工程机械及其环境检测系统的制作方法

1.本技术涉及工程机械技术领域，具体涉及一种工程机械及其环境检测系统。


背景技术：

2.随着社会的快速发展，在基础建设方面，由于工程机械的工作效率高以及人工无法实现的工作表现，工程机械被广泛应用于建筑工程、交通运输以及农林水利等领域，其中，工程机械主要包括挖掘机、装载机、压路机以及起重机等。
3.但是，工程机械工作环境恶劣，噪声大、污染大，路面崎岖不平容易引起翻车事故，严重危害司机的身心健康，且司机操作工程机械实施作业任务时，工作效率较低，作业准确度较差。
4.为了避免上述问题，工程机械正在逐步朝向智能化的方向发展，这样不仅能够使工程机械长时间工作，而且无需司机进行现场操控。但是，在实现工程机械智能化作业过程中，需要准确的检测工程机械的周边环境，以便于工程机械的智能系统根据周边环境对工程机械的移动工作进行准确的控制，因此，如何准确检测工程机械的周边环境成为工程机械的智能化过程中急需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本技术提供一种工程机械及其环境检测系统，旨在解决如何准确检测工程机械的周边环境的问题。
6.一方面，本技术提供一种工程机械的环境检测系统，其特征在于，包括用于配置在所述工程机械上的作业环境检测模块、障碍物检测模块和控制模块；
7.所述作业环境检测模块用于采集所述工程机械的作业环境信息，并输出对应的第一信号；
8.所述障碍物检测模块用于采集所述工程机械周围的障碍物信息，并输出对应的第二信号；
9.所述控制模块与所述作业环境检测模块和所述障碍物检测模块电连接，所述控制模块用于接收所述第一信号和所述第二信号，并根据所述第一信号和所述第二信号确定所述工程机械周边的环境信息。
10.在本技术一种可能的实现方式中，所述作业环境检测模块包括与所述控制模块电连接的3d地图构建组件，所述3d地图构建组件用于采集所述工程机械作业环境的3d地图信息，并将所述3d地图信息传输至所述控制模块，所述控制模块根据所述3d地图信息构建所述工程机械作业环境的3d地图；和/或，
11.所述作业环境检测模块包括所述控制模块电连接的作业介质感知组件，所述作业介质感知组件用于检测作业介质的距离信息，并将所述距离信息传输至所述控制模块，所述控制模块根据所述距离信息确定所述作业介质的相对位置信息。
12.在本技术一种可能的实现方式中，所述作业介质感知组件包括用于设置所述工程
机械前侧的第一超声波雷达，所述第一超声波雷达用于检测作业介质的距离信息。
13.在本技术一种可能的实现方式中，所述3d地图构建组件包括与所述控制模块电连接的激光雷达组和第一摄像头组，所述激光雷达组和所述第一摄像头组用于设置在所述工程机械的顶部，所述激光雷达组用于扫描所述工程机械周边环境物体的距离信息、形状信息和方位信息，并将所述距离信息、形状信息和所述方位信息传输至所述控制模块；所述第一摄像头组用于采集所述工程机械周边环境物体的图像信息，并将所述图像信息传输至所述控制模块；所述控制模块根据所述距离信息、所述形状信息、所述方位信息和所述图像信息进行信息融合，构建所述工程机械作业环境的3d地图。
14.在本技术一种可能的实现方式中，所述障碍物检测模块包括第二摄像头组，所述第二摄像头组包括与所述控制模块电连接的多个摄像头，所述多个摄像头用于安装在所述工程机械的四周，所述多个摄像头采集所述工程机械周边的障碍物图像信息，并将所述障碍物图像信息传输至所述控制模块，所述控制模块根据所述障碍物图像信息确定所述工程机械周边的障碍物距离、类别和形态。
15.在本技术一种可能的实现方式中，所述障碍物检测模块还包括与所述控制模块电连接的多个毫米波雷达，所述多个毫米波雷达用于安装在所述工程机械的前后两侧，所述多个毫米波雷达用于检测所述工程机械前后两侧的障碍物距离、位置及运动状态。
16.在本技术一种可能的实现方式中，所述障碍物检测模块还包括与所述控制模块电连接的多个第二超声波雷达，所述多个第二超声波雷达设置于所述工程机械的四周，用于检测所述工程机械四周的近点障碍物距离和位置。
17.在本技术一种可能的实现方式中，所述环境检测系统还包括用于设置在所述工程机械上的导航模块，所述导航模块与所述控制模块电连接，所述导航模块用于采集所述工程机械的定位数据，并将所述定位数据发送至所述控制模块，所述控制模块根据所述定位数据和所述作业环境信息确定所述工程机械在所述作业环境中的位置。
18.在本技术一种可能的实现方式中，所述导航模块包括与所述控制模块电连接的卫星导航组件、惯性导航组件和视觉里程计组件；
19.所述卫星导航组件用于根据卫星信号对所述工程机械进行定位，并输出对应的第一定位信号至所述控制模块；
20.所述惯性导航组件用于检测工程机械的运行状态，根据所述运行状态对所述工程机械进行定位，并输出对应的第二定位信号至所述控制模块；
21.视觉里程计组件用于检测所述工程机械运动过程中周边的环境变化信息，根据所述环境变化信息对所述工程机械进行定位，并输出对应的第三定位信号至所述控制模块；
22.所述控制模块根据所述第一定位信号、所述第二定位信号和所述第三定位信号中的至少一个，及所述作业环境信息，确定所述工程机械在所述作业环境中的位置。
23.另一方面，本技术提供一种工程机械，所述工程机械包括上述所述的工程机械的环境检测系统。
24.本技术的有益效果：本技术提供一种工程机械的环境检测系统，在现有技术中工程机械无法准确检测工程机械的周边环境的情况下，创造性的提出在工程机械上配置作业环境检测模块、障碍物检测模块和控制模块；其中，作业环境检测模块用于采集工程机械的作业环境信息，并输出对应的第一信号；障碍物检测模块用于采集工程机械周围的障碍物
信息，并输出对应的第二信号；控制模块与作业环境检测模块和障碍物检测模块电连接，控制模块用于接收第一信号和第二信号，并根据第一信号和第二信号确定工程机械周边的环境信息，从而使得工程机械可以准确检测工程机械的周边环境。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本技术实施例提供的工程机械的环境检测系统的一个实施例流程结构示意图；
27.图2为本技术实施例提供的工程机械的一个侧面图；
28.图3为本技术实施例提供的工程机械的一个俯视图。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.在本技术中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本技术，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本技术。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本技术的描述变得晦涩。因此，本技术并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本技术所公开的原理和特征的最广范围相一致。
32.本技术实施例提供一种工程机械及其环境检测系统。
33.首先，本技术提供一种工程机械的环境检测系统，该工程机械的环境检测系统包括用于配置在工程机械上的作业环境检测模块、障碍物检测模块和控制模块；作业环境检测模块用于采集工程机械的作业环境信息，并输出对应的第一信号；障碍物检测模块用于采集工程机械周围的障碍物信息，并输出对应的第二信号；控制模块与作业环境检测模块
和障碍物检测模块电连接，控制模块用于接收第一信号和第二信号，并根据第一信号和第二信号确定工程机械周边的环境信息。以下进行详细说明。
34.请参考图1至图3，图1是本技术实施例提供的工程机械的环境检测系统的一个实施例流程结构示意图，图2为本技术实施例提供的工程机械的一个侧面图，图3为本技术实施例提供的工程机械的一个俯视图。
35.如图1所示，本技术实施例中，该工程机械20的环境检测系统10包括用于配置在工程机械20上的作业环境检测模块101、障碍物检测模块102和控制模块103；作业环境检测模块101用于采集工程机械20的作业环境信息，并输出对应的第一信号；障碍物检测模块102用于采集工程机械20周围的障碍物信息，并输出对应的第二信号；控制模块103与作业环境检测模块101和障碍物检测模块102电连接，控制模块103用于接收第一信号和第二信号，并根据第一信号和第二信号确定工程机械20周边的环境信息。其中，工程机械20被广泛应用于建筑工程、交通运输以及农林水利等领域，其中，工程机械20主要包括挖掘机、装载机、压路机以及起重机等。本实施例中，第一信号包括作业环境检测模块101采集的工程机械20的作业环境信息，该作业环境信息可以包括工程机械20作业环境的3d地图信息、作业介质的位置信息和形状信息中的一种或多种信息。第二信号包括障碍物检测模块102采集的工程机械20周边的障碍物图像信息、障碍物距离、障碍物运动状态和位置中的一种或多种信息。
36.需要说明的是，本技术的电连接包括电气连接、电信号连接，各模块以及设备之间的连接方式，在此不做限定，具体根据实际情况而定。
37.本实施例中，控制模块103与作业环境检测模块101和障碍物检测模块102均可通过控制器局域网络(controller area network，can)相连，其中，can属于总线式串行通信网络，can总线结构一般划分为两层:物理层和数据链路层(包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层)，由于控制器局域网络通讯方式具有可靠、实时和灵活的优点，因此在该工程机械20的作业环境监测系统之间采用can通讯，使得作业环境监测系统的各个组成部分之间的通讯更加稳定可靠。
38.本技术实施例中，工程机械20的环境检测系统10还包括网络系统，该网络系统包括路由器，其中，路由器与控制模块103之间通过网线连接，该路由器设置于该工程机械20体内，可通过路由器向外界传输控制模块103处理的数据信息，也可通过路由器接收外界的控制指令，并传输到控制模块103中，从而优化控制工程机械20的环境检测。
39.本技术提供一种工程机械20的环境检测系统10，在现有技术中工程机械20无法准确检测工程机械20的周边环境的情况下，创造性的提出在工程机械20上配置作业环境检测模块101、障碍物检测模块102和控制模块103；其中，作业环境检测模块101用于采集工程机械20的作业环境信息，并输出对应的第一信号；障碍物检测模块102用于采集工程机械20周围的障碍物信息，并输出对应的第二信号；控制模块103与作业环境检测模块101和障碍物检测模块102电连接，控制模块103用于接收第一信号和第二信号，并根据第一信号和第二信号确定工程机械20周边的环境信息，从而使得工程机械20可以准确检测工程机械20的周边环境。
40.本技术实施例中，作业环境检测模块101包括与控制模块103电连接的3d地图构建组件，3d地图构建组件用于采集工程机械20作业环境的3d地图信息，并将3d地图信息传输至控制模块103，控制模块103根据3d地图信息构建工程机械20作业环境的3d地图；和/或，
41.作业环境检测模块包括控制模块103电连接的作业介质感知组件，作业介质感知组件用于检测作业介质的距离信息，并将距离信息传输至控制模块103，控制模块103根据距离信息确定作业介质的相对位置信息。
42.本实施例中，在工程机械20的实际应用过程中，可以先进行作业环境的3d地图的构建，以获取当前作业环境的3d地图信息，从而为无人智能化作业提供基础，工程机械20在获取当前作业环境的3d地图信息之后由管理者划定当前环境中的作业介质的具体位置信息和形状信息，以确定具体的工作区域和对应的工作参数配置，需要说明的是，在工程机械20的实际应用过程中，当前作业环境的3d地图信息可以是预先已知的，同理，当前环境的作业介质的具体位置信息也可是预先已知的，可以直接传输至控制模块103，被其使用。
43.结合图1至图3，作业介质感知组件包括用于设置工程机械20前侧的第一超声波雷达104，第一超声波雷达104用于检测作业介质的距离信息。
44.本技术实施例中，3d地图构建组件包括与控制模块103电连接的激光雷达组105和第一摄像头组106，激光雷达组和第一摄像头组用于设置在工程机械20的顶部，激光雷达组用于扫描工程机械20周边环境物体的距离信息、形状信息和方位信息，并将距离信息、形状信息和方位信息传输至控制模块103；第一摄像头组用于采集工程机械20周边环境物体的图像信息，并将图像信息传输至控制模块103；控制模块103根据距离信息、形状信息、方位信息和图像信息进行信息融合，构建工程机械20作业环境的3d地图。其中，当前作业环境的图像信息包括激光雷达组105扫描的扫描图像信息和摄像头组拍摄的图像信息，由于工程机械20的顶部的障碍物少以及高度较高，因此为激光雷达组105和第一摄像头组106提供了一个宽广的视野，降低了视野盲区，从而有效提高了成像效果。
45.进一步的，本技术实施例中，在工程机械20的顶部设置一可升降的支撑装置107，支撑装置107上方设置有云台，并将激光雷达组105和第一摄像头组106设置于云台上，该云台具备减震功能，且该可升降的支撑装置107为电动控制，工程机械20可根据需求调整该可升降的支撑装置107的高度，从而调整激光雷达组105和第一摄像头组106的高度，以调整激光雷达组105的扫描范围以及第一摄像头的拍摄范围。
46.本实施例中，激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，激光雷达的工作原理与雷达非常相近，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。第一摄像头组106一般可包括多个摄像头，该多个摄像头可以是3个，也可以是5个，其具体数目在此不做限定。
47.本技术实施例中，障碍物检测模块102包括第二摄像头组108，第二摄像头组108包括与控制模块103电连接的多个摄像头，多个摄像头用于安装在工程机械20的四周，多个摄像头采集工程机械20周边的障碍物图像信息，并将障碍物图像信息传输至控制模块103，控制模块103根据障碍物图像信息确定工程机械20周边的障碍物距离、类别和形态。由于工程机械20被广泛应用于建筑工程、交通运输以及农林水利等领域，而在不同领域用于时，其实
际作业环境不尽相同，例如，应用于建筑工地时，其建筑工地表面崎岖不平，周围附近可能会存放各种建材，又如，应用于农林水利时，其周围环境可能会是坑洼之地，周围或是池塘农田，而在不同的应用场景对应的障碍物也是不尽相同，因此精准的识别障碍物就显得格外重要，本实施例中，通过在工程机械20的前后及其侧身上间隔设置有多个摄像头，可以全方位的获取工程机械20周围的实拍图像，大大提升了障碍物的检测范围，降低了工程机械20与障碍物之间的碰撞几率。
48.本技术实施例中，摄像头包括摄像部、减震部和固定部，减震部设置于摄像部和固定部之间，固定部设置于工程机械20上。在工程机械20在实际作业过程中，由于工程机械20自身发动机的震动及其他动力装置的震动，使得设置在工程机械20上的摄像头在工作时出现抖动现象，从而影响拍摄效果，本实施例中，通过在摄像头的摄像部与固定部之间设置一减震部，可以减缓来自于工程机械20的震动效果，降低摄像头的抖动频率，从而有效提升摄像头的拍摄效果，其中，减震部可以为弹簧与限位结构相结合，也可以是其他减震结构。
49.本技术实施例中，障碍物检测模块102还包括与控制模块103电连接的多个毫米波雷达109，多个毫米波雷达109用于安装在工程机械20的前后两侧，多个毫米波雷达109用于检测工程机械20前后两侧的障碍物距离、位置及运动状态。工程机械20在实际作业工程中，由于需要时候对介质进行工作，而在工作的过程中会产生大量的灰层，当灰层量达到一定时，工程机械20上的摄像组等视觉传感设备的功能将受到影响，因此，本实施例中，在工程机械20的前方和后方设置毫米波雷达109，通过利用该毫米波雷达109具备的穿透雾、烟、灰尘能力强，具有全天候全天时的特点，抗干扰能力强，能够准确获得目标速度信息的特点，有效提高了特种情况的防撞避障，从而提高工程机械20智能化作业的安全性。
50.本技术实施例中，障碍物检测模块102还包括与控制模块103电连接的多个第二超声波雷达110，多个第二超声波雷达110设置于工程机械20的四周，用于检测工程机械20四周的近点障碍物距离和位置。由于第二超声波雷达110具有穿透能力强、衰减小、反射能力强，对光照、色彩、电磁场不敏感，不易受恶劣天气影响等特点，而且超声波测距原理简单，成本低，主要用于近点盲区障碍物探测，本实施例将第二超声波雷达110和毫米波雷达109相结合，可以进一步提高工程机械20智能化作业的安全性。
51.本技术实施例中，环境检测系统10还包括用于设置在工程机械20上的导航模块，导航模块与控制模块103电连接，导航模块用于采集工程机械20的定位数据，并将定位数据发送至控制模块103，控制模块103根据定位数据和作业环境信息确定工程机械20在作业环境中的位置。
52.本技术实施例中，导航模块包括与控制模块103电连接的卫星导航组件111、惯性导航组件112和视觉里程计组件。
53.卫星导航组件111用于根据卫星信号对工程机械20进行定位，并输出对应的第一定位信号至控制模块103。
54.惯性导航组件112用于检测工程机械20的运行状态，根据运行状态对工程机械20进行定位，并输出对应的第二定位信号至控制模块103。
55.视觉里程计组件用于检测工程机械20运动过程中周边的环境变化信息，根据环境变化信息对工程机械20进行定位，并输出对应的第三定位信号至控制模块103。
56.控制模块103根据第一定位信号、第二定位信号和第三定位信号中的至少一个，及
作业环境信息，确定工程机械20在作业环境中的位置。
57.本实施例中，由于卫星导航是一种被动定位，其卫星信号很容易受外界环境的影响，在复杂的城市高密度区，卫星信号的传播受到阻挡或者信号被反射和衍射，导致接收机接收到的信号在位置解算时出现偏差，使得精度远远达不到要求。卫星信号易受干扰、输出频率低和多路径效应明显等缺点，尤其在复杂环境中，如市区和森林环境，卫星信号易于丢失和失锁。而惯性导航组件112是一种根据三维航位推算位置的导航组件，硬件部分包括惯性传感器和导航处理器，其中惯性传感器包括加速计和陀螺仪。惯性导航组件112安装在工程机械20车架上，与运算控制器信号连接，通过测量工程机械20的加速度和角加速度，并对时间积分得到位置和速度，可以在短时间内提供较高的计算精度。但是随着时间的增长，会出现比较大的误差累积，速度累积误差和时间成正比，位置的误差随着时间的平方累积，所以惯性导航需要融合其他导航系统来保证系统的长期稳定性。将惯性导航组件112和卫星导航组件111融合可以得到工程机械20相对精确的位置。
58.进一步的，视觉里程计组件采用相机根据工程机械20运动中的周边环境进行相对定位，主要采用双目相机。可以解决在没有卫星导航信号的情况下，工程机械20的导航定位问题，与惯性导航组件112结合组成组合导航组件，可在缺失卫星导航信号情况下实现工程机械20长时间、稳定导航与定位。同时相机感知的周边环境信息还可以用来构建环境3d地图，因此该相机可以与第一摄像头组106中的摄像头设置在一起，均设置在工程机械20的顶部。
59.为了更好实施本技术实施例中工程机械20的环境检测系统10，在工程机械20的环境检测系统10基础之上，本技术实施例中还提供一种工程机械20，如图1至图3所示，工程机械20包括上述实施例的环境检测系统。
60.本技术提供一种工程机械20的环境检测系统10，在现有技术中工程机械20无法准确检测工程机械20的周边环境的情况下，创造性的提出在工程机械20上配置作业环境检测模块101、障碍物检测模块102和控制模块103；其中，作业环境检测模块101用于采集工程机械20的作业环境信息，并输出对应的第一信号；障碍物检测模块102用于采集工程机械20周围的障碍物信息，并输出对应的第二信号；控制模块103与作业环境检测模块101和障碍物检测模块102电连接，控制模块103用于接收第一信号和第二信号，并根据第一信号和第二信号确定工程机械20周边的环境信息，从而使得工程机械20可以准确检测工程机械20的周边环境，因此，工程机械20通过作业环境监测系统获取获取周边环境信息，可以有效提高工程机械20的智能化作业效率和安全性。
61.以上对本技术实施例所提供的一种工程机械20及其环境检测系统10进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。