一种自主3D挖掘施工机器人制造技术

一种自主3D挖掘施工机器人，利用机器视觉、卫星定位与自动控制装置、3D数字模型等，实现自动化、智能化3D挖掘施工作业，在指定的非结构化区域内，利用卫星定位系统测量位姿信息、利用机器视觉系统感知与认知作业环境信息，自主决策挖掘机器人行驶路线、行驶速度、铲斗作业位姿等。其中卫星定位系统采用卫星定位接收机组实时感知挖掘机器人的位置与姿态；机器视觉系统采用固定基线摄像机对感知挖掘机器人周围环境与AR增强现实能力；自动控制系统基于CAN总线由机载上位控制计算机与下位控制器组成，下位控制器包括发动机控制器、行驶控制器、铲斗作业控制器、故障诊断控制器等。本发明专利技术的自主3D挖掘施工机器人也可人工驾驶或遥控操作。

【技术实现步骤摘要】
一种自主3D挖掘施工机器人
本专利技术属于建筑工程机械
，特别涉及一种自主3D挖掘施工机器人。
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。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。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。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。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。
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。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：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；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；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；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；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；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；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；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；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；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；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。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。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。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。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。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；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；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。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。本专利技术设定遥控驾驶、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。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：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。所述的作业任务与命令包括作业区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自主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：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；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；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)；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；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；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；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；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；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；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(3.1)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：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；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；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)；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；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；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；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；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；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；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(3.1)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3D挖掘施工机器人，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述...

【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