CN114482183A - 一种挖掘机械的控制方法和挖掘机械 - Google Patents

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CN114482183A CN202210164950.2A CN202210164950A CN114482183A CN 114482183 A CN114482183 A CN 114482183A CN 202210164950 A CN202210164950 A CN 202210164950A CN 114482183 A CN114482183 A CN 114482183A
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Abstract

本公开提供了一种挖掘机械的控制方法和挖掘机械，涉及自动化控制技术领域，尤其涉及工程机械的自动化控制领域。具体实现方案为：确定初始挖掘点位置及挖掘机械的当前位置；确定初始挖掘点位置和当前位置构成的直线路径；获取挖掘机械的周边环境信息，周边环境信息包括挖掘机械感知范围内的障碍物位置；障碍物位置包括静态障碍物位置和动态障碍物位置中的至少一项；在直线路径与障碍物位置发生冲突的情况下，将障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；利用初始挖掘点位置、当前位置和轨迹中继位置，确定挖掘机械的规划轨迹。采用本公开，可以实现对挖掘机械的自动控制。

Description

一种挖掘机械的控制方法和挖掘机械
技术领域
本公开涉及自动化控制技术领域，尤其涉及工程机械的自动化控制领域。
背景技术
挖掘机械(如电铲)是露天矿区的一种基本设备，主要用于将覆盖在矿床上的矿物剥离，并将剥离后的矿物装入矿卡。露天矿区一般以挖掘机械采掘，矿卡运输为主进行大型生产作业，随着大数据、传感器、第五代移动通信技术(5G，5th Generation MobileCommunication Technology)、人工智能等高新技术的不断发展突破，无人驾驶技术日趋成熟，自动电铲和自动矿卡的技术成熟度越来越高。但是，目前对挖掘机械(如电铲)的控制主要是由人工进行远程控制，尚不存在较为成熟的对挖掘机械的自动控制方法。
发明内容
本公开提供了一种挖掘机械的控制方法和挖掘机械。
根据本公开的一方面，提供了一种挖掘机械的控制方法，包括：
确定初始挖掘点位置及挖掘机械的当前位置；
确定初始挖掘点位置和当前位置构成的直线路径；
获取挖掘机械的周边环境信息，周边环境信息包括挖掘机械感知范围内的障碍物位置；障碍物位置包括静态障碍物位置和动态障碍物位置中的至少一项；
在直线路径与障碍物位置发生冲突的情况下，将障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；
利用初始挖掘点位置、当前位置和轨迹中继位置，确定挖掘机械的规划轨迹。
根据本公开的另一方面，提供了一种挖掘机械，包括：
通信模块，用于接收初始挖掘点位置；
感知模块，用于感知挖掘机械的当前位置和周边环境信息，周边环境信息包括挖掘机械感知范围内的障碍物位置；障碍物位置包括静态障碍物位置和动态障碍物位置中的至少一项；
规划模块，用于确定初始挖掘点位置和当前位置构成的直线路径，在直线路径与障碍物位置发生冲突的情况下，将障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；利用初始挖掘点位置、当前位置和轨迹中继位置，确定挖掘机械的规划轨迹。
根据本公开的另一方面，提供了一种露天矿区的无人作业***，包括：
如以上任一方面的挖掘机械；
无人矿卡；以及，
用于协调挖掘机械和无人矿卡的协同作业平台。
根据本公开的另一方面，提供了一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行以上任一项的方法。
根据本公开的另一方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，计算机指令用于使计算机执行根据以上任一项的方法。
根据本公开的另一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序在被处理器执行时实现根据以上任一项的方法。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
图1是根据本公开的挖掘机械和矿卡集对应关系的示意图；
图2是根据本公开一实施例的挖掘机械控制方法的实现流程示意图；
图3A和图3B是根据本公开一实施例确定的规划轨迹示意图；
图4是根据本公开一实施例的三方协作***结构示意图；
图5是根据本公开一实施例的三方协作***的协作流程示意图；
图6是根据本公开一实施例的挖掘机械的结构示意图；
图7是根据本公开另一实施例的挖掘机械的结构示意图；
图8是用来实现本公开实施例的挖掘机械控制方法的电子设备的框图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
随着经济社会的发展，露天矿区普遍面临工作内容枯燥乏味、工作环境恶劣危险、招工难度大、用工成本高、安全事故压力大、工人工作效率和工作安全风险随工作时间下降等问题。基于此，大力发展露天矿区自动化作业技术具有重要的现实意义。露天矿区一般以挖掘机械(如电铲)采掘，矿卡运输为主进行大型生产作业。如图1所示，一般一个挖掘机械对应一个矿卡集，该矿卡集包括多个矿卡，该挖掘机械与对应的矿卡集协同作业。挖掘机械采掘矿物，将采掘到的矿物装载至矿卡，由矿卡完成矿物的运输。对于挖掘机械，目前主要采用远程遥控方式对挖掘机械进行控制，尚不存在完全真正意义上的无人控制。
本公开实施例提出一种挖掘机械的控制方法，图2是根据本公开一实施例的挖掘机械控制方法的实现流程示意图，包括：
S210：确定初始挖掘点位置及挖掘机械的当前位置；
S220：确定该初始挖掘点位置和该当前位置构成的直线路径；
S230：获取该挖掘机械的周边环境信息，该周边环境信息包括挖掘机械感知范围内的障碍物位置；该障碍物位置包括静态障碍物位置和动态障碍物位置中的至少一项；
S240：在该直线路径与该障碍物位置发生冲突的情况下，将该障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；
S250：利用该初始挖掘点位置、该当前位置和该轨迹中继位置，确定挖掘机械的规划轨迹。
在一些实施方式中，本公开提出的挖掘机械控制方法在确定挖掘机械的初始挖掘点位置之后，确定挖掘机械的当前位置，根据当前位置和初始挖掘点位置确定规划轨迹，并按照该规划轨迹控制挖掘机械移动；在移动过程中，反复实时地确定挖掘机械的当前位置，并重新确定规划轨迹，按照新的规划轨迹控制挖掘机械移动。例如，可以周期性地重复确定规划轨迹，或者，在接收到外部指令、感知到存在障碍等情况下重复确定规划轨迹。
本公开实施例提出的控制方法充分考虑了露天矿区的特点，例如露天矿区中不存在固定的道路，挖掘机械(如电铲)或矿卡可以任意行驶，相对于普通环境，露天矿区中障碍物较少。根据这些特点，本公开实施例提出的控制方法在规划行进轨迹时考虑当前位置、初始挖掘点位置和障碍物位置，根据这些信息确定规划轨迹，采用该规划轨迹能够实现对挖掘机械的自动控制。在一些实施方式中，如果考虑当前位置、初始挖掘点位置和障碍物位置确定出多条规划路径，则可以根据最近距离原则选择路径最短的规划路径。
图3A和图3B是根据本公开一实施例确定的规划轨迹示意图。如图3A所示，根据挖掘机械的当前位置和初始挖掘点位置确定直线路径，该直线路径上存在一个障碍物位置，即该直线路径与障碍物位置发生冲突，这种情况下，选择障碍物位置的侧向安全距离位置，该侧向安全距离位置在该直线路径的垂直方向、并与障碍物位置之间保持安全距离。之后，将该侧向安全距离位置作为轨迹中继位置，利用该挖掘机械的当前位置、初始挖掘点位置和轨迹中继位置确定规划轨迹，在一些实施方式中，确定的规划轨迹可以为三次曲线，从而保证规划轨迹的平滑。例如，图3A中，连接挖掘机械的当前位置、初始挖掘点位置和轨迹中继位置的折线为确定规划轨迹时产生的中间轨迹，连接挖掘机械的当前位置、初始挖掘点位置和轨迹中继位置的曲线为最终确定的规划轨迹。如图3B所示，根据挖掘机械的当前位置和初始挖掘点位置确定直线路径，该直线路径上存在两个障碍物位置，即该直线路径与两个障碍物位置发生冲突，这种情况下，选择各个障碍物位置的侧向安全距离位置(如图3B所示，存在多个侧向安全距离位置)，侧向安全距离位置在该直线路径的垂直方向、并与障碍物位置之间保持安全距离。之后，将各个侧向安全距离位置作为轨迹中继位置，利用该挖掘机械的当前位置、初始挖掘点位置和各个轨迹中继位置确定规划轨迹，在一些实施方式中，确定的规划轨迹可以为三次曲线，从而保证规划轨迹的平滑。例如，图3B中，连接挖掘机械的当前位置、初始挖掘点位置和轨迹中继位置的两条折线为确定规划轨迹时产生的中间轨迹，连接挖掘机械的当前位置、初始挖掘点位置和轨迹中继位置的两条曲线为最终确定的规划轨迹。由于存在多条规划轨迹，本公开实施例可以选择距离最短的规划路径作为最终选定的规划路径，并利用该规划路径来控制挖掘机械的移动。
在一些实施方式中，挖掘机械可以包括感知模块、规划模块、控制模块和通信模块。感知模块能够建模作业区域，估计矿卡(如无人矿卡)的位姿，识别矿卡满载率等；规划模块能够规划挖掘作业和移动；控制模块能够解算规划结果向电铲控制器发送控制指令；通信模块能够与协同作业平台进行通信，收发当前作业指令、状态信息、作业数据等。本公开实施例提出的上述挖掘机械的控制方法可以由挖掘机械中的前述各个模块协同完成，例如：
挖掘机械的通信模块接收初始挖掘点位置；
挖掘机械的感知模块感知所述挖掘机械的当前位置和周边环境信息，所述周边环境信息包括所述挖掘机械感知范围内的障碍物位置；所述障碍物位置包括静态障碍物位置和动态障碍物位置中的至少一项；
挖掘机械的规划模块确定所述初始挖掘点位置和所述当前位置构成的直线路径，在所述直线路径与所述障碍物位置发生冲突的情况下，将所述障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；利用所述初始挖掘点位置、所述当前位置和所述轨迹中继位置，确定所述挖掘机械的规划轨迹。
进一步地，挖掘机械的控制模块可以采用该规划路径控制挖掘机械的移动。
在一些实施方式中，本公开提出的挖掘机械的控制方法在确定规划轨迹和/或采用规划轨迹确定对挖掘机械的控制指令，还可以进一步满足挖掘机械的运动学或避障要求。例如，在一些实施方式中，本公开实施例提出的控制方法还包括：
利用所述规划轨迹、所述挖掘机械的当前位置及运动数据，确定对所述挖掘机械的控制指令；
其中，所述挖掘机械的当前位置及运动数据包括所述挖掘机械的当前位置、当前方向、左右履带速度、履带间距、目标速度中的至少一项。
上述确定控制指令的过程考虑挖掘机械的当前位置、当前方向、左右履带速度、履带间距、目标速度，从而保证对挖掘机械的控制满足挖掘机械的运动学的要求。
在一些实施方式中，上述控制指令中包括挖掘机械的速度方向和目标转角中的至少一项；
利用挖掘机械的左右履带速度、履带间距以及预先设定的更新步长时间，可以确定挖掘机械的速度方向；
利用规划轨迹的方向与挖掘机械的当前方向，可以确定角度偏差；利用规划轨迹的位置与挖掘机械的当前位置，可以确定距离偏差；利用该角度偏差、距离偏差以及预先设定的角度偏差系数和距离偏差系数，可以确定所述挖掘机械的目标转角。在一些实施方式中，目标转角可以指为了使挖掘机械趋近于规划轨迹，期望挖掘机械的转动角度。
上述挖掘机械的速度大小、挖掘机械的速度方向和目标转角满足挖掘机械运动学。
在一些可能的实施方式中，挖掘机械的速度大小可以选择不大于目标速度(如记为vmax)，且不小于0。
挖掘机械的速度方向满足公式(1)：
Δθ＝(v1-v2)*2/L*Δt…(1)；
其中，Δθ表示挖掘机械的速度方向；
v1、v2分别表示左右履带速度；
L表示履带间距；
Δt表示更新步长时间。
挖掘机械的速度方向的确定方式是根据挖掘机械的机械结构来涉及的，由于挖掘机械设置左右两个履带，左右两个履带速度的不同会直接造成挖掘机械的方向不同。因此，本公开提出的挖掘机械控制方法能够简便准确地确定挖掘机械的速度方向。
目标转角满足公式(2)：
θ＝slaneDir*θlanedir-slanePos*Dlane…(2)；
其中，slaneDir为角度偏差系数；
θlanedir为利用规划轨迹的方向与挖掘机械的当前方向确定的角度偏差；
slanePos为距离偏差系数；
Dlane为利用规划轨迹的位置与挖掘机械的当前位置确定的距离偏差。
以上确定挖掘机械的速度大小、挖掘机械的速度方向和目标转角的方式均满足挖掘机械运动学，可以用ρtire表示。可见，由于采用上述距离偏差系数、角度偏差系数确定目标转角，可以通过调整距离偏差系数、角度偏差系数的数值来调整目标转角的大小；如果目标转角较大，则可以控制挖掘机械更为迅速地趋近于规划轨迹；如果目标转角较小，则可以控制挖掘机械更为缓慢地趋近于规划轨迹，从而便于对挖掘机械运行方式的调整。
在一些实施方式中，在采用规划轨迹控制挖掘机械移动时，还可以满足碰撞概率(如采用ρobs表示)，具体的，例如挖掘机械在移动过程中对于动态障碍物采用让行的原则，对于静态障碍物采用绕障轨迹规划的原则。例如，本公开提出的挖掘机械的控制方法还可以进一步包括：
按照挖掘机械的规划轨迹，控制挖掘机械向初始挖掘点位置移动；
在挖掘机械的移动过程中，实时获取挖掘机械的周边环境信息，周边环境信息包括所述挖掘机械感知范围内的障碍物位置；
在挖掘机械的运行前方存在动态障碍物的情况下，确定挖掘机械的碰撞距离，并确定挖掘机械的当前位置与动态障碍物的障碍物位置之间的第一距离；
根据该碰撞距离及所述第一距离，对挖掘机械的履带加速度进行调整。
具体地，挖掘机械的碰撞距离满足公式(3)：
Dc＝dc+vt 2/2.0/adcc…(3)；
其中，Dc为挖掘机械的碰撞距离；
dc为最小安全距离；
vt为挖掘机械的当前速度；
adcc为挖掘机械的刹车加速度。
在挖掘机械的当前位置与动态障碍物的障碍物位置之间的第一距离大于碰撞距离Dc的情况下：若vmax>vt，则设置挖掘机械当前的履带加速度a＝aacc(aacc为加速加速度)，否则设置挖掘机械当前的履带加速度a＝0。其中，vmax为目标速度。
在挖掘机械的当前位置与动态障碍物的障碍物位置之间的第一距离小于碰撞距离Dc的情况下：若vt>0，则设置挖掘机械当前的履带加速度a＝adcc，否则设置挖掘机械当前的履带加速度a＝0。
由上述内容可见，在采用规划轨迹控制挖掘机械移动时，如果在运行前方感知到动态障碍物，确定挖掘机械与该动态障碍物的距离，如果该距离大于碰撞距离(碰撞距离可以理解为挖掘机械从开始刹车到停止前进所运行的距离)，则挖掘机械可以继续向前移动；这种情况下，如果挖掘机械的运行速度低于目标速度，则可以控制挖掘机械加速，以趋近于目标速度；如果挖掘机械的运行速度已经达到目标速度，则可以保持该速度继续前进。如果该距离小于碰撞距离，则需要对挖掘机械进行减速；这种情况下，如果挖掘机械的运行速度大于0(即仍在运行中)，则可以按照挖掘机械的刹车加速度对挖掘机械进行减速控制；如果挖掘机械的运行速度等于0(即已停止运行)，则可以不再改变挖掘机械当前的履带加速度。可见，这种控制方式适用于露天矿区车辆较少的特点，是一种简便有效的挖掘机械控制方式。
以上介绍了控制挖掘机械对动态障碍物采用让行的原则的控制方式。如果挖掘机械在移动过程中感知到运行前方存在静态障碍物，则可以采用绕障轨迹规划的原则，重新确定规划轨迹。例如，本公开提出的控制方法还可以进一步包括：
在挖掘机械的运行前方存在静态障碍物的情况下，将静态障碍物的障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；
利用初始挖掘点位置、挖掘机械的当前位置和该轨迹中继位置，重新确定挖掘机械的规划轨迹。
通过上述方式，可以在挖掘机械的运行过程中实时感知前方障碍物，如果感知到运行前方存在静态障碍物，则可以重新规划新的路径，因此实现了对挖掘机械的灵活控制和调整。
本公开提出的挖掘机械的控制方法中，可以由挖掘机械在接收到来自协同作业平台的协同作业指令，并读取该协同作业指令，从协同作业指令中获取所述初始挖掘点位置；其中，初始挖掘点位置可以包括初始挖掘点的经度、初始挖掘点的纬度和初始挖掘点的高程中的至少一项。
本公开实施例可以应用于挖掘机械(如无人电铲)、协同作业平台(如云端设备)和无人矿卡构成的三方协作***。通过上述从协同作业平台接收并读取指令，从而获取初始挖掘点位置的方式，可以实现协同作业平台对挖掘机械工程作业的控制。如图4是根据本公开一实施例的三方协作***结构示意图，如图4所示，该***包括挖掘机械、协同作业平台和无人矿卡，其中挖掘机械和无人矿卡的数量可以为多个。每个挖掘机械可以与一个矿卡集对应，该矿卡集可以包括多个无人矿卡；协同作业平台负责协调挖掘机械和无人矿卡的无人作业规划，挖掘机械可以与一个矿卡集协调作业，完成矿物挖掘任务。
以下详细介绍上述三方协作***，以及对其中的挖掘机械的控制方法。
图5是根据本公开一实施例的三方协作***的协作流程示意图。在如图及以下内容，将挖掘机械具体为无人电铲(简称电铲)、将无人矿卡简称为矿卡、将协同作业平台简称为平台。如图5所示，该作业流程包括以下步骤：
1)建立三方协作***中的通信连接，如电铲与平台建立通信连接，矿卡与平台建立通信连接。
2)电铲的感知模块感知电铲位姿，并将电铲位姿和运行状态发送至平台；同时，矿卡感知矿卡位姿，并将矿卡位姿和运行状态发送至平台。
无人矿卡能够实现自动行驶，自动调整姿态，与协同作业平台进行通信，收发当前作业指令、状态信息和作业数据等。
3)协同作业平台(以下简称平台)负责协调电铲与矿卡的无人作业规划，人机交互地设定整体作业目标，将电铲与指定矿卡编组进行调度作业，在具备协同条件下确定初始作业位置和作业量，向电铲和矿卡发送协同作业指令，作为电铲和矿卡的通信中枢，协助电铲和矿卡进行数据交互，监控电铲和矿卡的作业状态，监控电铲和矿卡的作业效率和作业安全等。
协同作业平台设定作业目标，指定无人电铲，无人矿卡，设定初始挖掘点，如采用Ptar(Lattar,Lontar，htar)表示，其中，Ptar表示初始挖掘点，Lattar表示初始挖掘点的纬度，Lontar表示初始挖掘点的经度，htar表示初始挖掘点的高程。协同作业平台还设定作业量Ttar，例如采用Ttar表示总作业铲数或总作业时间或总矿物重量，其单位可以为铲数。设置好后，协同作业平台发送开始无人协同作业指令和/或任务数据给电铲和对应的矿卡。
4)电铲收到协同作业指令后确定初始挖掘点，通过感知模块获取周边环境信息，主要是障碍物位置，规划从电铲当前位置到初始挖掘点位置的行驶轨迹，满足电铲运动学，避障和最近距离，并且电铲向初始挖掘点行驶，并发送行进和进入挖掘区状态给平台。电铲确定规划轨迹和采用确定的规划轨迹进行控制的方式在上述内容中已有详细介绍，在此不再赘述。
5)参与当前作业的矿卡收到协同作业指令后，根据初始挖掘点和预设相对位置进入等待命令区，发送等待对铲状态和当前矿卡位姿给平台。
6)平台收到矿卡对铲状态和当前矿卡位姿后发送电铲。在无人电铲移动至初始挖掘点位置的情况下，感知初始挖掘点位置的周围环境信息，利用该周围环境信息建立高程地图；
在高程地图上确定矿卡装载区；
根据矿卡装载区确定对铲位置；
将对铲位置和等待对铲状态的信息发送至协同作业平台，用于供协同作业平台转发至与该无人电铲协同作业的矿卡。
例如，电铲进入初始挖掘区后，通过感知模块获取周边环境信息，对地形建立高程地图，寻找高程上适合进行装载的位置作为矿卡装载区，区域高度不高于电铲当前阈值，如满足公式(4)：
Pload(Lonlaod,Latload，headload)＝Phload+Psideload；…(4)；
其中，Lonload表示矿卡中心对铲经度；
latload表示矿卡中心对铲纬度；
headload表示矿卡中心对铲方向；
Phload表示装载最大高程；
Psideload表示靠近矿卡当前位置的电铲侧方；
之后，无人电铲通过通信模块向平台发送等待对铲状态的信息和对铲位置。通过上述方式，可以实现协同作业平台对无人电铲和无人矿卡构成的工程作业集合的整体控制。
7)平台将从无人电铲接收到的对铲位置发送至矿卡。
8)矿卡向对铲位置驶入装载区，调整姿态，完成对铲后发送等待装载状态和当前位姿给平台。
9)平台收到等待状态状态和矿卡最终位姿后发送电铲，例如将矿卡装载位置和矿卡位姿携带在挖装指令中，向电铲发送挖装指令。
10)电铲从协同作业平台接收矿卡的等待状态及位姿信息；
对矿卡装载区进行三维建模，利用三维建模得到的三维模型和矿卡的位姿信息，确定无人电铲的铲斗末端行程轨迹点；其中铲斗末端行程轨迹点包括无人电铲在挖掘过程中的铲斗末端行程轨迹点和/或无人电铲在装载过程中的铲斗末端行程轨迹点。通过这一过程实现了对无人电铲挖掘过程的铲斗的控制。
例如，电铲通过感知模块对挖掘区域进行三维建模，对卡车位姿进行精准估计。建立网格映射(gridmap)，使用轨迹优化技术生成挖掘过程铲斗末端行程轨迹点和装载过程铲斗末端行程轨迹点。铲斗末端行程轨迹点满足Trajdigdump＝Trajsrc+Trajsmooth+Trajcrash；其中，Trajdigdump表示铲斗末端行程轨迹，Trajsrc表示根据机器学***滑函数，Trajcrash表示碰撞函数。电铲的控制模块根据铲斗末端行程轨迹点驱动电铲进行挖掘装车作业。电铲向平台发送挖掘装车状态信号。
11)对无人电铲的控制方法还可以包括：利用无人电铲的铲斗末端行程轨迹点控制无人电铲进行挖掘，并将挖掘到的矿物装载至矿卡；
在挖掘过程中，感知矿卡是否装满；
在感知到矿卡已装满的情况下，向协同作业平台发送装满状态信息和/或本次装载数量。
例如，电铲感知模块对卡车中的矿物进行满载估计，判断当前矿卡是否装满，装满后停止挖掘，等待新的对铲完成信号，并向平台发送本次装载铲数和装满状态信号。通过由无人电铲自动感知矿卡的满载情况，并向协同作业平台上报感知到的满载情况，能够辅助协同作业平台完成对电铲和对应矿卡组成的作业***的整体控制。
12)平台收到装满信号后，向矿卡发送运输指令。
13)矿卡收到运输指令后驶出装置区，以将矿物送出装载区。
14)平台判断当前的挖掘任务是否完成，如果尚未完成，电铲基于感知模块的3D建图结果寻找新的合适挖掘点，并给定新的对铲位置，发送平台。之后返回执行上述步骤7)，即平台向等待进入装载区的矿卡发送对铲位置和对铲指令，循环进行常规矿区生产作业。如果已完成任任务，即达到作业量Ttar，则平台向电铲和矿卡发送停止协同作业指令，电铲、矿卡复位。
由上述实施例可见，本公开实施例提出的挖掘机械的控制方法可以应用于露天矿区的三方协作***，该三方协作***包括挖掘机械、协同作业平台和无人矿卡。其中挖掘机械接收来自协同作业平台的指令和相关数据，并利用该相关数据进行挖掘机械的自动轨迹规划、挖掘机械的自动控制、自动挖掘和/或对矿卡的满载估计等相关操作，相比相关技术中由人工远程控制挖掘机械的方式，本公开实施例实现了对挖掘机械的全自动控制。
本公开实施例提出一种挖掘机械，图6是根据本公开一实施例的挖掘机械的结构示意图，包括：
通信模块610，用于接收初始挖掘点位置；
感知模块620，用于感知挖掘机械的当前位置和周边环境信息，周边环境信息包括挖掘机械感知范围内的障碍物位置；障碍物位置包括静态障碍物位置和动态障碍物位置中的至少一项；
规划模块630，用于确定初始挖掘点位置和当前位置构成的直线路径，在直线路径与障碍物位置发生冲突的情况下，将障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；利用初始挖掘点位置、当前位置和轨迹中继位置，确定挖掘机械的规划轨迹。
在一些实施方式中，挖掘机械包括以上任一方面的特点，图7是根据本公开另一实施例的挖掘机械的结构示意图，还包括：
控制模块710，用于利用规划轨迹、挖掘机械的当前位置及运动数据，确定对挖掘机械的控制指令；
其中，挖掘机械的当前位置及运动数据包括挖掘机械的当前位置、当前方向、左右履带速度、履带间距、目标速度中的至少一项。
在一些实施方式中，挖掘机械的控制指令中包括挖掘机械的速度方向和目标转角中的至少一项；
控制模块710用于执行以下至少一项：
利用挖掘机械的左右履带速度、履带间距以及预先设定的更新步长时间，确定挖掘机械的速度方向；
利用规划轨迹的方向与挖掘机械的当前方向，确定角度偏差；利用规划轨迹的位置与挖掘机械的当前位置，确定距离偏差；利用角度偏差、距离偏差以及预先设定的角度偏差系数和距离偏差系数，确定挖掘机械的目标转角。
在一些实施方式中，控制模块710还用于，按照挖掘机械的规划轨迹，控制挖掘机械向初始挖掘点位置移动；
感知模块620还用于，在挖掘机械的移动过程中，实时获取挖掘机械的周边环境信息，周边环境信息包括挖掘机械感知范围内的障碍物位置；
控制模块710还用于，在挖掘机械的运行前方存在动态障碍物的情况下，确定挖掘机械的碰撞距离，并确定挖掘机械的当前位置与动态障碍物的障碍物位置之间的第一距离；根据碰撞距离及第一距离，对挖掘机械的履带加速度进行调整。
在一些实施方式中，规划模块630还用于，在挖掘机械的运行前方存在静态障碍物的情况下，将静态障碍物的障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；
利用初始挖掘点位置、挖掘机械的当前位置和轨迹中继位置，重新确定挖掘机械的规划轨迹。
在一些实施方式中，通信模块610，用于从协同作业平台接收协同作业指令；读取协同作业指令，从协同作业指令中获取初始挖掘点位置；其中，初始挖掘点位置包括初始挖掘点的经度、初始挖掘点的纬度和初始挖掘点的高程中的至少一项。
在一些实施方式中，感知模块620还用于，在挖掘机械移动至初始挖掘点位置的情况下，感知初始挖掘点位置的周围环境信息，利用周围环境信息建立高程地图；
规划模块630还用于，在高程地图上确定矿卡装载区；根据矿卡装载区确定对铲位置；
通信模块610还用于，将对铲位置和等待对铲状态的信息发送至协同作业平台，用于供协同作业平台转发至与挖掘机械协同作业的矿卡。
在一些实施方式中，通信模块610还用于，从协同作业平台接收矿卡的等待状态及位姿信息；
规划模块630还用于，对矿卡装载区进行三维建模，利用三维建模得到的三维模型和矿卡的位姿信息，确定挖掘机械的铲斗末端行程轨迹点；铲斗末端行程轨迹点包括挖掘机械在挖掘过程中的铲斗末端行程轨迹点和/或挖掘机械在装载过程中的铲斗末端行程轨迹点。
在一些实施方式中，控制模块710还用于，利用挖掘机械的铲斗末端行程轨迹点控制挖掘机械进行挖掘，并将挖掘到的矿物装载至矿卡；
感知模块620还用于，在挖掘过程中，感知矿卡是否装满；
通信模块610还用于，在感知到矿卡已装满的情况下，向协同作业平台发送装满状态信息和/或本次装载数量。
本公开实施例还公开了一种露天矿区的无人作业***，包括：
图6或图7所示的挖掘机械；
无人矿卡；以及，
用于协调该挖掘机械和该无人矿卡的协同作业平台。
本公开的技术方案中，所涉及的用户个人信息的获取，存储和应用等，均符合相关法律法规的规定，且不违背公序良俗。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
图8示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备800的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
如图8所示，设备800包括计算单元801，其可以根据存储在只读存储器(ROM)802中的计算机程序或者从存储单元808加载到随机访问存储器(RAM)803中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 803中，还可存储设备800操作所需的各种程序和数据。计算单元801、ROM 802以及RAM 803通过总线804彼此相连。输入/输出(I/O)接口805也连接至总线804。
设备800中的多个部件连接至I/O接口805，包括：输入单元806，例如键盘、鼠标等；输出单元807，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元808，例如磁盘、光盘等；以及通信单元809，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元809允许设备800通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
计算单元801可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元801的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元801执行上文所描述的各个方法和处理，例如挖掘机械的控制方法。例如，在一些实施例中，挖掘机械的控制方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元808。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 802和/或通信单元809而被载入和/或安装到设备800上。当计算机程序加载到RAM 803并由计算单元801执行时，可以执行上文描述的挖掘机械的控制方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元801可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行挖掘机械的控制方法。
本文中以上描述的***和技术的各种实施方式可以在数字电子电路***、集成电路***、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上***的***(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程***上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储***、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储***、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行***、装置或设备使用或与指令执行***、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体***、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的***和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入、或者触觉输入)来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的***和技术实施在包括后台部件的计算***(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算***(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算***(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的***和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算***中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将***的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)和互联网。
计算机***可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，也可以为分布式***的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (22)

1.一种挖掘机械的控制方法，包括：
确定初始挖掘点位置及挖掘机械的当前位置；
确定所述初始挖掘点位置和所述当前位置构成的直线路径；
获取所述挖掘机械的周边环境信息，所述周边环境信息包括所述挖掘机械感知范围内的障碍物位置；所述障碍物位置包括静态障碍物位置和动态障碍物位置中的至少一项；
在所述直线路径与所述障碍物位置发生冲突的情况下，将所述障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；
利用所述初始挖掘点位置、所述当前位置和所述轨迹中继位置，确定所述挖掘机械的规划轨迹。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
利用所述规划轨迹、所述挖掘机械的当前位置及运动数据，确定对所述挖掘机械的控制指令；
其中，所述挖掘机械的当前位置及运动数据包括所述挖掘机械的当前位置、当前方向、左右履带速度、履带间距、目标速度中的至少一项。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述挖掘机械的控制指令中包括所述挖掘机械的速度方向和目标转角中的至少一项；
所述利用所述规划轨迹、所述挖掘机械的当前位置及运动数据，确定对所述挖掘机械的控制指令包括以下至少一项：
利用所述挖掘机械的左右履带速度、履带间距以及预先设定的更新步长时间，确定所述挖掘机械的速度方向；
利用所述规划轨迹的方向与所述挖掘机械的当前方向，确定角度偏差；利用所述规划轨迹的位置与所述挖掘机械的当前位置，确定距离偏差；利用所述角度偏差、所述距离偏差以及预先设定的角度偏差系数和距离偏差系数，确定所述挖掘机械的目标转角。
4.根据权利要求1至3中任一所述的方法，还包括：
按照所述挖掘机械的规划轨迹，控制所述挖掘机械向所述初始挖掘点位置移动；
在所述挖掘机械的移动过程中，实时获取所述挖掘机械的周边环境信息，所述周边环境信息包括所述挖掘机械感知范围内的障碍物位置；
在所述挖掘机械的运行前方存在动态障碍物的情况下，确定所述挖掘机械的碰撞距离，并确定所述挖掘机械的当前位置与所述动态障碍物的障碍物位置之间的第一距离；
根据所述碰撞距离及所述第一距离，对所述挖掘机械的履带加速度进行调整。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
在所述挖掘机械的运行前方存在静态障碍物的情况下，将所述静态障碍物的障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；
利用所述初始挖掘点位置、所述挖掘机械的当前位置和所述轨迹中继位置，重新确定所述挖掘机械的规划轨迹。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述确定初始挖掘点位置包括：
从协同作业平台接收协同作业指令；
读取所述协同作业指令，从所述协同作业指令中获取所述初始挖掘点位置；其中，所述初始挖掘点位置包括初始挖掘点的经度、所述初始挖掘点的纬度和所述初始挖掘点的高程中的至少一项。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
在所述挖掘机械移动至所述初始挖掘点位置的情况下，感知所述初始挖掘点位置的周围环境信息，利用所述周围环境信息建立高程地图；
在所述高程地图上确定矿卡装载区；
根据所述矿卡装载区确定对铲位置；
将所述对铲位置和等待对铲状态的信息发送至所述协同作业平台，用于供所述协同作业平台转发至与所述挖掘机械协同作业的矿卡。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
从所述协同作业平台接收所述矿卡的等待状态及位姿信息；
对所述矿卡装载区进行三维建模，利用三维建模得到的三维模型和所述矿卡的位姿信息，确定所述挖掘机械的铲斗末端行程轨迹点；所述铲斗末端行程轨迹点包括所述挖掘机械在挖掘过程中的铲斗末端行程轨迹点和/或所述挖掘机械在装载过程中的铲斗末端行程轨迹点。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
利用所述挖掘机械的铲斗末端行程轨迹点控制所述挖掘机械进行挖掘，并将挖掘到的矿物装载至所述矿卡；
在挖掘过程中，感知所述矿卡是否装满；
在感知到所述矿卡已装满的情况下，向所述协同作业平台发送装满状态信息和/或本次装载数量。
10.一种挖掘机械，包括：
通信模块，用于接收初始挖掘点位置；
感知模块，用于感知所述挖掘机械的当前位置和周边环境信息，所述周边环境信息包括所述挖掘机械感知范围内的障碍物位置；所述障碍物位置包括静态障碍物位置和动态障碍物位置中的至少一项；
规划模块，用于确定所述初始挖掘点位置和所述当前位置构成的直线路径，在所述直线路径与所述障碍物位置发生冲突的情况下，将所述障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；利用所述初始挖掘点位置、所述当前位置和所述轨迹中继位置，确定所述挖掘机械的规划轨迹。
11.根据权利要求10所述的挖掘机械，还包括：
控制模块，用于利用所述规划轨迹、所述挖掘机械的当前位置及运动数据，确定对所述挖掘机械的控制指令；
其中，所述挖掘机械的当前位置及运动数据包括所述挖掘机械的当前位置、当前方向、左右履带速度、履带间距、目标速度中的至少一项。
12.根据权利要求11所述的挖掘机械，其中，所述挖掘机械的控制指令中包括所述挖掘机械的速度方向和目标转角中的至少一项；
所述控制模块用于执行以下至少一项：
利用所述挖掘机械的左右履带速度、履带间距以及预先设定的更新步长时间，确定所述挖掘机械的速度方向；
利用所述规划轨迹的方向与所述挖掘机械的当前方向，确定角度偏差；利用所述规划轨迹的位置与所述挖掘机械的当前位置，确定距离偏差；利用所述角度偏差、所述距离偏差以及预先设定的角度偏差系数和距离偏差系数，确定所述挖掘机械的目标转角。
13.根据权利要求10至12中任一所述的挖掘机械，其中，所述控制模块还用于，按照所述挖掘机械的规划轨迹，控制所述挖掘机械向所述初始挖掘点位置移动；
所述感知模块还用于，在所述挖掘机械的移动过程中，实时获取所述挖掘机械的周边环境信息，所述周边环境信息包括所述挖掘机械感知范围内的障碍物位置；
所述控制模块还用于，在所述挖掘机械的运行前方存在动态障碍物的情况下，确定所述挖掘机械的碰撞距离，并确定所述挖掘机械的当前位置与所述动态障碍物的障碍物位置之间的第一距离；根据所述碰撞距离及所述第一距离，对所述挖掘机械的履带加速度进行调整。
14.根据权利要求13所述的挖掘机械，其中，
所述规划模块还用于，在所述挖掘机械的运行前方存在静态障碍物的情况下，将所述静态障碍物的障碍物位置的侧向安全距离位置作为轨迹中继位置；
利用所述初始挖掘点位置、所述挖掘机械的当前位置和所述轨迹中继位置，重新确定所述挖掘机械的规划轨迹。
15.根据权利要求13或14所述的挖掘机械，其中，所述通信模块，用于从协同作业平台接收协同作业指令；读取所述协同作业指令，从所述协同作业指令中获取所述初始挖掘点位置；其中，所述初始挖掘点位置包括初始挖掘点的经度、所述初始挖掘点的纬度和所述初始挖掘点的高程中的至少一项。
16.根据权利要求15所述的挖掘机械，其中，
所述感知模块还用于，在所述挖掘机械移动至所述初始挖掘点位置的情况下，感知所述初始挖掘点位置的周围环境信息，利用所述周围环境信息建立高程地图；
所述规划模块还用于，在所述高程地图上确定矿卡装载区；根据所述矿卡装载区确定对铲位置；
所述通信模块还用于，将所述对铲位置和等待对铲状态的信息发送至所述协同作业平台，用于供所述协同作业平台转发至与所述挖掘机械协同作业的矿卡。
17.根据权利要求16所述的挖掘机械，其中，
所述通信模块还用于，从所述协同作业平台接收所述矿卡的等待状态及位姿信息；
所述规划模块还用于，对所述矿卡装载区进行三维建模，利用三维建模得到的三维模型和所述矿卡的位姿信息，确定所述挖掘机械的铲斗末端行程轨迹点；所述铲斗末端行程轨迹点包括所述挖掘机械在挖掘过程中的铲斗末端行程轨迹点和/或所述挖掘机械在装载过程中的铲斗末端行程轨迹点。
18.根据权利要求17所述的挖掘机械，其中，
所述控制模块还用于，利用所述挖掘机械的铲斗末端行程轨迹点控制所述挖掘机械进行挖掘，并将挖掘到的矿物装载至所述矿卡；
所述感知模块还用于，在挖掘过程中，感知所述矿卡是否装满；
所述通信模块还用于，在感知到所述矿卡已装满的情况下，向所述协同作业平台发送装满状态信息和/或本次装载数量。
19.一种露天矿区的无人作业***，包括：
如权利要求10至18中任一所述的挖掘机械；
无人矿卡；以及，
用于协调所述挖掘机械和所述无人矿卡的协同作业平台。
20.一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-9中任一项所述的方法。
21.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法。
22.一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现根据权利要求1-9中任一项所述的方法。
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