一种自主推土机器人制造技术

一种自主推土机器人，依靠环境感知、卫星定位、机器视觉与自动控制等装置，实现自主规划行驶路径、自动推土作业、自主在线作业质量评估功能，是一种无人化、智能化的建筑施工机械。自主推土机器人根据任务与作业区域，利用卫星定位测量位姿、利用机器视觉感知与认知作业环境，自主决策推土机器人任务顺序、行驶路线、铲刀位姿，以及依据视觉测量的作业效果与评估作业质量。其中卫星定位系统采用卫星定位接收机组实时精确感知推土机器人的位姿；机器视觉系统采用固定基线摄像机对感知推土机器人周围环境以及评估推土作业质量状况；自动控制系统基于现场总线由上位机与下位控制器组成机载自动化控制网络。自主推土机器人也可由人工驾驶或遥控操作。

【技术实现步骤摘要】
一种自主推土机器人
本专利技术属于工程机械
，特别涉及一种自主推土机器人，是一种自主决策、无人驾驶、智能化推土作业的土石方建筑施工机械。
技术介绍
我国工程建设机械化已成为一个长期发展趋势，其中推土机在土木、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，特别是推土机器人变为可能。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。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。目前工程建设智能化机器通常可分三类。第一类是遥控操作工程机机械。遥操作是指对机器和系统通过有线或无线的远程控制。这主要为了减少工程机械操作人员劳动强度、提高碾压机施工质量，采用遥控无人驾驶技术。遥操作的思想与方法最早出现在航控与核工业领域，目前在建筑行业中应用也很广泛。如日本的机器操控推土机、遥控水下推土机、山推的遥控推土机等。在遥控操作推土机技术中，推土机并非完全自主运行，而是要由人控制，环境的感知与数据的解释都需要人工来完成。第二类是可编程建筑机器。这类工程机械的操作员能够通过选择预编程的功能菜单或者示教机器完成新任务的方式，来调整工作任务以便在某些约束条件下来完成。通常来讲，软件可编程的建筑机器可以等同于传统的机器，利用施工现场一部分电子设备去控制全部或部分机械运行，仅增加了作业辅助系统，如同目前小汽车辅助驾驶系统一样。目前应用比较好的是推土机作业引导系统，利用从3D模型得来的数据结合卫星定位系统或激光测量系统，控制推土机的铲刀作业，实现自动找平功能，然而推土机还是需要人来操作。第三类是智能建筑机器人系统。不同于遥控操作与软件可编程的建筑机械，全自动建筑机器人需要在特定的范围内，在无人干预的情况下完成任务；而半自动建筑机器人则需要在人的监督下进行某种程度的计划互动来完成任务。在各种情况下，建筑机器人都需要适应周围环境，为执行任务制定计划，必要时需要重新制定计划。当建筑机器人在不能执行任务时应该能够做出判断并请求帮助。这类智能建筑机器人是目前研究的热点，少有成功的案例，目前仅是简单将工业机器人从工厂搬到工地机械上，而不是直接对工程机械发展建筑机器人技术。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。三是推土作业的往复性，需要铲土、运土、卸土及倒退几个工序。推土机作业需要根据工程建设进度与作业场地不断规划铲土位置与行驶线路，并且需要实时评估推土作业质量。目前，国内外工程建设领域还没有相应的自主推土机器人相应技术。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种自主推土机器人，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。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种自主推土机器人，包括推土机、推土机载自主测控装置、远程调度管理装置和卫星定位装置，其特征在于：所述推土机载自主测控装置包括卫星定位接收机组1、通讯收发天线2、摄像机对3、铲刀升降传感器4、铲刀倾斜传感器5、发动机调速驱动器6、倒车防撞雷达7、集成控制器8和行驶电磁驱动器9；所述远程调度管理装置包括远端收发天线12、调度服务器13以及远程监控摄像机；所述卫星定位装置包括定位导航卫星10、数传电台以及固定的定位基准站11；所述集成控制器8包括机载计算机8.1、CAN总线8.2、发动机控制器8.3、行驶控制器8.4、铲刀控制器8.5、故障诊断控制器8.6以及机器视觉计算机8.7；其中，所述机载计算机8.1、通讯收发天线2、远端收发天线12以及调度服务器13构成全双工模式的场地无线通讯局域网络，用于调度服务器13与各个推土机之间命令与状态信息的传送；所述机载计算机8.1和发动机控制器8.3、行驶控制器8.4、铲刀控制器8.5、故障诊断控制器8.6以及机器视觉计算机8.7构成机载CAN总线控制器网络，用于推土机自主行驶与作业；所述卫星定位接收机组1、定位导航卫星10、定位基准站11以及调度服务器13构成卫星定位网络，用于获取推土机当前位姿；所述卫星定位接收机组1接收定位导航卫星10的信号以及定位基准站11传递的相位信号，通过RTK模式实现高精度定位；所述机载计算机8.1结合工程建设进度和调度服务器13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；所述摄像机对3安装于固定基线位置，与机器视觉计算机8.7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，并与其它传感器信息融合，基于机器学习方法，认知信息规律，自主确定作业目标与行驶方向，制定导航路线；所述机载计算机8.1根据作业区域、任务要求以及基于机器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。所述多台自主推土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推土机器人机群，协同作业。所述机载计算机8.1接收卫星定位接收机组1的位置信息，并利用该位置信息计算推土机姿态信息；依据导航路线和位姿信息，生成行驶控制器8.4与铲刀控制器8.5的控制命令，并根据反馈信息实现闭环控制。本专利技术采用三角形测量法计算推土机器人姿态信息，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，即可确定出自主推土机器人的位姿。所述机载计算机8.1根据定位信息与机器视觉测量的环境信息，以及作业标准要求自主评估推土作业质量，自主决策重新推土作业范围，以及所需工作量。所述发动机控制器8.3通过CAN总线8.2接收机载计算机8.1发送的控制命令，通过控制发动机调速驱动器6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；所述行驶控制器8.4通过CAN总线8.2接收机载计算机8.1发送的控制命令，通过行驶电磁驱动器9驱动电液阀，再控制行驶液压马达控制推土机器人行驶，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；所述铲刀控制器8.5通过CAN总线8.2接收机载计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自主推土机器人，包括推土机、推土机载自主测控装置、远程调度管理装置和卫星定位装置，其特征在于：所述推土机载自主测控装置包括卫星定位接收机组(1)、通讯收发天线(2)、摄像机对(3)、铲刀升降传感器(4)、铲刀倾斜传感器(5)、发动机调速驱动器(6)、倒车防撞雷达(7)、集成控制器(8)和行驶电磁驱动器(9)；所述远程调度管理装置包括远端收发天线(12)、调度服务器(13)以及远程监控摄像机；所述卫星定位装置包括定位导航卫星(10)、数传电台以及固定的定位基准站(11)；所述集成控制器(8)包括机载计算机(8.1)、CAN总线(8.2)、发动机控制器(8.3)、行驶控制器(8.4)、铲刀控制器(8.5)、故障诊断控制器(8.6)以及机器视觉计算机(8.7)；其中，所述机载计算机(8.1)、通讯收发天线(2)、远端收发天线(12)以及调度服务器(13)构成全双工模式的场地无线通讯局域网络，用于调度服务器(13)与各个推土机之间命令与状态信息的传送；所述机载计算机(8.1)和发动机控制器(8.3)、行驶控制器(8.4)、铲刀控制器(8.5)、故障诊断控制器(8.6)以及机器视觉计算机(8.7)构成机载CAN总线控制器网络，用于推土机自主行驶与作业；所述卫星定位接收机组(1)、定位导航卫星(10)、定位基准站(11)以及调度服务器(13)构成卫星定位网络，用于获取推土机当前位姿；所述卫星定位接收机组(1)接收定位导航卫星(10)的信号以及定位基准站(11)传递的相位信号，通过RTK模式实现高精度定位；所述机载计算机(8.1)结合工程建设进度和调度服务器(13)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；所述摄像机对(3)安装于固定基线位置，与机器视觉计算机(8.7)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，并与其它传感器信息融合，基于机器学习方法，认知信息规律，自主确定作业目标与行驶方向，制定导航路线；所述机载计算机(8.1)根据作业区域、任务要求以及基于机器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。...

【技术特征摘要】
1.一种自主推土机器人，包括推土机、推土机载自主测控装置、远程调度管理装置和卫星定位装置，其特征在于：所述推土机载自主测控装置包括卫星定位接收机组(1)、通讯收发天线(2)、摄像机对(3)、铲刀升降传感器(4)、铲刀倾斜传感器(5)、发动机调速驱动器(6)、倒车防撞雷达(7)、集成控制器(8)和行驶电磁驱动器(9)；所述远程调度管理装置包括远端收发天线(12)、调度服务器(13)以及远程监控摄像机；所述卫星定位装置包括定位导航卫星(10)、数传电台以及固定的定位基准站(11)；所述集成控制器(8)包括机载计算机(8.1)、CAN总线(8.2)、发动机控制器(8.3)、行驶控制器(8.4)、铲刀控制器(8.5)、故障诊断控制器(8.6)以及机器视觉计算机(8.7)；其中，所述机载计算机(8.1)、通讯收发天线(2)、远端收发天线(12)以及调度服务器(13)构成全双工模式的场地无线通讯局域网络，用于调度服务器(13)与各个推土机之间命令与状态信息的传送；所述机载计算机(8.1)和发动机控制器(8.3)、行驶控制器(8.4)、铲刀控制器(8.5)、故障诊断控制器(8.6)以及机器视觉计算机(8.7)构成机载CAN总线控制器网络，用于推土机自主行驶与作业；所述卫星定位接收机组(1)、定位导航卫星(10)、定位基准站(11)以及调度服务器(13)构成卫星定位网络，用于获取推土机当前位姿；所述卫星定位接收机组(1)接收定位导航卫星(10)的信号以及定位基准站(11)传递的相位信号，通过RTK模式实现高精度定位；所述机载计算机(8.1)结合工程建设进度和调度服务器(13)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；所述摄像机对(3)安装于固定基线位置，与机器视觉计算机(8.7)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，并与其它传感器信息融合，基于机器学习方法，认知信息规律，自主确定作业目标与行驶方向，制定导航路线；所述机载计算机(8.1)根据作业区域、任务要求以及基于机器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。2.根据权利要求1所述自主推土机器人，其特征在于，所述多台自主推土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推土机器人机群，协同作...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天云，王恩志，张建民，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11