[发明专利]一种挖掘机器人自主作业控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种挖掘机器人自主作业控制系统及方法，采用本发明能够选择遥控操作、示教再现和自主作业三种不同的工作模式，实现对挖掘机器人的遥控操作，示教再现作业以及通过完全自主的方式进行挖掘作业。

背景技术

智能挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一。而无人自主挖掘机器人则代表着智能挖掘机的最高水平。它在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用。随着人类活动领域的拓展，对作业质量的要求不断提高，以及作业人员对工作环境的挑剔，这些应用领域中存在的一些问题愈来愈不容忽略，例如在高温、高粉尘、高污染等特殊环境中，作业环境恶劣、强烈的震动、轰鸣的噪声、飞扬的尘埃粉末，甚至突如其来的塌方、核辐射等威胁，使得人为近距离操作的挖掘机将失去作用；太空开发、水下作业等工作环境不便于人类直接进入。此外，作业的劳动强度较大，操作者往往被要求全神贯注地身兼“多职”，体力和脑力消耗极大，以至于很容易出现意想不到的事故发生，而且操作者必须进行长时间的培训才能完成高质量的作业。因此，实现挖掘机作业装置的自动化，利用挖掘机器人代替人自主作业是解决这些问题的最理想方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于挖掘机器人的自主作业控制系统，本发明要解决的另一技术问题是提供一种用于挖掘机器人的自主作业控制方法。采用本发明，能够实现挖掘机的无人自主挖掘作业，满足恶劣环境及不适宜有人参与情况下挖掘作业需求。

本发明的挖掘机器人自主作业控制系统，包括主控计算机、立体激光雷达、操控盒、下位机控制器、位置传感器、压力传感器和驱动装置，主控计算机分别与立体激光雷达、操控盒、位置传感器和下位机控制器连接，下位机控制器分别与驱动装置、位置传感器和压力传感器相连接。

位置传感器包含回转编码器和拉线编码器，通过回转编码器检测回转平台的旋转角度，通过拉线编码器检测动臂、斗杆、伸缩臂和铲斗的液压油缸活塞伸缩距离，经转换后得到动臂、斗杆、铲斗的旋转角度和伸缩臂伸缩距离。

压力传感器通过对挖掘机器人工作装置的控制阀中的主阀芯的A口和B口压力及压差进行检测，判断工作装置负载的变化。

驱动装置由手控阀、电液比例阀、梭阀和主阀芯组成，梭阀分别与电液比例阀、手控阀和主阀芯连接。

一种挖掘机器人自主作业控制方法，包括以下步骤：

a）开机后进行系统初始化和自诊断，各部分功能正常情况下操控盒进入主界面，若存在工作异常的部件，系统报警并通过操控盒显示故障信息；

b）可通过操控盒选择系统参数设置功能，设置挖掘机器人各工作装置的原点、运动范围、最大运动速度，并将设置的信息传输到主控计算机进行保存和处理；

c）操作人员通过操控盒选择工作模式，根据选择进入步骤d或步骤e或步骤f；

d）进入示教工作模式，可以通过示教功能键进行示教操作，或者通过界面编辑示教程序，也可以调用存储的程序执行再现功能；

e）进入自主作业工作模式，通过操控盒设置挖掘任务和初始信息，输入启动指令，立体激光雷达开始工作，识别挖掘作业面的位置和状态，主控计算机根据挖掘任务和作业面状态进行挖掘轨迹规划，形成铲斗轨迹序列，按控制周期将铲斗轨迹序列转换成各关节位置控制指令发送给下位机控制器；下位机控制器根据各关节位置控制指令和位置传感器反馈的各关节位置信息，采用模糊自适应PID控制策略进行控制解算，将解算得到的控制信号发送到驱动装置，通过驱动装置实现对挖掘机器人工作装置的位置和速度控制；在此过程中，主控计算机全程监控自主挖掘过程，通过压力传感器采集各工作装置油缸压力信息，判断负载变化情况，随时可以发送控制信号修正或中断不当的挖掘动作；

f）进入遥控操作工作模式，通过操控盒发出遥控操作指令，经主控计算机处理得到控制指令发送至下位机控制器，下位机控制器对指令进行解析后发送控制信号，通过驱动装置实现对工作装置的远程遥控；

g）在系统工作过程中，主控计算机和下位机控制器同时接收位置传感器检测数据，作为轨迹规划和轨迹跟踪控制的依据；

h）在系统工作过程中，下位机控制器实时采集压力传感器信息，经处理后传输至主控计算机；

i）在系统工作工程中，主控计算机根据轨迹规划的需要发送启动命令给立体激光雷达，立体激光雷达收到启动指令后，对挖掘面进行扫描，基于扫描的数据建立挖掘面的三维物理模型；