一种基于5G互联网的无人驾驶挖掘机及其使用方法

技术领域

本发明涉及挖掘机技术领域，具体涉及一种基于5G互联网的无人驾驶挖掘机及其使用方法。

背景技术

智能无人驾驶挖掘机主要功能是实现对作业对象的自主作业功能，能够适应多种不同的作业对象，能够在有毒、有害的恶劣的环境中工作，所以智能无人驾驶挖掘机具有自主作业、适应性强、安全性高、节省人工等优点，因其具备较多的优点，使得挖掘机的自主作业成为近些年来研究的热点之一。

智能无人驾驶挖掘机能够在各种复杂地形施工，但是在对一些特定环境下，例如在对淤泥进行挖掘时，因为意外陷入其中，而一旦发生这种情况，挖掘机自身驱动力失去作用点，无法使自身从淤泥中脱身，只能依靠外力进行救援，然而在等待救援过程中机体可能会持续下陷下陷，使救援工作变得困难。因此需要一种能够适应各种复杂地形的挖掘机。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于5G互联网的无人驾驶挖掘机及其使用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出了一种基于5G互联网的无人驾驶挖掘机，包括车体，所述车体连接有可旋转的主履带，所述主履带内滑动连接有副履带，所述车体内还转动连接有螺杆，所述螺杆螺纹连有长螺母，所述长螺母与所述车体滑动连接，所述长螺母固定连接有推板，所述副履带与所述推板滑动连接；所述车体还滑动连接有竖直方向移动的螺纹筒，所述螺纹筒内转动连接有摆动杆，所述摆动杆一侧开设有弧形槽，所述车体固定连接有固定杆，所述固定杆滑动设置在所述弧形槽内；所述摆动杆转动连接有摄像头，所述摄像头通过弹簧与所述摆动杆相连，所述车体转动连接有缠绕轮，所述缠绕轮缠绕有拉绳，所述拉绳另一端与所述摄像头相连；所述螺纹筒和所述螺杆连接有驱动机构，所述摄像头、驱动机构和所述主履带连接有控制器。

优选的，所述缠绕轮同轴连接有被动齿轮，所述车体转动连接有随动轮，所述螺纹筒一端设置有齿条，所述随动轮两侧分别与所述被动齿轮和所述齿条相啮合；所述螺纹筒上端开设有长条孔，所述固定杆滑动设置在所述长条孔内，所述齿条设置在所述长条孔一侧。

优选的，当螺纹筒上升时，在随动轮的作用下，实现缠绕轮的放绳，拉绳放绳速度小于螺纹筒上升速度。

优选的，所述驱动机构包括与所述车体固定连接的电推杆，所述电推杆连接有电机，所述电机连接有输出轴，所述输出轴固定连接有第五锥齿轮和第一齿轮；所述第五锥齿轮用于驱动所述螺纹筒移动，所述第一齿轮用于驱动所述螺杆转动，所述电推杆和所述电机与所述控制器相连。

优选的，所述螺纹筒与所述车体滑动连接，所述车体转动连接有第四锥齿轮，所述第四锥齿轮内圈开设有螺纹孔，所述螺纹筒与所述螺纹孔螺纹连接，所述第四锥齿轮与所述第五锥齿轮相啮合。

优选的，所述螺杆固定连接有第一锥齿轮，所述车体转动连接有转轴，所述转轴一端固定套设有第三锥齿轮和第二锥齿轮，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮相啮合。

优选的，所述车体转动连接有第二齿轮和第三齿轮，所述第三齿轮连接有第六锥齿轮，所述第六锥齿轮与所述第三锥齿轮相啮合；所述第二齿轮两端与所述第一齿轮和所述第三齿轮相啮合。

优选的，当第一齿轮和所述第二齿轮相啮合时，第五锥齿轮和第四锥齿轮断开啮合；当第一齿轮和所述第二齿轮断开啮合时，第五锥齿轮和第四锥齿轮相啮合。

本发明还提出了一种基于5G互联网的无人驾驶挖掘机的使用方法，采用上述的一种基于5G互联网的无人驾驶挖掘机，包括以下步骤：

S1：通过摄像头判断路况情况，根据路况情况，控制器控制电推杆工作，使第一齿轮和所述第二齿轮相啮合，控制器控制电机工作，电机带动第一齿轮转动；

S2：第一齿轮通过第二齿轮带动第三齿轮转动，第三齿轮通过第六锥齿轮带动第三锥齿轮转动，第三锥齿轮通过第二锥齿轮带动第一锥齿轮和螺杆转动，螺杆带动长螺母水平方向移动，长螺母通过推板带动副履带向外滑出，从而增大履带和地面的接触面积；

S3：控制器控制电推杆工作，使第五锥齿轮和第四锥齿轮相啮合，第一齿轮和所述第二齿轮断开啮合，电机带动第五锥齿轮转动，第五锥齿轮带动第四锥齿轮转动，进而带动摆动杆向上滑出；

S4：随着摆动杆的移动，通过随动轮带动缠绕轮转动，实现拉绳的放绳，拉绳放绳速度小于螺纹筒上升速度，使得摄像头绕摆动杆转动，使弹簧压缩，在此过程中，固定杆在弧形槽内滑动，在拉绳的作用下，使摄像头摆动的同时还会向下转动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中设置有可转动的螺杆。当螺杆转动时，可带动长螺母移动，长螺母可通过推板带动副履带移动，从而使副履带移出或者移入主履带内，从而增加履带的面积，增大与地面的接触面积，可适应较为复杂地形的行走工作，特别是针对泥泞路段或者淤泥挖掘时，有较好的支撑效果，同时主履带可带动副履带移动，副履带绕推板滑动，推板不至于影响到履带的正常转动工作，增加了挖掘机的适应能力。

2.本发明中还设置有竖直方向移动的螺纹筒，电机通过驱动第四锥齿轮转动，可带动螺纹筒竖直方向移动，螺纹筒移动时，可带动缠绕轮放绳，由于放绳速度小于螺纹筒移动速度，因此可使摄像头绕摆动杆转动，随着摄像头上升的同时，摄像头还可发生转动，使得摄像头可继续拍摄履带附近的地形情况，摄像头上升和转动的距离和履带增长的面积相适配，便于继续观察挖掘机周围的地形，同时在固定杆的作用下，可带动摆动杆转动，可实现挖掘机周围地形的检测工作，同时在拉绳的作用下，摄像头摆动的同时还会向下转动，减小拍摄的盲区，增大拍摄的面积。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明整体主视图；

图2是本发明整体侧视图；

图3是图1中A-A部分结构示意图；

图4是图2中B-B部分结构示意图；

图5是图3中K部分结构放大图；

图6是图5中摆动杆结构示意图。

附图标记说明:

1车体；2主履带；3摄像头；4推板；5长螺母；6副履带；7螺杆；8第一锥齿轮；9第二锥齿轮；10第三锥齿轮；11转轴；12第四锥齿轮；13摆动杆；14螺纹筒；15第五锥齿轮；16第一齿轮；17电机；18第二齿轮；19电推杆；20第六锥齿轮；21第三齿轮；22随动轮；23缠绕轮；24拉绳；25弹簧；26铰接座；27固定杆；28弧形槽。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参考附图1-6，本实施例提出了一种基于5G互联网的无人驾驶挖掘机，包括车体1，车体1连接有可旋转的主履带2，主履带2内滑动连接有副履带6，车体1内还转动连接有螺杆7，螺杆7螺纹连有长螺母5，长螺母5与车体1滑动连接。长螺母5固定连接有推板4，副履带6与推板4滑动连接。

主履带2和长螺母5共设置有两个，且设置在车体1的两侧，副履带6位于主履带2内，可沿主履带2内表面相对滑动，主履带2连接有驱动机构，驱动机构可带动主履带2转动，实现挖掘机的行走。

其中副履带6内侧开设有凹槽，推板4滑动设置在凹槽内，因此当推板4向外或者向内移动时，可同时带动副履带6移动，主履带2转动时，可带动副履带6同时转动，此时副履带6可绕推板4滑动，推板4在凹槽内自由滑动。

车体1还滑动连接有竖直方向移动的螺纹筒14，螺纹筒14始终与车体1滑动连接，螺纹筒14上端穿出车体1。螺纹筒14内转动连接有摆动杆13，摆动杆13一侧开设有弧形槽28，车体1固定连接有固定杆27，固定杆27滑动设置在弧形槽28内。

摆动杆13转动连接有摄像头3，摄像头3通过弹簧25与摆动杆13相连，车体1转动连接有缠绕轮23，缠绕轮23缠绕有拉绳24，拉绳24另一端与摄像头3相连；螺纹筒14和螺杆7连接有驱动机构，摄像头3、驱动机构和主履带2连接有控制器。

弧形槽28形状如图6所述，由于固定杆27位置不动，因此当摆动杆13向上移动时，在弧形槽28的作用下，摆动杆13可绕螺纹筒14转动，由于弧形槽28自身形状的限制，可实现摆动杆13往复转动，从而实现摄像头3的往复摆动。

摆动杆13上端穿出螺纹筒14，摆动杆13上端固定连接有水平板，水平板上固定连接有铰接座26，摄像头3和铰接座26转动连接，当摆动杆13带动摄像头3左右摆动时，可实现对挖掘机两侧地面的拍摄工作，从而实现对挖掘机周围地形的识别工作。

摄像头3可通过5G信号实现与控制器的无线传输，控制器内还连接有定位导航系统和雷达，用于提供以图像、点云等形式呈现海量的周边环境及自身状态数据，实现挖掘机行驶速度、转向角度、转向角及挖掘力的组合控制，提高无人驾驶的安全性和可靠性。

在工作中，通过预先输入作业场景，通过作业场景计算机重建，建立动态物料堆模型，控制器实现挖掘机的自主作业。无人驾驶挖掘机在作业过程中，需检测作业面中行人等障碍物，为挖掘机动态障碍物识别和避障提供信息支持。

可将二维、三维视觉信息融合一体，采用多特征融合的动态障碍物检测方法，实现动态障碍物检测和避障。通过理论计算与实验结果进行对比，验证理论规划的合理性；通过不同角度和不同策略的挖掘实验验证轨迹规划方法，针对不同的环境进行自主规划且能够降低挖掘能耗，满足无人驾驶高效的智能化挖掘需求。

摄像头3可保证挖掘机按已定路线正确作业，防止挖掘机偏离作业路径。视觉导航定位是计算机处理采集摄像头3拍摄的作业面图像，然后对作业面信息识别、处理，自主调整挖掘机的作业路线。采用摄像头3和定位导航系统的技术对挖掘机作业面进行扫描,识别作业面和地形信息,并通过控制行驶速度、转向角度、转向角和挖掘力,使挖掘机保持一定的安全位置从而完成自主导航，同时可控制履带自由增大面积，以适应不同地面的行走。

要考虑满斗率、速度参数以及挖掘几何参数等约束的同时建立以最小挖掘能耗和挖掘后角差为目标函数多目标挖掘轨迹优化模型，可基于LHS和SQP的轨迹规划方法优化出最优挖掘参数以适应智能化挖掘机高效、快速的作业要求。挖掘机自主决策控制主要是对挖掘机作业速度、转向、制动、挖掘力控制。挖掘机作业运行过程中，通过5G网络实时根据作业面信息进行必要的操作以保证作业安全，由于5G信号的传播速度远优于4G，因此可及时跟进地面信息进行信号的反馈处理。

可通过对决策系统、感知系统和控制系统三大模块进行设计，并且搭建一种智能挖掘机多节点数据流的实时通讯机制，保证挖掘机工作时各硬件节点之间的通信交互，在感知模块基于摄像头3和激光雷达进行了挖掘环境的构建，最后搭建可视化的智能化作业前向控制台以实现对挖掘机样机的界面化操作和数据可视化。

本申请通过多维视觉信息融合技术、动态障碍物检测和轨迹自主规划，实现挖掘机作业的障碍物检测和自主避障；然后通过作业面、地形信息采集、视觉导航技术和5G互联网技术实现挖掘机的导航定位；通过虚拟样机分析工作机构动力学，优化挖掘参数，实现挖掘机自主决策控制。在此基础上对无人驾驶挖掘机进行性能实验，验证其决策、感知和控制模块，基于5G互联网的实时通信技术和可视化的智能化作业前向控制台。

本申请通过基于多特征融合的动态障碍物检测避障方法,解决动态障碍物检测准确性和实时性较低的问题,增强动态障碍物避障的安全性。通过摄像头3和激光雷达实现作业场景计算机重建，建立动态物料堆模型，决策系统实现挖掘机的自主作业。

缠绕轮23同轴连接有被动齿轮，车体1转动连接有随动轮22，螺纹筒14一端设置有齿条，随动轮22两侧分别与被动齿轮和齿条相啮合；螺纹筒14上端开设有长条孔，固定杆27滑动设置在长条孔内，齿条设置在长条孔一侧。

当螺纹筒14向上移动时，可通过齿条带动随动轮22转动，随动轮22带动缠绕轮23转动，实现放绳和收绳，因此当摆动杆13向上时，可同时带动缠绕轮23转动，实现放绳，弹簧25上端与摄像头3相连，弹簧25下端与水平板相连，拉绳24与摄像头3左端相连，弹簧25位于拉绳24和铰接座26之间。

当螺纹筒14上升时，在随动轮22的作用下，实现缠绕轮23的放绳，拉绳24放绳速度小于螺纹筒14上升速度，因此随着摆动杆13高度的上升，可使摄像头3绕摆动杆13转动，使摄像头3转动较小的角度，使弹簧25压缩。在初始状态下，摄像头3拍摄的为履带周围的地形，随着履带的伸长，履带面积增大，因此会遮挡摄像头3的视线，而随着摄像头3的抬升，此时在拉绳24的作用下，摄像头3转动，使摄像头3仍然拍摄履带周围的地形。

在拉绳24的作用下，当摆动杆13转动时，由于拉绳24的限制，摄像头3转动的同时，还会向下摆动，因此在摄像头3转动的同时，可实现向下转动，减小拍摄的盲区，增大拍摄的面积。

驱动机构包括与车体1固定连接的电推杆19，电推杆19连接有电机17，电机17连接有输出轴，输出轴固定连接有第五锥齿轮15和第一齿轮16；第五锥齿轮15用于驱动螺纹筒14移动，第一齿轮16用于驱动螺杆7转动。电推杆19和电机17与控制器相连。

螺纹筒14与车体1滑动连接，车体1转动连接有第四锥齿轮12，第四锥齿轮12内圈开设有螺纹孔，螺纹筒14与螺纹孔螺纹连接，第四锥齿轮12与第五锥齿轮15相啮合。当第四锥齿轮12转动时，可带动螺纹筒14竖直方向滑动。

螺杆7固定连接有第一锥齿轮8，车体1转动连接有转轴11，转轴11一端固定套设有第三锥齿轮3和第二锥齿轮9，第二锥齿轮9与第一锥齿轮8相啮合。

车体1转动连接有第二齿轮18和第三齿轮21，第三齿轮21连接有第六锥齿轮20，第六锥齿轮20与第三锥齿轮10相啮合；第二齿轮18两端与第一齿轮16和第三齿轮21相啮合。

当第一齿轮16和第二齿轮18相啮合时，第五锥齿轮15和第四锥齿轮12断开啮合；当第一齿轮16和第二齿轮18断开啮合时，第五锥齿轮15和第四锥齿轮12相啮合，电推杆19可实现螺杆7和螺纹筒14的分别驱动，从而控制器运行到合适的距离。

通过合理设置，两个螺杆8的旋向，从而使得，当第二锥齿轮9转动时，可同时带动两个第一锥齿轮8转动，进而实现两个副履带6的相向或者相离运动，实现履带的延长或者缩小。

本发明还提出了一种基于5G互联网的无人驾驶挖掘机的使用方法，采用本实施例所述的一种基于5G互联网的无人驾驶挖掘机，包括以下步骤：

S1：通过摄像头3判断路况情况，根据路况情况，控制器控制电推杆19工作，使第一齿轮16和第二齿轮18相啮合，控制器控制电机17工作，电机17带动第一齿轮16转动；

S2：第一齿轮16通过第二齿轮18带动第三齿轮21转动，第三齿轮21通过第六锥齿轮20带动第三锥齿轮10转动，第三锥齿轮10通过第二锥齿轮9带动第一锥齿轮8和螺杆7转动，螺杆7带动长螺母5水平方向移动，长螺母5通过推板4带动副履带6向外滑出，从而增大履带和地面的接触面积；

S3：控制器控制电推杆19工作，使第五锥齿轮15和第四锥齿轮12相啮合，第一齿轮16和第二齿轮18断开啮合，电机17带动第五锥齿轮15转动，第五锥齿轮15带动第四锥齿轮12转动，进而带动摆动杆13向上滑出；

S4：随着摆动杆13的移动，通过随动轮22带动缠绕轮23转动，实现拉绳24的放绳，拉绳24放绳速度小于螺纹筒14上升速度，使得摄像头3绕摆动杆13转动，使弹簧25压缩，在此过程中，固定杆27在弧形槽28内滑动，在拉绳24的作用下，使摄像头3摆动的同时还会向下转动。

需要说明的是，当螺杆7转动时，可带动长螺母5移动，长螺母5可通过推板4带动副履带6移动，从而使副履带6移出或者移入主履带2内，从而增加履带的面积，增大与地面的接触面积，可适应较为复杂地形的行走工作，特别是针对泥泞路段或者淤泥挖掘时，有较好的支撑效果，同时主履带2可带动副履带6移动，副履带6绕推板4滑动，推板4不至于影响到履带的正常转动工作，增加了挖掘机的适应能力。

另外，电机17通过驱动第四锥齿轮12转动，可带动螺纹筒14竖直方向移动，螺纹筒14移动时，可带动缠绕轮23放绳，由于放绳速度小于螺纹筒14移动速度，因此可使摄像头3绕摆动杆13转动，随着摄像头3上升的同时，摄像头3还可发生转动，使得摄像头3可继续拍摄履带附近的地形情况，摄像头3上升和转动的距离和履带增长的面积相适配，便于继续观察挖掘机周围的地形，同时在固定杆27的作用下，可带动摆动杆13转动，可实现挖掘机周围地形的检测工作，同时在拉绳24的作用下，摄像头3摆动的同时还会向下转动，减小拍摄的盲区，增大拍摄的面积。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。