一种挖掘机系统及自动化作业方法

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体为一种挖掘机及自动化装料/卸料作业方法。

背景技术

挖掘机在各个工程领域均有应用，运动结构一般采用履带式和轮式，以适应各种复杂的工况环境，但伴随而生的是挖掘机复杂的控制系统；挖掘机一般由运动装置、工作装置构成，工作装置一般由二连杆机械臂及铲斗构成，组成三自由度运动系统。随着网络通信技术逐渐成熟，车联网可选方案逐渐增多；而挖掘机工作装置具有复杂的传动结构及操作复杂性，而车联网及自动控制可简化这种复杂性；挖掘机的机械臂较为灵活，由于挖掘机作业环境较为复杂，驾驶员在某些情况下其视野可能存在盲区，组合式动臂具有灵活性，使用自动化卸料不仅能减轻驾驶员操作难度，更能避免由于操作盲区带来的操作失误。一般情况下，自动化卸料需要动臂、斗杆以及铲斗同时协调动作，降低操作失误的可能性，减轻驾驶员操作负担。

本发明针对挖掘机工作装置，包括机械臂、旋转底盘、铲斗，设计自动控制算法，当驾驶员将铲斗物料装满时，挖掘机完成自动化卸料操作，从而减轻驾驶员操作负担。

发明内容

本发明的目的在于提供一种挖掘机系统及自动化作业方法，以解决上述背景技术中提出的在挖掘机工作装置具有复杂的传动结构及操作复杂性，和挖掘机作业流程繁琐、机械重复导致人力资源浪费的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种挖掘机系统包括：挖掘机本体，挖掘机本体上安装有车载惯导系统和自动化卸料控制系统，还包括有云端数据处理系统，所述车载惯导系统和自动化卸料控制系统与所述云端数据处理系统通讯连接；所述车载惯导系统用于收集挖掘机本体当前坐标信息，将其发送至所述云端数据处理系统，所述云端数据处理系统通过预置的自动化作业算法进行处理，将控制信号反馈至所述自动化卸料控制系统，所述自动化卸料控制系统控制所述挖掘机本体执行控制信号进而实现自动化卸料作业。

作为一种优选的技术方案，挖掘机本体包括下部车身、回转安装于下部车身上的旋转底盘、铰接于旋转底盘上端的大臂、铰接于所述大臂上端的小臂、铰接于所述小臂末端的铲斗和液压传动系统，所述铰接处均安装有用于测算关节运动角度的传感器，液压传动系统在所述自动化卸料控制系统控制的控制下完成驱动所述大臂、小臂和铲斗完成卸料作业。

一种挖掘机自动化作业方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述云端数据处理系统接收所述车载惯导系统发送的当前挖掘机所处的实时位置，指引驾驶员行驶至物料装运点进行物料挖取；

步骤S2：所述挖掘机本体判断挖掘机是否满载，若满载，则所述云端数据处理系统向所述自动化卸料控制系统发送停止自动化装载作业指令；自动化装载结束；若未满载，则所述云端数据处理系统向所述自动化卸料控制系统发送开始自动化装载作业指令和按照预置的自动化作业算法规划好的作业运动路径指令，并控制所述挖掘机本体在货箱位置处完成卸料作业；

步骤S3：所述云端数据处理系统向所述自动化卸料控制系统发送规划好的路径，挖掘机本体到达装料点后，驾驶员进行下一次物料挖掘。

作为一种优选的技术方案，自动化装载作业指令包括正运动学解算与逆运动学解算；其中正运动学解算针对挖掘机机械臂的各个关节转动角度及转动速度进行控制，即挖掘机机械臂关节变量的空间坐标与对应连接的末端铲斗的位姿信息，给定挖掘机机械臂参数和每个关节目标角度从而求解末端铲斗的位置及姿态；逆运动学解算在得知挖掘机铲斗位置和姿态，根据挖掘机机械臂参数逆推挖掘机机械臂各个关节的位置和姿态。

作为一种优选的技术方案，正运动学解算包括以下步骤：

步骤1)构建数学模型，针对挖掘机机械臂特性将系统简化为三自由度系统，以θ

步骤2)根据云端的货箱中点坐标通过逆计算得到θ

作为一种优选的技术方案，逆运动学解算包括以下步骤：

步骤3)根据简化后的三自由度系统计算角度，设装载点中心坐标在点A，以挖掘机为原点建立坐标系；θ

步骤4)计算机械臂各关节运动角度；令L

C

C

同理可得Cos(α)的值，求得θ

故θ

故φ值为：

计算得到θ

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

针对挖掘机工作装置，包括机械臂、旋转底盘、铲斗，设计自动控制算法，当驾驶员将铲斗物料装满时，挖掘机完成自动化卸料操作，从而减轻驾驶员操作负担。实现自动化卸料作业，结合相适配的挖掘机自动化作业方法，使得挖掘机完成自动化卸料操作，将驾驶员从机械重复的操作负担中解放出来，节省了人力成本，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明自动化卸料运行流程图；

图2为本发明中运输车抵达工作区过程；

图3为本发明中启动自动化卸料过程；

图4为本发明中挖掘机机械臂结构示意图；

图5为本发明中挖掘机机械臂数学模型；

图6为本发明中挖掘机机械臂即装料点建模图；

图7为本发明中挖掘机机械臂运动规划逆解关节角度关系图；

图8为Matlab仿真代码实现图；

图9为MATLAB仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种挖掘机系统包括：挖掘机本体，挖掘机本体上安装有车载惯导系统和自动化卸料控制系统，还包括有云端数据处理系统，所述车载惯导系统和自动化卸料控制系统与所述云端数据处理系统通讯连接；所述车载惯导系统用于收集挖掘机本体当前坐标信息，将其发送至所述云端数据处理系统，所述云端数据处理系统通过预置的自动化作业算法进行处理，将控制信号反馈至所述自动化卸料控制系统，所述自动化卸料控制系统控制所述挖掘机本体执行控制信号进而实现自动化卸料作业。挖掘机本体包括下部车身、回转安装于下部车身上的旋转底盘、铰接于旋转底盘上端的大臂、铰接于所述大臂上端的小臂、铰接于所述小臂末端的铲斗和液压传动系统，所述铰接处均安装有用于测算关节运动角度的传感器，液压传动系统在所述自动化卸料控制系统控制的控制下完成驱动所述大臂、小臂和铲斗完成卸料作业。其中请参阅图4，1与2共同构成旋转底盘，3为大臂，4与5为液压系统，为大臂提供动力，6为小臂，7与8为液压系统，为小臂提供动力，9为，10与11为液压系统，为铲斗提供动力，12与13为铲斗运动连杆。其中5、8、11的伸缩长度可换算成臂运动角度，与安装在关节连接处的角度传感器形成闭环、确保旋转精度。

同时提供一种挖掘机自动化作业方法集成挖掘机系统之中，参阅图3，包括如下步骤：

步骤S1：所述云端数据处理系统接收所述车载惯导系统发送的当前挖掘机所处的实时位置，指引驾驶员行驶至物料装运点进行物料挖取；

步骤S2：所述挖掘机本体判断挖掘机是否满载，若满载则云端数据处理系统向所述满载信号，则所述云端数据处理系统向所述自动化卸料控制系统发送停止自动化装载作业指令；自动化装载结束；若未满载，则所述云端数据处理系统向所述自动化卸料控制系统发送开始自动化装载作业指令和按照预置的自动化作业算法规划好的作业运动路径指令，并控制所述挖掘机本体在货箱位置处完成卸料作业；

步骤S3：所述云端数据处理系统向所述自动化卸料控制系统发送规划路径好的到达装料点，驾驶员进行下一次物料挖掘。

以下给出详细的控制策略、算法实现、仿真过程。

自动化卸料主要车辆坐标信息来源于车载惯导系统，挖掘机将自身坐标信息发送到云端，该坐标是以世界坐标系为参考的挖掘机坐标，云端接收到该坐标后经过处理，发送给需要装载物料的运输车量，运输车辆经过导航系统抵达挖掘机装料区域，运输车驻车后装料准备完毕，会将自身的组合惯导信息发送给云端，该信息包含以世界坐标系为参考的坐标信息、车辆航向角，云端通过车辆坐标信息、车辆航向角信息、车辆尺寸数据计算得到货箱中点坐标，该坐标会通过网络发送给挖掘机；当挖掘机驾驶员物料挖掘完毕，启动自动化卸料，机械臂、铲斗、旋转底盘自主规划运动轨迹，将物料自动化卸载到指定坐标位置，当运输车辆判断到满载信号时，发送满载信息到云端，云端告知挖掘机停止装载物料，此时挖掘机驾驶员停止为该车装载物料。

运输车辆抵达挖掘机工作区域过程图2。挖掘机自动化卸料流程图见图3。

挖掘机机械臂运动规划主要包括正运动学解算与逆运动学解算；其中正运动学解算针对挖掘机机械臂的各个关节转动角度及转动速度进行控制，即挖掘机机械臂关节变量的空间坐标与对应连接的末端铲斗的位姿信息，给定挖掘机机械臂参数和每个关节目标角度从而求解末端铲斗的位置及姿态。而逆运动学解算则恰恰相反，在得知挖掘机铲斗位置和姿态，根据挖掘机机械臂参数逆推挖掘机机械臂各个关节的位置和姿态。而本发明会得知云端给出的运输车辆货箱中点坐标，该坐标就是逆运动学解算最终的铲斗位置，由此位置和挖掘机机械臂相关参数逆推机械臂关节位姿。

挖掘机机械臂的构成一般有四部分组成，连接运动系统的旋转底盘、大臂、小臂、铲斗，其上有测算关节运动角度的传感器和动力提供装置。

云端将运载车辆货箱中点坐标发送到挖掘机，挖掘机驾驶员将铲斗装满物料之后，启动自动化卸料，挖掘机会记录启动自动化卸料时的机械臂位置信息及姿态，同时处理来自云端的货箱中点坐标，由起始目标及货箱中点目标进行运动规划，机械臂经规划路径到达货箱中点坐标后卸下铲斗中的物料，再由规划路径到达装料点，驾驶员进行下一次物料挖掘。

参阅图4，针对挖掘机机械臂特性可将系统简化为三自由度系统：

其中θ

根据货箱中点坐标逆运动学解算得到此时挖掘机机械臂位姿，本发明采用几何法求解，过程如下：

根据简化后的三自由度系统计算θ

θ

2)机械臂各关节运动角度计算如下：

L

C

C

同理可得Cos(α)的值，求得θ

故θ

故φ值为：

φ＝γ-θ

计算得到θ

在机械臂进行调整时，考虑运输车辆货箱高度，将机械臂抬升角度大于货箱角度即可避免挖掘机机械臂触碰到运输车辆货箱。

挖掘机的机械臂较为灵活，由于挖掘机作业环境较为复杂，驾驶员在某些情况下其视野可能存在盲区，组合式动臂具有灵活性，使用自动化卸料不仅能减轻驾驶员操作难度，更能避免由于操作盲区带来的操作失误。一般情况下，自动化卸料需要动臂、斗杆以及铲斗同时协调动作，降低操作失误的可能性，减轻驾驶员操作负担。

自动化卸料完毕后，机械臂按照运动路径，重新调整到装料区域，等待驾驶员下一次操作。

为了验证上述事实，进行Matlab仿真试验，代码实现如图8：

Matlab仿真结果如下图9。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。