的施工安全性，同时节省了人力成本。

Description

作业控制方法、装置和作业机械
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种作业控制方法、装置和作业机械。
背景技术
随着基础设施建设的飞速发展，客户对于操作作业机械进行施工作业的施工质量要求越来越高。以挖掘机为例，由于施工环境复杂，施工作业中经常出现挖掘机施工超出边界，造成施工事故，影响了挖掘机的安全施工。
现有技术中，通常是通过施工员依据施工图纸在施工现场通过手持定位终端设置施工点，从而引导操作员控制作业机械进行施工作业。每当作业机械的作业区域发生变化后，均需要施工员重新确定施工点。这使得作业机械作业需要单独配备施工员，浪费了人力，同时由于操作员需要依靠观察施工点才能进行施工，存在人为误差，作业机械的施工安全性差。
发明内容
本发明提供一种作业控制方法、装置和作业机械，用于解决现有技术中作业机械的作业控制方法施工安全性差和人力成本高的技术问题。
本发明提供一种作业控制方法，包括：
基于作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置、以及世界坐标系与电子施工图纸的三维图纸坐标系之间的坐标转换关系，确定所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置；
基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述作业机械的先导控制油压；
基于所述作业机械的先导控制油压，对所述作业机械的工作部件的动作速度进行控制；
其中，所述电子围栏是基于所述电子施工图纸中作业区域在所述三维图纸坐标系中的空间信息确定的。
根据本发明提供的作业控制方法，所述基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述作业机械的先导控制油压，包括：
基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及所述电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述工作部件的外轮廓点与所述电子围栏之间的相对距离；
若所述工作部件的任一外轮廓点与所述电子围栏之间的相对距离小于预设安全距离，则基于所述相对距离和所述预设安全距离，确定所述作业机械的先导控制油压。
根据本发明提供的作业控制方法，所述基于所述相对距离和所述预设安全距离，确定所述作业机械的先导控制油压，包括：
基于所述相对距离和所述预设安全距离的比值，确定所述作业机械的油压调节系数；
基于所述油压调节系数、以及所述作业机械的先导控制油压最大值，确定所述作业机械的先导控制油压。
根据本发明提供的作业控制方法，所述基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置，以及所述电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述工作部件的外轮廓点与所述电子围栏之间的相对距离，包括：
基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及所述电子围栏中各个子电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述工作部件的外轮廓点与各个所述子电子围栏之间的相对距离；
将所述工作部件的外轮廓点与各个所述子电子围栏之间的相对距离的最小值，确定为所述工作部件的外轮廓点与所述电子围栏之间的相对距离。
根据本发明提供的作业控制方法，所述作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置基于如下步骤确定：
获取所述作业机械的工作部件的倾角；
基于所述工作部件的倾角和长度，建立所述工作部件的D-H模型，并基于所述D-H模型，确定所述工作部件的外轮廓点与所述工作部件的支点之间的相对位移；
基于所述工作部件的支点在世界坐标系中的位置、以及所述工作部件的外轮廓点与所述工作部件的支点之间的相对位移，确定所述工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置；
所述工作部件包括动臂、斗杆和铲斗。
本发明提供一种作业控制装置，包括：
位置转换单元，用于基于作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置、以及世界坐标系与电子施工图纸的三维图纸坐标系之间的坐标转换关系，确定所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置；
油压确定单元，用于基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述作业机械的先导控制油压；
速度控制单元，用于基于所述作业机械的先导控制油压，对所述作业机械的工作部件的动作速度进行控制；
其中，所述电子围栏是基于所述电子施工图纸中作业区域在所述三维图纸坐标系中的空间信息确定的。
本发明提供一种作业机械，包括所述的作业控制装置。
根据本发明提供的作业机械，还包括：
地图构建装置，用于获取电子施工图纸，并基于所述电子施工图纸的三维图纸坐标系构建三维施工地图；
作业显示装置，分别与所述地图构建装置和所述作业控制装置连接，用于显示所述三维施工地图、以及在所述三维施工地图中显示所述作业机械的工作部件的外轮廓点和所述电子围栏。
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作业控制方法的步骤。
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作业控制方法的步骤。
本发明提供的作业控制方法、装置和作业机械，将作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置转换到电子施工图纸的三维图纸坐标系中，根据电子施工图纸中作业区域在三维图纸坐标系中的空间信息确定电子围栏，在三维图纸坐标系中根据工作部件的外轮廓点的位置和电子围栏的位置，确定作业机械的先导控制油压，对作业机械的工作部件的动作速度进行控制，既可以通过速度变化直观地提示操作员注意施工作业范围的边界，又可以减少铲斗超出施工作业范围的可能性，提高了作业机械的施工安全性。同时，由于工作部件的外轮廓点和电子围栏均可以在同一坐标系中体现，无需配备施工员用于引导操作员施工，节省了人力成本。
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为本发明提供的作业控制方法的流程示意图；
图2为本发明提供的工作部件的外轮廓点的示意图；
图3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4为本发明提供的作业控制装置的结构示意图；
图5为本发明提供的作业机械的结构示意图；
图6为本发明提供的电子设备的结构示意图。
附图标记：
400：作业控制装置；410：位置转换单元；420：油压确定单元；430：速度控制单元；500:作业机械；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；H：斗杆油缸首关节点；K：斗杆油缸尾关节点；M：铲斗油缸首关节点；N：铲斗油缸尾关节点；E：铲斗第一外轮廓点；F：铲斗第二外轮廓点。
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为本发明提供的作业控制方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
步骤110，基于作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置，以及世界坐标系与电子施工图纸的三维图纸坐标系之间的坐标转换关系，确定工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置。
步骤120，基于工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置，以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定作业机械的先导控制油压；其中，电子围栏是基于电子施工图纸中作业区域在三维图纸坐标系中的空间信息确定的。
步骤130，基于作业机械的先导控制油压，对作业机械的工作部件的动作速度进行控制。
具体地，本发明实施例中的作业机械一般包括行走机构、回转平台和工作部件等。其中，工作部件包括动臂、斗杆和铲斗。作业机械可以是挖掘机，也可以是包含工作部件的组合式机械。工作部件之间相互配合，实现挖掘作业等。外轮廓点为工作部件边缘的点，可以用来表示工作部件的位置。
工作部件的外轮廓点的数量和位置可以根据需要进行选取。例如，以挖掘机为例，图2为本发明提供的工作部件的外轮廓点的示意图，如图2所示，外轮廓点可以选取斗杆油缸首关节点H和尾关节点K，铲斗油缸首关节点M和尾关节点N，铲斗第一外轮廓点E、铲斗第二外轮廓点F和铲斗齿尖C。
世界坐标系为以地球中心作为参考点建立的三维空间坐标系。作业机械上的任一点的实时位置均可以在世界坐标系中进行表示，并可以通过差分GPS定位器、RTK(Real-time kinematic，实时差分)定位器或者BDS(BeiDou Navigation Satellite System，北斗卫星导航系统)定位器获取。
电子施工图纸为作业机械进行施工作业时的电子图纸，以特定的电子数据格式存储了作业机械进行作业时的信息，例如可以包括作业区域的深度、长度和宽度等信息。电子施工图纸中作业环境的空间信息一般采用三维图纸坐标系中的坐标进行表示。三维图纸坐标系可以与世界坐标系相同，也可以与世界坐标系不同。例如，为了简单表示空间信息，电子施工图纸的三维图纸坐标系一般采用相对坐标系等进行表示。
在控制作业机械进行施工作业时，需要控制作业机械的工作部件在作业区域进行施工，可以将作业机械的工作部件的外轮廓点的位置转换到电子施工图纸所在的三维图纸坐标系中，从而实现精准控制作业机械的工作部件进行施工作业，避免需要额外设置施工员根据施工图纸，依靠人工方式确定作业区域的位置，再引导操作员控制作业机械进行施工。
世界坐标系与电子施工图纸的三维图纸坐标系之间的坐标转换关系可以表现为两个坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。在电子施工图纸中，一般会标明三维图纸坐标系与世界坐标系之间的坐标转换关系。通过查询电子施工图纸的图纸标注信息可以得到。
通过坐标转换关系，可以将作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置转换到三维图纸坐标系中，得到工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置。
作业区域为作业机械进行施工作业时的工作区域，例如，作业区域可以为沟、坑或者平面等。电子围栏用于采用电子数据形式来限制作业机械的施工作业范围。电子围栏可以是根据作业区域的在三维图纸坐标系中的空间信息确定的虚拟边界。此处的空间信息包括作业区域的形状和尺寸等三维信息。若作业区域附近较为空旷，则电子围栏可以设置在距离作业区域较远的位置，若作业区域附近存在其它建筑物、管道或者电线等，则电子围栏可以设置在距离作业区域较近的位置。
例如，若作业区域为沟，沟的宽度为1米，则可以在沟的两边和底部分别设置电子围栏，左右两侧的电子围栏距离沟中心线的距离可以为0.8米，则作业机械的施工作业范围为以沟中心线为基准左右各0.8米宽的区域。
工作部件都是依靠液压油泵(主泵)提供的工作油驱动的。液压油泵提供工作油，工作油进入各个工作部件的油缸驱动相应的工作部件进行伸出或者缩回，从而实现挖掘动作。作业机械动作速度的快慢由工作油的压力和流量决定。
工作油的压力和流量又是通过与液压油泵连接的先导泵控制的。先导手柄与先导泵连接，用于利用先导泵中的控制油对液压油泵中的工作油进行控制。
先导控制油压为先导泵中控制油的压力。先导控制油压越大，液压油泵提供的工作油的压力和流量就越大，作业机械的动作速度就越快；先导控制油压越小，液压油泵提供的工作油的压力和流量就越小，作业机械的动作速度就越慢。
在作业机械的控制过程中，当工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标中的位置越靠近电子围栏的位置时，铲斗超出施工作业范围的可能性就越大，此时，可以适当降低先导控制油压，使得作业机械的动作速度变慢；当工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标中的位置越远离电子围栏的位置时，铲斗超出施工作业范围的可能性就越小，此时，可以适当提高先导控制油压，使得作业机械的动作速度变快。
因此，可以通过将工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置与电子围栏在三维图纸坐标系中的位置之间的距离远近，来确定作业机械的先导控制油压。
本发明实施例提供的作业控制方法，将作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置转换到电子施工图纸的三维图纸坐标系中，根据电子施工图纸中作业区域在三维图纸坐标系中的空间信息确定电子围栏，在三维图纸坐标系中根据工作部件的外轮廓点的位置和电子围栏的位置，确定作业机械的先导控制油压，对作业机械的工作部件的动作速度进行控制，既可以通过速度变化直观地提示操作员注意施工作业范围的边界，又可以减少铲斗超出施工作业范围的可能性，提高了作业机械的施工安全性。同时，由于工作部件的外轮廓点和电子围栏均可以在同一坐标系中体现，无需配备施工员用于引导操作员施工，节省了人力成本。
基于上述实施例，步骤120包括：
基于工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置，以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定工作部件的外轮廓点与电子围栏之间的相对距离；
若工作部件的任一外轮廓点与电子围栏之间的相对距离小于预设安全距离，则基于相对距离和预设安全距离，确定作业机械的先导控制油压。
具体地，在三维图纸坐标系中，可以根据工作部件的外轮廓点的位置和电子围栏的位置，计算工作部件的外轮廓点与电子围栏之间的相对距离。
可以设置预设安全距离，用于确定是否对先导控制油压进行限制。预设安全距离可以根据施工需求进行设置，若作业机械的动作速度较快，则预设安全距离可以设置为较大值，例如5米；若作业机械的动作速度较慢，则预设安全距离可以设置为较小值，例如1米。
工作部件的外轮廓点可以为多个，如果任一外轮廓点与电子围栏之间的相对距离小于预设安全距离，则可以根据相对距离和预设安全距离，来确定作业机械的先导控制油压。
例如，可以根据相对距离与预设安全距离的比值，来限定先导控制油压的调节幅度。若相对距离与预设安全距离的比值较大，表明作业机械的工作部件的外轮廓点距离电子围栏的相对距离虽小于预设安全距离，但越过电子围栏的风险较小，则可以限定先导控制油压的降低幅度为较小值，使得作业机械的动作速度缓慢减低；若相对距离与预设安全距离的比值较小，表明作业机械的工作部件的外轮廓点距离电子围栏的相对距离小于预设安全距离且越过电子围栏的风险较小，则可以限定先导控制油压的降低幅度为较大值，使得作业机械的动作速度快速降低。
特别地，当相对距离与预设安全距离的比值为零时，也就是工作部件的外轮廓点与电子围栏的位置重合时，限定先导控制油压的降低幅度为最大值，使得作业机械的动作速度为零，避免对电子围栏外的建筑物或者人员造成伤害。
基于上述任一实施例，基于相对距离和预设安全距离，确定作业机械的先导控制油压，包括：
基于相对距离和预设安全距离的比值，确定作业机械的油压调节系数；
基于油压调节系数，以及作业机械的先导控制油压最大值，确定作业机械的先导控制油压。
具体地，油压调节系数用于对作业机械的先导控制油压进行调节。
根据相对距离d1和预设安全距离d1的比值，确定作业机械的油压调节系数k，用公式表示为：
k＝d1/d0
其中，0≤d1≤d0。
根据油压调节系数k，以及作业机械的先导控制油压最大值Pmax，确定作业机械的先导控制油压P，用公式表示为：
P＝kPmax
基于上述任一实施例，基于工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置，以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定工作部件的外轮廓点与电子围栏之间的相对距离，包括：
基于工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置，以及电子围栏中各个子电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定工作部件的外轮廓点与各个子电子围栏之间的相对距离；
将工作部件的外轮廓点与各个子电子围栏之间的相对距离的最小值确定为工作部件的外轮廓点与电子围栏之间的相对距离。
具体地，根据作业区域的不同，电子围栏可能包括多个子电子围栏。例如，对于在平面内的作业区域，其电子围栏可能包括前后方向和左右方向的子电子围栏。又例如，对于在立体空间内的作业区域，其电子围栏可能包括在前后方向、左右方向和上下方向的子电子围栏。又例如，若作业区域为不规则的多边形，则每一个边可能对应一个子电子围栏。
此时，可以分别计算工作部件的外轮廓点与各个子电子围栏之间的相对距离，将工作部件的外轮廓点与各个子电子围栏之间的相对距离的最小值确定为工作部件的外轮廓点与电子围栏之间的相对距离。
例如，当工作部件的外轮廓点为{A，B，C}，子电子围栏为{北，东，高}时，应当分别计算每一外轮廓点与各个子电子围栏之间的相对距离，得到相对距离{A-北，A-东，A-高，B-北，B-东，B-高，C-北，C-东，C-高}，然后在得到的多个相对距离中选择最小值，作为作业机械的工作部件的外轮廓点与电子围栏之间的相对距离。
基于上述任一实施例，作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置基于如下步骤确定：
获取作业机械的工作部件的倾角；工作部件包括动臂、斗杆和铲斗；
基于工作部件的倾角和长度，建立工作部件的D-H模型，并基于D-H模型，确定工作部件的外轮廓点与工作部件的支点之间的相对位移；
基于工作部件的支点在世界坐标系中的位置，以及工作部件的外轮廓点与工作部件的支点之间的相对位移，确定工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置。
具体地，作业机械的动臂、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)参数模型来计算作业机械的工作部件的外轮廓点在在世界坐标系中的位置。
可以根据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，构建作业机械的D-H模型。动臂坐标系以动臂支点为原点，斗杆坐标系以斗杆支点为原点，铲斗坐标系以斗杆支点为原点，铲斗齿尖坐标系以铲斗齿尖为原点；其中，动臂支点为动臂相对于作业机械的回转平台的枢转点，斗杆支点为斗杆相对于动臂的枢转点，铲斗支点为铲斗相对于斗杆的枢转点。
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。以挖掘机为例，图3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3所示，作业机械回转中心为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：
Figure BDA0003463509650000131
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：
Figure BDA0003463509650000132
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：
Figure BDA0003463509650000133
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
同理，还可以求解得到车身坐标系中斗杆支点L与动臂支点A之间的相对位移AL，用公式表示为：
AL＝RAL·[0 L1 0 1]T
还可以求解得到车身坐标系中铲斗支点D与动臂支点A之间的相对位移AD，用公式表示为：
AD＝RAD·[0 L2 0 1]T
通过上述方法，可以求解得到铲斗齿尖、斗杆支点和铲斗支点与动臂支点之间的相对位移。
根据动臂支点A在世界坐标系中的位置AGPS，以及铲斗齿尖C与动臂支点A之间的相对位移AC，确定铲斗齿尖C在世界坐标系中的位置CGPS,用公式表示为：
CGPS＝AC·I+AGPS
Figure BDA0003463509650000141
其中，pitch为作业机械车身的俯仰角，roll为作业机械车身的横滚角，yaw为作业机械车身的偏航角。
同理，得到斗杆支点L在世界坐标系中的实时位置LGPS，用公式表示为：
LGPS＝AL·I+AGPS
得到铲斗支点D在世界坐标系中的实时位置DGPS，用公式表示为：
DGPS＝AD·I+AGPS
对于工作部件的任一外轮廓点：
若该外轮廓点为铲斗齿尖C、斗杆支点L或者铲斗支点D，则可以根据上述方法直接得到其在世界坐标系中的位置；
若该轮廓点在动臂上，由于该轮廓点与动臂支点A和斗杆支点L之间的相对位移是固定的，可以通过测量的方法得到。因此，可以直接根据该轮廓点与动臂支点A之间的相对位移、该轮廓点与斗杆支点L之间的相对位移、动臂支点A在世界坐标系中的位置和斗杆支点L在世界坐标系中的位置，在该轮廓点、动臂支点A和斗杆支点L确定的三角形中计算得到该轮廓点在世界坐标系中的位置；
若该轮廓点在斗杆上，由于该轮廓点与斗杆支点L和铲斗支点D之间的相对位移是固定的，可以通过测量的方法得到。因此，可以直接根据该轮廓点与斗杆支点L之间的相对位移、该轮廓点与铲斗支点D之间的相对位移、斗杆支点L在世界坐标系中的位置和铲斗支点D在世界坐标系中的位置，在该轮廓点、斗杆支点L和铲斗支点D确定的三角形中计算得到该轮廓点在世界坐标系中的位置；
若该轮廓点在铲斗上，由于该轮廓点与铲斗支点D和铲斗齿尖C之间的相对位移是固定的，可以通过测量的方法得到。因此，可以直接根据该轮廓点与铲斗支点D之间的相对位移、该轮廓点与铲斗齿尖C之间的相对位移、铲斗支点D在世界坐标系中的位置和铲斗齿尖C在世界坐标系中的位置，在该轮廓点、铲斗支点D和铲斗齿尖C确定的三角形中计算得到该轮廓点在世界坐标系中的位置。
基于上述任一实施例，动臂支点在世界坐标系中的位置基于如下步骤确定：
基于作业机械上GNSS接收器获取的位置、以及该GNSS接收器与动臂支点在作业机械回转平台上的相对位置，确定动臂支点在世界坐标系中的位置。
具体地，由于GNSS接收器和动臂支点在回转平台上的位置是固定的，因而，GNSS接收器的安装位置和动臂支点在作业机械回转平台上的相对位置是确定的，可以通过测量得到。
当GNSS接收器获取位置后，在此基础上叠加该GNSS接收器与动臂支点在作业机械回转平台上的相对位置，就可以得到动臂支点在世界坐标系中的位置。
基于上述任一实施例，图4为本发明提供的作业控制装置的结构示意图，如图4所示，作业控制装置400包括：
位置转换单元410，用于基于作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置，以及世界坐标系与电子施工图纸的三维图纸坐标系之间的坐标转换关系，确定工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置；
油压确定单元420，用于基于工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置，以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定作业机械的先导控制油压；
速度控制单元430，用于基于作业机械的先导控制油压，对作业机械的工作部件的动作速度进行控制；
其中，电子围栏是基于电子施工图纸中作业区域在三维图纸坐标系中的空间信息确定的。
本发明实施例提供的作业控制装置，将作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置转换到电子施工图纸的三维图纸坐标系中，根据电子施工图纸中作业区域在三维图纸坐标系中的空间信息确定电子围栏，在三维图纸坐标系中根据工作部件的外轮廓点的位置和电子围栏的位置，确定作业机械的先导控制油压，对作业机械的工作部件的动作速度进行控制，既可以通过速度变化直观地提示操作员注意施工作业范围的边界，又可以减少铲斗超出施工作业范围的可能性，提高了作业机械的施工安全性。同时，由于工作部件的外轮廓点和电子围栏均可以在同一坐标系中体现，无需配备施工员用于引导操作员施工，节省了人力成本。
基于上述任一实施例，油压确定单元包括：
相对距离确定子单元，用于基于工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置，以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定工作部件的外轮廓点与电子围栏之间的相对距离；
油压确定子单元，用于若工作部件的任一外轮廓点与电子围栏之间的相对距离小于预设安全距离，则基于相对距离和预设安全距离，确定作业机械的先导控制油压。
基于上述任一实施例，油压确定子单元具体用于：
基于相对距离和预设安全距离的比值，确定作业机械的油压调节系数；
基于油压调节系数，以及作业机械的先导控制油压最大值，确定作业机械的先导控制油压。
基于上述任一实施例，相对距离确定子单元具体用于：
基于工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置，以及电子围栏中各个子电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定工作部件的外轮廓点与各个子电子围栏之间的相对距离；
将工作部件的外轮廓点与各个子电子围栏之间的相对距离的最小值确定为工作部件的外轮廓点与电子围栏之间的相对距离。
基于上述任一实施例，该装置还包括：
外轮廓点位置确定单元，用于获取作业机械的工作部件的倾角；基于工作部件的倾角和长度，建立工作部件的D-H模型，并基于D-H模型，确定工作部件的外轮廓点与工作部件的支点之间的相对位移；基于工作部件的支点在世界坐标系中的位置，以及工作部件的外轮廓点与工作部件的支点之间的相对位移，确定工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置；工作部件包括动臂、斗杆和铲斗。
基于上述任一实施例，作业机械图5为本发明提供的作业机械的结构示意图，如图5所示，作业机械500包括作业控制装置400。
具体地，作业控制装置400可以作为单独的控制装置与作业机械500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，该作业机械还包括：
地图构建装置，用于获取电子施工图纸，并基于电子施工图纸的三维图纸坐标系构建三维施工地图；
作业显示装置，分别与地图构建装置和作业控制装置连接，用于显示三维施工地图，以及在三维施工地图中显示作业机械的工作部件的外轮廓点和电子围栏。
具体地，地图构建装置用于获取电子施工图纸，并根据电子施工图纸的三维图纸坐标系构建三维施工地图。在该三维施工地图中，作业区域的点、线、面以及各对象的空间信息均在地图中构建。
作业控制装置可以根据作业区域的空间信息，确定电子围栏的位置和工作部件的外轮廓点的位置。
作业显示装置与地图构建装置连接，用于显示三维施工地图。此外，作业显示装置还与作业控制装置连接，用于在三维施工地图中显示作业机械的工作部件的外轮廓点和电子围栏。
基于上述任一实施例，本发明实施例提供一种作业控制方法，以挖掘机为例进行说明。
在挖掘机上安装五个角度传感器和一个双天线的GNSS设备，具体包括：
车身角度传感器设置于挖掘机上车身平面或上车身侧表面以测量上车身前后俯仰角和左右横滚角。动臂传感器为设置于挖掘机动臂外表面或者设置于机体与动臂的铰接位置的角度传感器，用于测量动臂与水平面的夹角。斗杆角度传感器为设置于斗杆外表面或者设置于动臂与斗杆的铰接位置的角度传感器，用于测量动臂和斗杆的夹角。铲斗角度传感器为设置于铲斗和斗杆连接的铰链外表面或者设置于斗杆与铲斗铰接位位置的角度传感器，用于测量铲斗和斗杆的夹角。回转传感器安装于挖掘机中央回转机构中，用于测量上车身较于下车身回转角度。GNSS设备中双天线安装于挖掘机尾部，主天线测量挖掘机尾部的世界坐标。从天线测量主从天线的航向角。
以车身旋转中心为上车身坐标系原点，GNSS输出坐标为卫星天线相位中心。利用卫星天线相位中心到车身回转中心的相对位置以及俯仰角、横滚角、航向角计算回转中心的世界坐标；利用回转中心和动臂支点的相对位置计算动臂支点的世界坐标；利用动臂和水平面夹角、斗杆和动臂的夹角、铲斗和斗杆的夹角以及动臂、斗杆、铲斗的连杆长计算得到工作部件的外轮廓点的世界坐标，用于后续结合电子施工图纸完成辅助施工。
以各角度传感器和GNSS设备计算挖掘机自身位姿信息，并在显示屏中实时显示三维模型和坐标信息。以显示屏为处理终端，完成挖掘机的施工图纸导入，施工图纸显示。施工图纸和挖掘机三维模型在同一坐标系显示，并由提前设置的阈值建立显示施工电子围栏。当挖掘机工作到电子围栏边界位置时，在控制器中完成对挖掘机的动作的限制。
将施工图纸导入显示屏并建立挖掘机的电子围栏，具体步骤如下：
将电子施工图纸导入至显示屏中；
显示屏解析施工图纸，将施工图纸的点线面和坐标信息重构显示在三维地图模型中；
将挖掘机自身的位置和姿态信息同步在三维模型中显示；
显示挖掘机的工作部件的外轮廓点位置，以及电子围栏的位置，辅助操作员精确施工。
当挖掘机的铲斗工作到电子围栏的位置时，在控制器中完成对挖掘机的动作的限制，具体情况如下：
计算工作部件的外轮廓点与电子围栏的距离；电子围栏包括北(挖掘机前方)、东(挖掘机左方)和高(挖掘机上方)三个方向的电子围栏；
通过各个距离不同，确定最小值，根据最小值确定挖掘机的先导控制油压；
根据先导控制油压，控制挖掘机的动作速度。
基于上述任一实施例，图6为本发明提供的电子设备的结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(Processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(Memory)630和通信总线(Communications Bus)640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑命令，以执行如下方法：
基于作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置，以及世界坐标系与电子施工图纸的三维图纸坐标系之间的坐标转换关系，确定工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置；基于工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置，以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定作业机械的先导控制油压；基于作业机械的先导控制油压，对作业机械的工作部件的动作速度进行控制；其中，电子围栏是基于电子施工图纸中作业区域在三维图纸坐标系中的空间信息确定的。
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：
基于作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置，以及世界坐标系与电子施工图纸的三维图纸坐标系之间的坐标转换关系，确定工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置；基于工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置，以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定作业机械的先导控制油压；基于作业机械的先导控制油压，对作业机械的工作部件的动作速度进行控制；其中，电子围栏是基于电子施工图纸中作业区域在三维图纸坐标系中的空间信息确定的。
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 (10)

1.一种作业控制方法，其特征在于，包括：
基于作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置、以及世界坐标系与电子施工图纸的三维图纸坐标系之间的坐标转换关系，确定所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置；
基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述作业机械的先导控制油压；
基于所述作业机械的先导控制油压，对所述作业机械的工作部件的动作速度进行控制；
其中，所述电子围栏是基于所述电子施工图纸中作业区域在所述三维图纸坐标系中的空间信息确定的。
2.根据权利要求1所述的作业控制方法，其特征在于，所述基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述作业机械的先导控制油压，包括：
基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及所述电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述工作部件的外轮廓点与所述电子围栏之间的相对距离；
若所述工作部件的任一外轮廓点与所述电子围栏之间的相对距离小于预设安全距离，则基于所述相对距离和所述预设安全距离，确定所述作业机械的先导控制油压。
3.根据权利要求2所述的作业控制方法，其特征在于，所述基于所述相对距离和所述预设安全距离，确定所述作业机械的先导控制油压，包括：
基于所述相对距离和所述预设安全距离的比值，确定所述作业机械的油压调节系数；
基于所述油压调节系数、以及所述作业机械的先导控制油压最大值，确定所述作业机械的先导控制油压。
4.根据权利要求2所述的作业控制方法，其特征在于，所述基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及所述电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述工作部件的外轮廓点与所述电子围栏之间的相对距离，包括：
基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及所述电子围栏中各个子电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述工作部件的外轮廓点与各个所述子电子围栏之间的相对距离；
将所述工作部件的外轮廓点与各个所述子电子围栏之间的相对距离中的最小值，确定为所述工作部件的外轮廓点与所述电子围栏之间的相对距离。
5.根据权利要求1至4任一项所述的作业控制方法，其特征在于，所述作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置基于如下步骤确定：
获取所述作业机械的工作部件的倾角；
基于所述工作部件的倾角和长度，建立所述工作部件的D-H模型，并基于所述D-H模型，确定所述工作部件的外轮廓点与所述工作部件的支点之间的相对位移；
基于所述工作部件的支点在世界坐标系中的位置、以及所述工作部件的外轮廓点与所述工作部件的支点之间的相对位移，确定所述工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置；
所述工作部件包括动臂、斗杆和铲斗。
6.一种作业控制装置，其特征在于，包括：
位置转换单元，用于基于作业机械的工作部件的外轮廓点在世界坐标系中的位置、以及世界坐标系与电子施工图纸的三维图纸坐标系之间的坐标转换关系，确定所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置；
油压确定单元，用于基于所述工作部件的外轮廓点在三维图纸坐标系中的位置、以及电子围栏在三维图纸坐标系中的位置，确定所述作业机械的先导控制油压；
速度控制单元，用于基于所述作业机械的先导控制油压，对所述作业机械的工作部件的动作速度进行控制；
其中，所述电子围栏是基于所述电子施工图纸中作业区域在所述三维图纸坐标系中的空间信息确定的。
7.一种作业机械，其特征在于，包括权利要求6所述的作业控制装置。
8.根据权利要求7所述的作业机械，其特征在于，还包括：
地图构建装置，用于获取电子施工图纸，并基于所述电子施工图纸的三维图纸坐标系构建三维施工地图；
作业显示装置，分别与所述地图构建装置和所述作业控制装置连接，用于显示所述三维施工地图、以及在所述三维施工地图中显示所述作业机械的工作部件的外轮廓点和所述电子围栏。
9.一种电子设备，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5任一项所述作业控制方法的步骤。
10.一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5任一项所述作业控制方法的步骤。
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