專利名稱：一種液壓挖掘機(jī)避障控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種液壓挖掘機(jī)，具體涉及一種用于對(duì)液壓挖掘機(jī)提供避障控制的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
液壓挖掘機(jī)被廣泛應(yīng)用于房屋建筑的地基開(kāi)挖及完工后的清理、城市管道鋪設(shè)、農(nóng)田水利建設(shè)等場(chǎng)合，具有施工機(jī)動(dòng)靈活、效率高的優(yōu)點(diǎn)。
液壓挖掘機(jī)的工作區(qū)域常有一些需要避開(kāi)的障礙物，例如，地下管線、房屋地基、電線桿等，可以認(rèn)為，這些障礙物將挖掘空間劃分為兩部分可挖掘區(qū)域和挖掘禁區(qū)，這就為挖掘機(jī)前端工作裝置軌跡帶來(lái)了約束條件，如果挖掘機(jī)前端工作裝置碰到這些障礙物就會(huì)引發(fā)事故、造成損失。
目前，挖掘機(jī)避障主要依靠操作手的操作熟練程度，然而，由于上述障礙物位于地下，觀察不便，且挖掘機(jī)的操作精度也較難控制，依靠操作手的能力不能可靠地避免事故的發(fā)生。我們經(jīng)常會(huì)在新聞中看到由于挖掘機(jī)挖斷水管、電線等造成大面積停水、停電的報(bào)道。
因而，如果能實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓挖掘機(jī)避障的自動(dòng)控制，將能有效保證施工現(xiàn)場(chǎng)的安全，并進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的自動(dòng)挖掘奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種液壓挖掘機(jī)避障控制方法，通過(guò)使用該方法實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的自動(dòng)避障，大大減少施工事故的發(fā)生，提高了施工安全性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種液壓挖掘機(jī)避障控制系統(tǒng)，通過(guò)安裝該系統(tǒng)，使挖掘機(jī)具有自動(dòng)避障的能力，便于對(duì)挖掘機(jī)的操作。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種液壓挖掘機(jī)的避障控制方法，包括下列步驟(1)設(shè)定挖掘禁區(qū)，所述挖掘禁區(qū)通過(guò)將障礙物歸類為點(diǎn)形障礙物、線形障礙物、面形障礙物中的一種或者其組合，增加預(yù)設(shè)安全距離后獲得；(2)通過(guò)傳感器獲取挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和工作平臺(tái)的狀態(tài)，獲得挖掘機(jī)工作裝置的位置參數(shù)；(3)計(jì)算挖掘機(jī)工作裝置與挖掘禁區(qū)的距離，在該距離小于臨界值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直至挖掘機(jī)停機(jī)時(shí)為止，從而實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的避障控制。
上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中，設(shè)定至少2個(gè)所述臨界值，在所述距離小于對(duì)應(yīng)臨界值時(shí)，發(fā)出對(duì)應(yīng)級(jí)別的報(bào)警信號(hào)。
上述技術(shù)方案中，在所述距離小于最小臨界值時(shí)，使液壓挖掘機(jī)停機(jī)或自動(dòng)回轉(zhuǎn)。
上文中，由于施工地域中障礙物的存在，便可將挖掘機(jī)的工作區(qū)域分為可開(kāi)挖區(qū)域和挖掘禁區(qū)，工作裝置進(jìn)入挖掘禁區(qū)會(huì)引發(fā)一定的事故，造成損失，挖掘禁區(qū)由各種障礙物組成，其形狀包括具有一定體積的點(diǎn)狀物、具有一定截面的線狀物和具有一定厚度的面狀物及其組合。通過(guò)控制器與用戶的人機(jī)對(duì)話，獲取障礙物的位置和形狀后，以此信息作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，挖掘機(jī)有動(dòng)作時(shí)，控制器即對(duì)動(dòng)臂傾角、斗桿傾角、鏟斗傾角、平臺(tái)傾角、平臺(tái)轉(zhuǎn)角等信息進(jìn)行處理，計(jì)算與挖掘禁區(qū)的距離，即臨界值，如果距離小于預(yù)先設(shè)定的臨界值即發(fā)出預(yù)警信息。預(yù)先設(shè)定的臨界距離可以有一個(gè)或多個(gè)，以此顯示不同程度的危險(xiǎn)程度，相應(yīng)的，預(yù)警信號(hào)也可以通過(guò)不同形式來(lái)表示危險(xiǎn)程度的不同，用戶亦可以通過(guò)安全要求不同，選擇相應(yīng)的安全級(jí)別來(lái)選擇不同的預(yù)警臨界距離。
利用上述方法，本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)技術(shù)方案是一種液壓挖掘機(jī)避障控制系統(tǒng)，包括輸入裝置、控制器、傳感器及傳感器接口模塊，所述輸入裝置為障礙物位置輸入模塊；所述傳感器包括，用于檢測(cè)挖掘機(jī)上、下車之間相對(duì)轉(zhuǎn)角的角度傳感器，動(dòng)臂傾角傳感器、斗桿傾角傳感器、鏟斗傾角傳感器、平臺(tái)橫向和縱向傾角傳感器，各傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)傳感器接口模塊與控制器連接；所述控制器中設(shè)有挖掘機(jī)鏟斗與障礙物距離比較模塊；還設(shè)有預(yù)警裝置。
上述技術(shù)方案中，所述平臺(tái)橫向和縱向傾角傳感器為雙軸傾角傳感器。
上述技術(shù)方案中，所述預(yù)警裝置選自下列一種或幾種的組合，聲音預(yù)警、光預(yù)警、文字預(yù)警、圖片預(yù)警、動(dòng)畫(huà)預(yù)警。
上述技術(shù)方案中，所述控制器上設(shè)有停機(jī)信號(hào)輸出端口。
上文中，通過(guò)設(shè)置于不同位置上的傳感器(用于檢測(cè)挖掘機(jī)上、下車之間相對(duì)轉(zhuǎn)角的角度傳感器，動(dòng)臂傾角傳感器、斗桿傾角傳感器、鏟斗傾角傳感器、平臺(tái)橫向和縱向傾角傳感器)檢測(cè)挖掘機(jī)工作裝置及行走裝置的工作位置，將這些數(shù)據(jù)傳至控制器中，控制器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(計(jì)算)，其方式包括代數(shù)計(jì)算、單神經(jīng)元計(jì)算、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和模糊數(shù)據(jù)處理方法的部分或全部，控制器中預(yù)先已存有相應(yīng)位置的臨界值，通過(guò)控制器中的比較器進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)得距離小于預(yù)先設(shè)定的臨界值即發(fā)出預(yù)警信息，該預(yù)警信息可以有多種形式表現(xiàn)，包含聲音信息、發(fā)光信息、文字信息、圖片信息和動(dòng)畫(huà)信息的部分或全部，配合控制器上設(shè)置的停機(jī)信號(hào)輸出端口，用戶可根據(jù)需要在挖掘機(jī)實(shí)行自動(dòng)挖掘作業(yè)時(shí)，遇警自動(dòng)停機(jī)，此時(shí)，預(yù)警信息作為挖掘機(jī)工作裝置軌跡控制過(guò)程的軌跡約束條件，以限制前端工作裝置的軌跡運(yùn)動(dòng)范圍。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)1.將本發(fā)明中的系統(tǒng)與方法相結(jié)合，通過(guò)在挖掘機(jī)工作裝置及行走裝置上設(shè)置傳感器，檢測(cè)前方障礙物的位置，測(cè)得數(shù)據(jù)輸入控制器內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，并利用控制器中的比較器與預(yù)先輸入的值(臨界值)進(jìn)行比較，超過(guò)時(shí)即發(fā)出警報(bào)或自動(dòng)回轉(zhuǎn)，提醒操作人員，有效提高挖掘可靠程度，避免事故的發(fā)生；2.通過(guò)在線檢測(cè)挖掘機(jī)前端工作裝置位置信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算工作裝置與挖掘禁區(qū)的距離，能夠輔助挖掘過(guò)程，提高挖掘機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下工作過(guò)程的自身安全和現(xiàn)場(chǎng)安全，加上設(shè)置于控制上的停機(jī)信號(hào)輸出端口，使挖掘機(jī)的自動(dòng)挖掘成為可能。


附圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的控制方框圖；附圖2為本發(fā)明實(shí)施例一中斗桿、鏟斗傾角傳感器安裝方式示意圖；附圖3為本發(fā)明實(shí)施例一中斗桿和鏟斗的實(shí)際傾角與傳感器輸出電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖；附圖4為本發(fā)明實(shí)施例一障礙物類型選擇窗口；
附圖5為本發(fā)明實(shí)施例一平面類型選擇窗口；附圖6為本發(fā)明實(shí)施例一平面高度選擇窗口；附圖7為本發(fā)明實(shí)施例一限制屬性選擇窗口；附圖8為本發(fā)明實(shí)施例一安全級(jí)別選擇窗口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一參見(jiàn)附圖1至附圖8所示，一種液壓挖掘機(jī)的避障控制系統(tǒng)及方法，方法包括下列步驟(1)設(shè)定挖掘禁區(qū)，所述挖掘禁區(qū)通過(guò)將障礙物歸類為點(diǎn)形障礙物、線形障礙物、面形障礙物中的一種或者其組合，增加預(yù)設(shè)安全距離后獲得；(2)通過(guò)傳感器獲取挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和工作平臺(tái)的狀態(tài)，獲得挖掘機(jī)工作裝置的位置參數(shù)；(3)計(jì)算挖掘機(jī)工作裝置與挖掘禁區(qū)的距離，在該距離小于臨界值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，所述臨界值設(shè)定有2個(gè)，在所述距離小于對(duì)應(yīng)臨界值時(shí)，發(fā)出對(duì)應(yīng)級(jí)別的報(bào)警信號(hào)，并使液壓挖掘機(jī)自動(dòng)回轉(zhuǎn)；(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直至挖掘機(jī)停機(jī)時(shí)為止，從而實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的避障控制。
系統(tǒng)包括輸入裝置、控制器、傳感器及傳感器接口模塊，所述輸入裝置為障礙物位置輸入模塊；所述傳感器包括，用于檢測(cè)挖掘機(jī)上、下車之間相對(duì)轉(zhuǎn)角的角度傳感器，動(dòng)臂傾角傳感器、斗桿傾角傳感器、鏟斗傾角傳感器、平臺(tái)橫向和縱向傾角傳感器，各傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)傳感器接口模塊與控制器連接；所述控制器中設(shè)有挖掘機(jī)鏟斗與障礙物距離比較模塊及停機(jī)信號(hào)輸出端口，在自動(dòng)挖掘狀態(tài)時(shí)，使用該端口輸出信號(hào)可使挖掘機(jī)自動(dòng)停機(jī)；還設(shè)有預(yù)警裝置，該預(yù)警裝置選自聲音預(yù)警及動(dòng)畫(huà)預(yù)警的結(jié)合；本實(shí)施例中，各種傳感器及其量程可以按如下方式選取回轉(zhuǎn)角度傳感器量程采用±180°，動(dòng)臂、斗桿、鏟斗傾角測(cè)量采用雙軸傾角傳感器，量程采用±180°，平臺(tái)傾角測(cè)量采用雙軸傾角傳感器，量程采用±90°。動(dòng)臂的俯仰角度在±180°范圍內(nèi)，采用雙軸傳感器的一軸即可。斗桿和鏟斗的絕對(duì)傾角均超出了±180°范圍，需要雙軸傾角傳感器按照一定的方式安裝，兩軸聯(lián)合測(cè)量，配合相應(yīng)的算法折算出實(shí)際傾角。其裝配方式如圖2所示。斗桿和鏟斗的實(shí)際傾角與傳感器輸出電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。
下面以履帶式液壓挖掘機(jī)為例，進(jìn)一步說(shuō)明避障控制系統(tǒng)的計(jì)算模塊和計(jì)算方法。
假設(shè)限制挖掘深度為2米，即由障礙物組成的挖掘禁區(qū)為距離停機(jī)平面兩米以下的所有空間。首先輸入障礙物信息，選擇障礙物類型為平面障礙物，如圖4所示；障礙物屬性選擇水平平面，如圖5所示；障礙平面距離地面為-2米，表示停機(jī)面以下兩米，如圖6所示；障礙平面下側(cè)單側(cè)限制，如圖7所示，障礙物信息輸入完畢。選擇中級(jí)安全級(jí)別，即距離限制平面400mm報(bào)警，如圖8所示。
由于障礙物只涉及挖掘深度限制，故只啟動(dòng)挖掘深度限制模塊。挖掘深度只與動(dòng)臂、斗桿、鏟斗傾角有關(guān)，斗齒距離地面的深度H表示如下H＝f(X，Y，Z)其中，X，Y，Z分別表示動(dòng)臂、斗桿、鏟斗傾角當(dāng)H＜-1.6時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)并在顯示器上有提示信息。
當(dāng)輸入其它類型、其它屬性的障礙物時(shí)，則分別啟動(dòng)相應(yīng)的限制模塊，各限制模塊并行計(jì)算距離障礙物的距離，當(dāng)有一個(gè)或以上數(shù)量的限制模塊有信息輸出時(shí)，即發(fā)出預(yù)警信號(hào)。
可以通過(guò)更改安全級(jí)別來(lái)更改允許靠近障礙物的程度，可以選擇一個(gè)以上的報(bào)警級(jí)別，來(lái)分級(jí)發(fā)出預(yù)警信息。
權(quán)利要求
1.一種液壓挖掘機(jī)的避障控制方法，其特征在于，包括下列步驟(1)設(shè)定挖掘禁區(qū)，所述挖掘禁區(qū)通過(guò)將障礙物歸類為點(diǎn)形障礙物、線形障礙物、面形障礙物中的一種或者其組合，增加預(yù)設(shè)安全距離后獲得；(2)通過(guò)傳感器獲取挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和工作平臺(tái)的狀態(tài)，獲得挖掘機(jī)工作裝置的位置參數(shù)；(3)計(jì)算挖掘機(jī)工作裝置與挖掘禁區(qū)的距離，在該距離小于臨界值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直至挖掘機(jī)停機(jī)時(shí)為止，從而實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的避障控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓挖掘機(jī)的避障控制方法，其特征在于所述步驟(3)中，設(shè)定至少2個(gè)所述臨界值，在所述距離小于對(duì)應(yīng)臨界值時(shí)，發(fā)出對(duì)應(yīng)級(jí)別的報(bào)警信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液壓挖掘機(jī)的避障控制方法，其特征在于在所述距離小于最小臨界值時(shí)，使液壓挖掘機(jī)停機(jī)或自動(dòng)回轉(zhuǎn)。
4.一種液壓挖掘機(jī)避障控制系統(tǒng)，包括輸入裝置、控制器、傳感器及傳感器接口模塊，其特征在于所述輸入裝置為障礙物位置輸入模塊；所述傳感器包括，用于檢測(cè)挖掘機(jī)上、下車之間相對(duì)轉(zhuǎn)角的角度傳感器，動(dòng)臂傾角傳感器、斗桿傾角傳感器、鏟斗傾角傳感器、平臺(tái)橫向和縱向傾角傳感器，各傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)傳感器接口模塊與控制器連接；所述控制器中設(shè)有挖掘機(jī)鏟斗與障礙物距離比較模塊；還設(shè)有預(yù)警裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液壓挖掘機(jī)避障控制系統(tǒng)，其特征在于所述平臺(tái)橫向和縱向傾角傳感器為雙軸傾角傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液壓挖掘機(jī)避障控制系統(tǒng)，其特征在于所述預(yù)警裝置選自下列一種或幾種的組合，聲音預(yù)警、光預(yù)警、文字預(yù)警、圖片預(yù)警、動(dòng)畫(huà)預(yù)警。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液壓挖掘機(jī)避障控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制器上設(shè)有停機(jī)信號(hào)輸出端口。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種液壓挖掘機(jī)的避障控制系統(tǒng)和方法，其特征在于，方法包括下列步驟(1)設(shè)定挖掘禁區(qū)；(2)通過(guò)傳感器獲取挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和工作平臺(tái)的狀態(tài)；(3)計(jì)算挖掘機(jī)工作裝置與挖掘禁區(qū)的距離，在該距離小于臨界值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直至挖掘機(jī)停機(jī)時(shí)為止；系統(tǒng)包括輸入裝置的輸入模塊，用于檢測(cè)挖掘機(jī)工作、行走裝置位置的角度傳感器、傾角傳感器，各傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)傳感器接口模塊與控制器連接，設(shè)有比較模塊的控制器以及預(yù)警裝置。本發(fā)明通過(guò)各傳感器測(cè)得的在線數(shù)據(jù)與臨界數(shù)的比較，確定挖掘機(jī)的工作狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)工作過(guò)程中對(duì)障礙物的躲避功能，避免事故發(fā)生。
文檔編號(hào)E02F9/20GK101070706SQ20071002277
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者戴晴華, 曹顯利, 肖飛 申請(qǐng)人:三一重機(jī)有限公司