[發明專利]一種可自主規劃軌跡的挖掘機臂智能控制系統及方法

有效

• 申請號: 201910159140.6
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN109778939B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 李金銘;王一樂;艾云峰;馬厚雪;王凱;王飛躍
• 申請（專利權）人: 江蘇徐工工程機械研究院有限公司
• 主分類號: E02F9/20
• 分類號: E02F9/20;E02F9/22
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 薛海霞;董建林

本發明屬于工程機械領域，涉及一種可自主規劃軌跡的挖掘機臂智能控制系統及方法，所述的控制系統由環境感知模塊、軌跡規劃模塊以及執行模塊組成；所述的環境感知模塊，用于在施工過程中采集挖掘機臂的施工環境數據；所述的軌跡規劃模塊，利用環境感知模塊采集的施工環境數據完成挖掘機臂的運動規劃；所述的執行模塊，依據軌跡規劃模塊的輸出結果完成挖掘機臂的運動控制。相對于現有技術，本發明的有益效果為：在施工過程中，用戶只要開啟本發明所公開的智能控制系統，該系統可自行采集施工環境數據并據其完成挖掘機臂的運動規劃，最終對挖掘機臂的運動實現最優化控制，增大了施工過程中的安全系數，同時可大大提高施工效率。

技術領域

本發明屬于工程機械領域，涉及一種可自主規劃軌跡的挖掘機臂智能控制系統及方法。

背景技術

作為常見的工程機械裝備，挖掘機在工程施工領域的作用不容小覷。但是，傳統挖掘機設備在使用過程中，施工環境與疲勞操作所引發的不確定性，輕則降低操作者的施工效率，重則引發安全事故。

挖掘機臂——它是挖掘機的作業裝置，操作者通過對它的手動操作可以完成相應的施工任務，它包含中心回轉體及其所連接的上車體、動臂、斗桿、鏟斗以及連接各個部件的運動副，在控制領域，可以將其等效為一個4R機械臂來加以控制。

在挖掘機臂的路徑規劃與運動控制方面，目前主要存在兩種實現方案：

其一，傳統方法，即依據挖掘機臂的運動學模型將已知的鏟斗末端運動軌跡轉換為挖掘機關節空間中的運動軌跡，從而實現從挖掘點到卸載點的軌跡規劃及控制。

其二，基于人工智能技術的實現方法，基于人工智能算法，運用熟練操作者的操作數據建立適用于挖掘機的智能控制模型，并將其應用于真實的挖掘機中，從而實現挖掘機臂的軌跡規劃及控制。

對現有技術而言，不論是傳統方法，還是基于人工智能的方法，都有一定的局限性。

(1)適應性差：首先，從時間維度來看，鏟斗末端的可行(乃至最佳)運動軌跡會隨物料形態的變化而變化；其次，從空間維度來看，鏟斗末端的可行(乃至最佳)運動軌跡會隨施工場景的變化而變化。而不論是傳統方法還是基于人工智能的方法，都不能很好地適應這兩方面的變化。

(2)開發成本高：首先，在運用人工智能方法開發挖掘機臂軌跡規劃算法的過程中，需要在開發調試工作之前獲取大量的操作人員的施工數據，從而消耗大量的人力物力；其次，挖掘機內部相對運動規律的復雜性決定了挖掘機臂動力學模型的復雜性，因此，在運用傳統方法開發挖掘機臂軌跡規劃算法的過程中，有可能需要同時對多個控制參數進行調試，從而使開發過程變得復雜，進而延長開發周期。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供一種可自主規劃軌跡的挖掘機臂智能控制系統及方法，在施工過程中，該系統可自行采集施工環境數據并據其完成挖掘機臂的運動規劃，最終對挖掘機臂的運動實現最優化控制，借以提高傳統設備的工作效率并保證操作者的人身安全。

為了實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：一種可自主規劃軌跡的挖掘機臂智能控制系統，其特征在于，所述的控制系統由環境感知模塊、軌跡規劃模塊以及執行模塊組成；所述的環境感知模塊，用于在施工過程中采集挖掘機臂的施工環境數據；所述的軌跡規劃模塊，利用環境感知模塊采集的施工環境數據完成挖掘機臂的運動規劃；所述的執行模塊，依據軌跡規劃模塊的輸出結果完成挖掘機臂的運動控制；

軌跡規劃模塊包含狀態決策子模塊、模型預測子模塊以及動作選擇子模塊；

所述狀態決策子模塊，其利用施工環境數據針對當前的施工環境狀態做出決策，即得到環境狀態s和反饋值r；

所述模型預測子模塊，依據當前計算的反饋值r，它可以將狀態決策子模塊得到的環境狀態s轉化為Q值，Q值用于量度挖掘機臂智能控制系統工作過程中機械臂在各個自由度上不同動作的發生概率；