本申請涉及挖掘機，尤其涉及一種挖掘機位姿預(yù)警系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、挖掘機的位姿參數(shù)主要包括車體傾斜角度、回轉(zhuǎn)角度、行車方向、動臂角度、斗桿角度、鏟斗角度。在工作過程中，駕駛員主要是通過挖掘機位姿與周圍環(huán)境的經(jīng)驗判斷進行合理的挖掘、回轉(zhuǎn)、卸載、行走等操作。然而，隨著挖掘機技術(shù)的不斷進步，挖掘機的整體結(jié)構(gòu)越來越大，駕駛?cè)藛T的視野盲區(qū)也隨之增多。尤其是在市政建設(shè)、露天采礦、緊急救援等復(fù)雜多變的作業(yè)場景，挖掘機常面臨回轉(zhuǎn)范圍受限、工作裝置高度或伸展長度受限、行進方向受阻等挑戰(zhàn)，存在較大的安全隱患。

2、因此，如何提高了挖掘機智能化和數(shù)字化水平，通過挖掘機位姿信息及預(yù)警信息，提高了挖掘機的操控性的安全性，是本領(lǐng)域技術(shù)人員面臨的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本申請第一方面提供了一種挖掘機位姿預(yù)警方法，該方法包括以下步驟：

2、s1、通過儀表監(jiān)控單元對挖掘機進行預(yù)警參數(shù)設(shè)定，其中預(yù)警參數(shù)包括預(yù)警高度參數(shù)、預(yù)警長度參數(shù)和預(yù)警寬度參數(shù)；

3、s2、通過儀表監(jiān)控單元對處于標(biāo)定位姿狀態(tài)的挖掘機進行標(biāo)定，以確定角度數(shù)據(jù)的基準值；

4、s3、獲取工作狀態(tài)下挖掘機檢測單元的角度數(shù)據(jù)，并對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得挖掘機的位姿參數(shù)；

5、s4、根據(jù)挖掘機的位姿參數(shù)和挖掘機的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出挖掘機的實際位置參數(shù)，其中實際位置參數(shù)包括實際高度參數(shù)、實際長度參數(shù)和實際寬度參數(shù)；

6、s5、判斷挖掘機的實際位置參數(shù)是否大于等于設(shè)定的預(yù)警參數(shù)，若是，則對執(zhí)行機構(gòu)進行控制限制并將預(yù)警結(jié)果發(fā)送給儀表監(jiān)控單元進行顯示。

7、進一步的，步驟s3中所述獲取工作狀態(tài)下挖掘機檢測單元的角度數(shù)據(jù)包括，建立挖掘機位姿預(yù)警系統(tǒng)絕對角度坐標(biāo)系，絕對角度坐標(biāo)系包括工作裝置角度坐標(biāo)系、車體傾角坐標(biāo)系和回轉(zhuǎn)角度坐標(biāo)系；其中，工作裝置角度坐標(biāo)系以動臂與下車的鉸點作為坐標(biāo)系原點o，重力加速度g的方向為絕對零度，繞o點順時針方向角度增大；車體傾角坐標(biāo)系以動臂與下車的鉸點作為坐標(biāo)系原點o，以水平面作為俯仰與側(cè)滾的絕對零度，車體前傾、右傾與為正值，車體后仰、左傾為負值；回轉(zhuǎn)角度坐標(biāo)系以動臂與下車的鉸點作為坐標(biāo)系原點o，以驅(qū)動輪在后工作裝置在前作為絕對零度，順時針方向角度增大。

8、進一步的，步驟s3中所述對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得挖掘機的位姿參數(shù)包括，根據(jù)濾波公式對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以減少角度數(shù)據(jù)的誤差，其中濾波公式如下：

9、v1=?v1+(2*(1-ro)*vin-v1)*tr/tf；

10、v2=v2+(v1-v2)*tr/tf；

11、vmax=max(v2,v1-vin)；

12、vout=vin+vmax-v1；

13、其中，vout表示輸出值，vin表示輸入值，v1，v2,vmax表示濾波過程計算變量，ro表示設(shè)定的濾波阻尼比，tr表示程序運行周期，tf表示濾波周期。

14、進一步的，步驟s3中所述對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得挖掘機的位姿參數(shù)包括，根據(jù)同坐標(biāo)系公式對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，使得各角度數(shù)據(jù)處于同一個坐標(biāo)系，其中同坐標(biāo)系公式如下：aout=(360-ain)+px；其中aout表示輸出同坐標(biāo)系值，ain表示原始值，px表示車體傾角傳感器俯仰角度值。

15、進一步的，步驟s3中所述對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得挖掘機的位姿參數(shù)包括，根據(jù)相對角度算法公式對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，其中相對角度算法公式如下：

16、當(dāng)at1-at0≤ah時，b=1,ax=ain+360；

17、當(dāng)at1-at0＞ah時，b=0,ax=ain；

18、as=ax1-ax2；

19、其中，at1表示t1時刻角度，at0表示t1上一時刻角度，ah表示設(shè)備程序運行一個周期最大的變化角度的增加10的值，ax表示相對角度計算中間值，ain表示輸入角度，as表示相對角度輸出值，ax1表示部件ⅰ相對角度計算過程值，ax2表示部件ⅱ相對角度計算過程值。

20、進一步的，步驟s3中所述對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得挖掘機的位姿參數(shù)包括，根據(jù)多傳感器融合算法公式對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，其中多傳感器融合算法公式如下：smuti=w1*s1+w2*s2+…+wn*sn；其中，smuti表示多傳感器融合的輸出值，w1…wn表示各傳感器的權(quán)重值，s1…sn表示各傳感器的采集值。

21、進一步的，步驟s4中所述根據(jù)挖掘機的位姿參數(shù)和挖掘機的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出挖掘機的實際位置參數(shù)包括，根據(jù)位姿預(yù)警算法映射公式計算出挖掘機的實際位置參數(shù)，其中位姿預(yù)警算法映射公式如下：；

22、其中a1、a2…a6分別表示動臂與車體角度，斗桿與動臂相對角度，鏟斗與斗桿相對角度，回轉(zhuǎn)角度，車體俯仰角度，車體側(cè)滾角度；bom表示動臂結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)；arm表示斗桿結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)；bkt表示鏟斗結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)；r1、r2、r3分別分別為挖掘機的實際高度參數(shù)、實際長度參數(shù)和實際寬度參數(shù)。

23、本申請第二方面提供了一種挖掘機位姿預(yù)警系統(tǒng)，用于實施如上面任一項所述的挖掘機位姿預(yù)警方法，所述系統(tǒng)至少包括：檢測單元、控制單元和儀表監(jiān)控單元，所述檢測單元與所述控制單元通過can通訊總線連接，用于獲取挖掘機的位姿信息，并將挖掘機的位姿信息傳遞至所述控制單元，所述控制單元用于整個系統(tǒng)的信號處理、邏輯算法與結(jié)果輸出，所述挖掘機儀表監(jiān)控單元用于預(yù)警信息的可視化及參數(shù)設(shè)定與人機交互。

24、進一步的，所述檢測單元至少包括：固定在動臂側(cè)面的動臂角度傳感器，固定在斗桿側(cè)面的斗桿角度傳感器，固定在鏟斗與斗桿連接的搖桿側(cè)面的鏟斗角度傳感器，固定在挖掘機上車平臺上的車體傾角傳感器和固定在回轉(zhuǎn)馬達軸承上的車體回轉(zhuǎn)角傳感器。

25、進一步的，所述動臂角度傳感器、所述斗桿角度傳感器、所述鏟斗角度傳感器和所述車體傾角傳感器均為重力傳感器，所述車體回轉(zhuǎn)角傳感器為旋轉(zhuǎn)編碼器。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請的有益效果是：

27、本申請從挖掘機技術(shù)發(fā)展角度，提高了挖掘機智能化和數(shù)字化水平，對后續(xù)挖掘機的無人駕駛，精準控制等技術(shù)領(lǐng)域提供環(huán)境感知、姿態(tài)檢測方面的基礎(chǔ)技術(shù)。從駕駛員角度，通過挖掘機整體位姿及預(yù)警信息，提高了挖掘機的操控性的安全性，保證了設(shè)備安全和人員安全。

技術(shù)特征：

1.一種挖掘機位姿預(yù)警方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的挖掘機位姿預(yù)警方法，其特征在于，步驟s3中所述獲取工作狀態(tài)下挖掘機檢測單元的角度數(shù)據(jù)包括，建立挖掘機位姿預(yù)警系統(tǒng)絕對角度坐標(biāo)系，絕對角度坐標(biāo)系包括工作裝置角度坐標(biāo)系、車體傾角坐標(biāo)系和回轉(zhuǎn)角度坐標(biāo)系；其中，工作裝置角度坐標(biāo)系以動臂與下車的鉸點作為坐標(biāo)系原點o，重力加速度g的方向為絕對零度，繞o點順時針方向角度增大；車體傾角坐標(biāo)系以動臂與下車的鉸點作為坐標(biāo)系原點o，以水平面作為俯仰與側(cè)滾的絕對零度，車體前傾、右傾與為正值，車體后仰、左傾為負值；回轉(zhuǎn)角度坐標(biāo)系以動臂與下車的鉸點作為坐標(biāo)系原點o，以驅(qū)動輪在后工作裝置在前作為絕對零度，順時針方向角度增大。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的挖掘機位姿預(yù)警方法，其特征在于，步驟s3中所述對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得挖掘機的位姿參數(shù)包括，根據(jù)濾波公式對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以減少角度數(shù)據(jù)的誤差，其中濾波公式如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的挖掘機位姿預(yù)警方法，其特征在于，步驟s3中所述對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得挖掘機的位姿參數(shù)包括，根據(jù)同坐標(biāo)系公式對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，使得各角度數(shù)據(jù)處于同一個坐標(biāo)系，其中同坐標(biāo)系公式如下：aout=(360-ain)+px，其中，aout表示輸出同坐標(biāo)系值，ain表示原始值，px表示車體傾角傳感器俯仰角度值。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的挖掘機位姿預(yù)警方法，其特征在于，步驟s3中所述對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得挖掘機的位姿參數(shù)包括，根據(jù)相對角度算法公式對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，其中相對角度算法公式如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的挖掘機位姿預(yù)警方法，其特征在于，步驟s3中所述對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得挖掘機的位姿參數(shù)包括，根據(jù)多傳感器融合算法公式對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，其中多傳感器融合算法公式如下：smuti=w1*s1+w2*s2+…+wn*sn；其中，smuti表示多傳感器融合的輸出值，w1…wn表示各傳感器的權(quán)重值，s1…sn表示各傳感器的采集值。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的挖掘機位姿預(yù)警方法，其特征在于，步驟s4中所述根據(jù)挖掘機的位姿參數(shù)和挖掘機的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出挖掘機的實際位置參數(shù)包括，根據(jù)位姿預(yù)警算法映射公式計算出挖掘機的實際位置參數(shù)，其中位姿預(yù)警算法映射公式如下：

8.一種挖掘機位姿預(yù)警系統(tǒng)，用于實施權(quán)利要求1-7任一項所述的挖掘機位姿預(yù)警方法，其特征在于，所述系統(tǒng)至少包括：檢測單元、控制單元和儀表監(jiān)控單元，所述檢測單元與所述控制單元通過can通訊總線連接，用于獲取挖掘機的位姿信息，并將挖掘機的位姿信息傳遞至所述控制單元，所述控制單元用于整個系統(tǒng)的信號處理、邏輯算法與結(jié)果輸出，所述挖掘機儀表監(jiān)控單元用于預(yù)警信息的可視化及參數(shù)設(shè)定與人機交互。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述挖掘機位姿預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測單元至少包括：固定在動臂側(cè)面的動臂角度傳感器，固定在斗桿側(cè)面的斗桿角度傳感器，固定在鏟斗與斗桿連接的搖桿側(cè)面的鏟斗角度傳感器，固定在挖掘機上車平臺上的車體傾角傳感器和固定在回轉(zhuǎn)馬達軸承上的車體回轉(zhuǎn)角傳感器。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述挖掘機位姿預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，所述動臂角度傳感器、所述斗桿角度傳感器、所述鏟斗角度傳感器和所述車體傾角傳感器均為重力傳感器，所述車體回轉(zhuǎn)角傳感器為旋轉(zhuǎn)編碼器。

技術(shù)總結(jié)
本申請?zhí)峁┝艘环N挖掘機位姿預(yù)警系統(tǒng)及方法，該方法包括以下步驟：S1、通過儀表監(jiān)控單元對挖掘機進行預(yù)警參數(shù)設(shè)定，其中預(yù)警參數(shù)包括預(yù)警高度參數(shù)、預(yù)警長度參數(shù)和預(yù)警寬度參數(shù)；S2、通過儀表監(jiān)控單元對處于標(biāo)定位姿狀態(tài)的挖掘機進行標(biāo)定，以確定角度數(shù)據(jù)的基準值。S3、獲取工作狀態(tài)下挖掘機檢測單元的角度數(shù)據(jù)，并對角度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得挖掘機的位姿參數(shù)；S4、根據(jù)挖掘機的位姿參數(shù)和挖掘機的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出挖掘機的實際位置參數(shù)，其中實際位置參數(shù)包括實際高度參數(shù)、實際長度參數(shù)和實際寬度參數(shù)；S5、判斷挖掘機的實際位置參數(shù)是否大于等于設(shè)定的預(yù)警參數(shù)，若是，則對執(zhí)行機構(gòu)進行控制限制并將預(yù)警結(jié)果發(fā)送給儀表監(jiān)控單元進行顯示。

技術(shù)研發(fā)人員：徐勝利,劉凱,桑子文,王振興,李志鵬,夏友斌,徐明亮,王鵬,張培林
受保護的技術(shù)使用者：徐州徐工礦業(yè)機械有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28