一种挖掘机动作的防碰撞控制方法与流程

1.本发明涉及到挖掘机械技术领域，具体涉及到一种挖掘机动作的防碰撞控制方法。


背景技术：

2.由于挖掘机本身的结构特性，其在基建、农林、市政等的建设中，扮演的角色越来越重要，工作环境也越来越复杂，其中就有狭小空间，在高度有限的环境下工作，就要考虑到避免碰撞，因为碰撞可能带来非常大的危险，所以挖掘机的防碰撞技术就很重要。
3.比如中国发明专利申请(公开号：cn110905036a)在2020年公开了一种挖掘机动臂的防撞方法、挖掘机动臂的防撞系统及挖掘机，通过红外测距工具获取挖掘机动臂的顶端在竖直方向上与障碍物的最小距离s；当s≤s1时，挖掘机的发动机进入怠速状态，挖掘机驱动系统停止输出；s1为第一预设距离。这个提供的挖掘机动臂的防撞报警方法，获取挖掘机动臂的顶端在竖直方向上与障碍物的最小距离s，将s与第一预设距离s1比较判断，当s≤s1时，挖掘机的发动机进入怠速状态，挖掘机驱动系统停止输出，使得挖掘机动臂的位置不再发生变化。该方法具有如下缺点，获取挖掘机动臂的顶端在竖直方向上与障碍物的最小距离，挖掘机在做复合动作时，动臂相对于障碍物的顶端会发生变化，所以这个最小距离的测量也就不准确了。如果障碍物是类似高压线一样的细小物体或者是表面凹凸不平物体，这种情况下也是不能准确检测最小距离的，测量的最小距离出现较大误差时，会对整个挖掘机的操作带来极大的不便，毕竟在达到最小距离时，挖掘机驱动系统会停止输出动力。
4.另外，目前智能化方向的挖掘机具备有自动识别工况建立电子围墙防碰撞系统，但是普通挖掘机是不具备这套系统的，仅仅依靠驾驶员判断动作是否会发生碰撞，而驾驶员在驾驶室内并不能每次都能准确判断动臂提起高度，存在很大风险。其次对驾驶员的操作技术要求很高，并不是所有驾驶员都能做到很精准的控制，再者挖掘机的使用对象形形色色，操作技术参差不齐，所以非智能挖掘机拥有限高防碰撞技术也相当重要，拥有很大的应用市场。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种挖掘机动作的防碰撞控制方法，以解决非智能化挖掘机应用于各种高度有限的环境下，做挖掘动作不会超过所要求的高度限制。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种挖掘机动作的防碰撞控制方法，包括竖向防碰撞控制方法，所述竖向防碰撞控制方法包括如下步骤：
8.(1)数据获取与处理：
9.获取斗杆上端点与动臂上端点在竖直方向的最大间距，记为d1；
10.获取所述动臂上端点和动臂下端点之间的直线距离，即动臂长度，记为l；
11.获取挖掘机的工况最大挖掘高度，记为h；
12.测量动臂与水平方向的夹角θ1，以及动臂与动臂长度所在直线之间的夹角θ2，则动臂长度所在直线与水平方向之间的夹角为θ＝θ
1-θ2；
13.获取所述动臂下端点距离水平地面的间距，记为d2；
14.则所述斗杆上端点距离水平地面的实时高度h＝d1+l
×
sinθ+d2；
15.将获取的数值d1、l、θ2、d2和h的计算模型分别录入控制器中；
16.(2)控制方法：
17.根据实际工况，设置控制系数x，x为大于0且小于1的实数；挖掘机进行挖掘动作时，将实时测量获取的θ1输入到所述控制器，所述控制器根据θ＝θ
1-θ2得出θ，进而计算出所述斗杆上端点距离水平地面的实时高度h的值；
18.当h＞x
·
h时，发动机降速或者直接进入自动怠速状态，挖掘动作变慢，并将动力输出信号反馈至驾驶员，进行提前预警；
19.当h＝h时，所述控制器通过电子阀控制动臂不再提升，此时就达到了单次最大挖掘高度；在挖掘过程中，当动臂下降时，发动机不会降速或者不进入自动怠速状态。
20.本防碰撞控制方法通过构建动臂提升高度计算模型，用简单易测的动臂提升角度来计算出不易测量的动臂提升高度，并与工况最大挖掘高度进行关联比较，以控制动臂最大提升高度不超过安全高度，能够有效防止动臂或者斗杆与障碍物发生碰撞，同时驱动机构发动机不会轻易停机，有利于持续不间断挖掘，在保证安全的条件下不影响挖掘效率。
21.在本防碰撞控制方法中，能够将获取的参数输入仪表中进行灵活配置，这些获取的参数基本为挖掘机的固定参数，挖掘机类型确定后这些参数就能够直接获取，非常方便。而且利用了挖掘机的结构特性，即挖掘机在整个挖掘过程中，动臂提升过程中，斗杆上端点始终为整机距离水平地面最大高度的点，这样就能够以最简单的方式进行防碰撞控制。
22.本防碰撞控制方法完美解决了非智能挖掘机在操作范围有限的工况下进行挖掘工作，同时能够通过仪表设置限制操作范围，可以适应不同的工况，在非限制空间工况下，配有此控制方式的挖掘机和正常的挖掘机无异；并且此种挖掘机只需新增配备角度传感器和相应的执行电磁阀，经济实惠，以小成本解决大问题。
23.由于本技术是将动臂最大提升高度下斗杆上端点距离地面的距离与实际工况中最大高度进行比较的，不用直接去测量或者判定斗杆上端点与障碍物的最小距离，避免了障碍物是类似高压线的细小物体或者是表面凹凸不平物体时不能准确检测最小距离的问题。
24.通过本方法的预判，能够设置动臂提升高度，达到设定范围临界值时发动机主动降速或者进入怠速状态，并进行预警，有利于提升挖掘机的安全性能。
25.进一步的，所述动臂为弯折臂，包括与挖掘主机体连接的第一动臂、与斗杆连接的第二动臂；所述第一动臂与所述第二动臂之间的角度为固定的钝角；所述第一动臂与所述挖掘主机体连接的点为所述动臂下端点，所述第二动臂与所述斗杆连接的点为所述动臂上端点；所述斗杆上端点为斗杆相对于地面的最高点。
26.当挖掘机的类型确定后，所述动臂的形状就固定下来了，所述动臂上端点和动臂下端点之间的直线距离、动臂(第一动臂)与该直线之间的夹角θ2即可确定下来，在挖掘过程中实质上只需要实时测量和监控动臂与水平方向的夹角θ1即可，通过这一个角度的测量
就能够完成防碰撞的控制，非常方便简单，成本低。
27.进一步的，所述工况最大挖掘高度为工况环境允许的最大挖掘高度，通过测量高度方向的障碍物距离地面的最小距离加上预留空间而来，所述预留空间的值不小于挖掘机竖向波动范围值。
28.这个最大挖掘高度在挖掘前在施工现场就能够测量得到，所述预留空间是给出的一个安全距离，实际中挖掘不可能完全按照预想的轨迹进行动作，因为外在因素带来的误差不可能全部避免，因此预留出这个空间距离，能够有效防止碰撞；也就是说工况最大挖掘高度h比实际测量结果略低一点点。
29.进一步的，斗杆上端点与动臂上端点在竖直方向的最大间距在斗杆垂直与地面时测量，通过设置在动臂下端点处的多个角度传感器测量夹角θ1和θ2。
30.进一步的，当x在第一阈值范围内，触发第一次预警，所述控制器反馈信号使发动机转速降低5％-15％；当x在第二阈值范围内，触发第二次预警，所述控制器反馈信号使发动机转速降低数百转。
31.当0.7≤x＜0.9时，通过所述控制器反馈信号使发动机转速下降100-200转，并逐步降低转速，同时发出第一次预警信息；当0.9≤x＜1时，发动机转速降至500转以下但不停机，并发出第二预警信息。
32.也就是说当挖掘机动臂提升实时高度h接近工况最大挖掘高度h时，发动机会进行降速的操作，这个操作能够让驾驶员明显感到动力输出系统的变化，使其操作更加小心，这也起到了提前预警的作用；更进一步接近时，降速效果会更加明显，但是不会直接停机，也不会进一步提升动臂，此时驾驶员会控制动臂下行，进行下一次的挖掘，使得驾驶员能够在安全范围内合理操作挖掘机；若驾驶员操作不慎使h大于h，也不用担心发生碰撞，因为挖掘机会立即执行禁止抬升指令，由于预设有预留空间，仍然不会碰撞。
33.进一步的，在多次挖掘动作完成后，根据所述控制器获取或计算的一系列实时高度h值以及发动机转速值，构建工况最大挖掘高度h和实时高度h值之差与发动机转速变化的关系曲线。
34.在实际挖掘过程中，一个项目挖掘机通常需要进行数小时，甚至数天的挖掘工作，这是通过收集前期控制器获取和计算的数据值，并拟合出工况最大挖掘高度h和实时高度h值之差与发动机转速变化的关系曲线，能够简单明了观察到动臂提升接近最大高度时，发动机转速的变化，这样有利于后续施工中转速和提升高度的合理控制，在不触碰障碍物的前提下，提升挖掘机效率，减少怠速浪费。
35.进一步的，所述控制器执行控制的逻辑如下：
36.s1：开始整机运行操作；
37.s2：角度传感器获取夹角θ1和θ2，并转化为动臂提升实时高度h；
38.s3：若h小于或等于x
·
h，则执行继续提升命令；若h大于x
·
h，则执行发动机减速指令；
39.s4：若h等于h，则获取单次挖掘最大提升高度并发出指令下降指令，并回到s1进行下一次挖掘；若h大于h，则执行动臂禁止提升指令。
40.进一步的，还包括回转防碰撞控制方法，(1)仪表上设置动臂最大右回转角度r和最大左回转角度l；(2)通过(回转)角度传感器获取动臂回转的实时角度q；(3)当q≥r或者l
时，控制器通过电磁阀控制回转动作停止，达到避免周向碰撞的效果。
41.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本防碰撞控制方法通过构建动臂提升高度计算模型，用简单易测的动臂提升角度来计算出不易测量的动臂提升高度，并与工况最大挖掘高度进行关联比较，以控制动臂最大提升高度不超过安全高度，能够有效防止动臂或者斗杆与障碍物发生碰撞，同时驱动机构发动机不会轻易停机，有利于持续不间断挖掘，在保证安全的条件下不影响挖掘效率；2、在本防碰撞控制方法中，参数基本的获取非常方便，只需要实时测量和监控动臂与水平方向的夹角θ1即可，而这个角度的实时测量简单易行，测量误差非常小；3、利用了挖掘机的结构特性，即挖掘机在整个挖掘过程中，动臂提升过程中，斗杆上端点始终为整机距离水平地面最大高度的点，这样就能够以最简单的方式进行防碰撞控制；4、本防碰撞控制方法完美解决了非智能挖掘机在操作范围有限的工况下进行挖掘工作，能够适应不同的工况，在非限制空间工况下，配有此控制方式的挖掘机和正常的挖掘机无异；并且此种挖掘机只需新增配备角度传感器和相应的执行电磁阀，经济实惠，以小成本解决大问题；5、本方法不用直接去测量或者判定斗杆上端点与障碍物的最小距离，避免了障碍物是类似高压线的细小物体或者是表面凹凸不平物体时不能准确检测最小距离的问题；6、通过本方法的预判，能够设置动臂提升高度，达到设定范围临界值时发动机主动降速或者进入怠速状态，并进行预警，有利于提升挖掘机的安全性能。
附图说明
42.图1为本发明一种挖掘机的整体结构示意图；
43.图2为本发明竖向防碰撞控制方法控制过程原理图；
44.图3为本发明回转防碰撞控制方法控制过程原理图；
45.图中：1、动臂；101、第一动臂；102、第二动臂；2、斗杆；3、挖掘主机体；
46.点a—动臂上端点，动臂与斗杆连接处的端点；
47.点b—动臂下端点，动臂与挖掘主机体连接点；
48.点c—斗杆上端点，斗杆相对地面的最高点；
49.ab线段—动臂长度l，动臂上端点a与动臂下端点b之间的直线距离。
具体实施方式
50.下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
51.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
52.实施例一：
53.如图1所示，一种挖掘机动作的防碰撞控制方法，包括竖向防碰撞控制方法，所述
竖向防碰撞控制方法包括如下步骤：
54.(1)数据获取与处理：
55.获取斗杆上端点c与动臂上端点a在竖直方向的最大间距，记为d1，将此值写入控制器程序里面；
56.获取所述动臂上端点a和动臂下端点b之间的直线距离ab，即动臂长度，记为l，每个机型的动臂长度l相对固定，将l的值直接编写在控制器程序里面；
57.获取挖掘机的工况最大挖掘高度，记为h；
58.测量动臂与水平方向的夹角θ1，以及动臂与动臂长度所在直线ab之间的夹角θ2，则动臂长度所在直线与水平方向之间的夹角为θ＝θ
1-θ2；
59.获取所述动臂下端点距离水平地面的间距，记为d2，每个机型的d2也是固定的，将d2的值也直接编写在控制器程序里面；
60.则所述斗杆上端点距离水平地面的实时高度h＝d1+l
×
sinθ+d2；
61.将获取的数值h、夹角θ1和θ2，θ和h的计算模型分别录入控制器中；
62.(2)控制方法：
63.根据实际工况，设置控制系数x，x为大于0且小于1的实数；挖掘机进行挖掘动作时，将实时测量获取的θ1输入到所述控制器，所述控制器根据θ＝θ
1-θ2得出θ，进而计算出所述斗杆上端点距离水平地面的实时高度h的值；
64.当h＞x
·
h时，发动机降速或者直接进入自动怠速状态，挖掘动作变慢，并将动力输出信号反馈至驾驶员，进行提前预警；驾驶员能明显感觉到动力输出系统的变化，操作会更加小心；
65.当h＝h时，所述控制器通过电子阀控制动臂不再提升，此时就达到了单次最大挖掘高度；在挖掘过程中，当动臂下降时，发动机不会降速或者不进入自动怠速状态，以防止出现挖掘效率低下的问题。
66.本防碰撞控制方法通过构建动臂提升高度计算模型，用简单易测的动臂提升角度来计算出不易测量的动臂提升高度，并与工况最大挖掘高度进行关联比较，以控制动臂最大提升高度不超过安全高度，能够有效防止动臂或者斗杆与障碍物发生碰撞，同时驱动机构发动机不会轻易停机，有利于持续不间断挖掘，在保证安全的条件下不影响挖掘效率。
67.在本防碰撞控制方法中，能够将获取的参数输入仪表中进行灵活配置，这些获取的参数基本为挖掘机的固定参数，挖掘机类型确定后这些参数就能够直接获取，非常方便。而且利用了挖掘机的结构特性，即挖掘机在整个挖掘过程中，动臂提升过程中，斗杆上端点始终为整机距离水平地面最大高度的点，这样就能够以最简单的方式进行防碰撞控制。
68.本防碰撞控制方法完美解决了非智能挖掘机在操作范围有限的工况下进行挖掘工作，同时能够通过仪表设置限制操作范围，可以适应不同的工况，在非限制空间工况下，配有此控制方式的挖掘机和正常的挖掘机无异；并且此种挖掘机只需新增配备角度传感器和相应的执行电磁阀，经济实惠，以小成本解决大问题。
69.由于本技术是将动臂最大提升高度下斗杆上端点距离地面的距离与实际工况中最大高度进行比较的，不用直接去测量或者判定斗杆上端点与障碍物的最小距离，避免了障碍物是类似高压线的细小物体或者是表面凹凸不平物体时不能准确检测最小距离的问题。
70.通过本方法的预判，能够设置动臂提升高度，达到设定范围临界值时发动机主动降速或者进入怠速状态，并进行预警，有利于提升挖掘机的安全性能。
71.进一步的，所述动臂1为弯折臂，包括与挖掘主机体3连接的第一动臂101、与斗杆2连接的第二动臂102；所述第一动臂101与所述第二动臂102之间的角度为固定的钝角；所述第一动臂101与所述挖掘主机体3连接的点为所述动臂下端点，所述第二动臂102与所述斗杆2连接的点为所述动臂上端点；所述斗杆上端点为斗杆2相对于地面的最高点。
72.当挖掘机的类型确定后，所述动臂1的形状就固定下来了，所述动臂上端点和动臂下端点之间的直线距离、动臂(第一动臂)与该直线之间的夹角θ2即可确定下来，在挖掘过程中实质上只需要实时测量和监控动臂与水平方向的夹角θ1即可，通过这一个角度的测量就能够完成防碰撞的控制，非常方便简单，成本低。
73.进一步的，所述工况最大挖掘高度为工况环境允许的最大挖掘高度，通过测量高度方向的障碍物距离地面的最小距离加上预留空间而来，所述预留空间的值不小于挖掘机竖向波动范围值。
74.这个最大挖掘高度在挖掘前在施工现场就能够测量得到，所述预留空间是给出的一个安全距离，实际中挖掘不可能完全按照预想的轨迹进行动作，因为外在因素带来的误差不可能全部避免，因此预留出这个空间距离，能够有效防止碰撞；也就是说工况最大挖掘高度h比实际测量结果略低一点点。
75.进一步的，斗杆上端点与动臂上端点在竖直方向的最大间距在斗杆垂直与地面时测量，通过设置在动臂下端点处的多个角度传感器测量夹角θ1和θ2。
76.比如当0.7≤x＜0.9时，通过所述控制器反馈信号使发动机转速下降100转左右，并逐步降低转速，同时发出第一次预警信息；当0.9≤x＜1时，发动机转速降至200转以下但不停机，并发出第二预警信息。
77.也就是说当挖掘机动臂提升实时高度h接近工况最大挖掘高度h时，发动机会进行降速的操作，这个操作能够让驾驶员明显感到动力输出系统的变化，使其操作更加小心，这也起到了提前预警的作用；更进一步接近时，降速效果会更加明显，但是不会直接停机，也不会进一步提升动臂，此时驾驶员会控制动臂下行，进行下一次的挖掘，使得驾驶员能够在安全范围内合理操作挖掘机；若驾驶员操作不慎使h大于h，也不用担心发生碰撞，因为挖掘机会立即执行禁止抬升指令，由于预设有预留空间，仍然不会碰撞。
78.进一步的，在多次挖掘动作完成后，根据所述控制器获取或计算的一系列实时高度h值以及发动机转速值，构建工况最大挖掘高度h和实时高度h值之差与发动机转速变化的关系曲线。
79.在实际挖掘过程中，一个项目挖掘机通常需要进行数小时，甚至数天的挖掘工作，这是通过收集前期控制器获取和计算的数据值，并拟合出工况最大挖掘高度h和实时高度h值之差与发动机转速变化的关系曲线，能够简单明了观察到动臂提升接近最大高度时，发动机转速的变化，这样有利于后续施工中转速和提升高度的合理控制，在不触碰障碍物的前提下，提升挖掘机效率，减少怠速浪费。也可以根据计算得到的安全高度值和夹角值，设定安全的抬升操作范围，在同区域反复挖掘的过程中，既确保安全也确保效率。
80.进一步的，结合图2所示，所述控制器执行控制的逻辑如下：
81.s1：开始整机运行操作；
82.s2：角度传感器获取夹角θ1和θ2，并转化为动臂提升实时高度h；
83.s3：若h小于或等于x
·
h，则执行继续提升命令；若h大于x
·
h，则执行发动机减速指令；
84.s4：若h等于h，则获取单次挖掘最大提升高度并发出指令下降指令，并回到s1进行下一次挖掘；若h大于h，则执行动臂禁止提升指令。
85.实施例二：
86.本实施例利用角度传感器进行角度测量，还能够进行回转防碰撞控制，结合图3所示，具体方法如下：(1)仪表上设置动臂最大右回转角度r和最大左回转角度l；(2)通过(回转)角度传感器获取动臂回转的实时角度q；(3)当q≥r或者l时，控制器通过电磁阀控制回转动作停止，达到避免周向碰撞的效果。
87.也就是在仪表设定可以回转的最大角度，在达到要求回转角度后，停止回转，防止发生碰撞。
88.本方法旨在通过测量角度而得到动臂提升高度，文中只提供了角度传感器一种测量方法，也可用其他测量方法代替，设置高度也不仅是通过仪表修改一种手段，也可用类似方法进行修改。另外，本方法还可以防止挖掘机在回转过程中的碰撞，只需再新加一个回转角度传感器，即可在仪表设置回转的角度防止碰撞的发生。
89.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。