技术领域
[0001] 本
发明属于建筑
工程机械技术领域，特别涉及一种自主3D挖掘施工机器人。
背景技术
[0002] 我国工程建设机械化已成为一个长期发展趋势，其中挖掘机在土木、
水利、采矿、农林、油田及国防等各类建筑工程中担负繁重土石方作业任务，是施工中不可缺少的关键设备。近年来，随着
微处理器的不断发展，低成本计算机、传感与通讯等技术的实用性的增加，使工程建设自动化技术，特别是挖掘机器人、
推土机器人等变为可能。
[0003] 工程机械自动化技术是一项先进的机械化技术，它可以使一些重要的循环工作变得程序化，从而提高生产率、降低生产成本。但工程建设不同于机械制造业有固定场所进行批量生产，而是在一个开放的户外场所，进行规模庞大但个性化非批量生产。因此，工程建设机械都是可移动或是可重新
定位的系统，要求机动性作为完成工作过程中的必备功能，这不同于大多数
工业机器人。
[0004] 工程建设机器智能化是在工程机械机电液一体化的
基础上，与计算机自动化相结合发展起来的。其目之一是以简化驾驶员操作，提高车辆的动
力性、经济性、作业效率，以及节省
能源为目的；目的之二是提高作业
质量。
[0005] 例如挖掘机上安装数字引导系统，工程人员可远程输入开挖设计边线等指标。在无需现场测量放样的情况下，控制单元实时计算出挖掘机铲斗与设计边线的偏差，并实时显示在
驾驶室和集控室，引导操作手准确完成开挖工作，保证开挖尺寸符合设计要求。
[0006] 建筑工程作业环境具有许多特性，特别是土石方工程。一是施工环境的时变性，工程开始设计3D数字模型，然后施工按照设计模型开展工作，这不同于农业耕作、航空飞行等领域作业环境固定，可以采用事先准备的
电子地图规划导航线路，特别是制定的导航路线可以重复使用。二是作业环境填筑的随机性、不均匀性。工程建设的作业面环境随着工程建设
进程不断变化，导致规划导航线路需要
跟踪建设场地作业面地图，而所需场地工作面地图并不是事先确定的，需要根据施工进度确定。三是挖掘作业的往复性，需要挖土、提升、卸土及倒退几个工序。挖掘机作业需要根据工程建设进度与作业场地不断规划挖土
位置与行驶线路，并且需要实时评估挖掘作业质量。
[0007] 目前，国内外工程建设领域还没有相应的自主挖掘机器人相应技术。
发明内容
[0008] 为了克服上述
现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自主3D挖掘施工机器人，可自主决策、无人驾驶、智能化挖掘作业，不但可提高作业质量，而且作业过程中不需要人为干预，可实现无人驾驶智能化自主作业。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0010] 一种自主3D挖掘施工机器人，包括挖掘机、挖掘机载自主测控装置、远程调度管理装置和卫星定位装置，其特征在于：
[0011] 所述挖掘机载自主测控装置包括卫星定位接收机组6、通讯收发天线4、摄像机对5、动臂升降
传感器7、斗杆
位置传感器8、铲斗
位姿传感器9、防撞雷达1、回转传感器2、集成
控制器3、
发动机调速
驱动器和行驶电磁驱动器；
[0012] 所述远程调度管理装置包括远端收发天线11、调度管理
服务器10以及远程监控摄像机；
[0013] 所述卫星定位装置包括定位导航卫星13、数传电台以及固定的定位基准站 12；
[0014] 所述集成控制器3包括机载计算机3.1、CAN总线3.2、行驶回转控制器3.3、动臂控制器3.4、斗杆控制器3.5、铲斗控制器3.6、
机器视觉计算机3.7、发动机控制器以及故障诊断控制器；
[0015] 其中，所述机载计算机3.1、通讯收发天线4、远端收发天线11以及调度管理服务器10构成全双工模式的场地无线通讯局域网络，用于调度管理服务器10 与各个挖掘机之间命令与状态信息的传送；
[0016] 所述机载计算机3.1和行驶回转控制器3.3、动臂控制器3.4、斗杆控制器 3.5、铲斗控制器3.6、机器视觉计算机3.7、发动机控制器以及故障诊断控制器构成机载CAN总线控制器网络，用于挖掘机自主行驶与作业；
[0017] 所述卫星定位接收机组6、定位导航卫星13、定位基准站12以及调度管理服务器10构成卫星定位网络，用于获取挖掘机当前位姿；
[0018] 所述卫星定位接收机组6接收定位导航卫星13的
信号以及定位基准站12 传递的
相位信号，通过RTK模式实现高
精度定位；
[0019] 所述机载计算机3.1结合工程建设进度和调度管理服务器10发送的作业场地的3D数字模型，适时生成施工作业面数字地图，并基于作业面数字地图自主规划作业区域；
[0020] 所述摄像机对5安装于固定基线位置，与机器视觉计算机3.7构成机器视觉系统，
立体视觉测量环境信息，确定作业场地状况，并与3D设计模型融合，形成AR
增强现实能力，自主确定作业目标与行驶方向，制定导航路线；
[0021] 所述机载计算机3.1根据作业区域、任务要求以及基于AR增强现实视觉测量确定的作业目标，自主规划作业区域内行驶路径、遍历模式。
[0022] 所述多台自主3D挖掘施工机器人互联所述场地无线通讯局域网络、机载 CAN总线控制器网络以及卫星定位网络构成挖掘机器人机群，协同作业。
[0023] 所述机载计算机3.1接收卫星定位接收机组6的位置信息，并利用该位置信息计算挖掘机
姿态信息；依据导航路线和位姿信息，生成行驶回转控制器3.3、动臂控制器3.4、斗杆控制器3.5与铲斗控制器3.6的控制命令，并根据反馈信息实现闭环控制。
[0024] 具体可采用三
角形测量法计算挖掘机器人姿态信息，具体过程是：在至少三个不共线测点位置安装卫星定位接收装置，实时测出测点位置与高程；然后分别计算两两测点之间的相对位置与高差，即可确定出自主3D挖掘施工机器人的位姿。
[0025] 所述机载计算机3.1根据定位信息与机器视觉测量的环境信息，以及3D设计模型生成AR增强现实能力，自主评估挖掘作业质量，自主决策重新挖掘作业范围，以及所需工作量。
[0026] 所述发动机控制器通过CAN总线3.2接收机载计算机3.1发送的控制命令，通过控制发动机调速驱动器来控制
发动机转速，实现发动机恒速；运行过程中，实时比较行驶速度与目标值之间偏差，经PID调整控制行驶
液压马达，实现预期行驶路径；
[0027] 所述行驶回转控制器3.3通过CAN总线3.2接收机载计算机3.1发送的控制命令，通过行驶电磁驱动器驱动电液
阀，再控制行驶液压马达控制挖掘机器人行驶，实现行驶转向自动化；运行过程中，实时比较行驶位置与目标位置之间偏差，经PID调整控制转向；实时检查、判断作业环境信息，自动控制
刹车元件实现停车、作业以及紧急事件处理；
[0028] 所述动臂控制器3.4、斗杆控制器3.5、铲斗控制器3.6通过CAN总线3.2 接收机载计算机3.1发来的控制命令，通过采集动臂升降传感器7、斗杆位置传感器8和铲斗位姿传感器9的当前信息，结合作业场地的3D数字模型，利用 PID方法控制铲刀的电磁
液压阀，驱动液压作动器，控制铲刀的作业位姿，实现铲刀自动找平，实现推土作业的自动化；基于作业场地3D数字设计模型，铲斗控制器3.6能够实现铲斗自动找平，实现挖掘作业的自动化。
[0029] 所述故障诊断控制器接收挖掘机器人状态传感器信息，判断挖掘机器人的健康状况，发出相应控制命令。
[0030] 本发明设定遥控驾驶、自动驾驶和人工驾驶三种作业模式，如遥控驾驶则屏蔽自动驾驶功能；如人工驾驶介入，则屏蔽自动驾驶与遥控驾驶功能；即自动导航驾驶优先级低于遥控驾驶，遥控驾驶优先级低于人工驾驶。机载计算机 3.1接受防撞雷达1的信号，制定倒车运行方案。
[0031] 基于所述装备与网络系统，自主挖掘机器人可以实现以下功能：
[0032] 1、自主挖掘机器人通过无线通讯网络接收作业任务与命令，并向远程调度管理服务器传送机器人运行状态信息。
[0033] 所述的作业任务与命令包括作业区域参数、区域3D数字设计模型、工艺参数，以及挖掘机器人上电、点火、启动、熄火、休眠与唤醒等。
[0034] 所述机器人运行状态信息包括发动机状态、机载传感器状态、控制器状态、作业轨迹、作业质量等。
[0035] 所述区域3D数字设计模型，以按工程建设进度适时进行
人机交互操作生成施工作业面数字地图，构成AR增强现实功能，并基于作业面数字地图规划设计挖掘机导航线路。
[0036] 2、自主挖掘机器人利用机载摄像机对探测作业场地环境，认知并形成需要挖掘作业方位与作业量。
[0037] 所述的机载摄像机对构成双目机器视觉，立体测量挖掘机器人作业场地环境，形成作业场地地表数据模型；与区域3D数字设计模型对比，确定挖掘机作业范围，估算挖土作业量。
[0038] 3、自主规划挖掘机器人行驶路线，保证挖掘机器人可在复杂的作业环境实现更精细化的操作。
[0039] 所述的规划行驶路线是一种计算机
算法，规定挖掘机器人遍历作业范围的方式。
[0040] 4、利用自主挖掘机器人位姿，自主控制行驶轨迹。
[0041] 基于卫星定位系统网络，所述的挖掘机器人能够在线确定位姿，以规划的行驶路线为目标，自主控制挖掘机器人的行驶轨迹，实现自主导航功能。
[0042] 所述的卫星定位系统包括RTK-GPS基准站与流动站，用于获取挖掘机当前位置坐标值。具体地，基准站接受GPS
卫星信号并实时确定发射载波
相位差，流动站根据自己接受的GPS信号以及基准站传送的载波
相位差信号高精度确定挖掘机器人的位置。实时比较行驶速度与目标速度值之间偏差，经PID调整控制挖掘机器人
油门；实时检查、判断作业环境信息，自动控制电子刹车元件实现停车、作业以及紧急事件处理。
[0043] 5、基于场地作业量信息，AR增强现实能力，自主控制挖掘机器人工作铲斗位姿。
[0044] 所述的挖掘机器人针对前进方向上的工作量，考虑行驶速度，自主决策工作铲斗的高低位置、倾斜状态，使机器人发动机处于平稳的工作状态。
[0045] 所述机载自动作业控制装置实时比较铲斗位置与目标位置之间偏差，经PID 调整控制铲斗位姿，实现预期目标。
[0046] 6、挖掘作业质量评估。
[0047] 所述的挖掘机器人能够利用其位姿信息与机器视觉测量的挖掘高程信息，生成AR增强现实，与挖掘工艺参数、标准对比，在线评估作业质量等级，自主决策挖土作业范围与遍历次数。
[0048] 利用机载自动导航控制装置实时采集挖掘机的各种状态信息并反馈至远程监控装置，远程监控装置根据这些信息向机载自动导航控制装置发出相应的控制指令，实现遥控驾驶；
[0049] 如若调整的转向轮转角度数、速度超过设定的极限值，则机载自动导航控制装置发出转向错误信息；如发现障碍物距离变化速度大于规定值，则向远程监控装置发出紧急处理
请求。
[0050] 如遥控驾驶则屏蔽自动驾驶功能；如人工驾驶介入，则屏蔽自动驾驶与遥控驾驶功能；即自动导航驾驶优先级低于遥控驾驶，遥控驾驶优先级低于人工驾驶。
[0051] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0052] 1、自主挖掘机器人可以随意切换自动驾驶、遥控驾驶和人工驾驶三种操作模式。
[0053] 2、自主挖掘机器人采用了输出信息双重反馈方式，且具有设备间无线通讯、自动启动、调整档位、
加速与刹车功能。
[0054] 3、采用建设工程3D数字模型规划作业区域、机器视觉立体测量、增强现实AR，结合RTK-GPS定位信号实现了精确自主导航、避免了作业面遗漏、交叉重复作业的问题，提高了挖掘作业施工质量。
[0055] 4、自主挖掘机器人不受距离、光线限制，能够实现24小时昼夜远程连续作业，有效提高了机器使用率。
[0056] 5、自主挖掘
机器人技术除适应普通挖掘机的应用范围，还特别适合于恶劣、危险环境下施工作业。
[0057] 6、自主挖掘机器人技术与普通挖掘机系统兼容，加装测控器件方便，不影响原挖掘机结构、外观和性能。
[0058] 因此，本发明的自主挖掘机器人既保证了挖掘机在特殊、紧急作业情况下方便、安全施工，又解决了作业面机群交叉重复的问题。自主挖掘机器人技术与人工驾驶方式兼容，且自动驾驶、远程遥控与人工驾驶可随时随意切换，可以应用于水利、公路、
铁路、机场、港口等土石方工程，尤其适合危险环境、极限条件等特殊作业环境。
附图说明
[0060] 图2为本发明的自主挖掘机器人机载控制系统
框图。
[0061] 图3为本发明自主3D挖掘施工
流程图。
具体实施方式
[0062] 下面结合实施例和附图，对本发明的技术和方法做进一步详细描述。以下实施例和附图用于说明本发明技术构成，但不是用来限定本发明的范围。
[0063] 图1所示为本发明适用于自主3D挖掘机器人的一个实施例的结构图，其主要包括挖掘机与机载测控设备、远程监控装置以及卫星定位装置。
[0064] 机载测控装置主要包括：防撞雷达1、回转传感器2、集成控制器3、通讯收发天线4、摄像机对5、卫星定位接收机组6、动臂升降传感器7、斗杆位置传感器8、铲斗位姿传感器9、发动机调速驱动器和行驶电磁驱动器。
[0065] 远程监控装置主要包括远端收发天线11、调度管理服务器10以及远程监控摄像机。
[0066] 卫星定位装置主要包括定位导航卫星13、数传电台以及固定的定位基准站 12。
[0067] 图2为挖掘机器人集成控制器3的控制网络，基于CAN总线通信，集成控制器3包括机载计算机3.1、CAN总线3.2、行驶回转控制器3.3、动臂控制器 3.4、斗杆控制器3.5、铲斗控制器3.6、机器视觉计算机3.7、发动机控制器以及故障诊断控制器等。
[0068] 图1中，定位导航卫星13、定位基准站12、卫星定位接收机组6以及机载计算机3.1为主要部分，形成实时定位导航网络服务系统。挖掘机器人工作场地以及基站位置需要接受至少4颗卫星信号才能实现卫星定位功能。卫星定位接收机组6同时接收定位导航卫星13信号外，还需要接收定位基准站12传递的相位信号，通过RTK模式实现高精度定位。机载计算机3.1接收卫星定位接收机组的位置信息，并利用位置信息计算挖掘机器人姿态信息。
[0069] 图1中，机载计算机3.1、机载的通讯收发天线4、远端收发天线11，以及调度管理服务器10为主要部分，构成挖掘机器人作业场地通讯局域网，为全双工模式。机载计算机3.1通过通讯收发天线4接收远端的调度管理服务器10通过收发天线11发送的作业任务与命令；同时计算机3.1将挖掘机器人的运行信息通过通讯收发天线4与远端收发天线11传送至调度管理服务器10。另外，调度管理服务器10还对发送与接收的信息进行显示与存储，分析与预警。
[0070] 机载计算机3.1除接受上述信息外，还接受防撞雷达1的信号，制定倒车运行方案；控制发动机启动、熄火、加减转速、唤醒、休眠等命令，通过控制发动机转速。
[0071] 行驶回转控制器3.3通过CAN总线3.2接收机载控制器3.1发来的前进、后退方式，以及相应速度等命令，控制行驶液压马达控制挖掘机器人行驶。当左右驱动器同向时，前进或后退；左右驱动器信号不同时，挖掘机器人以不同
转弯半径转向，以致原地转向。
[0072] 动臂控制器3.4通过CAN总线3.2接收机载控制器3.1发来的升降等命令；通过采集升降传感器7与当前信息，利用PID方法控
制动臂的电磁液压阀，驱动液压作动器，控制铲斗的作业位姿。
[0073] 斗杆控制器3.5接收挖掘机器人斗杆状态传感器信息，判断挖掘机器人的状况，发出相应位姿控制命令。
[0074] 铲斗控制器3.6控制铲斗位姿，与动臂控制器和斗杆控制器一同调整铲斗位姿。
[0075] 机器视觉计算机3.7与摄像机对5构成视觉立体
测量传感器，
感知与认知挖掘机器人环境信息，测量确定作业场地状况。利用3D数字设计模型，增强现实 AR技术，确定作业范围与导航前进方向，评估作业工作量，评估挖掘机器人作业质量，在线
指定遍历作业范围的导航路线。
[0076] 机载计算机3.1作为上位机，具有自主决策、智能化作业的功能。后退遇到障碍物时，利用雷达1的信号判断障碍物位置，决定行驶速度；依据视觉计算机3.7制定的导航路线，以及卫星信号接收机组6的位姿信息，自主生成作业铲斗的控制命令，并根据反馈信息实现闭环控制。
[0077] 在图3中，显示了挖掘机器人作业流程图。服务器10根据工程进度与计划制定任务目标，并下发机载计算机3.1。机载计算机10将任务目标依据卫星定位GPS与
双目视觉结合，形成作业环境模型；对作业进行规划分析，形成一些列自动化流水线目标控制。自主挖掘机器人有效地避免了目前施工作业过程中发生的遗漏、交叉、重复现象，显著地提高了机械作业效率和质量。由单台挖掘机器人可以构成自主挖掘机器人集群，进行协同作业。
[0078] 另外，人机交互遥控过程为：首先，处理需要紧急处理的请求；根据请求情况，将自动导航模式改为人机遥控模式，分别判断并发送操纵转向命令、操纵发动机调速命令、操纵刹车制动命令，以及相应命令的参数值；其次，根据接收作业面视频、行驶速度等情况，预见性的人机交互调整挖掘机的行驶速度、油门限度、刹车距离等控制参数，仍然应用自动导航过程；第三，对于特殊部位以及多台挖掘机器人协同作业时，可以自动停止自动导航过程，切换到人工遥控转向、油门和制动刹车，完成特殊作业任务。
[0079] 远程监控程序可以自动导航与人机交互遥控交替驾驶模式，在人机交互遥控转为自动导航时，需要自动
修改导航目标，以免发生短时跳跃现象。
[0080] 挖掘机器人作业时，人工驾驶优先级最高，远程遥控优先级次之，自动导航优先级最低。
[0081] 本发明将挖掘机器人作业远程监控、自动导航控制以及人工驾驶结合为一个完整的系统，实现了挖掘机器人按照工程建设进度、工程3D数字模型精确作业，在特殊情况时人机交互远程遥控或人工驾驶干预的情况下屏蔽自动导航功能，保证挖掘机器人能安全作业。
[0082] 特别是挖掘机器人通过自动驾驶与远程人机交互监控作用，可以不需驾驶员操作，减轻或解放了驾驶人员的劳动强度和技能要求。挖掘机器人技术依靠卫星定位与机器视觉测量，可以为全天候工作提供条件，也为有效延长挖掘机器人作业组的作业时间。
[0083] 以上实施方式仅用于说明本发明，并非对本发明的限制。所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的
专利保护范围应有
权利要求限定。
