[发明专利]挖掘机安全避障系统和方法

说明书

本发明公开了一种无人挖掘机避障系统和方法，适用于挖掘机在自主作业过程中对环境中的静止以及移动障碍的判别与避障。通过应用环境检测设备激光扫描仪对挖掘机周围环境进行实时扫描建模，通过惯性测量单元和角度测量单元监控自身位姿，采用预测的方式，通过计算机处理实时计算安全范围并采取不同层次的避障措施。本发明可以辅组无人挖掘机在挖掘作业过程中和运土作业过程中对各种障碍的回避，提高无人操作系统的安全性，以及大规模集群施工过程中的效率。

技术领域

本发明涉及智能挖掘机，尤其涉及智能挖掘机在无人化挖掘过程中采用的避障系统。

背景技术

挖掘机在移动土方作业期间，属于空间中大角度旋转过程，需要对工作装置扇形移动范围内的障碍物进行判断与规避，防止碰撞以及可能造成的人员受伤、物品损坏以及自机损伤等问题。对于挖掘机施工现场的安全设计，目前已经实现的方法为人工驾驶或者远程遥控条件下在挖掘机上安装摄像头，同时机身近距离范围内的全景影像，并在驾驶室内的显示屏上显示拍摄到的视频，作为一种参考，使驾驶员在进行风险动作操作时能够观测到视觉盲区的视频影像。如柳州柳工挖掘机有限公司在专利“回转作业机械行走后方视频监控系统”中提出了利用摄像头辅助监视系统，在驾驶员手动操作过程中监视挖掘机后方，防止危险发生的方法。

上述运行安全控制的技术方法存在着诸多问题：

施工现场挖掘机涉及回转、挖土作业中的防碰撞安全，很大程度依靠驾驶员的注意力集中和处置得当，而实际上驾驶员的注意力主要在挖掘机作业范围上，只有很小一部分注意力关注显示屏。

在不良天气等环境因素导致视野可见度情况不良情况下，将大大影响操作员的危险发现能力与应急处理能力。

对于操作员而言任何程度的障碍都基本上会做出停机操作，确认静态障碍后再重新选择动作避障的方式，或者等待移动障碍离开后启动的方式，在多机作业的现场工况下反复停机等待对作业效率也有很大的影响。

另外，三一重机有限公司在专利“雷达预警方法、系统、装置及挖掘机”中提出了利用超声波雷达采用固定安全距离进行回转过程中防止碰撞的方法。这类方法虽然可以利用超声波在障碍物靠近的同时发生报警警告，但是采用的是固定安全距离，对于移动障碍物缺乏报警的预见性，如果考虑移动障碍物而扩大危险距离，又会在多设备情况下照成频繁停机问题。另外无法对可避开障碍物实现自主避障，影响工作效率。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何让智能挖掘机在无人化自主挖掘模式的作业阶段和回转运土阶段工作过程中更为安全智能的避障。

为实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种智能挖掘机安全避障系统，智能挖掘机安全避障系统，包括至少两个激光扫描装置，激光扫描装置被分别布置在挖掘机上回转车身对角点处，使得扫描范围可覆盖挖掘机周边360°的区域；激光扫描装置被设置为以周期T进行循环扫描并将扫描数据发送至控制装置；控制装置，控制装置被设置为接收激光扫描装置发送的扫描数据的机载处理器，以及输出控制信号的机载控制器，机载处理器还包括：目标采集处理模块，目标采集处理模块读取扫描数据并建立三维点云地图，进而对障碍物的本体进行定义，建立其规则形状模型；根据激光扫描仪自身的物理安装位置相对于挖掘机机体的坐标系位姿，计算得到障碍物相对于挖掘机机体的位姿；位置预测模块，速度位置预测模块通过不同时刻下障碍物位置的扫描数据，对运动中的障碍物的位置、速度和运动方向进行预测；决策控制模块，决策控制模块首先确定挖掘机的碰撞半径和扫描到的障碍物的最大安全接触半径，当扫描到静止障碍物时，如可避开，则决策控制模块控制挖掘机修正其运动轨迹以避开静止障碍物，同时降低运动速度继续作业，如不可避开，则控制挖掘机停机并报警；当扫描到运动障碍物时，如预测运动障碍物将在不小于预定的时间T1内进入碰撞半径，则控制挖掘机修正运动轨迹以避开静止障碍物，同时降低运动速度继续作业，如速度位置预测模块预测运动障碍物将在小于预定的时间T1内进入碰撞半径，则控制挖掘机停机并报警直到预测运动障碍物将在不小于预定的时间T1内进入碰撞半径时再自动启动挖掘机。