一种挖掘机安全回转防撞方法及系统

1.本发明涉及挖掘机安全控制技术领域，特别涉及一种挖掘机安全回转防撞方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.近些年来，工程机械行业发展迅速，产业规模不断增大，行业内自主创新实力明显提升。其中，挖掘机是使用广泛，应用场景多样的工程机械，其行走系统采用履带式，以方便进入复杂的环境，同时，360
°
的回转系统为其工作效率提供良好的基础。
4.传统挖掘机的作业是由驾驶员在驾驶室内进行操控，即使驾驶员大都经过包括安全法规和标准在内的长期专业培训，但是其技术水平对作业过程安全性有较大影响。在面临作业中不可预知的操作意外和恶劣的外部作业环境，如作业环境中的坑洼、地面坍塌等情况时，还是容易引发事故，造成人员伤亡；挖掘机往往工作在恶劣的环境中，使驾驶员的身心健康受到很大的影响。
5.随着工程机械领域智能化研究的不断深入，自动化、无人化成为挖掘机制造行业新的目标。目前，自动挖掘机多应用于相对固定的场景，进行单一的、重复性的任务，完成较为简单的工作循环和目标识别，而挖掘机的实际作业场景下的工作任务都是复杂的、工况多变的。因此，在目前全自动挖掘机尚未得到推广的阶段，将远程操纵技术和人机交互技术引入挖掘机行业是可行的技术路线。
6.挖掘机的远程操控实现了人机分离，可为驾驶员提供安全舒适的作业环境。但由于远程操作的特性，如挖掘机远程操作挖掘机回转过程中，由于平面画面导致与实车驾驶体验感差异较大，同时动臂的较大遮挡，导致无法按照日常习惯进行回转定位，容易引发碰撞等事故。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种挖掘机安全回转防撞方法及系统，提高了大惯性回转系统的定位精度和响应速度，降低了回转过程中由于制动距离的不确定引起的碰撞风险，提高了回转安全性。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明第一方面提供了一种挖掘机安全回转防撞方法。
10.一种挖掘机安全回转防撞方法，包括以下过程：
11.获取挖掘机的液压马达转矩、液压马达转速以及液压马达位置；
12.根据液压马达转速，得到上车机构回转转速；
13.根据液压马达转矩得到上车机构回转转矩，根据上车机构回转转矩在回转初始加速阶段计算转动惯量；
14.根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到预估制动角度，根据预估制动角度进
行制动控制；
15.根据目标回转角度与当前已回转角度的差值，得到回转运动剩余角度，当预估制动角度与回转运动剩余角度相同，且无手柄制动信号时，强制关闭回转先导油路进行制动。
16.作为本发明第一方面进一步的限定，目标回转角度的获取，包括：
17.根据上车机构的回转位置以及障碍物的位置，得到极限安全回转角度，将极限安全回转角度减去设定角度，得到目标回转角度。
18.作为本发明第一方面进一步的限定，根据上车机构回转转矩在回转初始加速阶段计算转动惯量，包括：
19.转动惯量为上车机构回转支撑台的制动转矩与制动减速度的比值，制动减速度通过上车机构回转转速相对于时间的导数得到。
20.作为本发明第一方面进一步的限定，上车机构回转支撑台的制动转矩为：
[0021][0022]
其中，v为马达排量，p为回转马达工作压力，η0、ηj分别为回转马达机械效率、减速器机械效率，i0为液压马达到减速器的传动比，ηj为减速器机械效率，ηh为回转支承传动效率，ih为回转减速器到支撑回转台的传动比。
[0023]
作为本发明第一方面进一步的限定，根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到预估制动角度，包括：
[0024][0025]
其中，mz为上车机构回转支撑台的制动转矩，ηh为回转支承传动效率，ωh为开始制动时刻支撑回转台的回转速度，j为转动惯量。
[0026]
本发明第二方面提供了一种挖掘机安全回转防撞系统。
[0027]
一种挖掘机安全回转防撞系统，包括：
[0028]
数据获取模块，被配置为：获取挖掘机的液压马达转矩、液压马达转速以及液压马达位置；
[0029]
回转转速计算模块，被配置为：根据液压马达转速，得到上车机构回转转速；
[0030]
转动惯量计算模块，被配置为：根据液压马达转矩得到上车机构回转转矩，根据上车机构回转转矩在回转初始加速阶段计算转动惯量；
[0031]
预估制动角度计算模块，被配置为：根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到预估制动角度，根据预估制动角度进行制动控制；
[0032]
安全控制模块，被配置为：根据目标回转角度与当前已回转角度的差值，得到回转运动剩余角度，当预估制动角度与回转运动剩余角度相同，且无手柄制动信号时，强制关闭回转先导油路进行制动。
[0033]
作为本发明第二方面进一步的限定，目标回转角度的获取，包括：
[0034]
根据上车机构的回转位置以及障碍物的位置，得到极限安全回转角度，将极限安全回转角度减去设定角度，得到目标回转角度。
[0035]
作为本发明第二方面进一步的限定，根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到
预估制动角度，包括：
[0036][0037]
其中，mz为上车机构回转支撑台的制动转矩，ηh为回转支承传动效率，ωh为开始制动时刻支撑回转台的回转速度，j为转动惯量。
[0038]
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的挖掘机安全回转防撞方法中的步骤。
[0039]
本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的挖掘机安全回转防撞方法中的步骤。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0041]
1、本发明创新性的提出了一种挖掘机安全回转防撞方法及系统，提高了大惯性回转系统的定位精度和响应速度，降低了回转过程中由于制动距离的不确定引起的碰撞风险，提高了回转安全性。
[0042]
2、本发明创新性的提出了一种挖掘机安全回转防撞方法及系统，当制动角度估计值与回转运动剩余角度相等时，驾驶员仍然没有制动，此时发送制动指令，强制关闭回转先导油路进行制动，有效的保障了控制的安全性。
[0043]
3、本发明创新性的提出了一种挖掘机安全回转防撞方法及系统，根据上车机构的回转位置以及障碍物的位置，得到极限安全回转角度，将极限安全回转角度减去设定角度，得到目标回转角度，提供了足够的安全范围，避免了安全事故的发生。
附图说明
[0044]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0045]
图1为本发明实施例1提供的90
°
回转策略的验证示意图；
[0046]
图2为本发明实施例1提供的180
°
回转策略的验证示意图；
[0047]
图3为本发明实施例1提供的基于回转制动距离预估的回转策略原理示意图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0049]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0050]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0051]
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0052]
实施例1：
[0053]
本发明实施例1提供了一种挖掘机安全回转防撞方法，包括以下过程：
[0054]
s1：获取挖掘机的液压马达转矩、液压马达转速以及液压马达位置；
[0055]
s2：根据液压马达转速，得到上车机构回转转速；
[0056]
s3：根据液压马达转矩得到上车机构回转转矩，根据上车机构回转转矩在回转初始加速阶段计算转动惯量；
[0057]
s4：根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到预估制动角度，根据预估制动角度进行制动控制；
[0058]
s5：根据目标回转角度与当前已回转角度的差值，得到回转运动剩余角度，当预估制动角度与回转运动剩余角度相同，且无手柄制动信号时，强制关闭回转先导油路进行制动。
[0059]
具体的，s4中，预估制动角度的获取，包括：
[0060]
挖掘机回转制动时，在制动中制动减速度保持不变，即在挖掘机工作装置姿态及挖掘量保持一定时，制动转角只和制动时刻的转速有关。在这一过程中，减速度取决于制动转矩和转动惯量，根据转动惯量j及制动阻力矩m，可以推求制动减速度β＝m/j，因此为了预估回转制动转角需要获得回转过程的制动转矩和转动惯量。样机装有扭矩仪可以测量液压马达的转速ω0和驱动转矩m0，液压马达到减速器的传动比为i0，设减速器机械效率为ηj，可以得到回转减速器的工作转矩mj和工作转速ωj。
[0061]
mj＝m0×
i0×
ηjꢀꢀ
(1)
[0062]
ωj＝ω0/i0ꢀꢀ
(2)
[0063]
则回转制动角θz的值为：
[0064][0065]
ωh＝ωj/ihꢀꢀ
(4)
[0066]mz
＝mh＝mj×
ηh×
ihꢀꢀ
(5)
[0067]
式中θz(
°
)为回转制动角度；βz(rad/s2)为制动角加速度；t(s)为回转制动时间；ωh(rad/s)为开始制动时刻支撑回转台的回转速度；ωj(rad/s)为减速器工作回转速度；ih为回转减速器到支撑回转台的传动比；mz(n
·
m)为上车机构回转支撑台的制动转矩，mj(n
·
m)为回转减速器工作转矩；mh(n
·
m)为回转支撑台工作转矩；j为上车机构回转转动惯量，ηh为回转支承传动效率。
[0068][0069][0070][0071]
对于同一挖掘机，为定值，θ与j成正比、与成正比、与mz成反比。回转制动阶段溢流压力p和溢流排量v是恒定的，溢流压力和溢流排量与制动转矩的关系为：
[0072][0073]
式中，v(ml/r)是马达排量；p(mpa)为回转马达工作压力；η0、ηj分别为回转马达机械效率、减速器机械效率。
[0074]
因为在溢流制动阶段，p保持在溢流压力附近，v为定值，可知mz保持恒定，单动作回转时转动惯量j不发生改变，因此制动角加速度βz保持稳定，这一现象与实测结果相吻合。
[0075]
另外，对于挖掘机上车机构转动惯量及制动角度在线估计，为了推求制动角度，需要推求制动时刻的液压马达转速、液压马达制动转矩及回转过程的转动惯量。样机的液压马达转速可通过安装转速传感器获取；制动转矩依据制动过程溢流压力、马大排量等参数计算；在整个回转过程，挖掘机工作装置姿态及物料重量一定，回转过程转动惯量保持不变，转动惯量可以通过回转加速阶段的转速和转矩推求。
[0076]
此外，为了提高大惯性回转系统的定位精度和响应速度，降低回转过程中由于制动距离的不确定引起的碰撞风险，提高回转安全性，本文提出了基于制动距离预估，速度、位置复合反馈的控制策略。
[0077]
基本原理为：在回转过程中根据目标回转角度，进行大开度回转，通过采集回转过程液压马达的转速、转矩和回转位置，实时估算回转制动角位移，将制动角位移估算量作为制动提前量进行制动，在保证作业效率的前提下，提高回转过程的定位精度和回转安全性。
[0078]
在封闭环境或者有明显障碍物的作业环境中，通过获取挖掘机在回转时刻所处的位置以及与障碍物的距离，可以估算出此时的极限安全回转角度，将其减少一个大于10
°
(即设定角度，也可以根据其他具体工况进行合理选择，这里不再赘述)的角度作为回转角度的限值。当挖掘机回转时，设目标转动角度为θ
tar
。通过回转初始加速阶段计算转动惯量j，根据实时转速计算当前转速下对应的制动距离。如果回转进入了匀速阶段，则回转制动的角度θz′
是固定的角度，当回转一直处于加速阶段时，回转制动角度θz′
随着转速增加不断增大，需要实时计算回转制动角度的估计值。当制动角度估计值与回转运动剩余角度相等时，驾驶员仍然没有制动，此时发送制动指令，强制关闭回转先导油路进行制动，控制原理如图3所示。
[0079]
本实施例中，通过试验验证了回转安全控制策略的有效性，回转马达的转速、转矩仍从扭矩仪读取，挖掘机处水平地面上，满斗重载状态进行单动作回转运动，分别设定回转目标角度为90
°
、180
°
，相应的回转极限角度为100
°
、190
°
进行试验，控制器根据获取的回转过程状态量，计算回转过程制动时刻，自动发送指令进行制动。
[0080]
在90
°
回转试验中测试结果，如图1所示，回转过程共用时2.8s，制动用时2.5s。加速阶段，转矩达到最大值后，进行转动惯量计算，通过转动惯量和实时转速预估制动距离，在t＝3.8s时进行制动。实验数据如表1所示，回转定位偏差为5.5
°
。
[0081]
表1：90
°
回转策略试验结果。
[0082][0083]
180
°
回转试验中的测试结果，如图2所示，回转过程共用时3.6s，制动用时3.2s。试验数据如表2所示，回转定位偏差为8.3
°
。
[0084]
表2：180
°
回转策略试验结果。
[0085][0086]
90
°
和180
°
回转定位试验结果表明定位的偏差角在10
°
以内，考虑到预估回转制动距离的最大偏差为10
°
，测试的结果都符合预期，可以保证回转过程中设备的安全性，避免碰撞的发生。
[0087]
实施例2：
[0088]
本发明实施例2提供了一种挖掘机安全回转防撞系统，包括：
[0089]
数据获取模块，被配置为：获取挖掘机的液压马达转矩、液压马达转速以及液压马达位置；
[0090]
回转转速计算模块，被配置为：根据液压马达转速，得到上车机构回转转速；
[0091]
转动惯量计算模块，被配置为：根据液压马达转矩得到上车机构回转转矩，根据上车机构回转转矩在回转初始加速阶段计算转动惯量；
[0092]
预估制动角度计算模块，被配置为：根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到预估制动角度，根据预估制动角度进行制动控制；
[0093]
安全控制模块，被配置为：根据目标回转角度与当前已回转角度的差值，得到回转运动剩余角度，当预估制动角度与回转运动剩余角度相同，且无手柄制动信号时，强制关闭回转先导油路进行制动。
[0094]
所述系统的工作方法与实施例1提供的挖掘机安全回转防撞方法相同，这里不再赘述。
[0095]
实施例3：
[0096]
本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1所述的挖掘机安全回转防撞方法中的步骤。
[0097]
实施例4：
[0098]
本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的挖掘机安全回转防撞方法中的步骤。
[0099]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形
式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0100]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0101]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0102]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0103]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0104]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种挖掘机安全回转防撞方法，其特征在于，包括以下过程：获取挖掘机的液压马达转矩、液压马达转速以及液压马达位置；根据液压马达转速，得到上车机构回转转速；根据液压马达转矩得到上车机构回转转矩，根据上车机构回转转矩在回转初始加速阶段计算转动惯量；根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到预估制动角度，根据预估制动角度进行制动控制；根据目标回转角度与当前已回转角度的差值，得到回转运动剩余角度，当预估制动角度与回转运动剩余角度相同，且无手柄制动信号时，强制关闭回转先导油路进行制动。2.如权利要求1所述的挖掘机安全回转防撞方法，其特征在于，目标回转角度的获取，包括：根据上车机构的回转位置以及障碍物的位置，得到极限安全回转角度，将极限安全回转角度减去设定角度，得到目标回转角度。3.如权利要求1所述的挖掘机安全回转防撞方法，其特征在于，根据上车机构回转转矩在回转初始加速阶段计算转动惯量，包括：转动惯量为上车机构回转支撑台的制动转矩与制动减速度的比值，制动减速度通过上车机构回转转速相对于时间的导数得到。4.如权利要求1所述的挖掘机安全回转防撞方法，其特征在于，上车机构回转支撑台的制动转矩为：其中，v为马达排量，p为回转马达工作压力，η0、η
j
分别为回转马达机械效率、减速器机械效率，i0为液压马达到减速器的传动比，η
j
为减速器机械效率，η
h
为回转支承传动效率，i
h
为回转减速器到支撑回转台的传动比。5.如权利要求1所述的挖掘机安全回转防撞方法，其特征在于，根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到预估制动角度，包括：其中，m
z
为上车机构回转支撑台的制动转矩，η
h
为回转支承传动效率，ω
h
为开始制动时刻支撑回转台的回转速度，j为转动惯量。6.一种挖掘机安全回转防撞系统，其特征在于，包括：数据获取模块，被配置为：获取挖掘机的液压马达转矩、液压马达转速以及液压马达位置；回转转速计算模块，被配置为：根据液压马达转速，得到上车机构回转转速；转动惯量计算模块，被配置为：根据液压马达转矩得到上车机构回转转矩，根据上车机构回转转矩在回转初始加速阶段计算转动惯量；预估制动角度计算模块，被配置为：根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到预估制动角度，根据预估制动角度进行制动控制；
安全控制模块，被配置为：根据目标回转角度与当前已回转角度的差值，得到回转运动剩余角度，当预估制动角度与回转运动剩余角度相同，且无手柄制动信号时，强制关闭回转先导油路进行制动。7.如权利要求6所述的挖掘机安全回转防撞系统，其特征在于，目标回转角度的获取，包括：根据上车机构的回转位置以及障碍物的位置，得到极限安全回转角度，将极限安全回转角度减去设定角度，得到目标回转角度。8.如权利要求6所述的挖掘机安全回转防撞系统，其特征在于，根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到预估制动角度，包括：其中，m
z
为上车机构回转支撑台的制动转矩，η
h
为回转支承传动效率，ω
h
为开始制动时刻支撑回转台的回转速度，j为转动惯量。9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的挖掘机安全回转防撞方法中的步骤。10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5任一项所述的挖掘机安全回转防撞方法中的步骤。

技术总结
本发明提供了一种挖掘机安全回转防撞方法及系统，属于挖掘机安全控制技术领域。所述方法，包括：获取挖掘机的液压马达转矩、液压马达转速以及液压马达位置；根据液压马达转速，得到上车机构回转转速；根据液压马达转矩得到上车机构回转转矩，根据上车机构回转转矩在回转初始加速阶段计算转动惯量；根据转动惯量以及上车机构回转转速，得到预估制动角度，根据预估制动角度进行制动控制；根据目标回转角度与当前已回转角度的差值，得到回转运动剩余角度，当预估制动角度与回转运动剩余角度相同，且无手柄制动信号时，强制关闭回转先导油路进行制动。本发明提高了大惯性回转系统的定位精度和响应速度，降低了回转过程中由于制动距离的不确定引起的碰撞风险，提高了回转安全性。提高了回转安全性。提高了回转安全性。


技术研发人员：程勇 郭彪 蔡皓
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/5