一种无人驾驶装载机室内自主卸料系统及方法技术方案

本发明专利技术适用于非道路工程车辆无人驾驶领域，提供了无人驾驶装载机室内自主卸料系统及方法，所述自主卸料系统包括卡车轮廓识别模块、测距模块、工作装置位姿测量模块、装载机车体位姿监测模块和算法处理模块。所述自主卸料方法包括步骤：1）获得卡车相对于无人驾驶装载机的位置信息；2）获得工作装置位姿信息；3）获得铲斗的斗齿齿尖与卡车侧面的距离信息；4）获得工作装置末端执行机构碰撞风险最大点的位置信息；5）获取此无人驾驶装载机车体位姿信息；6）将各传感器信息融合以确定无人驾驶装载机的工作状态；7）对工作装置位姿进行调整，或满足卸料条件，最后进行自主卸料动作。

【技术实现步骤摘要】
一种无人驾驶装载机室内自主卸料系统及方法
本专利技术属于道路工程车辆无人驾驶领域，尤其涉及一种无人驾驶装载机室内自主卸料系统及方法。
技术介绍
自主卸料是无人驾驶装载机在一次工作循环中需要执行的关键动作之一。对于无人驾驶装载机，由于没有驾驶员操作，自主卸料系统需要根据工作装置位置信息、车体位置信息和距离信息，自主调整卸料位置，在保证与卡车料斗不发生碰撞的前提下，使物料准确落入卡车料斗。目前，国内装载机铲装作业仍依靠驾驶员操纵动臂摇杆和铲斗摇杆，因此在实际作业中，工作装置与卡车料斗存在碰撞风险。美国卡特比勒公司系列装载机和日本小松集团系列装载机搭载有系统，该系统内部具有自动铲装功能模块，驾驶员可以在一个工作循环中用最少的操作指令完成松散物料的铲装，系统降低了驾驶员的劳动强度，并且提高了铲装效率，但该系统仅是辅助系统，没有实现无人化作业，因此并不是严格意义上的自主卸料系统；韩国公司推出了一套较为完整的无人化作业方案，但其铲装作业算法偏机械化，执行动作固定单一，没有形成完备的自主调整策略，且该方案依靠定位，不具备室内自主卸料功能。因此研究无人驾驶装载机室内自主卸料系统及方法具有实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对国内外现有技术的缺陷，以及无人驾驶装载机室内自主卸料系统的技术空白，提供一种包括卡车轮廓识别模块、测距模块、工作装置位置测量模块、装载机车体位置监测模块和算法处理模块在内的自主卸料系统。本专利技术是这样实现的，一种无人驾驶装载机室内自主卸料系统，包括驾驶室和底盘，还包括：工作装置，包括动臂、动臂油缸、转斗油缸以及转斗摇臂；所述底盘的一端铰接有前车架，所述前车架与动臂铰接，所述动臂的一端铰接有铲斗，所述前车架与所述动臂油缸的缸体端铰接，所述动臂油缸的推杆端与动臂的中部铰接，所述转斗油缸的缸体端与前车架铰接，所述转斗油缸的推杆端与转斗摇臂的一端铰接，所述转斗摇臂的中部与动臂的中部铰接，所述转斗摇臂的另一端铰接有转斗连杆，所述转斗连杆的一端铰接有铲斗；卡车轮廓识别模块，用于采集卡车轮廓点云图像信息；测距模块，用于获取铲斗的斗齿齿尖与卡车侧面距离信息；工作装置位置测量模块，用于测量动臂的举升角度以及测量动臂和转斗摇臂之间的夹角；装载机车体位置监测模块，用于采集无人驾驶装载机的车体位置信息；算法处理模块，设置在驾驶室内，所述算法处理模块分别与卡车轮廓识别模块、测距模块、工作装置位置测量模块和装载机车体位置监测模块信号连接，所述算法处理模块用于接收卡车轮廓识别模块、测距模块、工作装置位置测量模块和装载机车体位置监测模块采集的数据信息，并对接收的数据信息进行处理。进一步的技术方案，所述卡车轮廓识别模块为多线激光雷达，所述多线激光雷达与驾驶室的侧端面固定连接。进一步的技术方案，所述测距模块为超声波传感器，所述超声波传感器与前车架固定连接。进一步的技术方案，所述工作装置位置测量模块包括倾角传感器甲和倾角传感器乙，所述倾角传感器甲与动臂以及前车架固定连接，所述倾角传感器甲用于测量动臂的举升角度；所述倾角传感器乙与动臂以及转斗摇臂固定连接，所述倾角传感器乙用于测量动臂和转斗摇臂之间的夹角。进一步的技术方案，所述装载机车体位置监测模块为IMU，所述IMU与驾驶室的侧端面固定连接。一种无人驾驶装载机室内自主卸料的卸料方法，步骤如下：步骤1)获得卡车相对于无人驾驶装载机的位置信息；步骤2)当无人驾驶装载机到达距离卡车预定距离时，工作装置开始工作，获得工作装置位置信息；所述到达距离卡车预定距离的确定过程具体如下：通过速度传感器采集无人驾驶装载机在卸料过程的车速信息，对工作装置从初始位置到达最终位置所需的时间进行计量，在工作装置运行时间内，对无人驾驶装载机车速信息进行积分运算，得到自主卸料过程所需的最小距离，无人驾驶装载机在到达卸料位置前，需要根据车体位置信息对工作装置位置进行自主调整，因此需要预留一段位置调整距离，对最小距离与位置调整距离求和，即为自主卸料系统的预定距离；多线激光雷达2获取的卡车轮廓点云信息包含距离信息，因此可以直接获取卡车与无人驾驶装载机之间的距离信息，当无人驾驶装载机与卡车之间的距离小于或等于预定距离时，则确定无人驾驶装载机到达距离卡车预定距离，工作装置开始工作；在本具体实施方式中，需要说明的是，预定距离计算是在线下采集数据并计算得来的，并非无人驾驶装载机在工作中实时计算的；获取工作装置位置信息的具体过程如下：通过倾角传感器甲4采集动臂9与铅垂面的夹角，通过倾角传感器乙5采集动臂9与转斗摇臂12之间的夹角，进而确定工作装置的位置信息，主要包括斗齿离地高度，斗齿与水平面的夹角，动臂油缸10伸缩长度和转斗油缸11伸缩长度；计算所述的斗齿离地高度，斗齿与水平面的夹角，动臂油缸10伸缩长度和转斗油缸11伸缩长度具体过程如下：如图2所示，为了便于描述，首先定义如下三个坐标系：(1)以动臂9与前车架15铰接点的回转中心为原点o1，以无人驾驶装载机前进方向为y轴正向，以竖直向上为z轴正向，定义坐标系一y1o1z1；(2)以动臂9与铲斗14铰接点的回转中心为原点o2，以无人驾驶装载机前进方向为y轴正向，以竖直向上为z轴正向，定义坐标系二y2o2z2；(3)以铲斗14的斗齿齿尖为原点o3，以无人驾驶装载机前进方向为y轴正向，以竖直向上为z轴正向，定义坐标系三y3o3z3；令转斗油缸11与前车架15铰接点的回转中心为A点，令转斗油缸11与转斗摇臂12铰接点的回转中心为B点，令动臂油缸10与前车架15铰接点的回转中心为C点，令动臂油缸10与动臂9铰接点的回转中心为D点，令转斗摇臂12与转斗连杆13铰接点的回转中心为E点，令动臂9与前车架15铰接点的回转中心为H点，令转斗摇臂12与动臂9铰接点的回转中心为K点，令动臂9与铲斗14铰接点的回转中心为Q点，令转斗连杆13与铲斗14铰接点的回转中心为W点，令铲斗14的斗齿齿尖为P点，令过Q点且平行于铲斗14斗齿底部的直线为l；如图2所示，通过倾角传感器甲4采集的动臂9与铅垂面的夹角(通过直线HQ和z1轴的负半轴之间的夹角θ1表征)，以及通过倾角传感器乙5采集的动臂9与转斗摇臂12之间的夹角(通过直线KD和直线KE之间的夹角θ2表征)，就可以确定斗齿离地高度，斗齿与水平面的夹角，动臂油缸10伸缩长度和转斗油缸11伸缩长度；如图2所示，H点和Q点之间的直线HQ与z1轴的负半轴之间的夹角为θ1，K点和E点之间的直线KE与K点和D点之间的直线KD之间的夹角为θ2，W点和Q点之间的直线与直线l之间的夹角为θ0，P点和Q点之间的直线PQ与直线l之间的夹角为α1，P点和Q点之间的直线PQ与y2轴的正半轴之间的夹角为α2，直线l与y2轴的正半轴之间的夹角为θ，向上为正，H点距离地面的高度为z，H点和Q点之间的水平距离为yHQ，P点与y2轴的垂直距离为zP，P点距离地面的高度为h；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无人驾驶装载机室内自主卸料系统，包括驾驶室和底盘，其特征在于，还包括：/n工作装置，包括动臂、动臂油缸、转斗油缸以及转斗摇臂；所述底盘的一端铰接有前车架，所述前车架与动臂铰接，所述动臂的一端铰接有铲斗，所述前车架与所述动臂油缸的缸体端铰接，所述动臂油缸的推杆端与动臂的中部铰接，所述转斗油缸的缸体端与前车架铰接，所述转斗油缸的推杆端与转斗摇臂的一端铰接，所述转斗摇臂的中部与动臂的中部铰接，所述转斗摇臂的另一端铰接有转斗连杆，所述转斗连杆的一端铰接有铲斗；/n卡车轮廓识别模块，用于采集卡车轮廓点云图像信息；/n测距模块，用于获取铲斗的斗齿齿尖与卡车侧面距离信息；/n工作装置位姿测量模块，用于测量动臂的举升角度以及测量动臂和转斗摇臂之间的夹角；/n装载机车体位姿监测模块，用于采集无人驾驶装载机的车体位姿信息；/n算法处理模块，设置在驾驶室内，所述算法处理模块分别与卡车轮廓识别模块、测距模块、工作装置位姿测量模块和装载机车体位姿监测模块信号连接，所述算法处理模块用于接收卡车轮廓识别模块、测距模块、工作装置位姿测量模块和装载机车体位姿监测模块采集的数据信息，并对接收的数据信息进行处理。/n

【技术特征摘要】
1.无人驾驶装载机室内自主卸料系统，包括驾驶室和底盘，其特征在于，还包括：
工作装置，包括动臂、动臂油缸、转斗油缸以及转斗摇臂；所述底盘的一端铰接有前车架，所述前车架与动臂铰接，所述动臂的一端铰接有铲斗，所述前车架与所述动臂油缸的缸体端铰接，所述动臂油缸的推杆端与动臂的中部铰接，所述转斗油缸的缸体端与前车架铰接，所述转斗油缸的推杆端与转斗摇臂的一端铰接，所述转斗摇臂的中部与动臂的中部铰接，所述转斗摇臂的另一端铰接有转斗连杆，所述转斗连杆的一端铰接有铲斗；
卡车轮廓识别模块，用于采集卡车轮廓点云图像信息；
测距模块，用于获取铲斗的斗齿齿尖与卡车侧面距离信息；
工作装置位姿测量模块，用于测量动臂的举升角度以及测量动臂和转斗摇臂之间的夹角；
装载机车体位姿监测模块，用于采集无人驾驶装载机的车体位姿信息；
算法处理模块，设置在驾驶室内，所述算法处理模块分别与卡车轮廓识别模块、测距模块、工作装置位姿测量模块和装载机车体位姿监测模块信号连接，所述算法处理模块用于接收卡车轮廓识别模块、测距模块、工作装置位姿测量模块和装载机车体位姿监测模块采集的数据信息，并对接收的数据信息进行处理。


2.根据权利要求1所述的无人驾驶装载机室内自主卸料系统，其特征在于，所述卡车轮廓识别模块为多线激光雷达，所述多线激光雷达与驾驶室的侧端面固定连接。


3.根据权利要求1所述的无人驾驶装载机室内自主卸料系统，其特征在于，所述测距模块为超声波传感器，所述超声波传感器与前车架固定连接。


4.根据权利要求1所述的无人驾驶装载机室内自主卸料系统，其特征在于，所述工作装置位姿测量模块包括倾角传感器甲和倾角传感器乙，所述倾角传感器甲与动臂以及前车架固定连接，所述倾角传感器甲用于测...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学飞，张鑫储，李英男，于忠瀚，陈冠龙，郑天昊，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22