CN116464119B - 一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，首先通过双目相机对所要挖掘的料堆形貌特征进行三维重现；选取函数y_w＝f_w(x,t)作为矿用电铲的一次挖掘轨迹；借助计算公式监测铲斗内挖掘物料的实时体积；当监测到铲斗前方存在大块煤岩时，记录当前铲斗齿尖位置和挖掘物料体积V₁，并结合相机所获挖掘作业实际情况，选取相应的路径规划方案来规避铲斗挖掘前方大块煤岩；再次通过双目相机获取当前料堆面函数y_L2＝f_L2(x,t)；计算矿用电铲铲斗剩余可挖掘物料体积V₂，并作为二次挖掘的目标函数；将规避路径的结束点作为二次挖掘的起始点，重新规划挖掘轨迹继续挖掘从而完成整个挖掘作业。本发明可有效保证铲斗的满斗率和矿用电铲的能量利用效率。

Description

一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法

技术领域

本发明涉及矿山机械技术领域，具体涉及一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法。

背景技术

为推进露天电铲作业智能化与无人化，保证单个挖掘作业过程中铲斗的挖掘物料满斗率和矿用电铲的能量利用效率是不可或缺的。在实际生产中，因为挖掘料堆中存在大块物料如煤岩等，在挖掘过程中铲斗可能会遇到这些大块煤岩，这致使铲斗在规避煤岩后的再挖掘轨迹会偏离原有规划的挖掘轨迹，出现“浅挖”或“深挖”等现象，出现无法保证铲斗的满斗率和矿用电铲的能量利用效率的问题。因此亟待发明一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，以解决现有技术中出现的挖掘轨迹偏离问题。

为实现上述目的，本发明的一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，包括如下步骤：

步骤S1、在矿用电铲的关节处和双目相机的中心处分别以O₀、O₁、O₂、O₃为原点建立空间坐标系，通过D-H法得到矿用电铲工作装置运动学正解；其中O₀是关节0为坐标系原点，O₁是关节1坐标系原点，O₂是关节2坐标系原点，O₃是关节3坐标系原点；

步骤S2、通过安装在矿用电铲上的双目相机，对所要挖掘的料堆形貌特征进行三维重现；

步骤S3、通过Matlab中料堆的立体模型，选取合适的挖掘始末位置以及获得挖掘 过程所经过的料堆面函数；t为时间；

步骤S4、选取函数作为矿用电铲的一次挖掘轨迹，借助电铲运动学正 解和几何关系得到斗杆伸长量d与倾角θ的期望轨迹；

步骤S5、令d_t为矿用电铲铲斗动态挖掘深度，则，

故铲斗内挖掘物料的实时体积；其中，表示根 据料堆形貌选取的一次挖掘起始点的横坐标，表示根据料堆形貌选取的一次挖掘终止 点的横坐标；

步骤S6、当通过在传动部安装的力传感器监测到铲斗前方存在大块煤岩时，记录 当前铲斗齿尖位置和铲斗内挖掘物料体积V₁并停止挖掘工作；

步骤S7、结合相机所获挖掘作业实际情况，选取相应的路径规划方案来规避铲斗 挖掘前方大块煤岩；所述规划方案为：先将铲斗齿尖水平向后移动距离S，然后竖直向下移 动距离H，最后再水平向前移动距离S到一次挖掘停止点的正下方点处；

步骤S8、再次通过双目相机获取当前料堆面函数；

步骤S9、计算矿用电铲铲斗剩余可挖掘物料体积V₂，并作为二次挖掘的目标函数；

步骤S10、将规避路径的结束点作为二次挖掘的起始点，重新规划挖掘轨迹继续挖掘从而完成整个挖掘作业。

进一步地，所述以矿用电铲的关节处和双目相机的中心处为原点的空间坐标系，其中，X₀、Y₀、X₁、Z₁、X₂、Z₂、X₃、Y₃在同一平面上，Z₀、Y₁、Y₂、Z₃与此平面垂直。X₀、X₃坐标轴方向水平向右，Y₀、Y₃坐标轴方向竖直向上，X₁坐标轴与X2坐标轴相平行，方向沿电铲动臂，Z₁坐标轴与Z₂坐标轴相平行，方向沿电铲斗杆。

进一步地，所述料堆面函数是通过将分布在铲斗宽度方向中间截面上 的料堆点云坐标利用最小二乘法拟合而成的曲线函数。

进一步地，所述矿用电铲一次挖掘轨迹可以选取为对数螺旋线。

进一步地，所述铲斗剩余可挖掘物料体积计算方法为V₂=V₀-V₁，其中V₀指矿用电铲铲斗的斗容量。

进一步地，所述二次挖掘的结束点通过联立V2=V0-V₁和二次挖掘铲斗挖掘物料的 体积公式反解得到。

进一步地，所述矿用电铲二次挖掘轨迹选取为对数螺旋线。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过对矿用电铲实现自动精准控制，可有效推进矿用电铲智能化和无人化进程；

（2）本发明借助机器视觉采用非接触式测量矿用电铲铲斗内挖掘物料的体积，在对矿用电铲工作装置各部件运动变化不产生影响条件下，能够快速地实现矿用电铲铲斗内挖掘物料体积实时计算；

（3）本发明将铲斗内剩余可挖掘物料作为目标函数，使规划后的再挖掘作业杜绝“浅挖”或“深挖”等现象，既保证了铲斗的满斗率，也保证了矿用电铲的能量利用效率。

附图说明

图1为本发明的矿用电铲自动作业控制方法流程图；

图2为本发明的矿用电铲空间坐标系示意图；

图3为本发明的极径ρ、极角φ与伸长量d、倾角θ平面几何关系图；

图4为本发明的铲斗内挖掘物料的实时体积求解原理示意图；

图5为本发明的矿用电铲规避煤岩后的再挖掘轨迹优化示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，为了后续便于自动作业控制方法的规划，需要将料堆面函数和挖掘轨迹处于同一坐标系下以及求解出矿用电铲工作装置的运动学正解。为此建立如图2所示，以矿用电铲的关节处和双目相机的中心处为原点的空间坐标系，X₀、Y₀、X₁、Z₁、X₂、Z₂、X₃、Y₃在同一平面上，Z₀、Y₁、Y₂、Z₃与此平面垂直。X₀、X₃坐标轴方向水平向右，Y₀、Y₃坐标轴方向竖直向上，X₁坐标轴与X2坐标轴相平行，方向沿电铲动臂，Z₁坐标轴与Z₂坐标轴相平行，方向沿电铲斗杆。设θ为电铲绕着Z₀坐标轴从X₀坐标轴转到X₁坐标轴的角度，L₁为关节0坐标系原点O₀与关节1坐标系原点O_l之间沿着X₁坐标轴的距离，d为关节1坐标系原点O₁与关节2坐标系原点O₂之间沿着Z₂坐标轴的距离，L₂为关节1坐标系原点O₁与关节2坐标系原点O₂之间沿着Z₂坐标轴的距离，L₃为关节0坐标系原点O₀与双目相机坐标系原点O₃之间沿着X₃坐标轴的距离。

将坐标系进行一次转换后，求解出相应的变换矩阵，即由双目相机坐标系原点O₃到关节0坐标系原点O₀的位姿变换，从而实现将料堆面点云和挖掘轨迹放在同一坐标系下的目的。根据所建坐标系得到如下图表1所示的D-H参数表，

表1

将以O₀为坐标原点的坐标系经两次转换变到以O₂为坐标原点的坐标系从而得到由 鞍座到铲斗齿尖的位姿变换矩阵T，则矿用电铲工作装置的运动学正解为，其中鞍座位于电铲的推压轴中心，作用是防止斗杆摆动保证斗 杆沿固定方向移动。P _x和P_y是铲斗齿尖的平面坐标。

使用Visual Studio调用相机拍摄挖掘料堆图像，然后执行图像矫正、特征提取、 立体匹配、空洞填补、深度转化得到挖掘料堆的txt点云数据文件。将前面得到的挖掘料堆 的txt点云数据文件导入到Matlab中，并以立体图的形式呈现出来。工作人员可以根据挖掘 料堆的当前形貌选取合适的挖掘起始点和终止点。同时筛选出分布在铲斗宽 度方向中间截面上的点云坐标，并导出这些点云坐标。在剔除数值异常的点之后，设定要求 拟合的曲线的类型和需要拟合的参数个数，利用最小二乘法开始拟合挖掘料堆面函数。这里优选拟合函数类型为一次函数:。作一次坐标系转换将料堆面函 数从以O₃为坐标原点的坐标系转换到以O₀为坐标原点的坐标系。此时料堆面函数为。

选取某函数作为矿用电铲的一次挖掘轨迹，这里优选对数螺旋线，式中ρ₀为斗杆初始伸长量、δ为切削角。化为基坐标系下的挖掘轨迹函数为。为了使电铲挖掘作业时，挖掘轨迹平滑无速度突变，平稳停止，需满足、 ，式中分别 为铲斗齿尖角位移、角速度、角加速度、挖掘初始角度、终止角度、结束时间。根据矿用电铲 实现平稳挖掘需要满足的条件，选用5次多项式对矿用电铲铲斗的齿尖转角即极角φ进行 插值拟合，得到极角φ关于时间t的函数关系式：。

根据前面求得的矿用电铲工作装置的运动学正解以及依据图3所示的几何关系， 得到ρ、φ关于p_x、p_y表达式，继而得到极径ρ和极角φ与伸长量d和倾角θ 的关系式：，由此可以得到斗杆伸长量d关于时间t的函数和倾角θ 关于时间t的函数。根据斗杆伸长量d与倾角θ的期望轨迹向变频交流电机发送指令，电 机驱动矿用电铲的执行机构进行挖掘工作。

同时铲斗内已挖掘物料体积测量***开始工作，其工作原理如图3和图4所示。因 为在整个挖掘过程中的任一时刻下，料堆面函数的X轴坐标与挖掘轨迹函数的X轴坐标相 同，即料堆面函数的X轴坐标可表示为，故根据公式，可求得矿用电铲铲斗动态挖掘深度d_t， 再借助不定积分原理求解得到挖掘物料的实时体积公式：，其中：表示根据料堆形 貌选取的一次挖掘起始点的横坐标，表示根据料堆形貌选取的一次挖掘终止点的横坐 标。

实现对挖掘工作过程中铲斗内挖掘物料进行快速地实时测量，并将数值发送到人机交互界面。

在挖掘过程中，通过安装在铲斗与提升绳末端的连接处及推压电机与同步带轮之 间的力传感器，我们可以得到实时挖掘阻力。监测力传感器读数的波动上限是否超过规定 的阈值。当传感器读数陡然增加并超过规定的阈值时，表明矿用电铲铲斗齿尖接触到大块 煤岩。在记录当前的铲斗齿尖坐标和铲斗内挖掘物料体积V₁后，电铲停止挖掘工作， 开始执行大块煤岩规避指令。

这里以规避路径指令执行一次为具体实施案例，具体操作如图5所示：先将铲斗齿 尖水平向后移动距离S，然后竖直向下移动距离H，最后再水平向前移动距离S到一次挖掘停 止点的正下方点处。同一时刻监测力传感器的读数没有超过阈值，表明成 功规避大块煤岩。

接着以规避路径的结束点为二次挖掘的起始点，选取对数螺旋线为挖掘轨迹。化为基坐标系下为。利用双目相机获取此时料堆 面函数，化为基坐标系下为；因为在二次挖掘的任一 时刻下，料堆面函数的X轴坐标与挖掘轨迹函数相同，即料堆面函数的X轴坐标可表示为，故根据公式，可求 得矿用电铲铲斗动态挖掘深度dt，再借助不定积分原理求解得到挖掘物料体积公式 ： 。

同时V₂=V₀-V₁，故可解得二次挖掘的结束点坐标。已知二次挖掘的起始点，通过几何关系表达式，得到两组坐标 ，分 别带入挖掘轨迹函数中得，求解可得二次挖掘轨迹的初始伸长量 和切削角。同上利用矿用电铲工作装置的运动学正解以及图2所示的几何关系，得到斗杆伸 长量与倾角的期望轨迹，驱动变频交流电机工作，从而继续完成整个挖掘作业。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、在矿用电铲的关节处和双目相机的中心处分别以O₀、O₁、O₂、O₃为原点建立空间坐标系，通过D-H法得到矿用电铲工作装置运动学正解；其中O₀是关节0坐标系原点，O₁是关节1坐标系原点，O₂是关节2坐标系原点，O₃是双目相机坐标系原点；

步骤S2、通过安装在矿用电铲上的双目相机，对所要挖掘的料堆形貌特征进行三维重现；

步骤S3、通过Matlab中料堆的立体模型，选取合适的挖掘始末位置以及获得挖掘过程所经过的料堆面函数；t为时间，x为横坐标；

步骤S4、选取函数作为矿用电铲的一次挖掘轨迹，借助电铲运动学正解和几何关系得到斗杆伸长量d与倾角θ的期望轨迹；

步骤S5、令d_t为矿用电铲铲斗动态挖掘深度，则，φ为矿用铲斗的齿尖转角；

故铲斗内挖掘物料的实时体积；其中，/>表示根据料堆形貌选取的一次挖掘起始点的横坐标，/>表示根据料堆形貌选取的一次挖掘终止点的横坐标，ω取决于矿用电铲铲斗宽度；

步骤S6、当通过在传动部安装的力传感器监测到铲斗前方存在大块煤岩时，记录当前铲斗齿尖位置和铲斗内挖掘物料体积V₁，并停止挖掘工作；

步骤S7、结合相机所获挖掘作业实际情况，选取相应的路径规划方案来规避铲斗挖掘前方大块煤岩；所述规划方案为：先将铲斗齿尖水平向后移动距离S，然后竖直向下移动距离H，最后再水平向前移动距离S到一次挖掘停止点的正下方点/>处；

步骤S8、再次通过双目相机获取当前料堆面函数；

步骤S9、计算矿用电铲铲斗剩余可挖掘物料体积V₂，并作为二次挖掘的目标函数；

步骤S10、将规避路径的结束点作为二次挖掘的起始点，重新规划挖掘轨迹继续挖掘从而完成整个挖掘作业。

2.根据权利要求1所述的一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，其特征在于，所述以矿用电铲的关节处和双目相机的中心处为原点的空间坐标系，其中，X₀、Y₀、X₁、Z₁、X₂、Z₂、X₃、Y₃在同一平面上，Z₀、Y₁、Y₂、Z₃与此平面垂直；X₀、X₃坐标轴方向水平向右，Y₀、Y₃坐标轴方向竖直向上，X₁坐标轴与X₂坐标轴相平行，方向沿电铲动臂，Z₁坐标轴与Z₂坐标轴相平行，方向沿电铲斗杆。

3.根据权利要求1所述的一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，其特征在于，所述料堆面函数是通过将分布在铲斗宽度方向中间截面上的料堆点云坐标利用最小二乘法拟合而成的曲线函数。

4.根据权利要求1所述的一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，其特征在于，所述矿用电铲一次挖掘轨迹选取为对数螺旋线。

5.根据权利要求1所述的一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，其特征在于，所述铲斗剩余可挖掘物料体积计算方法为V₂=V₀-V₁，其中V₀指矿用电铲铲斗的斗容量。

6.根据权利要求1所述的一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，其特征在于，所述二次挖掘的结束点可通过联立V₂=V₀-V₁和二次挖掘铲斗挖掘物料的体积公式：

求解得到，其中V₀指矿用电铲铲斗的斗容量。

7.根据权利要求1所述的一种考虑挖掘突变载荷的矿用电铲自动作业控制方法，其特征在于，所述矿用电铲二次挖掘轨迹选取为对数螺旋线。