一种挖掘机自动平地控制方法

一种挖掘机自动平地控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种挖掘机自动平地控制方法，属于机械控制领域，应用于挖掘机，包括设定自动平地作业时所述斗尖5的水平高度，并采集车身1、动臂2、斗杆3和铲斗4的位姿信号；根据位姿信号计算斗尖5保持一定速度水平运动时所需动臂2和斗杆3的角速度；并据此计算出动臂2和斗杆3的油缸的速度控制输出量；根据位姿信号计算出斗尖5实际高度与设定高度之间的高度差，并根据高度差计算出动臂2和/或斗杆3的油缸的高度控制输出量；将速度控制输出量和高度控制输出量合并后输出。本发明的技术方案采用了以速度控制为主，位置反馈调整为辅的方法，既能保证动作的平稳性，又能保证斗尖高度控制的精确性。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械设备控制领域，涉及一种自动化控制方法，尤其涉及一种适用于 挖掘机的自动平地控制方法。 一种挖掘机自动平地控制方法

【背景技术】
[0002] 挖掘机，特别是反铲挖掘机在实际应用中常常需要对作业地面进行平整作业，此 时操作者需要同时控制动臂、斗杆和铲斗，使斗尖始终在平行于地面运动，从而平整土地。
[0003] 由于平地作业需要控制的变量多，控制复杂，需要操作者有良好的工作协调性和 操作技巧，因此平地作业的实际效果往往随着驾驶员操作技能高低而变化，同时平地作业 的复杂性也使操作者容易疲劳，不能长时间工作。
[0004] 目前已有的一些挖掘机自动化作业的系统主要集中于硬件实现，即在挖掘机上安 装位姿信号传感器，通过控制器计算结果调整工作装置输出。
[0005] 对于实现自动平地的控制方法，现有技术均基于位姿反馈控制，通过把斗杆和铲 斗视为一体（即将铲斗视为一点），计算斗杆当前位置，从而调整动臂输出，使铲斗处于水 平位置。
[0006] 现有控制方法实际上是位置伺服方法。由于液压挖掘机的机械液压系统具有较大 的惯性质量，包含诸多非线性因素，当系统检测到斗尖位置偏离预设的高度时，机构才能做 出反应，而此时机构已经超出预定高度距离较远，使得实际应用中这种控制方法造成的斗 尖上下的波动幅度大，平整效果差。
[0007] 此外，由于斗尖在超出预设位置范围以后工作机构（通常是动臂）才会进行调 整以便使斗尖回到预设位置，因此在这种工作模式下，工作机构总是处于静止-调整-静 止-调整的状态中，造成机构的冲击大，抖动剧烈、动作不连贯等缺陷。


【发明内容】

[0008] 有鉴于此，本发明采用了以速度控制为主，位置反馈调整为辅的方法，既能保证动 作的平稳性，又能保证斗尖高度控制的精确性。
[0009] 为达到上述目的，具体技术方案如下：
[0010] 提供了一种挖掘机自动平地控制方法，应用于挖掘机自动平地作业，所述挖掘机 包括依次相连的车身、动臂、斗杆和铲斗，所述铲斗上设有斗尖，包括以下步骤：
[0011] 步骤1，设定自动平地作业时所述斗尖的水平高度，并采集所述车身、动臂、斗杆和 铲斗的位姿信号；
[0012] 步骤2,根据步骤1的位姿信号计算所述斗尖保持一定速度水平运动时所需动臂 和斗杆的角速度；
[0013] 步骤3,根据所需动臂和斗杆的角速度计算出所述动臂和斗杆的油缸的速度控制 输出量；
[0014] 步骤4,根据步骤1的位姿信号计算出所述斗尖实际高度与设定高度之间的高度 差，并根据所述高度差计算出所述动臂和/或斗杆的油缸的高度控制输出量；
[0015] 步骤5,所述动臂和斗杆的油缸将所述速度控制输出量和高度控制输出量合并后 输出。
[0016] 优选的，所述步骤2中通过建立所述斗尖保持水平运动时动臂和斗杆的角速度比 例系数，计算出所需动臂和斗杆的角速度。
[0017] 优选的，所述步骤2中角速度比例系数与所述位姿信号相关，且随斗尖的运动而 变化。
[0018] 优选的，所述步骤3中通过分别建立动臂和斗杆的角速度与油缸的速度控制输出 量的函数，计算出动臂和斗杆的油缸的速度控制输出量。
[0019] 优选的，所述步骤4中的高度控制输出量包括：当所述斗尖的实际高度高于预定 高度时，将使动臂运动偏向减慢抬升速度或者加快下降速度；当所述斗尖的实际高度低于 设定高度时，将使动臂运动偏向加快抬升速度或者减慢下降速度。
[0020] 优选的，所述步骤1中的位姿信号包括：所述车身、动臂、斗杆、铲斗相对于水平 面的倾角，或者车身、动臂、斗杆、铲斗之间的夹角和车身相对于水平面的倾角，或者动臂油 缸、斗杆油缸、铲斗油缸的伸出量和车身相对于水平面的倾角。
[0021] 相对于现有技术，本发明的技术方案的优点有：
[0022] 1、控制精度达到或超过手动平地效果，效率更高；
[0023] 2、采用速度控制和位移控制结合的控制方法，用速度控制保证斗尖运动的平顺 性，用位移控制改善位置控制精度，有更加优异的实用效果。

【专利附图】

【附图说明】
[0024] 构成本发明的一部分的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。在附图中：
[0025] 图1是本发明实施例的挖掘机的结构示意图；
[0026] 图2是本发明实施例的流程示意图；
[0027] 图3是本发明实施例的挖掘机的函数结构示意图。
[0028] 其中，1为车身、2为动臂、3为斗杆、4为铲斗、5为斗尖、6为动臂油缸、7为斗杆油 缸、8为铲斗油缸。

【具体实施方式】
[0029] 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。
[0030] 需要说明的是，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。
[0031] 以下将结合附图对本发明的实施例做具体阐释。
[0032] 如图1中所示的本发明的实施例的一种挖掘机，在车身1及工作装置（动臂2、斗 杆3、铲斗4)上各安装倾角传感器或者在车身1及各工作装置之间安装相对角传感器，也可 以在动臂油缸6、斗杆油缸7和铲斗油缸8上安装油缸位移传感器并在车身1安装倾角传感 器。
[0033] 如图2中所示，在本发明的实施例中，挖掘机自动平地控制方法包括：
[0034] 步骤1，设定自动平地作业时斗尖5的水平高度H，并由上述传感器反馈信息任意 时刻采集车身1、动臂2、斗杆3和铲斗4的位姿信号；
[0035] 步骤2,根据步骤1的位姿信号，通过建立斗尖5保持水平运动时动臂2和斗杆3 的角速度比例系数，计算斗尖5保持一定速度水平运动时所需动臂2和斗杆3的角速度。
[0036] 如图3中所示，在本发明的实施例中，根据采集到的数据计算动臂角速度WA和斗 杆角速度WB之间的比例系数g，使得当满足 1WA=5 X \VB时，斗尖5处于水平运动状态。此 时的比例函数是与各工作装置角度有关的函数，且随着工作装置姿态的变化其值也连续变 化。假定此时的自动平地时斗杆的角速度为WB1，根据比例系数g即可计算动臂相应角速度 WAl〇
[0037] 步骤3,根据所需动臂2和斗杆3的角速度，通过分别建立动臂2和斗杆3的角速 度与油缸的速度控制输出量的函数，计算出动臂2和斗杆3的油缸的速度控制输出量；
[0038] 步骤4,根据步骤1的位姿信号计算出斗尖5实际高度h与设定高度Η之间的高度 差Λh，并根据高度差计算出动臂2或斗杆3的油缸的高度控制输出量。当斗尖5高于预 定的水平运动高度时，调整量将使动臂2运动偏向减慢抬升速度或者加快下降速度；当斗 尖5低于预定的水平运动高度时，调整量将使动臂2运动偏向加快抬升速度或者减慢下降 速度；
[0039] 步骤5,动臂2和斗杆3的油缸将速度控制输出量和高度控制输出量合并后输出， 同时向斗杆3和动臂2油缸输出上述计算结果，即可使斗尖5在预定的水平高度平稳运动。
[0040] 本发明的实施例不同于以往用只用位置反馈来控制斗尖的高度，而采用了以速度 控制为主，位置反馈调整为辅的方法，用速度控制量和位置反馈控制量的合并量来控制工 作装置，既能保证动作的平稳性，又能保证斗尖高度控制的精确性。
[0041] 以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限 制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和 替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和 修改，都应涵盖在本发明的范围内。
【权利要求】
1. 一种挖掘机自动平地控制方法，应用于挖掘机自动平地作业，所述挖掘机包括依次 相连的车身（1)、动臂（2)、斗杆（3)和铲斗（4)，所述铲斗（4)上设有斗尖（5)，其特征在于， 包括以下步骤： 步骤1，设定自动平地作业时所述斗尖（5)的水平高度，并采集所述车身（1)、动臂（2)、 斗杆（3)和铲斗（4)的位姿信号； 步骤2,根据步骤1的位姿信号计算所述斗尖（5)保持一定速度水平运动时所需动臂 (2)和斗杆（3)的角速度； 步骤3,根据所需动臂（2)和斗杆（3)的角速度计算出所述动臂（2)和斗杆（3)的油缸 的速度控制输出量； 步骤4,根据步骤1的位姿信号计算出所述斗尖（5)实际高度与设定高度之间的高度 差，并根据所述高度差计算出所述动臂（2)和/或斗杆（3)的油缸的高度控制输出量； 步骤5,所述动臂（2)和斗杆（3)的油缸将所述速度控制输出量和高度控制输出量合并 后输出。
2. 如权利要求1所述的挖掘机自动平地控制方法，其特征在于，所述步骤2中通过建 立所述斗尖（5)保持水平运动时动臂（2)和斗杆（3)的角速度比例系数，计算出所需动臂 (2)和斗杆（3)的角速度。
3. 如权利要求2所述的挖掘机自动平地控制方法，其特征在于，所述步骤2中角速度比 例系数与所述位姿信号相关，且随斗尖（5)的运动而变化。
4. 如权利要求3所述的挖掘机自动平地控制方法，其特征在于，所述步骤3中通过分别 建立动臂（2)和斗杆（3)的角速度与油缸的速度控制输出量的函数，计算出动臂（2)和斗 杆（3)的油缸的速度控制输出量。
5. 如权利要求3所述的挖掘机自动平地控制方法，其特征在于，所述步骤4中的高度控 制输出量包括：当所述斗尖（5)的实际高度高于预定高度时，将使动臂（2)运动偏向减慢抬 升速度或者加快下降速度；当所述斗尖（5)的实际高度低于设定高度时，将使动臂（2)运动 偏向加快抬升速度或者减慢下降速度。
6. 如权利要求5所述的挖掘机自动平地控制方法，其特征在于，所述步骤1中的位姿 信号包括：所述车身（1)、动臂（2)、斗杆（3)、铲斗（4)相对于水平面的倾角，或者车身（1)、 动臂（2)、斗杆（3)、铲斗（4)之间的夹角和车身⑴相对于水平面的倾角，或者动臂⑵油 缸、斗杆⑶油缸、铲斗⑷油缸的伸出量和车身⑴相对于水平面的倾角。
【文档编号】E02F3/43GK104120745SQ201410362825
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】张舒原, 郑尧, 石向星 申请人:三一重机有限公司