一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法

1.本发明涉及矿用机械设备技术领域，具体涉及一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法。


背景技术：

2.电铲又称绳铲、钢缆铲，是利用齿轮、链条、钢索滑轮组等传动件传递动力的单斗挖掘机。为推进露天矿用电铲作业智能化与无人化，实现矿用电铲在挖掘工作过程中如何自动规避大块煤岩是不可回避的待解决问题。在实际生产作业中，可能存在单次挖掘过程中大块煤岩出现一次或者多次的情况，而每次出现的大块煤岩距离地面与料堆表面远近情况也不相同，且每个单次挖掘过程分为前期、中期和后期三个阶段，如何根据具体地情况进行有针对性地对矿用电铲的运动轨迹进行调整，使其更智能地规避大块煤岩，是亟待解决的一个现实问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法，可以提升矿用电铲在挖掘过程中规避大块煤岩调整过程的智能化。
4.为实现上述目的，本发明的一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法，包括如下步骤：
5.步骤s1、在矿用电铲的关节处和双目相机的中心处分别建立以o0、o1为原点建立空间坐标系；
6.步骤s2、通过安装在矿用电铲上的双目相机，对所要挖掘的料堆形貌特征进行三维重现；
7.步骤s3、通过matlab中挖掘料堆的三维模型，选取合适的挖掘始末位置；
8.步骤s4、选取函数yw＝fw(x,t)作为矿用电铲工作装置的挖掘轨迹；
9.步骤s5、挖掘过程中，通过在传动部安装的力传感器实时监测在铲斗挖掘方向上是否存在大块煤岩；
10.步骤s6、当监测到铲斗前方存在大块煤岩时，记录当前铲斗齿尖位置(x0,y0)，并停止挖掘工作；
11.步骤s7、通过相机获取当前挖掘作业现场情况，判定大块煤岩出现在所处挖掘过程的具体时期以及料堆中的具体位置；
12.步骤s8、针对大块煤岩出现的阶段以及位置不同，选取相应的路径规划方案来规避铲斗挖掘前方大块煤岩；
13.(1)若单个挖掘作业过程中大块煤岩只出现一次，则根据大块煤岩所处一次挖掘过程的具体时间段采取合适的规避路径：当大块煤岩处于一次挖掘前期时采取向上规避大块煤岩的路径；当大块煤岩处于一次挖掘中期时采取上下交替规避大块煤岩的路径；当大块煤岩处于一次挖掘后期时采取向下规避大块煤岩的路径；
14.(2)若单个挖掘作业过程中大块煤岩出现多次，即在首次规避大块煤岩结束后的二次挖掘过程中再次遇到大块煤岩，则通过相机分析大块煤岩在料堆中所处具体位置，来选择合适的规划路径：当大块煤岩距离地面较近时，采取向上规避大块煤岩的路径；当大块煤岩距离地面和料堆表面都有一定的距离，采取上下交替规避大块煤岩的路径；当大块煤岩靠近挖掘料堆表面，采取向下规避大块煤岩的路径。
15.步骤s9、将规避路径的结束点作为二次挖掘的起始点，结合一次挖掘所规划的结束点，重新规划挖掘轨迹继续挖掘从而完成整个挖掘作业。
16.进一步地，所述以矿用电铲的关节处和双目相机的中心处为原点的空间坐标系，x0、y0、x1、y1在同一平面上，z0、z1与此平面垂直。x0、x1坐标轴方向水平向右，y0、y1坐标轴方向竖直向上。
17.进一步地，所述挖掘料堆的形貌特征三维重现的方法如下：
18.挖掘料堆图像获，通过安装好的双目相机对所要挖掘的料堆进行拍摄获取图像；
19.图像矫正，对获取的料堆图像进行畸变矫正以及立体校正；
20.特征提取，对料堆的左右目图像进行特征点检测并提取；
21.立体匹配，通过提取的特征点完成左右目图像的立体匹配得到料堆的视差图；
22.空洞填补，通过均值填充法处理因光照不均产生的无效误差；
23.视差转深度，将处理过的视差图通过几何法转换为深度图；
24.三维重建，深度图经坐标变换转成点云数据后，导入到matlab中并以立体图形式呈现。
25.进一步地，所述matlab中挖掘料堆的立体模型是由visual studio执行双目视觉三维重建程序所得点云数据导入matlab中生成的挖掘料堆形貌特征三维图；
26.进一步地，所述矿用电铲挖掘轨迹可以选取为对数螺旋线
27.进一步地，所述监测大块煤岩方法为观察力传感器读数，若波动上限超过规定阈值，则判定矿用电铲铲斗挖掘前方存在大块煤岩。
28.本发明的有益效果是：
29.本发明针对挖掘过程中存在大块煤岩在单个挖掘过程中大块煤岩只出现一次的情况，亦或者是在单个挖掘过程中连续出现的情况，考虑大块煤岩出现的阶段以及位置因素，提出相对应的动态调整方法，使矿用电铲在规避大块煤岩等障碍物时更加灵活和智能。当大块煤岩距离地面较近时，采取向上规避大块煤岩的路径，避免了铲斗与地面发生接触。当大块煤岩靠近挖掘料堆表面，采取向下规避大块煤岩的路径，保证了规避结束后铲斗具有充足的可挖掘物料量。
附图说明
30.图1为本发明的分段式在线动态调整方法流程图；
31.图2为本发明的矿用电铲空间坐标系示意图；
32.图3为本发明的向上规避大块煤岩的路径；
33.图4为本发明的上下交替规避大块煤岩的路径；
34.图5为本发明的向下规避大块煤岩的路径。
具体实施方式
35.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
36.一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法，如图1所示，其步骤为：首先，为了便于后续分段式在线动态调整方法的规划，需要将料堆面点云和挖掘轨迹处于同一坐标系下。为此，建立如图2所示的以矿用电铲的关节处和双目相机的中心处为原点的空间坐标系，x0、y0、x1、y1在同一平面上，z0、z1与此平面垂直。x0、x1坐标轴方向水平向右，y0、y1坐标轴方向竖直向上，l1为关节0坐标系原点o0与双目相机坐标系原点o1之间沿着x1坐标轴的距离。将坐标系进行一次转换后，求解出相应的变换矩阵即由双目相机坐标系原点o1到关节0坐标系原点o0的位姿变换，从而实现将料堆面点云和挖掘轨迹放在同一坐标系下的目的。
37.使用visual studio调用相机拍摄挖掘料堆图像，然后执行图像矫正、特征提取、立体匹配、空洞填补、深度转化得到挖掘料堆的txt点云数据文件。将得到的挖掘料堆的txt点云数据文件导入到matlab(美国mathworks公司出品的商业数学软件)中，并以立体图的形式呈现出来。工作人员可以根据当前挖掘料堆的形貌特征选取合适的挖掘起始点(xs,ys)和终止点(xf,yf)。
38.选取函数yw＝fw(x,t)作为矿用电铲的一次挖掘轨迹，这里优选对数螺旋线式中ρ0为斗杆初始伸长量、δ为切削角。化为基坐标系下的挖掘轨迹函数为为了使电铲挖掘作业时，挖掘轨迹平滑无速度突变，平稳停止，需满足
39.式中tf分别为铲斗齿尖角位移、角速度、角加速度、挖掘初始角度、终止角度、结束时间。根据矿用电铲实现平稳挖掘需要满足的条件，选用5次多项式对矿用电铲铲斗的齿尖转角即极角进行插值拟合，得到极角关于时间t的函数关系式：
[0040][0041]
根据矿用电铲工作装置的运动学反解，由现有的对数螺旋线挖掘轨迹可以得到斗杆伸长量d关于时间t的函数d(t)和倾角θ关于时间t的函数θ(t)。根据斗杆伸长量d(t)与倾角θ(t)的期望轨迹向变频交流电机发送指令，电机驱动矿用电铲的执行机构进行挖掘作业。
[0042]
在挖掘过程中，通过安装在铲斗与提升绳末端的连接处及推压电机与同步带轮之间的力传感器，监测力传感器读数的波动上限是否超过规定的阈值。当力传感器读数超过阈值时，说明电铲铲斗齿尖接触到大块煤岩。在记录当前的铲斗齿尖坐标(x0,y0)后，电铲停止挖掘工作，开始执行大块煤岩规避指令。
[0043]
通过安装在矿用电铲动臂前侧的双目相机获取当前挖掘作业的现场情况，通过目标识别检测，判定大块煤岩所处一次挖掘过程的具体阶段。
[0044]
当大块煤岩处于一次挖掘前期时，由于此时大块煤岩距离地面较近，为避免铲斗
与地面发生接触，故采取向上规避大块煤岩的路径。具体操作如图3所示，先将铲斗齿尖水平向后移动位移s1，然后保持与一次挖掘轨迹相同切削角的对数螺旋轨迹移动到一次挖掘停止点(x0,y0)的正上方点(x0,y1)处，监测此时力传感器读数是否超过阈值。若超过则继续将铲斗齿尖水平向后移动距离s1，然后保持与一次挖掘轨迹相同切削角的对数螺旋轨迹移动到一次挖掘停止点(x0,y0)的正上方点(x0,y2)处，依次递推，直至力传感器读数不超过阈值。
[0045]
当大块煤岩处于一次挖掘中期时，由于大块煤岩距离地面和料堆表面都有一定的距离，此时主要考虑二次挖掘轨迹偏离一次挖掘轨迹程度最小因素，故采取上下交替规避大块煤岩的路径。具体操作如图4所示，先将铲斗齿尖水平向后移动距离s1，接着竖直向下移动距离h1，再水平向前移动距离s1到一次挖掘停止点(x0,y0)的正下方点(x0,y
0-h1)处，监测此时力传感器读数是否超过阈值。若超过则继续将铲斗齿尖水平向后移动距离s2(s2》s1)，接着竖直向上移动距离2h1，再水平向前移动距离s2到一次挖掘停止点(x0,y0)的正上方点(x0,y0+h1)处，依次递推，直至力传感器读数不超过阈值。
[0046]
当大块煤岩处于一次挖掘后期时，由于此时大块煤岩靠近挖掘料堆表面，为保障铲斗挖掘的满斗率，故采取向下规避大块煤岩的路径。具体操作如图5所示，先将铲斗齿尖水平向后移动距离s1，然后竖直向下移动距离h1，最后再水平向前移动距离s1到一次挖掘停止点(x0,y0)的正下方点(x0,y
0-h1)处。监测此时力传感器读数是否超过阈值。若超过则铲斗齿尖水平继续向后移动距离s2(s2》s1)，然后竖直向下移动距离h2(h2》h1)，最后再水平向前移动距离s2到一次挖掘停止点(x0,y0)的正下方点(x0,y
0-h
1-h2)处，依次递推，直至力传感器读数不超过阈值。
[0047]
以上方案只针对在单个挖掘作业过程中大块煤岩只出现一次的情况，即大块煤岩出现在一次挖掘的挖掘过程中，在规避成功之后的继续挖掘过程中不会再出现。
[0048]
若考虑在单个挖掘过程大块煤岩连续出现的情况，即在首次规避大块煤岩结束后的二次挖掘过程中再次遇到大块煤岩，则通过相机获取挖掘作业现场情况，分析大块煤岩在料堆中所处具体位置，来选择合适的规避路径。当大块煤岩距离地面较近，为避免铲斗与地面发生接触，此时采取向上规避大块煤岩的路径。当大块煤岩距离地面和料堆表面都有一定的距离，此时主要考虑二次挖掘轨迹偏离一次挖掘轨迹程度最小因素，可采取上下交替规避大块煤岩的路径。当大块煤岩靠近挖掘料堆表面，为保障铲斗挖掘的满斗率，此时采取向下规避大块煤岩的路径。
[0049]
这里以大块煤岩只出现一次、处在挖掘前期且规避路径指令执行一次为具体实施案例，当铲斗齿尖移动到一次挖掘停止点(x0,y0)的正上方点(x0,y1)处，此时监测力传感器的读数没有超过阈值，表明成功规避大块煤岩。接着以规避路径的结束点(x0,y1)为起始点，将通过挖掘料堆视觉形貌图选取的点(xf,yf)继续作为结束点，选取对数螺旋线作为二次挖掘轨迹函数。通过矿用电铲工作装置的运动学反解得到斗杆伸长量d与倾角θ的期望轨迹，驱动变频交流电机工作，从而继续完成整个挖掘作业。
[0050]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、在矿用电铲的关节处和双目相机的中心处分别建立以o0、o1为原点建立空间坐标系；步骤s2、通过安装在矿用电铲上的双目相机，对所要挖掘的料堆形貌特征进行三维重现；步骤s3、通过matlab中挖掘料堆的三维模型，选取合适的挖掘始末位置；步骤s4、选取函数y
w
＝f
w
(x,t)作为矿用电铲工作装置的一次挖掘轨迹；步骤s5、挖掘过程中，通过在传动部安装的力传感器实时监测在铲斗挖掘方向上是否存在大块煤岩；步骤s6、当监测到铲斗前方存在大块煤岩时，记录当前铲斗齿尖位置(x0,y0)，并停止挖掘工作；步骤s7、通过相机获取当前挖掘作业现场情况，判定大块煤岩出现在所处挖掘过程的具体时期以及料堆中的具体位置；步骤s8、针对大块煤岩出现的阶段以及位置不同，选取相应的路径规划方案来规避铲斗挖掘前方大块煤岩：(1)若单个挖掘作业过程中大块煤岩只出现一次，则根据大块煤岩所处一次挖掘过程的具体时间段采取如下规避路径：当大块煤岩处于一次挖掘前期时，采取向上规避大块煤岩的路径；当大块煤岩处于一次挖掘中期时，采取上下交替规避大块煤岩的路径；当大块煤岩处于一次挖掘后期时，采取向下规避大块煤岩的路径；(2)若单个挖掘作业过程中大块煤岩出现多次，即在首次规避大块煤岩结束后的二次挖掘过程中再次遇到大块煤岩，则通过相机分析大块煤岩在料堆中所处具体位置，选择如下规划路径：当大块煤岩距离地面较近时，采取向上规避大块煤岩的路径；当大块煤岩距离地面和料堆表面都有一定的距离时，采取上下交替规避大块煤岩的路径；当大块煤岩靠近挖掘料堆表面，采取向下规避大块煤岩的路径。步骤s9、将规避路径的结束点作为二次挖掘的起始点，结合一次挖掘所规划的结束点，重新规划挖掘轨迹继续挖掘从而完成整个挖掘作业。2.根据权利要求1所述的一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法，其特征在于，所述以矿用电铲的关节处和双目相机的中心处为原点的空间坐标系，x0、y0、x1、y1在同一平面上，z0、z1与此平面垂直。x0、x1坐标轴方向水平向右，y0、y1坐标轴方向竖直向上。3.根据权利要求1所述的一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法，其特征在于，所述挖掘料堆的形貌特征三维重现的方法如下：挖掘料堆图像获，通过安装好的双目相机对所要挖掘的料堆进行拍摄获取图像；图像矫正，对获取的料堆图像进行畸变矫正以及立体校正；特征提取，对料堆的左右目图像进行特征点检测并提取；立体匹配，通过提取的特征点完成左右目图像的立体匹配得到料堆的视差图；空洞填补，通过均值填充法处理因光照不均产生的无效误差；视差转深度，将处理过的视差图通过几何法转换为深度图；
三维重建，深度图经坐标变换转成点云数据后，导入到matlab中并以立体图形式呈现。4.根据权利要求1所述的一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法，其特征在于，所述matlab中挖掘料堆的立体模型是由visual studio执行双目视觉三维重建程序所得点云数据txt文件导入matlab中生成的挖掘料堆形貌特征三维图。5.根据权利要求1所述的一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法，其特征在于，所述矿用电铲一次挖掘轨迹可以选取为对数螺旋线6.根据权利要求1所述的一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法，其特征在于，所述监测大块煤岩方法为观察力传感器读数，若波动上限超过规定阈值，则判定矿用电铲铲斗挖掘前方存在大块煤岩。

技术总结
本发明公开了一种矿用电铲挖掘轨迹分段式在线动态调整方法，首先在矿用电铲的关节处和双目相机的中心处分别建立以O0、O1为原点建立空间坐标系；通过Matlab中挖掘料堆的三维模型，选取合适的挖掘始末位置；挖掘过程中，通过在传动部安装的力传感器实时监测在铲斗挖掘方向上是否存在大块煤岩；当监测到铲斗前方存在大块煤岩时，记录当前铲斗齿尖位置(x0,y0)，并停止挖掘工作；针对大块煤岩出现的阶段以及位置不同，选取相应的路径规划方案来规避铲斗挖掘前方大块煤岩；将规避路径的结束点作为二次挖掘的起始点，结合一次挖掘所规划的结束点，重新规划挖掘轨迹继续挖掘从而完成整个挖掘作业。本发明可有效提升矿用电铲在挖掘过程中规避大块煤岩调整的智能化。中规避大块煤岩调整的智能化。中规避大块煤岩调整的智能化。


技术研发人员：沈刚 汤裕 余浩 郭永存 朱真才 李翔 柏德恩 王威 薄开栋 徐琳洋
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/25