一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统

1.本发明涉及工程施工技术领域，具体涉及一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统。


背景技术：

2.目前，液压挖掘机在工程施工现场依旧发挥着不可替代的作用。但是，随着人类活动领域的不断拓展，出现了许多传统液压挖掘机无法适应的特殊工作环境，比如：有害、有毒、危险、抢险救灾等环境，在这些环境中驾驶员的生命安全无法得到保障。与此同时，随着科学技术水平的不断提高，工程机械行业的技术水平也不断提高。如今，工程施工对挖掘机的需求不仅仅是数量多，更是对挖掘机的作业效率、作业精度、作业范围等方面有着越来越高的要求。
3.传统的液压挖掘机不大适合在有害、有毒、危险等特殊环境下作业，极大地限制了挖掘机的使用范围和作业区域。而且传统液压挖掘机都是有操作员在驾驶室手动操作，自动化程度低，驾驶员培训周期长、作业质量因驾驶员经验而异。
4.综上所述，急需一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统，以解决液压挖掘机无法在特殊环境下作业的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统，包括远程端控制台和车载端控制系统，远程端控制台和车载端控制系统之间的数据和指令的传输通过无线通讯系统来实现。
7.所述一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统，还包括远程遥控系统；所述远程遥控系统包括遥控发送端和遥控接收端；所述遥控发送端将操作员的操作指令发送给遥控器接收端；所述遥控接收端将操作指令转发给车载端控制系统。
8.所述远程端操作台包括工控机和显示器，所述工控机通过无线通讯系统收发数据；所述显示器分屏显示工控机接收到的视频数据和液压挖掘机状态信息。
9.所述车载端控制系统主要包括车载控制器、传感器和驱动系统，所述车载控制器设置在液压挖掘机内，主要控制液压挖掘机的运动及车载端设备。
10.优选地，所述传感器包括三维激光雷达和网络摄像机；所述三维激光雷达安装在液压挖掘机驾驶室顶部平台上，采集施工区域及周边环境的三维点云数据；所述网络摄像机安装在液压挖掘机驾驶室顶部平台上；所述网络摄像机采集施工区域及周围环境的视频数据，所述网络摄像机还配备存储设备，将网络摄像机采集到的数据保存；所述车载控制器控制激光雷达和网络摄像头的运动。
11.优选地，所述传感器包括三维电子罗盘，所述三维电子罗盘安装在液压挖掘机内，
采集液压挖掘机的方位数据和相对于水平面的倾斜度数据。
12.优选地，所述传感器还包括旋转编码器、拉线旋转编码器和压力变送器，所述旋转编码器的个数为4个，分别安装在动臂、斗杆、铲斗关节连接轴处，以及挖掘机转台的转轴处，采集工作装置各关节间的夹角和转台的偏转角；所述压力变送器的个数为2个，分别安装在主泵1和主泵2出油口处，采集主泵出油口处的压力；所述拉线旋转编码器的个数为3个，分别安装在动臂、斗杆、铲斗液压油缸上，采集各液压油缸的伸缩长度。
13.优选地，所述电磁比例阀的个数为7个，分别安装在液压系统的多路换向阀先导油路和主泵出口处，控制工作装置液压缸行程、行走装置液压马达转速转矩、以及主泵排量。
14.优选地，所述车载控制器包括通讯部分和电控部分，所述通讯部分采用can总线网络结构，基于canopen协议实现设备间的通讯；所述电控系统部分采用codesys编程平台编程，利用epec库函数进行电流最大值、最小值和斜坡设置，直接输出pwm信号至液压系统的电磁比例阀，控制工作装置多路换向阀，进而控制工作装置的运动。
15.优选地，所述工控机内置qt软件平台，用以实现三维点云数据运算处理、挖掘作业路径规划、挖掘路径轨迹规划、施工参数设定、施工区域三维环境模型和挖掘机工作装置仿真动画的显示。
16.优选地，所述显示器包括两个显示区域，分别显示施工区域及周边环境的视频信息和挖掘机运行状态信息。
17.所述控制器还可以实现故障自诊断功能。
18.应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
19.本发明中，通过激光雷达的自定位功能，完成算法处理和坐标系的转换，实现激光雷达自定位和施工区域的坐标一致并实现归一化处理的功能。通过三维激光雷达扫描施工区域，获得三维环境点云数据；通过三角剖分算法，将三维点云数据转化为施工区域的三维模型，用于路径规划；通过车载控制器控制三维激光雷达执行施工区域扫描。
20.本发明中，根据qt软件界面的施工参数设定、施工区域的三维模型和工作装置的结构尺寸，通过路径规划方法的处理，生成工作装置的挖掘作业路径规划文件；根据轨迹规划方法和挖掘作业动作限制条件，通过液压挖掘机工作装置逆运动学方程，求解得到工作装置各关节角的角度序列，自动生成轨迹规划文件。
21.本发明中，车载控制器接收远程端控制台或遥控器发送的操作指令数据，将操作指令数据解算成工作装置液压缸行程，驱动工作装置的液压缸到达指定行程。车载控制器接收传感器数据，得到挖掘机各关节位姿信息，调整工作装置的运动。车载控制器实现系统硬件与软件故障的自动报警功能，以指导售后人员或操作人员及时进行故障排除。
22.本发明中，通过无线通讯系统实现远程端工控机与车载端控制器之间的数据和操作指令传输；通过基于can总线网络结构的设备通讯系统实现车载端控制系统中各设备之间的数据交换，实现系统功能的完整性；液压挖掘机获得了远程自动控制的功能，自动化程度大大提高，得以实现在有毒、有害、危险环境下的施工作业，保障了操作员安全，提高了作业效率。
23.本发明中，自动对挖掘作业过程中工作装置各关节夹角角度、转台转角、主泵出口压力等数据进行统计并形成文档，形成挖掘作业过程的可追溯性文件，可以用于后期的分析和优化。
24.本发明中，工作装置各关节夹角的实际值可以通过传感器实时采集，软件界面上可以实时仿真工作装置的实际位置；通过网络摄像头采集施工区域及周边环境的视频数据，并传输到显示器提供给操作员；在可见度很低的情况下，操作员也可以通过软件界面上的三维环境模型实时了解施工区域及周围环境的情况。
25.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
26.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
27.图1是液压挖掘机远程自动控制系统示意图
28.图2是液压挖掘机远程自动控制系统的总体结构
29.图3是液压挖掘机远程自动控制系统的电气原理框图
30.图4是车载端控制系统的can总线网络拓扑图
31.图5是自动挖掘控制系统结构图
32.图6是车载控制器的主程序流程图
33.图7是自动挖掘程序流程图
34.图8是挖掘作业程序流程图
35.图9是自动挖掘状态转换图
36.图10是液压挖掘机远程自动控制系统的系统功能图
37.图11是液压挖掘机远程自动控制系统的总体技术路线示意图
38.图12是三维环境建模流程图
39.图13是路径规划与轨迹规划流程图
具体实施方式
40.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
41.实施例1：
42.参见图1-图11，一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统，包括远程端控制台和车载端控制系统，远程端控制台和车载端控制系统之间的数据和指令的传输通过无线通讯系统来实现；
43.所述一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统，还包括远程遥控系统；所述远程遥控系统包括遥控发送端和遥控接收端；所述遥控发送端将操作员的操作指令发送给遥控接收端；所述遥控接收端将操作指令转发给车载端控制系统。
44.所述远程端操作台包括工控机和显示器，所述工控机通过无线通讯系统收发数据；所述显示器分屏显示工控机接收到的视频数据和液压挖掘机状态信息。
45.所述车载端控制系统主要包括车载控制器、传感器和电磁比例阀，所述车载控制器设置在液压挖掘机内，主要控制液压挖掘机的运动及车载端设备。
46.所述传感器包括三维激光雷达和网络摄像机；所述三维激光雷达安装在液压挖掘
机驾驶室顶部平台上，采集施工区域及周边环境的三维点云数据；所述车载控制器控制激光雷达的伺服驱动。
47.通过轴线归一法可以将激光雷达的扫描点云数据归一至工作装置坐标系内，以便系统后续的精准控制。采用激光雷达对施工区域进行扫描，朝着挖掘机前方施工区域匀速连续直线扫描。直线扫描时工控机实时获取激光测距数据和激光雷达各轴的编码角度，单组数据的获取时间根据器件性能和硬件设计时间为1ms，按照激光雷达设计最大角速度10
°
/s，数据传输时间内激光雷达扫过的距离在30m处相邻采样点的最大间距为2.75cm，远小于系统6m情况下最小步距5cm的设计指标。
48.参见图10，将扫描过程中实时采集的工作区域离散点数据，生成可视化三维点云图，并可以三维点云数据处理生成连续轮廓模型，更加直观地表现施工区域。三维点云数据处理的流程大致如下：
49.(1)点云数据缩减。由于扫描分辨率较高，且扫描的施工区域范围较大，因此需要对点云数据进行缩减，以此减小系统内存的占用，提高三维点云数据处理的速度。
50.(2)点云数据滤波。在施工区域及周边环境随机因素的影响下，点云数据中可能会有噪声点，可能会对后期的模型构建步骤产生较大影响，导致施工区域及周边环境三维模型的体积或面积变形。
51.(3)网格重建。将处理过后的三维点云数据投影到参照平面上，对参照面上的数据三角化。
52.(4)曲面重建。根据点云的三维拓扑信息，得到三角网络曲面模型。
53.操作员可以对三维点云模型进行简单操作，比如通过按键查看指定断面的剖面图，或者显示指定两个断面之间的三维点云模型等，主要包含点云图生成与拼接两部分。
54.所述网络摄像机安装在液压挖掘机驾驶室顶部平台上；所述网络摄像机采集施工区域及周围环境的视频数据；所述网络摄像机还配备录像机，将网络摄像机采集到的数据保存；所述车载控制器控制网络摄像头的伺服驱动。
55.所述传感器包括三维电子罗盘，所述三维电子罗盘安装在液压挖掘机内，采集液压挖掘机的方位数据和相对于水平面的倾斜度数据。
56.所述传感器还包括旋转编码器、拉线旋转编码器和压力变送器，所述旋转编码器的个数为4个，分别安装在动臂、斗杆、铲斗关节连接轴处，以及挖掘机转台的转轴处，采集工作装置各关节间的夹角和转台的偏转角；所述压力变送器的个数为2个，分别安装在主泵1和主泵2出油口处，采集主泵出油口处的压力；所述拉线旋转编码器的个数为3个，分别安装在动臂、斗杆、铲斗液压油缸上，采集各液压油缸的伸缩长度。
57.所述电磁比例阀的个数为7个，分别安装在液压系统的多路换向阀先导油路和主泵出口处，控制工作装置液压缸行程、行走装置液压马达转速转矩、以及主泵排量。
58.所述车载控制器包括通讯部分和电控部分，所述通讯部分采用can总线网络结构，基于canopen协议实现设备间的通讯；所述电控系统部分采用codesys编程平台编程，利用epec库函数进行电流最大值、最小值和斜坡设置，直接输出pwm信号至液压系统的电磁比例阀，控制工作装置多路换向阀，进而控制工作装置的运动。
59.参见图3，在can总线网络中，各设备之间的通讯遵守canopen协议，其中主站为车载控制器，其他设备作为从站。当所有设备上电后，作为主站的车载控制器向网络中发送
nmt网络管理指令，使得can总线网络中的其他设备从预操作状态进入操作状态。同时，作为主站的车载控制器向can总线网络中发送同步报文，确保各传感器同步反馈数据给车载控制器。车载控制器接收并处理所接收到的传感器反馈报文，调整液压挖掘机的动作，将液压挖掘机状态信息反馈给远程端操作台的工控机。
60.参见图6-图8，车载控制器程序流程如下：
61.(1)车载控制器上电后，向can总线网络中发送nmt网络管理指令，使can总线中的设备从预操作状态进入操作状态。
62.(2)采集远程端操作台发送的模式选择操作指令，进入自动模式或手动模式。
63.(3a)自动模式下
64.a.车载控制器采集工控机的行驶轨迹指令，通过电磁比例阀控制挖掘机的行走装置，驱动挖掘机行驶到施工区域。
65.b.液挖掘机挖掘作业程序进入初始化状态，此状态下车载控制器调整工作装置到达挖掘作业的初始位姿；采集各传感器的数据，并采集工控机的挖掘轨迹指令，且将指令解算为各关节的油缸行程。
66.c.车载控制器中的自动挖掘有限状态机根据传感器数据和各个状态的迁移条件，在各个行为状态中迁移；随着状态的迁移，挖掘工作装置依次执行相应的挖掘行为内的各个动作。
67.d.根据工作装置待执行动作的目标关节夹角值，通过模糊pid控制程序调整工作装置的动作。
68.e.进入待命状态，采集工控机操作指令，进行下一项作业任务或停止作业。
69.(3b)手动模式
70.车载控制器采集并处理遥控器发送的操作指令，通过电磁比例阀控制多路换向阀以及主泵排量，进而控制液压挖掘机工作装置和行驶装置的运动。
71.参见图7-图9，自动模式下，步骤c所述的自动挖掘有限状态机在车载控制器上的实现方法主要包括以下步骤：
72.1.挖掘任务分解：在液压挖掘机进行挖掘任务时，典型挖掘任务可以按动作行为分解为动臂下降、斗杆下降、铲斗位姿调整、动臂下降、斗杆下降、铲斗收缩、动臂提升、转台回转、斗杆提升、铲斗伸展、转台返回、动臂下降、斗杆下降、铲斗收缩等系列动作。
73.2.挖掘行为定义：根据挖掘机工作装置动作的关联性，进一步将上述动作定义为以下功能行为：
①
挖掘定位：包含动臂下降、斗杆下降、铲斗位姿调整；
②
挖掘作业：包含斗杆下降、铲斗收缩、动臂提升；
③
自动卸载：包含转台回转、斗杆提升、铲斗伸展；
④
姿态复位：动臂下降、斗杆下降、铲斗收缩。
74.3.确定状态集合和触发条件：
75.挖掘任务有限状态机的状态集合包含了6种状态，除了将上述的4种功能行为定义为状态以外，还包括起始状态和停止状态。
76.选取拉绳旋转编码器反馈的各关节液压缸实时行程值l以及转台旋转编码器反馈的转台实时转角α为有限状态机的输入；当输入值l和α与预设值li和αi之间的差值小于误差允许范围，即|l-li|＜ε且|α-αi|＜ε，则触发状态转换。
77.4.确定有限状态机的结构：
78.状态集合中的每个状态由一个或多个动作组成，如自动挖掘状态下包含斗杆下降、铲斗收缩、动臂提升等动作，因此可以将多个动作组成的状态看做是简单的有限状态机，从而构成二级有限状态机结构。
79.(1)挖掘任务有限状态机数学模型如下：
80.m＝{c，s，s0，δ，se}
81.式中m表示某一项挖掘任务；c表示输入的信号的集合；s表示在这个任务中所存在的状态集合；s0表示初始状态，它是s中的一个元素，即s0∈s；δ表示状态转移函数，决定了往哪种状态进行迁移；se表示为输出的最终状态。
82.(2)挖掘任务中的某一功能行为有限状态机数学模型如下：
83.g＝{c，s，s0，δ2，se}
84.式中g表示挖掘任务中的某一功能行为；c表示输入的信号的集合；s表示在这个行为中所存在的状态集合；s0表示初始状态；δ2表示状态转移函数；se表示为输出的最终状态。
85.5.确定状态转换图：将传感器采集到的数据输入到有限状态机中，有限状态机根据传入的数据以及各个状态的迁移条件，使6个状态进行转换，在状态转换的同时也驱动着挖掘机工作装置进行相应的动作，使之完成一个工作循环。
86.6.确定有限状态机的程序流程图，根据程序流程图完成车载控制器的程序编写。
87.所述车载控制器还可以实现故障自诊断功能。
88.所述工控机内置qt软件平台，用以实现三维点云数据运算处理、行驶路径规划、挖掘作业路径规划、挖掘路径轨迹规划、施工参数设定、施工区域三维环境模型和挖掘机工作装置仿真动画的显示。
89.参见图11，根据qt软件界面的施工参数设定、经算法处理得到施工区域三维模型、工作装置运动学模型以及几何限制条件，通过路径规划处理生成工作装置的挖掘作业路径规划文件。根据施工区域的情况，本发明中的路径规划主要采用以下两种方法：
90.(1)快速路径规划。在施工区域无障碍物的情况下采用该路径规划方法，通过建立不同工况，不同作业任务下的挖掘机工作装置作业规则，使得挖掘机工作装置在某种工作环境和任务下，按照特定的挖掘作业动作序列完成挖掘作业任务。
91.(2)避障路径规划。在施工区域有障碍物影响挖掘作业路径的情况下采用该方法。根据三维环境模型建立人工势场，通过人工势场和粒子群算法的联合算法，计算出挖掘机工作装置的避障作业路径，以此确保挖掘作业路径的安全性和平滑性。
92.挖掘作业任务要在满足工作装置运动学特性的条件下进行，在完成路径规划，获得挖掘作业路径后，对挖掘路径进行轨迹规划，在工作装置运动学特性约束的条件下，求出工作装置的位置、速度和加速度的时间序列。大致轨迹规划流程如下：
93.(1)时域分割。根据插补周期，将挖掘作业任务的时间轴等间隔划分。
94.(2)路径分割。在插补周期内，用直线段逼近挖掘作业路径曲线段，并计算插补点坐标。
95.(3)约束调整。通过对插补直线段的长度调整，控制工作装置运动的速度；通过控制插补直线段的长度变化率，控制工作装置运动的加速度。
96.根据插补点坐标，通过液压挖掘机工作装置的逆运动学方程解算出关节夹角角度，进而生成各关节的夹角控制序列。
97.所述显示器包括两个显示区域，分别显示施工区域及周边环境的视频信息和挖掘机运行状态信息。
98.上述一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统中，通过激光雷达的自定位功能，完成算法处理和坐标系的转换，实现激光雷达自定位和施工区域的坐标一致并实现归一化处理的功能。通过三维激光雷达扫描施工区域，获得三维环境点云数据；通过三角剖分算法，将三维点云数据转化为施工区域的三维模型，用于路径规划；通过车载控制器控制三维激光雷达执行施工区域扫描。
99.上述一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统中，根据qt软件界面的施工参数设定、施工区域的三维模型和工作装置的结构尺寸，通过路径规划方法的处理，生成工作装置的挖掘作业路径规划文件；根据轨迹规划方法和挖掘作业动作限制条件，通过液压挖掘机工作装置逆运动学方程，求解得到工作装置各关节角的角度序列，自动生成轨迹规划文件。
100.上述一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统中，车载控制器接收远程端控制台或遥控器发送的操作指令数据，将操作指令数据解算成工作装置液压缸行程，驱动工作装置的液压缸到达指定行程。车载控制器接收传感器数据，得到挖掘机各关节位姿信息，调整工作装置的运动。车载控制器实现系统硬件与软件故障的自动报警功能，以指导售后人员或操作人员及时地进行故障排除。
101.上述一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统中，通过无线通讯系统实现远程端工控机与车载端控制器之间的数据和操作指令传输；通过基于can总线网络结构的设备通讯系统实现车载端控制系统中各设备之间的数据交换，实现系统功能的完整性；液压挖掘机获得了远程自动控制的功能，自动化程度大大提高，得以实现在有毒、有害、危险环境下的施工作业，保障了操作员安全，提高了作业效率。
102.上述一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统中，自动对挖掘作业过程中工作装置各关节夹角角度、转台转角、主泵出口压力等数据进行统计并形成文档，形成挖掘作业过程的可追溯性文件，可以用于后期的分析和优化。
103.上述一种特殊环境下的液压挖掘机远程自动控制系统中，工作装置各关节夹角的实际值可以通过传感器实时采集，软件界面上可以实时仿真工作装置的实际位置；通过网络摄像头采集施工区域及周边环境的视频数据，并传输到显示器提供给操作员；在可见度很低的情况下，操作员也可以通过软件界面上的三维环境模型实时了施工区域及周围环境的情况。
104.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。