CN214784343U - 轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，包括主控制器、定位导航装置、轮速计、下位机控制器、液压系统、执行机构、传感器系统；所述主控制器负责规划和逻辑控制，根据的接收下位机信息，形成目标控制量；所述定位导航装置实现挖掘机航向、姿态和位置检测；所述轮速计由霍尔传感器和感应装置组成，实现挖掘机的行驶速度检测；本系统及方法在无人工干预的情况下，通过对轮腿复合式挖掘机的挖掘装置和底盘机构复合控制方式，实现轮腿复合式挖掘机的整机移位，以及变换位置后的姿态调整。

Description

轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统

技术领域

本实用新型属于挖掘机控制技术领域，尤其涉及一种轮腿复合式挖掘机连续移位挖掘作业过程中的自主移位控制系统。

背景技术

随着人工智能技术的快速发展，无人化装备已逐渐从实验室走向了战场，无人化工程机械已成为工程机械发展的一个重要方向。挖掘机作为一种结构、机构较为复杂的典型工程机械，其无人化技术具有一定代表性、示范性和可移植性。轮腿复合式挖掘机，因其越障能力强、可在大坡度上作业，而被广泛应用，主要用于工事构筑、道路抢修等场合。挖掘任务作业面一般纵向距离较长，远远超出挖掘机的作业范围，一个工位挖掘作业完毕后，需要挖掘机移动位置，到达下一个工位继续挖掘，移动位置后，需保证后续作业的作业面与前序作业面的衔接和方向一致性，同时要保证挖掘机的姿态满足作业平稳性和安全性要求，因此整车移位控制是挖掘机连续挖掘作业自主控制的关键环节。本实用新型的应用对象为轮腿复合式挖掘机，其挖掘装置结构如附图1所示，包括动臂、斗杆、伸缩臂、铲斗、液压系统。该挖掘机的轮腿复合式底盘为柔性底盘，其如附图2所示，包括前爪、前臂关节、前轮、前腿关机、前铰节、底座、后铰节、后腿关节、后轮毂和后轮。较普通挖掘机的刚性底盘，轮腿复合式底盘包括12个自由度，整车移位控制难度增大，急需一种自主移位控制系统及控制方法，实现挖掘机自主移位控制，为长作业面移位、连续挖掘作业自主控制奠定基础。

目前，以轮腿复合式挖掘机为控制对象，通过挖掘装置和底盘机构复合控制的方式，实现挖掘机自主移位控制，在国内尚属空白。在控制对象方面，目前国内挖掘机自主移位控制系统的控制对象主要是两类挖掘机：轮式底盘挖掘机和履带底盘挖掘机，基本为刚性底盘；在自主移位控制方式方面，目前的控制方法，主要是通过底盘行走机构控制前进或后退，实现挖掘机移位，通过工作装置和底盘协同实现自主移位控制的尚属空白。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统和控制方法，在无人工干预的情况下，实现轮腿复合式挖掘机的整机移位，以及变换位置后的姿态调整。

为实现上述实用新型的目的，本实用新型的技术方案是：

轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，包括主控制器、定位导航装置、轮速计、下位机控制器、液压系统、执行机构、传感器系统，所述主控制器、定位导航装置、轮速计、下位机控制器，通过CAN总线连接；

作为优选，所述主控制器，主CPU为i7-2655UE处理器，操作系统为Windows CE，负责规划和逻辑控制，接收下位机信息，形成目标控制量；

作为优选，所述定位导航装置，选型货架产品，实现挖掘机航向、姿态和位置检测；

作为优选，所述轮速计，由霍尔传感器和感应装置组成，位于挖掘机轮的后毂上，实现挖掘机的行驶速度检测；

作为优选，所述下位机控制器，由可编程控制器和调理电路组成，接收主控制器指令并解算成电信号，控制液压阀开口尺寸；

作为优选，所述液压系统，由泵、阀、马达、液压油缸等组成，液压系统接收下位机控制器的电信号，驱动执行机构；

作为优选，所述执行机构，包括4自由度工作装置和底盘机构，4自由度工作装置包括动臂、斗杆、伸缩臂、铲斗，底盘机构包括前爪、前臂关节、前轮、前腿关节、前铰节、底座、后铰节、后腿关节、后轮毂、后轮等；

作为优选，所述传感器系统，包括位移传感器、液压系统压力传感器和数据采集模块，通过下位机控制器上传至主控制器，实现执行机构各关节位移信息、液压系统压力信息采集和上传。

本实用新型的有益效果是：

轮腿复合式挖掘机包含16个关节，其中挖掘装置4个关节、底盘12个关节，越障爬坡能力强，并能在陡坡上安全作业。本实用新型解决了16关节挖掘机挖掘装置和底盘机构复合控制难题，实现了在无人工参与下，轮腿复合式挖掘机自主移位控制，使得挖掘机在一个工位完成作业后，可根据挖掘任务、挖掘机当前位置及前一工位挖掘情况等信息，自主移位至下一个工位，接续作业，实现了长作业面连续挖掘作业自主控制。在技术水平上，使挖掘机由定点挖掘作业自主控制，进步到连续挖掘作业自主控制阶段，在自主控制能力上基本接近人工操作水平。

附图说明

图1为轮腿复合式挖掘机挖掘装置结构示意图。

图2为轮腿复合式底盘结构示意图。

图3为本实用新型控制系统示意图。

图4为移动距离计算示意图。

图5为移位效果示意图。

图6为移动误差消除方法示意图。

图中：1是动臂、2是斗杆、3是伸缩臂、4是铲斗、h1是挖掘装置液压系统、11是前爪、12是前臂关节、13是前轮、14是前腿关节、15是前铰节、16是底座、17是后铰节、18是后腿关节、19是后轮毂、20是后轮、101是主控制器、102是定位导航装置、103是轮速计、201是下位机控制器、202是液压系统、203是执行机构、204是传感器系统。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，如附图3所示，包括：主控制器101、定位导航装置102、轮速计103、下位机控制器201、液压系统202、执行机构203、传感器系统204。主控制器101、定位导航装置102、轮速计103、下位机控制器201，通过CAN总线连接；下位机控制器201接收主控制器101的指令并解算成电信号，输出到液压系统202中相应的电磁阀，驱动执行机构203中的液压油缸、马达等完成相关动作，传感器系统204采集执行机构203的压力和位移信号，通过下位机控制器201上传至主控制器101，作为后续逻辑运算的参考。

作为优选，主控制器101，主CPU为i7-2655UE处理器，操作系统为Windows CE。负责规划和逻辑控制，接收下位机信息，形成目标控制量。

作为优选，定位导航装置102，选型货架产品，实现挖掘机航向、姿态和位置检测。

作为优选，轮速计103，由霍尔传感器和感应装置组成，位于挖掘机轮毂上，实现挖掘机的行驶速度检测。

作为优选，下位机控制器201，由可编程控制器和调理电路组成，接收主控制器101指令并解算成电信号，控制液压阀开口尺寸。

作为优选，液压系统202，由泵、阀、马达、液压油缸等组成，液压系统202接收下位机控制器201的电信号，驱动执行机构203，驱动挖掘机关节运动，具体包括：驱动挖掘机动臂1、斗杆2、伸缩臂3、铲斗4、前臂关节12、前轮13、前腿关节14、后腿关节18、后轮20运动的液压泵、液压阀、电磁阀、液压油缸、马达等。

作为优选，执行机构203，包括4自由度工作装置和底盘机构，4自由度工作装置包括动臂1、斗杆2、伸缩臂3、铲斗4，底盘机构包括前爪11、前臂关节12、前轮13、前腿关节14、前铰节15、底座16、后铰节17、后腿关节18、后轮毂19、后轮20。

作为优选，传感器系统204，包括位移传感器、液压系统压力传感器和数据采集模块，实现执行机构203各关节位置信息采集和上传，传感器系统204采集执行机构203的压力和位移信号，通过下位机控制器201上传至主控制器101。

工作原理：运用定位导航装置102获取挖掘机当前位置信息，根据挖掘机当前位置信息和移动的目标位置信息，主控制器101通过规划和逻辑运算产生每个工作周期的控制量，通过CAN总线将控制量传至下位机控制器201，下位机控制器201根据控制量控制液压系统202中的阀口开度，进而驱动执行机构203中相应关节一个控制周期内的位置移动，通过复合运动的方式，实现挖掘机一个工作周期内的向后移动，运用轮速计103计算挖掘机在当前这个工作周期内的移动距离，传感器系统204采集执行机构的位移信息，与目标控制量相比较，通过主控制器101逻辑计算，获得下一周期的控制量，系统进入下一工作周期的自主控制阶段。依次类推，直至挖掘机自主移动到目标位置。

轮腿复合式挖掘机自主移位控制和姿态调整控制方法，将挖掘机行走装置的四条轮腿与工作装置联合，看作多足并联机器人，基于多足并联机器人运动控制技术，实现挖掘机的整机移位，以及变换位置后的姿态调整。所有动作都在无人工干预的条件下，挖掘机自主完成。包括以下步骤：

步骤一：收起支腿。具体实现方式为：控制支腿油缸，收起支腿，通过调整底盘各关节油缸，控制挖掘机底盘与地面处于平行状态，以保证挖掘机平稳；

步骤二：确定移动距离L。如附图4所示，为保证前后两个工位挖掘作业面连续规则，综合考虑铲斗结构、已挖掘区域结构形状、挖掘机作业范围等因素，确定挖掘机移动距离L；

步骤三：撑起车体。具体实现方式为：控制4自由度工作装置动臂1、斗杆2、伸缩臂3、铲斗4共4个油缸，复合垂直直线运动，将车体撑起，使前轮13离开地面，车体抬高距离为D，即前轮13中心与地面距离为D；

步骤四：计算每个控制节拍内工作装置油缸的位移量。前轮13抬高后，车体的移动主要靠工作装置油缸和行走马达配合，完成挖掘机移动控制，具体实现时，需要计算出每个控制节拍相关油缸的位移量。具体实现方式是：根据移动深度v、节拍周期T，计算出下一节拍挖掘机的位移量x，根据空间几何变换方法计算下一节拍斗杆2和伸缩臂3的目标位移量Dd和Ds，循环计算，依次得出斗杆2和伸缩臂3油缸后续节拍内的位移量，直至到达目标位置；

步骤五：计算每个控制节拍内行走马达的旋转角度。根据挖掘机位移量x，计算出行走马达每个节拍的旋转角度Rm，直至到达目标位置；

步骤六：控制车体向后移动。具体实现方式为：如附图5所示，以铲斗4与地面的接触点为支，控制工作装置斗杆2、伸缩臂3油缸复合运动，每个控制节拍斗杆2和伸缩臂3的位移量分别为Dd和Ds；同时控制行走马达旋转角度Rm，直至挖掘机移位到目标位置；

步骤七：横向姿态调整，消除横向误差。横向误差的消除方法如下：当横向偏差DisY大于D1并且小于D2时，采用旋转挖掘机工作装置正逆解坐标系的方法，将挖掘作业面的X1轴重新对准移位前X轴的方向。当DisY大于D2时，采用挖掘机工作装置抬起后腿，旋转回转轴，再抬起前腿，反向旋转回转轴，将挖掘机的朝向重新对准移位前的朝向；

步骤八：纵向姿态调整，消除横向纵向误差。如附图6所示，纵向作业面错位产生的原因主要是由定位控制精度产生。纵向移位误差DisX消除采用如下方法：将DisX代入下次定点挖掘时的轨迹规划，在X轴方向根据DisX值将设计挖掘点的X坐标做相应的增减；

步骤九：控制行走状态到工作状态转换。挖掘机移位到目标位置后，控制支腿向两侧展开，之后向下移动插入地面，挖掘机完成挖掘作业准备。

所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

Claims (8)

1.轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，其特征在于，包括主控制器（101）、定位导航装置（102）、轮速计（103）、下位机控制器（201）、液压系统（202）、执行机构（203）、传感器系统（204），所述主控制器（101）、定位导航装置（102）、轮速计（103）、下位机控制器（201），通过CAN总线连接。

2. 根据权利要求1所述的轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，其特征在于，所述主控制器（101），主CPU为i7-2655UE处理器，操作系统为Windows CE，负责规划和逻辑控制，接收下位机信息，形成目标控制量。

3.根据权利要求1所述的轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，其特征在于，所述定位导航装置（102），为选型货架产品，实现挖掘机航向、姿态和位置检测。

4.根据权利要求1所述的轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，其特征在于，所述轮速计（103），由霍尔传感器和感应装置组成，位于挖掘机的后轮毂（19）上，实现挖掘机的行驶速度检测。

5.根据权利要求1所述的轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，其特征在于，所述下位机控制器（201），由可编程控制器和调理电路组成，接收主控制器（101）指令并解算成电信号，控制液压阀开口尺寸。

6.根据权利要求1所述的轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，其特征在于，所述液压系统（202），由泵、阀、马达、液压油缸组成，所述液压系统（202）接收下位机控制器（201）的电信号，驱动执行机构（203）。

7.根据权利要求1所述的轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，其特征在于，所述执行机构（203），包括4自由度工作装置和底盘机构，所述4自由度工作装置包括动臂（1）、斗杆（2）、伸缩臂（3）、铲斗（4），所述底盘机构包括前爪（11）、前臂关节（12）、前轮（13）、前腿关节（14）、前铰节（15）、底座（16）、后铰节（17）、后腿关节（18）、后轮毂（19）、后轮（20）。

8.根据权利要求1所述的轮腿复合式挖掘机自主移位控制系统，其特征在于，所述传感器系统（204），包括位移传感器、液压系统压力传感器和数据采集模块，所述传感器系统（204）采集执行机构（203）的压力和位移信号，通过下位机控制器（201）上传至主控制器（101）。

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