专利名称：机电一体化挖掘机及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种机电一体化挖掘机及控制方法。
背景技术：
挖掘机是一种广泛用于建筑施工的工程机械，施工机动灵活，施工效率高，但在挖掘机施工过程中，存在的问题也不容忽视，操作挖掘机作业的劳动强度大；有些恶劣环境人类不便直接进入；操作者必须进行长时间的培训才能完成高质量的作业。因此提高挖掘机的机电一体化程度，进而实现挖掘机的自动化、智能化，是解决上述问题最理想的方案。
发明内容
本发明的目的提供了一种机电一体化挖掘机及控制方法，以解决现有挖掘机操作和控制精度不够、定位不准、能耗过高的问题。
为实现上述的目的，本发明的技术方案包括监控处理器、存储器、看门狗、显出屏、语音报警器、光电隔离电路、高速光电隔离电路、计数器、滤波器、通信电路，监控处理器分别与存储器、看门狗、显出屏、语音报警器、计数器、滤波器、通信电路相连，光电隔离电路与滤波器相连，高速光电隔离电路与计数器相连；还包括运动控制器、动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器、铲斗倾角传感器，动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器、铲斗倾角传感器的输出接运动控制器的输入，运动控制器经通信电路与监控处理器相连。
上述的机电一体化挖掘机中，还包括激光发射器支架、激光发射器、高度探测仪，激光发射器支架置于挖掘机的前方附近，激光发射器置于激光发射器支架上，高度探测仪固定于挖掘机斗杆上，高度探测仪的输出端与监控处理器相连。
上述的机电一体化挖掘机中，还包括节能控制器、模式选择开关、发动机速度设定旋钮，由模式选择开关、发动机速度设定旋钮输入到节能控制器中的发动机控制器，并实时检测发动机转速进入发动机控制器形成反馈，通过直线位移电磁铁调节发动机油门适应对功率的需求，控制发动机的动作；ΔP调节旋钮输入泵控制器，油门位置以及发动机转速进入控制器，形成有效反馈，输出信号控制泵调节器，实现对泵的控制。
一种机电一体化挖掘机的控制方法，包括以下步骤1)利用运动控制器的在线规划功能，确定挖掘机的目标轨迹，获得工作装置即动臂、斗杆、铲斗的运动序列；2)对序列中的起始点进行参数设置并得到PWM信号控制先导电液比例阀，再由先导电液比例阀控制主阀，驱动工作装置的各个液压缸动作；3)利用安装在挖掘机动臂上的倾角传感器、斗杆上的倾角传感器、铲斗上的倾角传感器获取挖掘机工作装置的位姿信息，并通过总线传输到运动控制器，运动控制器获取工作装置的新位姿信息后，与预定序列点的工作装置位姿进行比较，并采用自适应PID算法实时改变控制参数，经PWM输出得到实时修正的控制量，控制工作装置动作；4)重复步骤3)，对每个序列点进行如上控制，即实现了预定轨迹的自动挖掘控制。
本发明的优点1)利用固定安装的激光发射器发射头旋转发射激光，安装在挖掘机上的高度探测仪，接收激光信号并且测量激光束相对零位的相对高度，得出挖掘机本体的位置信息，可以实时调节挖掘深度，定位铲斗位置，从而达到精确控制。同时，以高程导引信息为基础，在完成车体定位后，根据工作装置运动学模型，可对挖掘机工作装置进行跟踪与控制。2)在挖掘机动臂、斗杆、铲斗分别设置倾角传感器，可实时观测挖掘机的工作姿态，提供挖掘机工作装置的位置和姿态信息，方便操作者进行比较精确的作业，提高劳动生产率，并可实现盲操作。同时，采用智能位置PID进行控制，可根据工作装置的位姿实时改变PID算法，克服挖掘机工作装置的大惯性，液压系统的强非线性和控制模型的参数不确定性，保证控制精度。3)监测系统可对系统主要参数的监测、显示及报警，使操作者及时掌握挖掘机的工作状态。故障诊断功能可实时显示机器工作时各个端口的数值，以便在机器发生故障时，快速便捷的找到故障位置并进行维修。4)采用工作模式选择开关和柴油机速度设定旋钮共同决定柴油机的期望转速，通过恒功率与变功率两种控制方式的组合，调节发动机油门去适应其对功率的需求，达成发动机、液压泵、负载的良好匹配，实现节能。
下机结合具体实施例对本发明的结构和工作原理作进一步的说明。
图1是本发明中传感器的安装结构图。
图2是本发明的监控系统结构框图。
图3是本发明自动控制系统流程图。
图4是本发明的节能控制原理框图。
具体实施例方式
参见图1，挖掘机的工作装置动臂1上设有倾角传感器2，斗杆3上设有倾角传感器4，铲斗6上设有的倾角传感器7。挖掘机的斗杆3附近设有激光发射器支架8，激光发射器9置于激光发射器支架8上，高度探测仪5固定于挖掘机斗杆3上，高度探测仪5的输出端与监控处理器相连。挖掘机工作时，将激光发射器支架8调水平，激光发射器9上的激光头旋转并发射激光，高度探测仪5接收激光信号，测量激光束相对零位的相对高度，通过总线传输到监控系统中央处理器，在监控系统的显示屏上显示高程，再通过通信电路传输到运动控制器。
参见图2，图2为本发明的监控系统组成框图。本发明的监控系统包括监控处理器、存储器、看门狗、显出屏、语音报警器、光电隔离电路、高速光电隔离电路、计数器、滤波器、通信电路、运动控制器、动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器、铲斗倾角传感器、激光发射器、高度探测仪，监控处理器分别与存储器、看门狗、显出屏、语音报警器、计数器、滤波器、通信电路相连。光电隔离电路与滤波器相连，动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器、铲斗倾角传感器的位置信息经总线传输送到运动控制器，再经通信电路送到监控处理器，经处理后送显示屏显示。高度探测仪接收的激光信号，测量激光束相对零位的相对高度，通过总线传输到监控处理器，在显示屏上显示高程。来自发动机的高速脉冲信号经光电隔离电路送到计数器，经计数器计数送到监控处理器。各种开关信号经光电隔离电路、滤波器后送到监控处理器进行处理。
本发明可实时显示机器工作时各个节点的压力、温度、液位数值，还可在一定程度上实现智能控制。实现了对系统主要参数的监测、显示及报警，包括燃油液位、机油压力、水温、油温，电瓶电压低、发动机水温过高、燃油过低、滤清器堵塞、空滤异常、液压油油温过高、机油压力过低、机油油温过高、水位过低等。同时，监控处理器的故障诊断功能可实时显示机器工作时各个端口的数值，以便在机器发生故障时，快速便捷的找到故障位置并进行维修。
参见图3，图3为本发明中挖掘机自动控制系统流程图。把挖掘机的工作装置作为多自由度机器手来处理，利用安装在工作装置动臂1上的倾角传感器2、斗杆3上的倾角传感器4、铲斗6上的倾角传感器7确定工作装置的位姿，三个倾角传感器的信号通过总线传输到挖掘机上的运动控制器11，利用运动控制器的在线规划功能，在确定目标轨迹(如直线、斜线、圆弧等)后，根据运动学及动力学规划获得工作装置即动臂1、斗杆3、铲斗6的运动序列，对序列中的一个点进行参数设置并得到PWM信号控制先导电液比例阀，再由先导电液比例阀控制主阀，驱动各个液压缸动作，并实时检测运动过程的误差形成反馈，由于挖掘机工作装置惯性大、液压系统非线性强、控制模型参数不确定，根据工作装置的位姿并采用自适应PID算法实时改变控制参数，经PWM输出得到实时修正的控制量。工作装置的动作会引起三个倾角传感器的值发生变化并实时地通过总线进行传输，形成实时反馈，如此循环，对每个序列点进行如上控制，得到精确轨迹，只需按一个按钮就可实现自动控制。
参见图4，图4为本发明的节能控制原理框图。通过恒功率与变功率两种控制方式的组合，由模式选择、发动机速度设定旋钮输入到节能控制器12中的发动机控制器，并实时检测发动机转速进入发动机控制器形成反馈，通过直线位移电磁铁调节发动机油门适应对功率的需求，控制发动机的动作；ΔP调节旋钮输入泵控制器，油门位置以及发动机转速进入控制器，形成有效反馈，输出信号控制泵调节器，实现对泵的控制；发动机控制器和泵控制器组成的节能控制器共同实现发动机、液压泵及负载的良好匹配，达到节能目的。
权利要求
1.一种机电一体化挖掘机，包括监控处理器、存储器、看门狗、显出屏、语音报警器、光电隔离电路、高速光电隔离电路、计数器、滤波器、通信电路，监控处理器分别与存储器、看门狗、显出屏、语音报警器、计数器、滤波器、通信电路相连，光电隔离电路与滤波器相连，高速光电隔离电路与计数器相连；还包括运动控制器、动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器、铲斗倾角传感器，动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器、铲斗倾角传感器的输出接运动控制器的输入，运动控制器经通信电路与监控处理器相连。
2.根据权利要求1所述的机电一体化挖掘机，其特征在于还包括激光发射器支架、激光发射器、高度探测仪，激光发射器支架置于挖掘机的前方附近，激光发射器置于激光发射器支架上，高度探测仪固定于挖掘机斗杆上，高度探测仪的输出端与监控处理器相连。
3.根据权利要求1所述的机电一体化挖掘机，其特征在于还包括节能控制器、模式选择开关、发动机速度设定旋钮，由模式选择开关、发动机速度设定旋钮输入到节能控制器中的发动机控制器，并实时检测发动机转速进入发动机控制器形成反馈，通过直线位移电磁铁调节发动机油门适应对功率的需求，控制发动机的动作；ΔP调节旋钮输入泵控制器，油门位置以及发动机转速进入控制器，形成有效反馈，输出信号控制泵调节器，实现对泵的控制。
4.一种机电一体化挖掘机的控制方法，包括以下步骤1)利用运动控制器的在线规划功能，确定挖掘机的目标轨迹，获得工作装置即动臂、斗杆、铲斗的运动序列；2)对序列中的起始点进行参数设置并得到PWM信号控制先导电液比例阀，再由先导电液比例阀控制主阀，驱动工作装置的各个液压缸动作；3)利用安装在挖掘机动臂上的倾角传感器、斗杆上的倾角传感器、铲斗上的倾角传感器获取挖掘机工作装置的位姿信息，并通过总线传输到运动控制器，运动控制器获取工作装置的新位姿信息后，与预定序列点的工作装置位姿进行比较，并采用自适应PID算法实时改变控制参数，经PWM输出得到实时修正的控制量，控制工作装置动作；4)重复步骤3)，对每个序列点进行如上控制，即实现了预定轨迹的自动挖掘控制。
全文摘要
本发明公开了一种机电一体化挖掘机及控制方法，包括监控处理器、存储器、看门狗、显出屏、语音报警器、光电隔离电路、高速光电隔离电路、计数器、滤波器、通信电路连接，监控处理器分别与存储器、看门狗、显出屏、语音报警器、计数器、滤波器、通信电路相连，光电隔离电路与滤波器相连，高速光电隔离电路与计数器相连；还包括运动控制器、动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器、铲斗倾角传感器，动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器、铲斗倾角传感器的输出接运动控制器的输入，运动控制器经通信电路与监控处理器相连。本机电一体化挖掘机机可实现预定轨迹的自动挖掘控制，并具有控制精度高、定位准、能耗低的优点。
文档编号E02F3/28GK1837517SQ20061003137
公开日2006年9月27日 申请日期2006年3月17日 优先权日2006年3月17日
发明者何清华, 郝鹏, 张大庆 申请人:中南大学, 湖南山河智能机械股份有限公司