[發(fā)明專利]一種基于堆料面預(yù)測(cè)模型的智能電鏟最優(yōu)自動(dòng)挖掘作業(yè)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210282044.2
• 申請(qǐng)日: 2022-03-22
• 公開（公告）號(hào): CN114722586A
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋學(xué)官;黎柿汪;付濤;張?zhí)熨n;崔允浩;李建基
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06Q10/04;G06T5/00;G06T7/10;G06T7/20;G06T7/62;G06T7/70;G06F119/14
• 代理公司: 遼寧鴻文知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21102
• 代理人: 隋秀文

1.一種基于堆料面預(yù)測(cè)模型的智能電鏟最優(yōu)自動(dòng)挖掘作業(yè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

A、電鏟接收規(guī)劃任務(wù)，運(yùn)動(dòng)到特定挖掘位置后，前端工作裝置進(jìn)行復(fù)位運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)備掃描前方挖掘堆料面；

B、激光雷達(dá)掃描前方堆料面，采掘堆料面形貌特征，獲得堆料面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)由(x,y,z)組成；

C、激光雷達(dá)掃描堆料面獲得其點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，再對(duì)去噪后的點(diǎn)云進(jìn)行分割處理，將非堆料面部分的點(diǎn)云去除掉，獲得處理過(guò)后堆料面點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

D、通過(guò)PRS堆料面預(yù)測(cè)模型，利用步驟C中處理后的堆料面點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)堆料面進(jìn)行建模，得到堆料面的數(shù)學(xué)表達(dá)式S(x,y)，S(x,y)即最終得到的堆料面預(yù)測(cè)模型，可通過(guò)該模型計(jì)算堆料面在X-Y平面內(nèi)的投影范圍內(nèi)的任意一個(gè)(x,y)所對(duì)應(yīng)的堆料面預(yù)測(cè)值z(mì)_prs；

所述的PRS堆料面預(yù)測(cè)模型建立方法包括以下步驟：

D1、使用PRS方法得到的堆料面的表達(dá)式S(x,y)由下式表達(dá)：

其中：Dx和Dy是x和y兩個(gè)維度上的最高階數(shù)；w_mk代表二元多次方程S(x,y)中每一項(xiàng)x^my^k所對(duì)應(yīng)的系數(shù)；z_prs代表堆料面預(yù)測(cè)模型根據(jù)某一(x,y)計(jì)算得到的堆料面預(yù)測(cè)值；(x,y)為點(diǎn)云中所有點(diǎn)的前兩維數(shù)據(jù)；

D2、設(shè)Dx和Dy相等，皆為D；根據(jù)步驟D1中的堆料面表達(dá)式(1)，通過(guò)最小二乘法，以實(shí)際z值與S(x,y)之間的差值最小為目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，以此確定式(1)中未知的每一項(xiàng)系數(shù)w_mk；目標(biāo)函數(shù)如下式：

D3、為使步驟D2中的目標(biāo)函數(shù)E最小，讓其導(dǎo)數(shù)等于零，可得到下式；

其中：U為系數(shù)向量，由S(x,y)的每一項(xiàng)系數(shù)w_mk組成；H為點(diǎn)云樣本輸出向量，代表點(diǎn)云數(shù)據(jù)的z值；B為點(diǎn)云樣本輸入矩陣，每一行的x和y都對(duì)應(yīng)著H中的z，n為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的樣本點(diǎn)數(shù)；

D4、根據(jù)式(3)，通過(guò)下式直接將系數(shù)向量U解析求解出來(lái)；

U＝(B^TB)^-1B^TH (4)

D5、將步驟D4得到的系數(shù)向量U帶回步驟D1中的堆料面表達(dá)式S(x,y)，獲得堆料面預(yù)測(cè)模型；

E、確定最優(yōu)挖掘軌跡

電鏟前端工作裝置的挖掘運(yùn)動(dòng)由提升繩的提升運(yùn)動(dòng)和推壓機(jī)構(gòu)的推壓運(yùn)動(dòng)協(xié)同完成，且電鏟的前端工作裝置可簡(jiǎn)化成一個(gè)二自由度機(jī)械臂，對(duì)電鏟挖掘軌跡進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，首先將挖掘軌跡面離散成多條挖掘軌跡線，然后在與鏟斗寬度垂直的二維空間內(nèi)對(duì)挖掘軌跡曲線進(jìn)行參數(shù)化，將一個(gè)復(fù)雜的三維曲面尋優(yōu)問(wèn)題轉(zhuǎn)變成軌跡參數(shù)尋優(yōu)問(wèn)題；在二維規(guī)劃空間內(nèi)，使用PTP的方法，通過(guò)確定起始和終止?fàn)顟B(tài)，并使用高階多項(xiàng)式在時(shí)間域上分別對(duì)x和y方向的挖掘軌跡進(jìn)行離散，使得多項(xiàng)式前5階系數(shù)可以由6～K階多項(xiàng)式系數(shù)、挖掘時(shí)間、初始和終止?fàn)顟B(tài)聯(lián)立求解，完成挖掘軌跡的參數(shù)化過(guò)程；利用堆料面預(yù)測(cè)模型對(duì)動(dòng)態(tài)挖掘體積進(jìn)行精確預(yù)測(cè)；利用挖掘阻力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算挖掘阻力；利用拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程結(jié)合電鏟運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立電鏟動(dòng)力學(xué)模型，用于計(jì)算動(dòng)態(tài)挖掘過(guò)程中的推壓和提升力；在滿足滿斗率約束、斗桿最大伸長(zhǎng)量約束、可回轉(zhuǎn)約束、不挖地約束、電機(jī)速度約束、電機(jī)輸出力約束、電機(jī)功率約束的前提下，規(guī)劃得到實(shí)際工況下滿足多方面要求的最優(yōu)挖掘軌跡；具體步驟如下：

E1、將三維挖掘軌跡面在鏟斗寬度方向等間隔離散成m條挖掘軌跡線，每條挖掘軌跡線在二維規(guī)劃空間內(nèi)是同一條曲線，但是在三維空間內(nèi)不一致；

E2、在二維規(guī)劃空間內(nèi)，利用高階多項(xiàng)式表達(dá)x和y方向上的挖掘軌跡，建立x和y方向上軌跡s與時(shí)間之間的表達(dá)式，如式(5)所示，同時(shí)初始位置、速度、加速度皆為零，終止速度、加速度為零，終止位置假設(shè)為(x_n,y_n)，為待優(yōu)化參數(shù)，其他的待優(yōu)化參數(shù)包括式(5)中的6～K階多項(xiàng)式系數(shù)和挖掘時(shí)間t_d，然后利用PTP的方法結(jié)合所有待優(yōu)化參數(shù)可求得式(5)中的前5階系數(shù)(包括第0階)，求解方法如式(6)所示；

E3、在二維規(guī)劃空間內(nèi)，將第i條挖掘軌跡線在時(shí)間域上離散成的n個(gè)挖掘軌跡坐標(biāo)點(diǎn)(x_j,y_j)轉(zhuǎn)化到三維空間得到坐標(biāo)值(x_ij,y_ij,z_ij){i＝1,2,3,...,m|j＝1,2,3,...,n}，利用堆料面預(yù)測(cè)模型S(x,y)預(yù)測(cè)挖掘軌跡坐標(biāo)點(diǎn)(x_ij,y_ij,z_ij)對(duì)應(yīng)于堆料面上的坐標(biāo)點(diǎn)(x_ij,y_ij,z_dij)，然后第i條挖掘軌跡線與投影到堆料面上的曲線圍成的封閉面積S_i可由下式計(jì)算；

其中，d_t為動(dòng)態(tài)挖掘厚度；

E4、得到所有的S_i后，通過(guò)下式對(duì)動(dòng)態(tài)挖掘體積進(jìn)行預(yù)測(cè)；

其中：V為挖掘體積，w_dip為鏟斗寬度；

E5、根據(jù)挖掘阻力經(jīng)驗(yàn)公式和動(dòng)態(tài)挖掘厚度，計(jì)算挖掘阻力；

E6、對(duì)電鏟前端工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析以及結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方式以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取廣義坐標(biāo)，利用拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程結(jié)合前端工作裝置受力分析建立電鏟前端工作裝置動(dòng)力學(xué)模型，利用挖掘軌跡表達(dá)式求解廣義坐標(biāo)的位移、速度、加速度，再結(jié)合步驟E3-E4所述動(dòng)態(tài)挖掘體積計(jì)算方法以及E5所述挖掘阻力計(jì)算方法，通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算電鏟推壓電機(jī)和提升電機(jī)輸出力；

E7、根據(jù)步驟E1-E2獲得優(yōu)化變量，以單位最小挖掘能耗為目標(biāo)，以滿斗率約束、斗桿最大伸長(zhǎng)量約束、可回轉(zhuǎn)約束、不挖地約束、電機(jī)速度約束、電機(jī)輸出力約束、電機(jī)功率約束作為約束條件，建立如下式所示的軌跡優(yōu)化模型：

s.t.G_i≤0(i＝1,2,3,...,12)

G₁:V_min≤V≤V_max

G₂＝ρ_max-0.9L_h≤0

G₃＝z_dmax-y_n+ED≤0(z_dmax＝max{z_din|i＝1,2,...,m})

G₄＝min{y_j|j＝1,2,...,n}≤0

G₅＝-min{v_rj|j＝1,2,...,n}≤0

G₇＝-min{v_hj|j＝1,2,...,n}≤0

其中，為x和y方向上挖掘軌跡關(guān)于時(shí)間的高階多項(xiàng)式中大于等于6階的多項(xiàng)式系數(shù)；[x_n,y_n]為挖掘終止位置；t_d為挖掘時(shí)間；G₁為滿斗率約束；G₂為斗桿最大伸長(zhǎng)量約束；G₃為可回轉(zhuǎn)約束；G₄為不挖地約束；G₅為最小提升速度約束；G₆為最大提升速度約束；G₇為最小推壓速度約束；G₈為最大推壓速度約束；G₉為電機(jī)最大允許提升力約束；G₁₀為電機(jī)最大允許推壓力約束；G₁₁為提升電機(jī)最大允許輸出功率約束；G₁₂為推壓電機(jī)最大允許輸出功率約束；L_h為斗桿長(zhǎng)度；z_dmax為m條挖掘軌跡線末端坐標(biāo)(x_in,y_in){i＝1,2,3,...,m}對(duì)應(yīng)于堆料面上的值z(mì)_din中的最大值；為第i條挖掘軌跡線上的最大提升力，為m條挖掘軌跡線上最大提升力之間的最大值，同理；ED為鏟斗齒尖到與斗桿軸線之間的垂直距離；

E8、利用合適的優(yōu)化算法對(duì)軌跡優(yōu)化模型進(jìn)行尋優(yōu)，尋找最優(yōu)軌跡參數(shù)值，確定最優(yōu)挖掘軌跡；

F、將所獲得的最優(yōu)挖掘軌跡轉(zhuǎn)化為推壓電機(jī)和提升電機(jī)的控制參數(shù)，控制電鏟前端工作裝置進(jìn)行挖掘運(yùn)動(dòng)，完成挖掘后，電鏟進(jìn)行回轉(zhuǎn)-卸料-回轉(zhuǎn)-復(fù)位，完成單個(gè)自動(dòng)作業(yè)流程；

G、單個(gè)自動(dòng)作業(yè)流程結(jié)束后，根據(jù)已挖掘物料體積判斷是否需要進(jìn)行下一輪挖掘作業(yè)，如果需要，則轉(zhuǎn)到步驟A；如果不需要，則挖掘任務(wù)結(jié)束。