自主機(jī)器人挖掘機(jī)卡車(chē)裝載

1、. . . . 自主機(jī)器人7，175，186（1999）°1999學(xué)術(shù). 在荷蘭制造的。 自主機(jī)器人挖掘機(jī)卡車(chē)裝載 安東尼STENTZ，約翰BARES，SANJIV辛格和帕特里克ROWE的 機(jī)器人研究所，卡基 - 梅隆大學(xué)，匹茲堡，PA15213 摘要。挖掘機(jī)是用于迅速清除土壤和其他材料，礦山，采石場(chǎng)，建筑。這些機(jī)器的自動(dòng)化提供了提高生產(chǎn)力和改善安全的承諾。到今天為止，大多數(shù)在這方面的研究已經(jīng)集中在選定的部分問(wèn)題。在本文中，我們提出了一個(gè)系統(tǒng)，完全自動(dòng)化裝車(chē)任務(wù)。挖掘機(jī)使用兩個(gè)激光掃描測(cè)距儀承認(rèn)和本地化的卡車(chē)，測(cè)量土壤表面，探測(cè)障礙物。挖掘機(jī)的軟件決定在哪里挖土，傾倒在卡車(chē)，以與如何

2、快速地在這些點(diǎn)之間移動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)和停止障礙。該系統(tǒng)全面實(shí)施，被證明為人工操作的快速加載的卡車(chē)。關(guān)鍵詞：自主挖掘，挖掘機(jī)器人，機(jī)器人系統(tǒng)集成，激光測(cè)距儀，軟件建筑，機(jī)械手，挖規(guī)劃1。引言 金屬表面采礦，采石，公路建設(shè)需要迅速清除處理龐大數(shù)量的土壤，礦石和巖石。通常情況下，使用爆炸或機(jī)械技術(shù)研磨材料，挖機(jī)等作為挖掘機(jī)裝載到運(yùn)輸卡車(chē)的材料到堆填區(qū)，倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)，或加工廠。如圖。 1，坐在一臺(tái)挖掘機(jī)和一條長(zhǎng)凳上面負(fù)荷材料到卡車(chē)，排隊(duì)到其副作用。 操作員負(fù)責(zé)為指定的卡車(chē)在哪里應(yīng)公園，挖材料的臉和存放車(chē)床上，并為人們停止在裝貨區(qū)和障礙。 自動(dòng)化的機(jī)會(huì)是巨大的。通常情況下，裝載車(chē)需要幾個(gè)通行證，每個(gè)其中需要15至

3、20秒。減少每次甚至第二個(gè)轉(zhuǎn)換成一個(gè)巨大的裝載通獲得橫跨整個(gè)作業(yè)。運(yùn)營(yíng)商的表現(xiàn)峰早在輪班工作和為降低轉(zhuǎn)變穿著上。預(yù)定空閑時(shí)間，如午餐，其他休息時(shí)間，也降低平均生產(chǎn)跨越轉(zhuǎn)變。所有這些因素是地方的自動(dòng)化可以提高生產(chǎn)率。 安全是另一個(gè)機(jī)會(huì)。安裝和拆卸機(jī)器時(shí)，挖掘機(jī)經(jīng)營(yíng)者是最容易受傷的。運(yùn)營(yíng)商往往把重點(diǎn)放在手頭的任務(wù)，可能沒(méi)有注意到其他的現(xiàn)場(chǎng)工作人員或設(shè)備進(jìn)入裝貨區(qū)。自動(dòng)化可以提高安全刪除操作其外機(jī)，并提供完整的傳感器覆蓋圍，注意潛在的危險(xiǎn)，進(jìn)入工作區(qū)。 圖1。挖掘機(jī)裝在一個(gè)典型的質(zhì)量與土壤的卡車(chē)挖掘工作的情況。 許多研究人員已經(jīng)解決了土方機(jī)械自動(dòng)化方面辛格（1997）。最低和最常見(jiàn)的自動(dòng)化水平一直遙

4、。通常情況下，經(jīng)營(yíng)者為了安全起見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)拆除。構(gòu)成危險(xiǎn)的人，如發(fā)現(xiàn)埋藏的彈藥（Nease和亞歷山大，1993年）和廢物（伯克斯等人，1992年; Wohlford等，1990。）周?chē)窆檬聵I(yè)，或挖掘的應(yīng)用程序中使用遙控輪式挖掘機(jī)。開(kāi)挖人工操作周期的共享控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高水平的自主權(quán)。通常情況下，這些系統(tǒng)（Bradley等，1993;布洛克和奧本海姆，1989年，黃和Bernold，1994年杠桿等人，1994年。Rocke，1994年，酒井和Cho，1988; Salcudean等，1997; Sameshima和tozawa，1992年。西沃德等，1992），專(zhuān)注于挖掘過(guò)程。操作員選擇挖掘機(jī)的

5、斗的開(kāi)始位置和控制系統(tǒng)，灌裝桶，使用武力和/或關(guān)節(jié)位置反饋來(lái)完成任務(wù)的過(guò)程中需要。在自治的一個(gè)新的水平，是系統(tǒng)自動(dòng)選擇的地方挖。這樣的系統(tǒng)，測(cè)量地形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用測(cè)距傳感器（豐等，1992;辛格，1995年，高橋，1995年）和計(jì)算的掏軌跡，最大限度地挖掘量。在最高水平的自治系統(tǒng)，挖掘了長(zhǎng)期的業(yè)務(wù)（布洛克等人，1990年，羅梅羅 - 洛伊絲等，1989;辛格，1998年）的序列。 之前的工作涉與許多子的重要自主卡車(chē)裝載，然而，以派出一個(gè)完全自動(dòng)化的系統(tǒng)，必須不僅僅是挖掘解決在執(zhí)行水平相當(dāng)于手動(dòng)操作，更廣泛的問(wèn)題集。傳感器都需要感受到挖臉，識(shí)別和本地化的卡車(chē)，并檢測(cè)在工作區(qū)中的障礙。感知算法需

6、要處理傳感器數(shù)據(jù)，并提供有關(guān)的工作環(huán)境中的信息來(lái)規(guī)劃算法。規(guī)劃和控制算法的需要來(lái)決定如何在卡車(chē)挖面，存款材料，兩者之間的移動(dòng)桶。 我們已經(jīng)制定了完整的系統(tǒng)裝載卡車(chē)與軟質(zhì)材料，如土壤完全自主。自治區(qū)加載系統(tǒng)（ALS）的實(shí)施，展示了一個(gè)25噸的液壓挖掘機(jī)，并成功地在裝貨卡車(chē)作為一個(gè)專(zhuān)家的人工操作快。本文的其余部分介紹了從實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)ALS和禮物的結(jié)果。2。系統(tǒng)概述 自治區(qū)加載系統(tǒng)使用兩個(gè)激光掃描測(cè)距儀任挖掘機(jī)的聯(lián)動(dòng)方（見(jiàn)圖2）安裝感應(yīng)掏面，卡車(chē)，并在工作區(qū)中的障礙。兩個(gè)掃描儀所需的工作區(qū)的全覆蓋，使并發(fā)感應(yīng)操作。每個(gè)傳感器都擁有一個(gè)12 kHz的采樣率，和電動(dòng)鏡掃描光束圓一個(gè)垂直平面。約1800提供的

7、傳感器數(shù)據(jù)每秒30圈的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的鏡子。此外，每個(gè)掃描儀可以平移速度可達(dá)每秒120度，使這個(gè)圈子里是方位旋轉(zhuǎn)，如圖所示。 3。該激光器有一個(gè)200米的有效圍和眼安全當(dāng)鏡子旋轉(zhuǎn)。圖2。傳感器安裝在挖掘機(jī)。 圖3。兩軸掃描傳感器的配置。 超過(guò)運(yùn)營(yíng)商的駕駛室位置的掃描儀被稱(chēng)為“左掃描儀”，它是負(fù)責(zé)傳感挖掘機(jī)左側(cè)工作區(qū)。 “掃描儀”，這是在位于對(duì)稱(chēng)位置上的權(quán)利，是負(fù)責(zé)傳感挖掘機(jī)工作區(qū)的右側(cè)。 挖掘機(jī)的使用在以下時(shí)尚掃描儀時(shí)，裝載車(chē)（圖4）。挖掘機(jī)挖第一桶，左邊的掃描儀盤(pán)左自掏面，整個(gè)卡車(chē)探測(cè)障礙物，并承認(rèn)，本地化，并測(cè)量卡車(chē)的尺寸。使用此信息，計(jì)劃在卡車(chē)所需的位置，傾倒的物質(zhì)，并朝卡車(chē)桶波動(dòng)。在此揮桿運(yùn)

8、動(dòng)，正確的掃描儀鍋跨挖臉留下來(lái)衡量其新的表面，并挖下一個(gè)位置計(jì)算。正確的掃描儀繼續(xù)向平移卡車(chē)。 后土壤被傾倒入卡車(chē)，平底鍋橫跨挖面對(duì)正確的掃描儀檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方式上的障礙。挖掘機(jī)擺動(dòng)的下挖點(diǎn)。在此揮桿，左邊的掃描儀平底鍋橫跨卡車(chē)，在車(chē)床上測(cè)量土壤中的分布，并計(jì)算出未來(lái)所需的轉(zhuǎn)儲(chǔ)位置。這個(gè)過(guò)程重復(fù)，其后每裝載通，直到卡車(chē)，卡車(chē)識(shí)別異常，只為每個(gè)新卡車(chē)的第一道關(guān)口的必要。通常情況下，6個(gè)與格，需要我們與我們的挖掘機(jī)試驗(yàn)臺(tái)20噸重的卡車(chē)裝載。 圖4。傳感器配置的頂視圖。所有的感知和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軟件運(yùn)行在一個(gè)板上的4個(gè)MIPS處理器陣列。軟件架構(gòu)如圖。5。箱子是軟件模塊，可以運(yùn)行在系統(tǒng)中的處理器之一。界，如傳

9、感器的硬件組件。線代表不同的軟件模塊之間的溝通渠道。傳感器接口接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)掃描儀的數(shù)據(jù)和控制設(shè)備的平移運(yùn)動(dòng)。從接口的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)掃描線的處理器，他們是從球形，傳感器坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)，世界坐標(biāo)定位系統(tǒng)使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這些立體圍的點(diǎn)，然后提供給他們需要任何知覺(jué)的軟件模塊。這種傳感器數(shù)據(jù)處理的消費(fèi)者之一是卡車(chē)識(shí)別器，識(shí)別卡車(chē)和措施，其尺寸和位置。兩個(gè)人都掏點(diǎn)規(guī)劃，計(jì)劃的侵蝕挖面的序列掏點(diǎn)，傾點(diǎn)策劃，該計(jì)劃的自卸卡車(chē)床土壤裝入點(diǎn)序列。第四個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)消費(fèi)，障礙物探測(cè)器，數(shù)據(jù)處理，從掃描儀，是在挖掘機(jī)的議案提前清掃，并發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求停止機(jī)器，如果在其路徑中檢測(cè)到障礙物。收到的議案規(guī)劃者和使用信息的產(chǎn)

10、生是由傳感器數(shù)據(jù)的消費(fèi)者。期間在指定的位置挖挖的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃控制的挖掘機(jī)。傾銷(xiāo)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃轉(zhuǎn)儲(chǔ)斗卡車(chē)和返回掏面的土壤。傳感器的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃控制平移先前描述的情況，協(xié)調(diào)兩個(gè)掃描器掃描儀和挖掘機(jī)的議案。機(jī)控制器接口通信命令低水平機(jī)聯(lián)合控制器，執(zhí)行命令和挖掘機(jī)的狀態(tài)信息發(fā)送到規(guī)劃模塊。 圖5。ALS軟件架構(gòu)。3。硬件子系統(tǒng)ALS的硬件子系統(tǒng)組成伺服控制挖掘機(jī)，車(chē)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，感知傳感器與相關(guān)電子產(chǎn)品。在本文中，我們主要集中提供卡車(chē)被識(shí)別的數(shù)據(jù)感知傳感器，掏位置選擇，避免障礙，并最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)挖過(guò)程。與土方的目標(biāo)應(yīng)用程序中，我們集中于發(fā)展基于激光掃描系統(tǒng)，將能夠滲透在空氣中的塵埃和煙霧的合理數(shù)量。激光本身需要

11、能夠準(zhǔn)確地測(cè)量圍從各種靶材料（如金屬，木材，泥土，巖石，雪，冰，水），顏色和紋理。我們還需要一個(gè)系統(tǒng)，這將是強(qiáng)大的保護(hù)“退出”窗口（玻璃或塑料保護(hù)激光和光學(xué)從天氣和污垢，雖然允許光束通過(guò)）上的灰塵和污垢積累。在過(guò)去十年中，已生產(chǎn)各種基于激光掃描儀。與多尼爾（Shulz，1997年）和施瓦茨（施瓦茨）掃描儀的例外，大部分都被研究設(shè)備或只限于室使用。沒(méi)有，我們知道的地址粉塵穿透或部分閉塞（即臟）退出窗口的問(wèn)題。 我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出兩種不同的飛行時(shí)間掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)，可以在使用環(huán)境灰塵的合理金額。第一次使用“最后一個(gè)脈沖”技術(shù)，觀察返回的光波形，并拒絕從部反射，可能會(huì)出現(xiàn)的一個(gè)骯臟的退出窗口關(guān)閉，或從塵

12、埃云遮擋的目標(biāo)（見(jiàn)圖6）的早期回報(bào)。在一般情況下，下一個(gè)到最后一個(gè)脈沖的回報(bào)是因灰塵在現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)看到一個(gè)正常的“第一個(gè)脈沖”測(cè)距儀指示。例如，在圖。 6，第一個(gè)脈沖測(cè)距儀檢測(cè)臟退出窗口，將無(wú)法“看到”的目標(biāo)。窗口，即使是干凈的，第一個(gè)脈沖單元仍然會(huì)“看到”的塵埃云，而不是目標(biāo)。 圖6。最后脈沖檢測(cè)的概念。由于拒絕退出窗口關(guān)閉的反射與去年脈沖技術(shù)，可環(huán)境密封裝置使用一種廉價(jià)的透明蓋，沒(méi)有光學(xué)完美或清潔。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是激光系統(tǒng)也可以報(bào)告多個(gè)返回發(fā)生時(shí)，給予警告，灰塵存在。這是很重要的，因?yàn)樵趬m土飛揚(yáng)的情況下下降，整體圍的可靠性和準(zhǔn)確性，所以一個(gè)獨(dú)立的機(jī)器，可能需要采取較慢，較保守的議案戰(zhàn)略。有，然而，

13、去年的脈沖測(cè)距的限制。當(dāng)或相鄰的一個(gè)塵埃云的目標(biāo)是，接收電子可以有難以分離的灰塵和目標(biāo)回報(bào)（見(jiàn)圖7）。我們已經(jīng)建立了第二粉塵穿透掃描系統(tǒng)，目標(biāo)識(shí)別定位“”最后的回波信號(hào)的下降沿見(jiàn)圖。 7。像去年的脈沖系統(tǒng)，該設(shè)備也很強(qiáng)大，退出窗口的閉塞，使其建筑與采礦環(huán)境的理想選擇。尾隨的邊緣檢測(cè)技術(shù)雖然放棄一定圍的精度，我們相信這是一個(gè)優(yōu)越環(huán)境中的灰塵可能會(huì)經(jīng)常圍繞目標(biāo)的方法。電視監(jiān)視器描繪圖。8所示圍的點(diǎn)繪制從一個(gè)單一的最后一個(gè)脈沖下降沿掃描器掃描線。從左邊的圍增加顯示器的右側(cè)。自卸車(chē)后部頂端的監(jiān)視器屏幕上顯示的掃描。屏幕底部顯示掃描一樣的卡車(chē)，但在沉重的塵埃云籠罩。需要注意的是最后一個(gè)脈沖裝置是無(wú)法分開(kāi)

14、，從卡車(chē)上的塵埃云和報(bào)告云鋒。尾隨的邊緣設(shè)備正確地報(bào)告圍的卡車(chē)，無(wú)論灰塵的存在。 圖7。下降沿檢測(cè)目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)是在塵埃云掩蓋。重要的是要注意身體非常沉重的灰塵水平的回報(bào)低于探測(cè)點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)衰減的限制，同時(shí)灰塵穿透技術(shù)。 圖8。最后目標(biāo)是塵埃云時(shí)，與尾隨的邊緣檢測(cè)脈沖。4。軟件子系統(tǒng)軟件子系統(tǒng)包括多個(gè)軟件模塊過(guò)程中的傳感器數(shù)據(jù)，識(shí)別卡車(chē)，選擇挖掘和傾倒地點(diǎn)，移動(dòng)挖掘機(jī)的關(guān)節(jié)，對(duì)碰撞后衛(wèi)。在本節(jié)中，描述了軟件架構(gòu)中的關(guān)鍵軟件模塊采用的算法。4.1?？ㄜ?chē)識(shí)別為了正確地裝入一輛卡車(chē)，挖掘機(jī)操作員必須確認(rèn)它是一種可裝載的車(chē)輛，確定其位置，并確定其尺寸。這個(gè)信息是必不可少的計(jì)算裝載策略，并為實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略計(jì)劃

15、聯(lián)合提案的序列。裝載機(jī)是在某些情況下，如露天采礦，礦山自有船隊(duì)的運(yùn)輸卡車(chē)服務(wù)。自動(dòng)化系統(tǒng)可以獲取由卡車(chē)每輛卡車(chē)配備全球定位系統(tǒng)（GPS），傳感器和識(shí)別應(yīng)答信息。然而，在其他情況下，如公路建設(shè)，裝載機(jī)是由一個(gè)獨(dú)立經(jīng)營(yíng)的各種服務(wù)，公路卡車(chē)不同的尺寸，所以每個(gè)和每車(chē)配備這樣的傳感器，可能是不可行的。對(duì)于這樣的情況下，一個(gè)自動(dòng)化的系統(tǒng)可以使用測(cè)距儀的數(shù)據(jù)獲取必要的信息。使用圍的卡車(chē)識(shí)別傳感器數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別，定位，尺寸運(yùn)輸卡車(chē)。作為挖掘機(jī)挖其土壤中的第一桶，左邊的掃描儀平底鍋橫跨卡車(chē)停放挖掘機(jī)的一面，這是假設(shè)。如圖傳感器原始數(shù)據(jù)。9。掃描儀盤(pán)由右至左30±/ s的，所以從90±部門(mén)的

16、工作區(qū)的數(shù)據(jù)將需要3秒獲得。每個(gè)掃描線相交垂直掃描平面與卡車(chē)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)，返回一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鏡子。每個(gè)掃描線被加工成線，與其他掃描線共面線段組合，形成平面區(qū)域分部。 圖9?？ㄜ?chē)的原料圍的數(shù)據(jù)?？ㄜ?chē)床的一個(gè)簡(jiǎn)單的模型匹配使用的解釋樹(shù)的方法（Grimson，1990年），按地區(qū)分割的數(shù)據(jù)區(qū)域。該模型由六個(gè)代表和卡車(chē)的床的兩側(cè)，底部，樹(shù)冠的飛機(jī)。深度優(yōu)先搜索是用來(lái)推測(cè)模型到現(xiàn)場(chǎng)平面區(qū)域匹配。在樹(shù)中的每個(gè)級(jí)別，限制用于修剪的搜索和一致性檢查與先前推測(cè)的比賽。匹配模型和生存驗(yàn)證階段的解釋是正確的選擇。為了卡車(chē)識(shí)別識(shí)別類(lèi)的卡車(chē)車(chē)型，而不僅僅是一個(gè)單一的模式，卡車(chē)床模型使用的參數(shù)圍，而不是單一的參數(shù)值。使用模型中

17、的平面區(qū)域，彼此之間的相對(duì)重心位置，和飛機(jī)之間的角度的大小圍。在解釋過(guò)程中的每個(gè)層次修剪的搜索，這些參數(shù)圍的一致性檢查。本規(guī)允許的卡車(chē)識(shí)別，以確定大小不等的卡車(chē)和卡車(chē)床形狀。對(duì)于每一個(gè)完整的解釋?zhuān)丛噲D匹配所有示區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地區(qū)），卡車(chē)識(shí)別進(jìn)行了核查。核查包括細(xì)粒度的卡車(chē)參數(shù)一致性檢查，并確定四個(gè)“角點(diǎn)”中的傳感器數(shù)據(jù)，定義開(kāi)放的卡車(chē)床。對(duì)于選定的解釋?zhuān)屈c(diǎn)被用來(lái)計(jì)算卡車(chē)床的位置和方向。此信息用于其他軟件模塊產(chǎn)生一個(gè)反傾銷(xiāo)的策略。圖10顯示從原始傳感器數(shù)據(jù)分割的平面區(qū)域的卡車(chē)模型匹配。 圖10?？ㄜ?chē)模型擬合分段數(shù)據(jù)。4.2。粗到細(xì)挖點(diǎn)規(guī)劃自動(dòng)土方操作，如平整的土冢，有別于典型的規(guī)劃問(wèn)題，在兩個(gè)重要方

18、面。首先，土壤是彌漫和世界之窗的一個(gè)獨(dú)特的描述，因此需要非常大量的變量。其次，機(jī)器人和世界之間的相互作用是非常復(fù)雜的，可只計(jì)算也聽(tīng)話的近似模型。國(guó)有大型空間和復(fù)雜的機(jī)器人世界的互動(dòng)意味著可以創(chuàng)建僅局部最優(yōu)的策劃者（即每挖）。為了對(duì)付開(kāi)挖土的大量應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題，我們已開(kāi)發(fā)的多分辨率規(guī)劃和劊子手計(jì)劃。在最高級(jí)別是一個(gè)粗糙的規(guī)劃方案，采用幾何的地形部位和目標(biāo)配置計(jì)劃“挖區(qū)域的序列。”反過(guò)來(lái)，每挖區(qū)域?yàn)椤白罴选蓖冢梢运阉髟谠摰貐^(qū)執(zhí)行。最后，執(zhí)行選定的挖掘基于閉環(huán)控制計(jì)劃（辛格和大炮，1998年）的一份力量。治療三個(gè)層面的問(wèn)題，滿足不同的目標(biāo)。粗規(guī)劃，確保了大量的挖掘，甚至表現(xiàn)。精致的規(guī)劃選擇，以滿

19、足幾何約束（可達(dá)性和碰撞）的挖掘和局部?jī)?yōu)化成本的功能（如音量，精力，時(shí)間）。在最低水平，是強(qiáng)大的遙感地形的幾何誤差控制計(jì)劃。圖11顯示挖掘機(jī)粗到細(xì)的規(guī)劃過(guò)程。 圖11。粗到細(xì)的規(guī)劃策略。粗規(guī)劃需要處理的傳感器數(shù)據(jù)作為輸入，它在地形圖（2-D網(wǎng)格的高度值）放置。輸出掏地區(qū)的順序依次發(fā)送到精致的規(guī)劃，其中每個(gè)。圖12顯示了去除材料，是由一個(gè)專(zhuān)家的挖掘機(jī)操作建議策略。每個(gè)方塊表示一個(gè)地區(qū)，方框的數(shù)字表示在該地區(qū)提供精致的規(guī)劃順序。在這一戰(zhàn)略中，材料是從左到右，從底面上方。有選擇的幾個(gè)原因戰(zhàn)略。在大多數(shù)情況下，卡車(chē)停在運(yùn)營(yíng)商的左側(cè)，使操作者有一覽無(wú)遺。通過(guò)挖掘從左至右，實(shí)現(xiàn)不需要高擺動(dòng)的卡車(chē)時(shí)，提出要

20、清除材料。自上而下的挖掘，需要從農(nóng)具少力，因?yàn)樗菦](méi)有必要對(duì)上述材料的重量，工作起來(lái)。此外，清除從頂部的材料以外的圍，面對(duì)給定的掃描圍的傳感器安裝在駕駛室的地形上投下的陰影降到最低。精致的策劃經(jīng)營(yíng)上的一個(gè)原子操作的抽象表示（即單一挖）。而不是為尋找一個(gè)桶軌跡，精致的策劃搜索粗規(guī)劃指定的圍，通過(guò)緊湊的任務(wù)參數(shù)。為了選擇最佳的挖掘行動(dòng)，精致的策劃，評(píng)估通過(guò)使用正向模型模擬結(jié)果，選擇一個(gè)動(dòng)作（在本例中的起始位置桶）的候選人。一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)的分?jǐn)?shù)從每個(gè)動(dòng)作的軌跡，并滿足所有約束的行動(dòng)和優(yōu)化成本函數(shù)的選擇。這個(gè)過(guò)程如圖。 13。 圖13。精致的策劃運(yùn)作。 圖12。挖掘機(jī)的粗計(jì)劃。4.3。基于模板的自卸規(guī)劃

21、卡車(chē)必須均勻，完全加載。因?yàn)榻鉀Q土壤中的不確定性，反傾銷(xiāo)的策略可能需要為每個(gè)連續(xù)的桶負(fù)載調(diào)整。轉(zhuǎn)儲(chǔ)點(diǎn)規(guī)劃，適用于基于模板的方法強(qiáng)勁找到在車(chē)床上的土壤分布低的地區(qū)。傳感器數(shù)據(jù)收集后，每個(gè)桶的土壤已被傾倒在卡車(chē)，挖掘機(jī)挖面擺動(dòng)。像掏點(diǎn)策劃，傳感器的數(shù)據(jù)被放置在一個(gè)2-D地形圖。轉(zhuǎn)儲(chǔ)點(diǎn)規(guī)劃還需要卡車(chē)的位置，卡車(chē)識(shí)別模塊提供的信息，因此它可以過(guò)濾掉卡車(chē)床之外的任何無(wú)關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)。地形圖，然后用一個(gè)高斯濾波器平滑，以消除任何傳感器的噪聲。當(dāng)前網(wǎng)格細(xì)胞的卡車(chē)床地形圖的分辨率為15厘米，一個(gè)典型的地圖上含有500個(gè)細(xì)胞的秩序?？ㄜ?chē)床壁的沉積土的閉塞是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。假設(shè)沒(méi)有在車(chē)床上看不見(jiàn)的地區(qū)，而不是轉(zhuǎn)儲(chǔ)

22、點(diǎn)規(guī)劃填補(bǔ)稱(chēng)為網(wǎng)格，平均海拔在任何未知的網(wǎng)格。首先感知土壤中的分布在一些輕微的錯(cuò)誤，但他們更多的土壤減少這個(gè)結(jié)果被放置在車(chē)床上。最后，一個(gè)特定的地形形狀模板卷積在整個(gè)卡車(chē)床地形圖，產(chǎn)生每個(gè)網(wǎng)格單元的得分。查找了在車(chē)床上的材料的某些個(gè)人資料，如在斜坡或一個(gè)洞，這個(gè)小55或7英鎊£7網(wǎng)格單元的模板?？梢杂脕?lái)尋找在最低海拔卡車(chē)床上地形圖，以與不斷海拔的簡(jiǎn)單模板。卷積運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)分?jǐn)?shù)，它代表模板匹配在車(chē)床上的特定區(qū)域，并返回所需的轉(zhuǎn)儲(chǔ)位置細(xì)胞位置的最好成績(jī)。4.4?；谀_本的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軟件坐標(biāo)為每個(gè)裝載通挖掘機(jī)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，挖斗的土壤和結(jié)束時(shí)，水桶已返回到下挖點(diǎn)后立即開(kāi)始。運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的主要

23、目標(biāo)是計(jì)劃的議案所需的轉(zhuǎn)儲(chǔ)位置放置在土壤，避免在工作區(qū)，如卡車(chē)，所有已知的障礙，并盡快執(zhí)行每個(gè)加載周期。由于對(duì)權(quán)力的制約和聯(lián)合耦合影響挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，以與準(zhǔn)確這樣一臺(tái)機(jī)器的動(dòng)力學(xué)建模的難度，傳統(tǒng)的最優(yōu)軌跡生成計(jì)劃不起作用。相反，承認(rèn)是高度重復(fù)和加載循環(huán)加載周期非常相似，和它的運(yùn)作1的總的工作空間相對(duì)較小的部分挖掘機(jī)的議案，1腳本為基礎(chǔ)的方法運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是通過(guò)（羅維和Stentz，1997年）。腳本是一個(gè)規(guī)則定義為特定的任務(wù)挖掘機(jī)的關(guān)節(jié)一般運(yùn)動(dòng)，在這種情況下，裝載車(chē)，集。這些規(guī)則包含了一些變量，被稱(chēng)為腳本參數(shù)，對(duì)每一個(gè)不同的負(fù)載通是基于對(duì)當(dāng)前任務(wù)條件獲得實(shí)例。與專(zhuān)家人力挖掘機(jī)操作的輸入和隱含約束挖

24、掘機(jī)是什么，不允許做腳本的規(guī)則設(shè)計(jì)。例如，如果這兩個(gè)特殊的關(guān)節(jié)移動(dòng)獲悉，同時(shí)是一個(gè)壞主意，那么腳本的規(guī)則，使該議案是不可能的。左側(cè)的規(guī)則是挖掘機(jī)的狀態(tài)的功能，和右邊的規(guī)則是規(guī)劃發(fā)送到挖掘機(jī)的低層次的聯(lián)合控制器的命令。因此，左側(cè)的特定規(guī)則計(jì)算結(jié)果為true時(shí)，其相應(yīng)的命令被發(fā)送到挖掘機(jī)。規(guī)則得到重新評(píng)估狀態(tài)信息的獲得，在挖掘機(jī)的議案的執(zhí)行10赫茲例如，在固定利率。圖14顯示卡車(chē)裝載任務(wù)的腳本規(guī)則。以粗體顯示的數(shù)字是一個(gè)例子腳本的參數(shù)，這將在下面更詳細(xì)地描述。的是挖掘機(jī)的狀態(tài)，在這種情況下，關(guān)節(jié)的角位置。如圖關(guān)節(jié)連同他們的參考線的定義。 15。命令所需的角的共同立場(chǎng)。請(qǐng)注意，每個(gè)關(guān)節(jié)都有自己?jiǎn)为?dú)的

25、腳本。因此，只有每一個(gè)共同的規(guī)則可能是積極的一次。腳本的參數(shù)計(jì)算，每個(gè)裝載通開(kāi)始前約車(chē)的位置和所需的挖掘和轉(zhuǎn)儲(chǔ)它從卡車(chē)識(shí)別接收，掏點(diǎn)策劃，傾點(diǎn)規(guī)劃軟件模塊分別使用的信息。有兩種類(lèi)型的腳本參數(shù)，這些出現(xiàn)在左邊的腳本規(guī)則和影響規(guī)劃發(fā)出的命令，并聯(lián)合命令本身對(duì)規(guī)則的右側(cè)出現(xiàn)。在規(guī)則右側(cè)的命令腳本的參數(shù)主要是計(jì)算幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)手段。例如，考慮到18日的命令±臂關(guān)節(jié)的腳本圖的步驟1。14。這是挖掘機(jī)的斗繁榮的角度，這是安全清除卡車(chē)頂部，是一個(gè)高度的運(yùn)動(dòng)功能和挖掘機(jī)的卡車(chē)相對(duì)位置。同樣，堅(jiān)持聯(lián)合命令計(jì)算使用知識(shí)有關(guān)的徑向距離的卡車(chē)，挖掘機(jī)，和擺動(dòng)聯(lián)合的命令所需的挖掘和轉(zhuǎn)儲(chǔ)點(diǎn)。在左邊的規(guī)則腳本的參數(shù)

26、是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)模型和啟發(fā)式相結(jié)合。這些動(dòng)態(tài)模型捕獲一階影響挖掘機(jī)的閉環(huán)行為時(shí)所需的角位置命令。這些模型提供信息的時(shí)間長(zhǎng)度，它將采取從一開(kāi)始的目標(biāo)位置移動(dòng)一個(gè)特定的聯(lián)合。此信息用于智能地協(xié)調(diào)不同的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致更快的加載時(shí)間。例如，當(dāng)挖掘機(jī)挖已完成的情況下，桶提高掉在了地上。挖掘機(jī)并不需要等到桶前擺動(dòng)的卡車(chē)提出了充分發(fā)揮其卡車(chē)的凈空高度。相反，它可以開(kāi)始擺動(dòng)越快桶仍在提高。動(dòng)態(tài)模型計(jì)算多久才會(huì)采取全面提高水桶和擺動(dòng)的卡車(chē)。從這個(gè)時(shí)機(jī)的信息，腳本的參數(shù)，它決定精確點(diǎn)開(kāi)始擺動(dòng)的卡車(chē)，但仍避免碰撞，發(fā)現(xiàn)和使用中的參數(shù)的腳本。 圖14。挖掘機(jī)的卡車(chē)裝載腳本。 圖15。聯(lián)名和挖掘機(jī)的參考位置

27、。參數(shù)化的腳本的方法是這項(xiàng)議案的規(guī)劃問(wèn)題的一個(gè)合適的解決方案。因?yàn)樗诰驒C(jī)的議案是明確的腳本，液壓動(dòng)力限制的問(wèn)題，同時(shí)移動(dòng)所有的關(guān)節(jié)，導(dǎo)致被淘汰。同樣的道理，但是，腳本規(guī)則限制太多可能會(huì)導(dǎo)致由自治區(qū)挖掘機(jī)的最佳性能。腳本的參數(shù)，還提供了靈活的挖掘機(jī)，而不是一個(gè)簡(jiǎn)單的一個(gè)單一的，罐裝的議案播放的議案。4.5。障礙物檢測(cè)自動(dòng)加載的一個(gè)主要要檢測(cè)和停止為人民和其他障礙，構(gòu)成碰撞威脅。障礙檢測(cè)軟件已經(jīng)被開(kāi)發(fā)使用圍傳感器數(shù)據(jù)來(lái)看待挖掘機(jī)的工作空間中的對(duì)象，和簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)其中挖掘機(jī)的聯(lián)動(dòng)將是1在未來(lái)的挖掘機(jī)擺動(dòng)的掏臉和之間來(lái)回短的時(shí)間卡車(chē)。預(yù)測(cè)挖掘機(jī)聯(lián)動(dòng)位置比較圍的傳感器數(shù)據(jù)，如果有一個(gè)路口，挖掘機(jī)

28、立即命令停止。這是至關(guān)重要的傳感器掃描遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠挖掘機(jī)的議案，并預(yù)測(cè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在未來(lái)的挖掘機(jī)有足夠的時(shí)間和空間來(lái)完全停止和避免撞上障礙物。這個(gè)超前的距離是一個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)的最大速度的功能，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在挖掘機(jī)的擺動(dòng)聯(lián)合前是在40度到50度之間。挖掘機(jī)的聯(lián)系地點(diǎn)的預(yù)測(cè)是用挖掘機(jī)的閉環(huán)動(dòng)態(tài)行為的簡(jiǎn)化模型。不僅是預(yù)測(cè)的挖掘機(jī)本身會(huì)做什么障礙檢測(cè)算法，它也必須模擬基于腳本的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃將做什么使用的預(yù)測(cè)挖掘機(jī)狀態(tài)。它執(zhí)行腳本的規(guī)則庫(kù)更新，10赫茲例如同樣的速度在此預(yù)測(cè)。最終的結(jié)果是一些時(shí)間預(yù)測(cè)挖掘機(jī)聯(lián)動(dòng)位置。前瞻的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)是2-3小號(hào)之間。每個(gè)預(yù)測(cè)聯(lián)動(dòng)位置，計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)上下聯(lián)動(dòng)的信封。這是使用挖掘機(jī)

29、和簡(jiǎn)單的線性模型的聯(lián)系形狀的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)。這是顯示在圖。 16。然后，每個(gè)點(diǎn)上的每個(gè)預(yù)測(cè)的聯(lián)動(dòng)位置聯(lián)動(dòng)底面圍傳感器數(shù)據(jù)的高程圖的2-D相比。如果任何點(diǎn)上的聯(lián)動(dòng)底面低于海拔與它相吻合的網(wǎng)格單元，然后預(yù)測(cè)碰撞據(jù)悉，指揮挖掘機(jī)停止。 圖16。描寫(xiě)的是計(jì)算點(diǎn)上的聯(lián)動(dòng)底面。5。結(jié)果自治區(qū)加載系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試，完成25噸液壓挖掘機(jī)。試驗(yàn)臺(tái)挖掘機(jī)聯(lián)合解析器，氣缸壓力傳感器，電液控制，低一級(jí)的聯(lián)合控制器配備。在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中增加了額外的硬件要求，自主裝貨的卡車(chē)，如主板上的計(jì)算和激光掃描儀，機(jī)器。圖17顯示了自治區(qū)挖掘機(jī)，卡車(chē)裝載在機(jī)器人工程協(xié)會(huì)，卡基 - 梅隆大學(xué)的校外研究設(shè)施的試驗(yàn)場(chǎng)。測(cè)試的目的是要效仿升高以

30、上的卡車(chē)，挖掘機(jī)，卡車(chē)裝載挖掘機(jī)側(cè)面，像圖的場(chǎng)景，一個(gè)典型的裝載配置。 1。圖18顯示的卡車(chē)后，它已與土壤6桶裝載。在卡車(chē)上裝載的材料是通常在賓夕法尼亞州西部發(fā)現(xiàn)的軟粘土的土壤。在這一年中，會(huì)改變土壤的特性在夏季干粉狀塵土在冬季和春季下雨濕糊狀泥。一個(gè)積雪和凍土層也并不少見(jiàn)的情況。 圖17?？ㄜ?chē)裝載的典型挖掘。開(kāi)發(fā)和測(cè)試期間，自治區(qū)加載系統(tǒng)已成功加載我們的卡車(chē)數(shù)百次?？鄢既坏挠布收虾涂尚迯?fù)的軟件缺陷引起的系統(tǒng)故障，自治區(qū)加載系統(tǒng)失敗只出試驗(yàn)數(shù)百次的少數(shù)工作。這些失敗的根本原因，介紹了一些在討論部分。幾乎所有成功裝車(chē)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，典型的加載時(shí)間是15至20秒，每桶通六證需要完全加載的卡車(chē)。

31、這個(gè)比率是由專(zhuān)家手工裝載在一樣的配置使用一樣的挖掘機(jī)的卡車(chē)運(yùn)營(yíng)商記錄加載時(shí)間非常接近。已在各種天氣條件下進(jìn)行加載，從燦爛的到中雨，甚至與在地面上和卡車(chē)的雪和冰。 圖18。卡車(chē)裝載經(jīng)過(guò)半年通行證。6。討論自治區(qū)加載系統(tǒng)是非常復(fù)雜的。有超過(guò)70個(gè)主要系統(tǒng)組件，其中包括角和壓力傳感器，感知傳感器和相關(guān)的硬件，計(jì)算機(jī)處理器和軟件模塊。都必須一起自治制度成功運(yùn)作。準(zhǔn)確的看法是自治制度成功運(yùn)作的關(guān)鍵。噪聲和異常點(diǎn)影響系統(tǒng)性能，尤其是對(duì)障礙物檢測(cè)和識(shí)別卡車(chē)。例如，嘈雜的傳感器數(shù)據(jù)可以影響的平面分割的卡車(chē)識(shí)別算法，從而導(dǎo)致在卡車(chē)的尺寸稍有不準(zhǔn)確的測(cè)量和姿態(tài)。雖然可以在卡車(chē)的橫向位置的耐受性相當(dāng)不精確位，卡車(chē)的

32、高度精確的測(cè)量，以避免潛在的碰撞之間的貨車(chē)頂部，底部和桶。精確的傳感器校準(zhǔn)也是至關(guān)重要的卡車(chē)，地形和障礙物的準(zhǔn)確檢測(cè)。機(jī)器控制是另一個(gè)自治制度的成功的主要元素。聯(lián)合準(zhǔn)確定位所需參數(shù)的腳本運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。雖然大，液壓機(jī)的控制是很困難的，低層次的聯(lián)合控制器表現(xiàn)出色。某些機(jī)器的議案，但如降低與土壤全斗繁榮，是難以控制，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能較差。例如，與土壤全斗長(zhǎng)的圍擺動(dòng)可能導(dǎo)致一些擺動(dòng)關(guān)節(jié)沖，造成在傾倒卡車(chē)床外桶的材料。對(duì)于這項(xiàng)議案，向下前面提到的運(yùn)動(dòng)熱潮，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軟件可以檢測(cè)這些條件和限制的聯(lián)合的速度。最后，室外，現(xiàn)實(shí)世界的這個(gè)應(yīng)用程序的性質(zhì)，影響系統(tǒng)的性能和功能aswell的。例如，它是理想的均勻裝

33、入卡車(chē)，為了對(duì)輪胎的重量分配。安置在卡車(chē)的土壤，對(duì)土壤條件的依賴(lài)。在測(cè)試過(guò)程中有一天，土壤非常干燥，非粘性。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃腳本參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，這些土壤條件，使土壤均勻地裝載在卡車(chē)的床中心。后來(lái)，經(jīng)過(guò)一個(gè)相當(dāng)可觀的暴雨，改變了土壤潮濕，粘泥。自治區(qū)加載系統(tǒng)載入卡車(chē)太沉重的一面，因?yàn)橥寥辣徽吃谕?。腳本的參數(shù)需要手動(dòng)調(diào)整，以應(yīng)對(duì)這種變化的條件。7。結(jié)論我們已經(jīng)證明這是能夠與軟質(zhì)材料在人類(lèi)專(zhuān)家運(yùn)營(yíng)商的速度裝載卡車(chē)挖掘機(jī)的自主裝載系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用兩個(gè)激光掃描測(cè)距儀認(rèn)識(shí)到卡車(chē)，測(cè)量土壤上挖的臉和卡車(chē)，并檢測(cè)在工作區(qū)中的障礙。該系統(tǒng)修改其挖掘和傾倒其傳感器檢測(cè)，根據(jù)土壤的解決計(jì)劃。專(zhuān)家操作知識(shí)編碼成稱(chēng)為腳本使用簡(jiǎn)

34、單的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)則的模板，生成速度非?？斓臋C(jī)器動(dòng)作調(diào)整。我們相信，我們是第一個(gè)完全自治制度載入卡車(chē)大規(guī)模開(kāi)挖。自治區(qū)挖掘機(jī)雖然可以匹配在一個(gè)較短的時(shí)間，在專(zhuān)家運(yùn)營(yíng)速度時(shí)，考慮整個(gè)工作班次，自治區(qū)挖掘機(jī)將大大超越人類(lèi)專(zhuān)家因疲勞和必要的休息。我們覺(jué)得這是在生產(chǎn)力的真正收益在于這樣一個(gè)自治的挖掘系統(tǒng)。致本文總結(jié)了自治區(qū)加載系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)的工作。這支隊(duì)伍由斯科特Boehmke，Stephannie貝倫斯，霍華德大炮，朗尼Devier，吉姆·弗雷澤，添Hegadorn，赫爾曼·赫爾曼，阿倫佐凱利，穆拉利克里希納，基思·萊，克里斯·萊熱，奧斯卡路安高，鮑勃·

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