[發明專利]一種面向無人挖掘的自動裝載控制方法

在審

• 申請號: 202111393634.4
• 申請日: 2021-11-23
• 公開（公告）號: CN114137837A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 張立憲;吳桐;翁睿;蔡博;李昆鵬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學;中國航天科工集團第二研究院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 黑龍江立超同創知識產權代理有限責任公司 23217
• 代理人: 楊立超

一種面向無人挖掘的自動裝載控制方法，本發明屬于工程機械無人化控制技術領域，本發明為了實現挖掘機械無人化作業中的自動裝載功能，特別是解決大慣性、強干擾下的回轉控制問題，以避免回轉過程發生機械沖擊、制動不平穩等現象，適應鏟斗物料裝載量、卸料位置、承機面坡度、物料力學特性等工況變化。本發明包括：數據接收與處理；鏟斗對準裝載目標：裝載目標與挖掘機械的相對位姿關系，基于預先設定的裝載策略計算裝載位置，進而基于挖掘機械工作裝置的幾何模型求解期望關節角度，作為關節角度控制的參考輸入；鏟斗卸料；鏟斗復位與狀態更新。本發明能夠實現鏟斗對準、卸料、復位等作業流程的自動執行，從而完成無人化挖掘機械的自動裝載任務，提升露天采礦等非理想工況下挖掘機械裝載作業的安全性與作業效率。

技術領域

本發明屬于工程機械無人化控制技術領域，涉及一種面向挖掘機械自動裝載任務的抗干擾控制技術。

背景技術

挖掘機械是指用鏟斗挖掘高于或低于承機面的物料并裝入運輸車輛或卸至堆料場的土方機械，是礦山開采、剝離作業等工程領域中必不可少的重要裝備。傳統挖掘機械依賴操作員手動操控，存在作業效率低、安全風險高、設備損耗大等問題。近年來，卡特彼勒、小松、太原重工等國內外挖掘機械設計與制造廠商先后投入無人化技術研究，希望通過無人挖掘節約用人成本、提高采掘效率、降低設備損耗與挖掘作業的安全風險。

在無人化挖掘作業中，自動裝載控制是一項關鍵且困難的問題。自動裝載任務要求挖掘機械在無人操控的條件下控制鏟斗自動對準運輸車輛或其他卸料目標，進而將挖掘的物料精準地投放在目標位置。在實際作業工況下，鏟斗物料質量、承機面坡度、外界回轉阻力作用等諸多干擾與不確定性給挖掘機械的自動裝載控制帶來了巨大挑戰。此外，現有挖掘機械依靠回轉動作實現鏟斗水平移動、從而進行裝載作業，其回轉控制系統需帶動包括鏟斗、鏟臂、駕駛室等部分在內的整個上車車身轉動，具有顯著的大慣性、大時滯特點，這進一步增加了自動裝載控制的難度。

現有挖掘機械大多依賴于西門子等自動化設備廠商研制開發的電機驅動器、調速控制系統實現自動或半自動控制，其采用的控制方法主要包括比例-積分-微分(PID)控制或模糊自適應控制兩種。然而，PID控制對擾動的抑制能力較弱，在裝載過程中由于鏟斗位置、物料質量、承機面坡度等影響，回轉控制系統的參數會發生顯著變化，使PID的控制效果大打折扣。針對系統參數變化問題，模糊自適應控制通過根據模糊規則在線調整控制律實現擾動抑制。然而在實際工程應用中，其隸屬度函數與模糊表的設計難度較大、參數整定難度較高，在調試過程中會嚴重磨損挖掘機械的機械結構、降低使用壽命。此外，該方法要求對控制系統準確建模，難以應用于不同的挖掘機和挖掘場景；且長時間使用后，挖掘機械參數隨損耗變化，造成該方法控制性能下降。因此，現有方法僅能實現有人操作下的半自動控制以及理想工況下的全自動控制，適用于建筑作業、道路平整等簡單工況，難以應對露天采礦等環境惡劣、挖掘負載大、安全性要求高的應用場景。

發明內容

本發明的主要目的是實現挖掘機械無人化作業中的自動裝載功能，特別是解決大慣性、強干擾下的回轉控制問題，以避免回轉過程發生機械沖擊、制動不平穩等現象，適應鏟斗物料裝載量、卸料位置、承機面坡度、物料力學特性等工況變化。

為解決上述問題，本發明提出一種面向無人挖掘的自動裝載控制方法，即針對自動裝載任務設計了一套完整的自動化作業流程與抗干擾控制方法。利用本發明方法開發的自動裝載控制系統基于可編程邏輯控制器(PLC)來實現。

本發明所述的面向無人挖掘的自動裝載控制方法實現自動裝載作業流程的包括如下步驟：

步驟一：數據接收與處理

PLC控制器接收由北斗定位系統提供的運輸車輛的位姿信息與挖掘機械位姿信息，解算運輸車輛與挖掘機械的相對位姿關系；接收挖掘機械各關節編碼器角度、速度以及變頻調速的電流、電壓等數據，作為實時控制的反饋信息；接收挖掘機械各電機工作狀態與操作人員的應急控制指令，并進行邏輯判斷，保證無人挖掘的安全工作；

步驟二：鏟斗對準裝載目標