基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法

本发明公开基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，属于非电变量的控制或调节系统。

背景技术：

1、在挖掘机械施工过程中，特别是在隧道挖掘、马路边开挖沟槽、整机正常回转、周边有架空电线、房屋树木等复杂工况下，很容易因为视野范围受限或机手操作失误等多种原因，意外造成自来水管道、燃气管道、电缆管道、架空高压线以及周边固定设施的严重损坏，甚至还可能出现人员伤亡等严重事故。现有技术多采用人工在挖掘机一边观察提醒，或者在车上增加摄像头和雷达进行观测，但是人工处理依然存在触碰障碍物的风险，因此，基于关键点预测算法，提出在限定区域内的挖掘机安全操作控制方法，在施工安全方面有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，以解决现有技术中，挖掘机容易触碰障碍物的问题。

2、基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，包括在挖掘机上设置关键点、坐标系和传感器，计算各关键点的x坐标，进行挖掘机行驶区域划分，当最靠近障碍面的关键点进入缓冲区后，计算扩展人工势场法限制指令，控制挖掘机不行驶至禁止区。

3、设置关键点包括，机身和动臂的连接处为o点，动臂和斗臂的连接处为e点，铲斗油缸和斗臂的连接处为f点，铲斗油缸和摇杆以及连杆的连接处为i点，摇杆和斗臂的连接处为g点，连杆和铲斗的连接处为j点，铲斗和斗臂的连接处为h点，铲斗齿尖处为l点；

4、斗臂油缸和斗臂的连接处为d点，斗臂油缸和动臂的连接处为c点，x轴和铲斗的重合点中x轴坐标值最大的点为k点，动臂油缸和机身连接处为a点，a点沿y轴正方向和动臂的重合点中y轴坐标值最大的点为b点。

5、设置坐标系包括，以o点为原点建立坐标系，以水平方向为x轴，竖直方向为y轴，以铲斗方向为x轴正向，向上为y轴正向。

6、设置传感器包括，第一传感器设在挖掘机机身上，第一传感器与挖掘机车身底盘平行，采集挖掘机回转角度，第二传感器与oe连线平行，采集动臂角度，第三传感器与eh连线平行，采集斗臂角度，第四传感器与gi连线平行，采集铲斗角度。

7、计算各关键点的x坐标包括：

8、；

9、；

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15、；

16、；

17、式中，表示点的x坐标，表示点和点之间的连线长度，点是关键点中的任意一点，∈{o、e、f、i、g、j、h、l、d、c、k、a、b}，点和点的取值范围与点的取值范围相同，≠，、、、分别是四个传感器的角度测量值，是铲斗传感器在惯性坐标系下的角度。

18、进行挖掘机行驶区域划分包括，确定现场障碍物坐标信息，将挖掘机执行机构运动的区域分为安全区，缓冲区和禁止区。

19、安全区即执行机构自由运动的区域，设定标准是执行机构最靠近障碍物的点与障碍物最靠近挖掘机的点的连线距离大于300mm；

20、缓冲区即执行机构向障碍物方向减速的区域，设定标准是执行机构最靠近障碍物的点与障碍物最靠近挖掘机的点的连线距离在50~300mm区间内；

21、禁止区即执行机构禁止向障碍物方向运动的区域，设定标准是执行机构最靠近障碍物的点与障碍物最靠近挖掘机的点的连线距离小于50mm；

22、允许执行机构在缓冲区停止，但不允许超出限定区域。

23、计算扩展人工势场法限制指令包括，结合人工势场算法和速度势场法，引入最靠近障碍面的关键点在垂直障碍面方向的速度分量、所在连杆的角度信息和与障碍面的距离信息，将人工势场法进行扩展，计算扩展人工势场法限制指令：

24、；；；

25、式中，是扩展人工势场系数，是关键点的线速度，表示第个传感器的测量值，是关键点标号，为第个传感器对应的挖掘机的臂的角速度，当检测到是指向障碍面方向时进行取值，反之取0，为第个传感器对应的挖掘机的臂上第个关键点到坐标系原点的距离，是最靠近障碍面的关键点与障碍面的距离，是障碍物坐标信息，是设置的缓冲区距离，是最靠近障碍面的关键点的坐标，是最靠近障碍面的关键点的坐标，是基本人工势场系数。

26、，时对应第二传感器和动臂，时对应第三传感器和斗臂，时对应第四传感器和铲斗；

27、，分别对应b、c、d、f、h、i、j、k、l。

28、将扩展人工势场法限制指令发送距离障碍物最近的关键点前个臂，判断是否限制前个臂进行挖掘动作或是卸料动作。

29、相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：扩展人工势场法使得末端执行器控制系统能够更精确地对动态和静态障碍物做出反应。当末端执行器靠近障碍物时，位置斥力增大，迫使末端执行器改变路径以避开障碍物；而当末端执行器以较高的速度接近障碍物时，速度斥力同样增大，促使末端执行器及时减速，以确保安全。通过这种复合斥力场的作用，末端执行器能够在复杂环境中实现平滑且安全的轨迹控制。当工作装置进入排斥扩展人工势场的范围时，由于排斥速度变量的突然引入，可能会导致工作装置所受合速度发生剧烈变化，这种突变可能会给工作装置带来不必要的冲击，影响其稳定性和精确性。为了缓和这种冲击，本控制方法设计了安全区、缓冲区和禁止区，使得排斥速度能够平滑地融入工作装置的运动中，避免产生过大的减速度，确保工作装置的平稳运作。

技术特征：

1.基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，其特征在于，包括在挖掘机上设置关键点、坐标系和传感器，计算各关键点的x坐标，进行挖掘机行驶区域划分，当最靠近障碍面的关键点进入缓冲区后，计算扩展人工势场法限制指令，控制挖掘机不行驶至禁止区。

2.根据权利要求1所述的基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，其特征在于，设置关键点包括，机身和动臂的连接处为o点，动臂和斗臂的连接处为e点，铲斗油缸和斗臂的连接处为f点，铲斗油缸和摇杆以及连杆的连接处为i点，摇杆和斗臂的连接处为g点，连杆和铲斗的连接处为j点，铲斗和斗臂的连接处为h点，铲斗齿尖处为l点；

3.根据权利要求2所述的基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，其特征在于，设置坐标系包括，以o点为原点建立坐标系，以水平方向为x轴，竖直方向为y轴，以铲斗方向为x轴正向，向上为y轴正向。

4.根据权利要求3所述的基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，其特征在于，设置传感器包括，第一传感器设在挖掘机机身上，第一传感器与挖掘机车身底盘平行，采集挖掘机回转角度，第二传感器与oe连线平行，采集动臂角度，第三传感器与eh连线平行，采集斗臂角度，第四传感器与gi连线平行，采集铲斗角度。

5.根据权利要求4所述的基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，其特征在于，计算各关键点的x坐标包括：

6.根据权利要求5所述的基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，其特征在于，进行挖掘机行驶区域划分包括，确定现场障碍物坐标信息，将挖掘机执行机构运动的区域分为安全区，缓冲区和禁止区。

7.根据权利要求6所述的基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，其特征在于，安全区即执行机构自由运动的区域，设定标准是执行机构最靠近障碍物的点与障碍物最靠近挖掘机的点的连线距离大于300mm；

8.根据权利要求7所述的基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，其特征在于，计算扩展人工势场法限制指令包括，结合人工势场算法和速度势场法，引入最靠近障碍面的关键点在垂直障碍面方向的速度分量、所在连杆的角度信息和与障碍面的距离信息，将人工势场法进行扩展，计算扩展人工势场法限制指令：

9.根据权利要求8所述的基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，其特征在于，，时对应第二传感器和动臂，时对应第三传感器和斗臂，时对应第四传感器和铲斗；

10.根据权利要求9所述的基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，其特征在于，将扩展人工势场法限制指令发送距离障碍物最近的关键点前个臂，判断是否限制前个臂进行挖掘动作或是卸料动作。

技术总结本发明公开基于扩展人工势场的挖掘机行驶控制方法，属于非电变量的控制或调节系统技术领域，用于控制挖掘机行驶，包括在挖掘机上设置关键点、坐标系和传感器，计算各关键点的X坐标，进行挖掘机行驶区域划分，当最靠近障碍面的关键点进入缓冲区后，计算扩展人工势场法限制指令，控制挖掘机不行驶至禁止区。本发明扩展人工势场法使得末端执行器控制系统能够更精确地对动态和静态障碍物做出反应。设计了安全区、缓冲区和禁止区，使得排斥速度能够平滑地融入工作装置的运动中，避免产生过大的减速度，确保工作装置的平稳运作。技术研发人员：王胜利,郑嘉琪,王宗省,张方震,徐凯旋,杨钰琳受保护的技术使用者：山东科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13