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专利名称：一种作业目标定位系统与方法
技术领域：
本发明涉及工程机械领域，具体涉及一种作业目标定位系统与方法。
背景技术：
随着国内工程机械行业的竞争日渐激烈，加上工程机械价格昂贵，用户对工程机械的自动化程度和操作安全性的要求日益提高。目前，对于工程机械中作业目标的定位，即作业目标是否位于工程机械的机械臂的作业点，主要还是依赖于肉眼观察及手动控制，其存在定位精度不高，进而可能导致工程机械盲目作业的安全隐患，且因肉眼观察和手动控制导致作业定位时间过长，致使定位效率低下。故，亟待提供一种能快速且精确定位的作业目标的定位系统，以提升工程机械作业的自动化程度和安全的可控性。

发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷和不足，本发明的第一目的在于提供一种有效的作业目标定位系统，包括设置于工程机械的机械臂上的光电传感装置、设置于作业目标上的反射装置、控制装置；所述光电传感装置用于发射光线，并接收所述反射装置反射的光线，以及根据接收到的反射光线产生电信号；所述反射装置用于反射所述光电传感装置发射的光线；所述控制装置用于在所述电信号的幅度大于预设阈值时确定所述作业目标位于所述机械臂的作业点。进一步地，所述控制装置包括第一控制器，用于控制所述工程机械的机械臂沿X轴及Y轴方向运动；第二控制器，与所述第一控制器电气连接，用于在所述工程机械的机械臂沿X轴方向运动且所述电信号的幅度大于第一预设值时，确定所述作业目标位于所述机械臂的第一作业点；并在所述工程机械的机械臂沿Y轴方向运动且所述电信号的幅度大于第二预设值时，确定所述作业目标位于所述机械臂的第二作业点；以及根据所述机械臂的第一作业点及第二作业点，确定所述机械臂的作业点；其中，所述预设阈值包括所述第一预设值及第二预设值。进一步地，作业目标定位系统还包括振荡调制装置，与所述控制装置电气连接，用于生成用于控制光线发射的调制信号，并将所述调制信号发送至所述光电传感装置。进一步地，所述光电传感装置生成的电信号为电流信号；所述作业目标定位系统还包括电流/电压转换装置，用于接收所述光电传感装置发送的电流信号，并将所述电流信号转换为电压信号，以及将所述电压信号发送至所述控制装置。进一步地，所述光电传感装置包括用于发射红外光的红外光发射单元。进一步地，所述光电传感装置还包括光敏接收单元，用于接收所述反射装置反射的红外光，以及根据接收到的反射红外光产生所述电流信号。
进一步地，所述反射装置为反光棱镜板。为了克服现有技术的上述缺陷和不足，本发明的第二目的在于提供一种作业目标定位方法，包括设置于工程机械的机械臂上的光电传感装置发射光线；设置于作业目标上的反射装置反射所述光电传感装置发射的光线；所述光电传感装置接收所述反射装置反射的光线，以及根据接收到的反射光线产生电信号；控制装置在所述电信号的幅度大于预设阈值时确定所述作业目标位于所述机械臂的作业点。 进一步地，在所述设置于作业目标上的反射装置反射所述光电传感装置发射的光线的步骤之前还包括所述控制装置控制所述工程机械的机械臂沿X轴及Y轴方向运动。进一步地，所述控制装置在所述电信号的幅度大于预设阈值时确定所述作业目标位于所述机械臂的作业点的步骤包括所述控制装置在所述工程机械的机械臂沿X轴方向运动且所述电信号的幅度大于第一预设值时，确定所述作业目标位于所述机械臂的第一作业点；并在所述工程机械的机械臂沿Y轴方向运动且所述电信号的幅度大于第二预设值时，确定所述作业目标位于所述机械臂的第二作业点；以及根据所述机械臂的第一作业点及第二作业点，确定所述机械臂的作业点；其中，所述预设阈值包括所述第一预设值及第二预设值。本发明作业目标定位系统及方法通过利用光电传感装置发光及接收光，进而通过控制器在接收的光线对应的电信号大于预设阈值时确定作业目标位于机械臂的作业点，提供了一种自动化、精确定位的作业目标定位系统。


图I为本发明作业目标定位系统的实施例结构示意图；图2为本发明作业目标定位系统的光路简图；图3为本发明作业目标定位方法的实施例流程图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图I所示，本发明作业目标定位系统实施例包括光电传感装置I、反射装置3、控制装置5 ;其中，光电传感装置I设置于工程机械的机械臂上(如臂架末端)，用于发射光线，并接收反射装置3反射的光线，以及根据接收到的反射光线产生电信号；反射装置3设置于作业目标上，用于反射光电传感装置I发射的光线；
控制装置5用于在电信号的幅度大于预设阈值时确定作业目标位于机械臂的作业点。其中，该预设阈值可以参考一般情况下在作业目标位于机械臂的作业点时，光电传感装置I根据接收到的反射光线对应产生电信号的幅度大小来确定。可以理解的是，本实施例主要通过光电传感装置I接收反射装置3的反射光线所对应电流的大小来衡量机械臂与作业目标的距离，在机械臂与作业目标的距离在合理的范围(即满足机械臂可以对作业目标正常作 业)时，作业目标上的反射装置3能够接收一定量的从机械臂上的光电传感装置I发射出来的光线，相应地，光电传感装置I也能接收一定量的从反射装置3反射的光线，从而产生大于上述预设阈值的电信号。具体操作时，为了实现机械臂与作业目标的距离调节，可以将机械臂沿着各个方向移动，直至光电传感装置I产生的电信号大于上述预设阈值，然而，机械臂无规律移动可能会导致很多无益于机械臂与作业目标的距离调节的运动；优选地，为了提高作业目标定位的效率，可以通过控制工程机械的机械臂沿着X轴及Y轴方向运动，以对作业目标沿着X轴及Y轴方向扫描；相应地，控制装置5可以包括第一控制器51，用于控制工程机械的机械臂沿X轴及Y轴方向运动；具体操作时，第一控制器51可以为工程机械中已有的实现各种控制功能的控制器；第二控制器53,与第一控制器51电气连接,用于在工程机械的机械臂沿X轴方向运动且电信号的幅度大于第一预设值时，确定作业目标位于机械臂的第一作业点；并在工程机械的机械臂沿Y轴方向运动且电信号的幅度大于第二预设值时，确定作业目标位于机械臂的第二作业点；以及根据第一作业点及第二作业点，确定机械臂的作业点；其中，预设阈值包括第一预设值及第二预设值，第一预设值与第二预设值的大小可以相同，也可以不同，视具体情况而定；具体操作时，第二控制器53可以是为实现作业目标定位功能而增设的单片机，第一控制器51及第二控制器53之间可以经过CAN总线连接，实现单向或双向通信。由上述描述可知，由于机械臂的运动维度分为X轴及Y轴两个维度，分别在两个运动维度上确定第一作业点及第二作业点，进而根据第一作业点及第二作业点确定最终作业点，能提闻定位的效率。具体操作时，根据第一作业点及第二作业点确定机械臂的作业点的操作可以先确定第一作业点再确定第二作业点，如确定第一作业点对应的坐标为(1，O)后，保持X=I不变，调整Y轴的坐标，如在坐标(1，I)确定电信号的幅度大于第二预设值，则坐标(1，I)对应为机械臂作业点对应的坐标；当然，还可以先确定第二作业点再确定第一作业点，或者，首先分别第一作业点，如对应坐标为(1，0)，与第二作业点，如对应坐标为(0，1)，然后，确定机械臂的作业点，对应坐标为(1，I)。可以理解的是，大于第一预设值的均为第一作业点，可以有多个点满足条件，同理适用第二作业点。优选地，为了提升光电传感装置I发射光线的强度，上述作业目标定位系统还可以包括振荡调制装置7，其与控制装置5电气连接，用于生成用于控制光线发射的调制信号，并将调制信号发送至光电传感装置1，以使光电传感装置I发出调制光线。优选地，为了保证光线的抗干扰性，光电传感装置I中的光发射单元可以采用用于发射红外光的红外光发射单元11;进一步优选地，为了在保证光线接收品质的前提下降低成本，光电传感装置I中的光接收单元可以采用光敏接收单元13，光敏接收单元13用于接收反射装置3反射的红外光，以及根据接收到的反射红外光产生电流信号。需要说明的是，红外光发射单元11由发出光线的红外发射管111 (如图2所示)及光发射电路中其他常用的电路元件组成，在此不对红外光发射单元11的具体电路结构赘述，一般常用的光发射电路均可应用于本实施例；同样，光敏接收单元13包括光敏接收管131 (详见图2，如光敏三极管)及光接收电路中其他常用的电路元件，在此不对光敏接收单元13的具体电路结构赘述，一般常用的光接收电路(可以包含常见的放大和滤波功能)均可应用于本实施例；此外，为了进一步保证光电传感装置I的发光效果，光电传感装置I还可以包括如图2所示的透镜15。优选地，在光电传感装置I产生的电信号为电流信号时，为了提高作业目标定位精度，作业目标定位系统还包括电流/电压转换装置9，用于接收光电传感装置I发送的电流信号，并将电流信号转换为电压信号，以及将电压信号发送至控制装置5。
需要说明的是，在不采用电流/电压转换装置9的情况下，上述预设阈值、第一预设值及第二预设值均与光电传感装置I产生的电信号对应，如光电传感装置I产生的电信号为电流信号时，上述预设阈值、第一预设值及第二预设值均为一定大小的电流值，控制器5直接比对电信号的幅度与预设阈值或直接比对电信号的幅度与第一预设值及第二预设值，进而根据比对结果确定作业目标是否位于机械臂的作业点；在采用电流/电压转换装置9的情况下，控制器5不直接比对电信号的幅度与预设阈值、第一预设值及第二预设值，而是比对经电信号转换得到的电压信号的幅度与对应预设的电压阈值，进而根据两个电压值的比对结果确定作业目标是否位于机械臂的作业点；可以理解的是，由于电压信号与转换前的电信号有确定的比例关系，故比对电信号的幅度与预设阈值与比对经电信号转换得到的电压信号的幅度与对应预设的电压阈值均可以实现判定作业目标是否位于机械臂的作业点的目的。具体操作时，反射装置3可以为如图2所示的反光棱镜板31，如六角棱镜反光板。结合图I及图2，上述作业目标定位系统工作原理简述如下光电传感装置I中的红外光发射单元11发射红外光，光电传感装置I中的透镜会对发射光源的角度和焦距控制至最佳参数，第一控制器51可以控制机械臂首先沿X轴方向移动，对作业目标进行X轴方向上的定位扫描，光电传感装置I的光敏接收单元13可以对基于接收的反射光产生的电流信号进行放大和滤波，并通过电流/电压转换装置9实现电流信号到电压信号的转换，第二控制器53比对电压信号的幅值与第一预设值，在电压信号的幅值大于第一预设值时，说明 作业目标上的反射装置3已经接收了一定量的光线，即反射装置3与光电传感装置I在X轴方向上的位置临近，亦说明反射装置3的安装位置-作业目标与光电传感装置I的安装位置机械臂在X轴方向上的位置临近，或者说，作业目标已经位于机械臂的X作业点(也可以称为第一作业点)；此后，第一控制器51可以控制机械臂沿Y轴方向移动，对作业目标进行Y轴方向上的定位扫描，光电传感装置I的光敏接收单元13可以对基于接收的反射光产生的电流信号进行放大和滤波，并通过电流/电压转换装置9实现电流信号到电压信号的转换，第二控制器53比对电压信号的幅值与第二预设值，在电压信号的幅值大于第二预设值时，说明作业目标上的反射装置3已经接收了一定量的光线，即反射装置3与光电传感装置I在Y轴方向上的位置临近，亦说明作业目标已经位于机械臂的Y作业点(也可以称为第二作业点);在作业目标已经位于机械臂的X作业点及Y作业点后，定位结束，第二控制器53可以将定位完成信号发送至第一控制器51，第一控制器51控制机械臂实施作业操作。本实施例通过利用光电传感装置发光及接收光，进而通过控制器在接收的光线对应的电信号大于预设阈值时确定作业目标位于机械臂的作业点，提供了一种自动化、精确定位的作业目标定位系统；优选地，通过控制机械臂沿着X、Y轴方向运动进而实现对作业目标X、Y轴方向的扫描，提高了定位的效率；优选地，利用光敏三极管作为敏感器件，降低成本。本发明作业目标定位方法实施例如图3所示，图I及图2的解释说明均可以适用于本方法实施例，该方法可以包括步骤300，设置于工程机械的机械臂上的光电传感装置发射光线；步骤302，设置于作业目标上的反射装置反射光电传感装置发射的光线；步骤304，光电传感装置接收反射装置反射的光线，以及根据接收到的反射光线产生电信号；步骤306，控制装置在电信号的幅度大于预设阈值时确定作业目标位于机械臂的作业点。在步骤302之前还包括控制装置控制工程机械的机械臂沿X轴及Y轴方向运动；进一步地,上述步骤306包括控制装置在工程机械的机械臂沿X轴方向运动且电信号的幅度大于第一预设值时，确定作业目标位于机械臂的第一作业点；并在工程机械的机械臂沿Y轴方向运动且电信号的幅度大于第二预设值时，确定作业目标位于机械臂的第二作业点；以及根据机械臂的第一作业点及第二作业点，确定机械臂的作业点；其中，预设阈值包括第一预设值及第二预设值。本发明作业目标定位方法实施例通过利用光电传感装置发光及接收光，进而通过控制器在接收的光线对应的电信号大于预设阈值时确定作业目标位于机械臂的作业点，能实现对作业目标自动化、精确地定位；优选地，通过控制机械臂沿着X、Y轴方向运动，并利用红外光作为光源的强抗干扰特点，且利用低成本的光敏接收管接收光线，提高了对作业 目标定位的效率。以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
权利要求
1.ー种作业目标定位系统,其特征在于,包括设置于工程机械的机械臂上的光电传感装置(I )、设置于作业目标上的反射装置(3 )和控制装置(5 ); 所述光电传感装置(I)用于发射光线，并接收所述反射装置(3)反射的光线，以及根据接收到的反射光线产生电信号； 所述反射装置(3)用于反射所述光电传感装置(I)发射的光线； 所述控制装置(5 )用于在所述电信号的幅度大于预设阈值时确定所述作业目标位于所述机械臂的作业点。
2.根据权利要求I所述的作业目标定位系统，其特征在于，所述控制装置(5)包括 第一控制器(51)，用于控制所述工程机械的机械臂沿X轴及Y轴方向运动； 第二控制器(53)，与所述第一控制器(51)电气连接，用于在所述工程机械的机械臂沿X轴方向运动且所述电信号的幅度大于第一预设值时，确定所述作业目标位于所述机械臂的第一作业点；并在所述工程机械的机械臂沿Y轴方向运动且所述电信号的幅度大于第二预设值时，确定所述作业目标位于所述机械臂的第二作业点；以及根据所述机械臂的第一作业点及第ニ作业点，确定所述机械臂的作业点； 其中，所述预设阈值包括所述第一预设值及第ニ预设值。
3.根据权利要求I或2所述的作业目标定位系统，其特征在于，还包括振荡调制装置(7),与所述控制装置(5)电气连接，用于生成用于控制光线发射的调制信号，并将所述调制信号发送至所述光电传感装置(I)。
4.根据权利要求I或2所述的作业目标定位系统，其特征在于，所述光电传感装置(I)生成的电信号为电流信号； 所述作业目标定位系统还包括电流/电压转换装置(9)，用于接收所述光电传感装置(I)发送的电流信号，并将所述电流信号转换为电压信号，以及将所述电压信号发送至所述控制装置(5)。
5.根据权利要求4所述的作业目标定位系统，其特征在干，所述光电传感装置(I)包括用于发射红外光的红外光发射单元(U)。
6.根据权利要求5所述的作业目标定位系统，其特征在于，所述光电传感装置(I)还包括光敏接收单元(13)，用于接收所述反射装置(3)反射的红外光，以及根据接收到的反射红外光产生所述电流信号。
7.根据权利要求I或2所述的作业目标定位系统，其特征在于，所述反射装置(3)为反光棱镜板。
8.—种作业目标定位方法，其特征在于，包括 设置于工程机械的机械臂上的光电传感装置发射光线； 设置于作业目标上的反射装置反射所述光电传感装置发射的光线； 所述光电传感装置接收所述反射装置反射的光线，以及根据接收到的反射光线产生电信号; 控制装置在所述电信号的幅度大于预设阈值时确定所述作业目标位于所述机械臂的作业点。
9.根据权利要求8所述的作业目标定位方法，其特征在干，在所述设置于作业目标上的反射装置反射所述光电传感装置发射的光线的步骤之前还包括所述控制装置控制所述工程机械的机械臂沿X轴及Y轴方向运动。
10.根据权利要求9所述的作业目标定位方法，其特征在于，所述控制装置在所述电信号的幅度大于预设阈值时确定所述作业目标位于所述机械臂的作业点的步骤包括 所述控制装置在所述工程机械的机械臂沿X轴方向运动且所述电信号的幅度大于第ー预设值时，确定所述作业目标位于所述机械臂的第一作业点；并在所述工程机械的机械臂沿Y轴方向运动且所述电信号的幅度大于第二预设值时，确定所述作业目标位于所述机械臂的第二作业点；以及根据所述机械臂的第一作业点及第ニ作业点，确定所述机械臂的作业点； 其中，所述预设阈值包括所述第一预设值及第ニ预设值。
全文摘要
本发明提出了一种作业目标定位系统与方法，其中，该种作业目标定位系统包括设置于工程机械的机械臂上的光电传感装置、设置于作业目标上的反射装置、控制装置；光电传感装置用于发射光线，并接收反射装置反射的光线，以及根据接收到的反射光线产生电信号；反射装置用于反射光电传感装置发射的光线；控制装置用于在电信号的幅度大于预设阈值时确定作业目标位于机械臂的作业点。本发明能实现对作业目标自动化、精确地定位。
文档编号G01S17/66GK102662177SQ20121013791
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者王汉其, 聂周 申请人:三一重工股份有限公司