專利名稱：一種液壓挖掘機避障控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種液壓挖掘機，具體涉及一種用于對液壓挖掘機提供避障控制的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
液壓挖掘機被廣泛應(yīng)用于房屋建筑的地基開挖及完工后的清理、城市管道鋪設(shè)、農(nóng)田水利建設(shè)等場合，具有施工機動靈活、效率高的優(yōu)點。
液壓挖掘機的工作區(qū)域常有一些需要避開的障礙物，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)，這就為挖掘機前端工作裝置軌跡帶來了約束條件，如果挖掘機前端工作裝置碰到這些障礙物就會引發(fā)事故、造成損失。
目前，挖掘機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)常會在新聞中看到由于挖掘機挖斷水管、電線等造成大面積停水、停電的報道。
因而，如果能實現(xiàn)對液壓挖掘機避障的自動控制，將能有效保證施工現(xiàn)場的安全，并進而為實現(xiàn)挖掘機的自動挖掘奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種液壓挖掘機避障控制方法，通過使用該方法實現(xiàn)挖掘機的自動避障，大大減少施工事故的發(fā)生，提高了施工安全性。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種液壓挖掘機避障控制系統(tǒng)，通過安裝該系統(tǒng)，使挖掘機具有自動避障的能力，便于對挖掘機的操作。
為達到上述目的，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)通過將障礙物歸類為點形障礙物、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)通過傳感器獲取挖掘機的動臂、斗桿、鏟斗和工作平臺的狀態(tài)，獲得挖掘機工作裝置的位置參數(shù)；(3)計算挖掘機工作裝置與挖掘禁區(qū)的距離，在該距離小于臨界值時，發(fā)出報警信號；(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直至挖掘機停機時為止，從而實現(xiàn)挖掘機的避障控制。
上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中，設(shè)定至少2個所述臨界值，在所述距離小于對應(yīng)臨界值時，發(fā)出對應(yīng)級別的報警信號。
上述技術(shù)方案中，在所述距離小于最小臨界值時，使液壓挖掘機停機或自動回轉(zhuǎn)。
上文中，由于施工地域中障礙物的存在，便可將挖掘機的工作區(qū)域分為可開挖區(qū)域和挖掘禁區(qū)，工作裝置進入挖掘禁區(qū)會引發(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。通過控制器與用戶的人機對話，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)，挖掘機有動作時，控制器即對動臂傾角、斗桿傾角、鏟斗傾角、平臺傾角、平臺轉(zhuǎn)角等信息進行處理，計算與挖掘禁區(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或多個，以此顯示不同程度的危險程度，相應(yīng)的，預(yù)警信號也可以通過不同形式來表示危險程度的不同，用戶亦可以通過安全要求不同，選擇相應(yīng)的安全級別來選擇不同的預(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，用于檢測挖掘機上、下車之間相對轉(zhuǎn)角的角度傳感器，動臂傾角傳感器、斗桿傾角傳感器、鏟斗傾角傳感器、平臺橫向和縱向傾角傳感器，各傳感器的輸出信號經(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、動畫預(yù)警。
上述技術(shù)方案中，所述控制器上設(shè)有停機信號輸出端口。
上文中，通過設(shè)置于不同位置上的傳感器(用于檢測挖掘機上、下車之間相對轉(zhuǎn)角的角度傳感器，動臂傾角傳感器、斗桿傾角傳感器、鏟斗傾角傳感器、平臺橫向和縱向傾角傳感器)檢測挖掘機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，控制器對接收到的數(shù)據(jù)進行處理(計算)，其方式包括代數(shù)計算、單神經(jīng)元計算、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，通過控制器中的比較器進行比較，當(dāng)測得距離小于預(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、圖片信息和動畫信息的部分或全部，配合控制器上設(shè)置的停機信號輸出端口，用戶可根據(jù)需要在挖掘機實行自動挖掘作業(yè)時，遇警自動停機，此時，預(yù)警信息作為挖掘機工作裝置軌跡控制過程的軌跡約束條件，以限制前端工作裝置的軌跡運動范圍。
由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點1.將本發(fā)明中的系統(tǒng)與方法相結(jié)合，通過在挖掘機工作裝置及行走裝置上設(shè)置傳感器，檢測前方障礙物的位置，測得數(shù)據(jù)輸入控制器內(nèi)進行相應(yīng)計算，并利用控制器中的比較器與預(yù)先輸入的值(臨界值)進行比較，超過時即發(fā)出警報或自動回轉(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.通過在線檢測挖掘機前端工作裝置位置信號，實時計算工作裝置與挖掘禁區(qū)的距離，能夠輔助挖掘過程，提高挖掘機在復(fù)雜環(huán)境下工作過程的自身安全和現(xiàn)場安全，加上設(shè)置于控制上的停機信號輸出端口，使挖掘機的自動挖掘成為可能。


附圖1為本發(fā)明實施例一的控制方框圖；附圖2為本發(fā)明實施例一中斗桿、鏟斗傾角傳感器安裝方式示意圖；附圖3為本發(fā)明實施例一中斗桿和鏟斗的實際傾角與傳感器輸出電壓對應(yīng)關(guān)系曲線圖；附圖4為本發(fā)明實施例一障礙物類型選擇窗口；
附圖5為本發(fā)明實施例一平面類型選擇窗口；附圖6為本發(fā)明實施例一平面高度選擇窗口；附圖7為本發(fā)明實施例一限制屬性選擇窗口；附圖8為本發(fā)明實施例一安全級別選擇窗口。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述實施例一參見附圖1至附圖8所示，一種液壓挖掘機的避障控制系統(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)通過將障礙物歸類為點形障礙物、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)通過傳感器獲取挖掘機的動臂、斗桿、鏟斗和工作平臺的狀態(tài)，獲得挖掘機工作裝置的位置參數(shù)；(3)計算挖掘機工作裝置與挖掘禁區(qū)的距離，在該距離小于臨界值時，發(fā)出報警信號，所述臨界值設(shè)定有2個，在所述距離小于對應(yīng)臨界值時，發(fā)出對應(yīng)級別的報警信號，并使液壓挖掘機自動回轉(zhuǎn)；(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直至挖掘機停機時為止，從而實現(xiàn)挖掘機的避障控制。
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，用于檢測挖掘機上、下車之間相對轉(zhuǎn)角的角度傳感器，動臂傾角傳感器、斗桿傾角傳感器、鏟斗傾角傳感器、平臺橫向和縱向傾角傳感器，各傳感器的輸出信號經(jīng)傳感器接口模塊與控制器連接；所述控制器中設(shè)有挖掘機鏟斗與障礙物距離比較模塊及停機信號輸出端口，在自動挖掘狀態(tài)時，使用該端口輸出信號可使挖掘機自動停機；還設(shè)有預(yù)警裝置，該預(yù)警裝置選自聲音預(yù)警及動畫預(yù)警的結(jié)合；本實施例中，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°，動臂、斗桿、鏟斗傾角測量采用雙軸傾角傳感器，量程采用±180°，平臺傾角測量采用雙軸傾角傳感器，量程采用±90°。動臂的俯仰角度在±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)合測量，配合相應(yīng)的算法折算出實際傾角。其裝配方式如圖2所示。斗桿和鏟斗的實際傾角與傳感器輸出電壓對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。
下面以履帶式液壓挖掘機為例，進一步說明避障控制系統(tǒng)的計算模塊和計算方法。
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。選擇中級安全級別，即距離限制平面400mm報警，如圖8所示。
由于障礙物只涉及挖掘深度限制，故只啟動挖掘深度限制模塊。挖掘深度只與動臂、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分別表示動臂、斗桿、鏟斗傾角當(dāng)H＜-1.6時，發(fā)出聲音報警信號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，則分別啟動相應(yīng)的限制模塊，各限制模塊并行計算距離障礙物的距離，當(dāng)有一個或以上數(shù)量的限制模塊有信息輸出時，即發(fā)出預(yù)警信號。
可以通過更改安全級別來更改允許靠近障礙物的程度，可以選擇一個以上的報警級別，來分級發(fā)出預(yù)警信息。
權(quán)利要求
1.一種液壓挖掘機的避障控制方法，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)通過將障礙物歸類為點形障礙物、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)通過傳感器獲取挖掘機的動臂、斗桿、鏟斗和工作平臺的狀態(tài)，獲得挖掘機工作裝置的位置參數(shù)；(3)計算挖掘機工作裝置與挖掘禁區(qū)的距離，在該距離小于臨界值時，發(fā)出報警信號；(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直至挖掘機停機時為止，從而實現(xiàn)挖掘機的避障控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓挖掘機的避障控制方法，其特征在于所述步驟(3)中，設(shè)定至少2個所述臨界值，在所述距離小于對應(yīng)臨界值時，發(fā)出對應(yīng)級別的報警信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液壓挖掘機的避障控制方法，其特征在于在所述距離小于最小臨界值時，使液壓挖掘機停機或自動回轉(zhuǎn)。
4.一種液壓挖掘機避障控制系統(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，用于檢測挖掘機上、下車之間相對轉(zhuǎn)角的角度傳感器，動臂傾角傳感器、斗桿傾角傳感器、鏟斗傾角傳感器、平臺橫向和縱向傾角傳感器，各傳感器的輸出信號經(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所述的液壓挖掘機避障控制系統(tǒng)，其特征在于所述平臺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、動畫預(yù)警。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液壓挖掘機避障控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制器上設(shè)有停機信號輸出端口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種液壓挖掘機的避障控制系統(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)通過傳感器獲取挖掘機的動臂、斗桿、鏟斗和工作平臺的狀態(tài)；(3)計算挖掘機工作裝置與挖掘禁區(qū)的距離，在該距離小于臨界值時，發(fā)出報警信號；(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直至挖掘機停機時為止；系統(tǒng)包括輸入裝置的輸入模塊，用于檢測挖掘機工作、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)明通過各傳感器測得的在線數(shù)據(jù)與臨界數(shù)的比較，確定挖掘機的工作狀態(tài)，以此實現(xiàn)挖掘機工作過程中對障礙物的躲避功能，避免事故發(fā)生。
文檔編號E02F9/20GK101070706SQ20071002277
公開日2007年11月14日 申請日期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 申請人:三一重機有限公司