機電一體化挖掘機及控制方法

《機電一體化挖掘機及控制方法》是中南大學、湖南山河智慧型機械股份有限公司於2006年3月17日申請的發明專利，該專利的申請號為2006100313745，公布號為CN1837517，專利公布日為2006年9月27日，發明人是何清華、郝鵬、張大慶。

《機電一體化挖掘機及控制方法》包括監控處理器、存儲器、看門狗、顯出屏、語音報警器、光電隔離電路、高速光電隔離電路、計數器、濾波器、通信電路連線，監控處理器分別與存儲器、看門狗、顯出屏、語音報警器、計數器、濾波器、通信電路相連，光電隔離電路與濾波器相連，高速光電隔離電路與計數器相連；還包括運動控制器、動臂傾角感測器、斗桿傾角感測器、鏟斗傾角感測器，動臂傾角感測器、斗桿傾角感測器、鏟斗傾角感測器的輸出接運動控制器的輸入，運動控制器經通信電路與監控處理器相連。該機電一體化挖掘機機可實現預定軌跡的自動挖掘控制，並具有控制精度高、定位準、能耗低的優點。

2014年3月，《機電一體化挖掘機及控制方法》獲得第十二屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《機電一體化挖掘機及控制方法》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：機電一體化挖掘機及控制方法
• 公布號：CN1837517
• 公布日：2006年9月27日
• 申請號：2006100313745
• 申請日：2006年3月17日
• 發明人：何清華、郝鵬、張大慶
• 申請人：中南大學、湖南山河智慧型機械股份有限公司
• 代理機構：長沙市融智專利事務所
• Int.Cl.：E02F9/20(2006.01)I、E、E02、E02、FE02、F9
• 地址：湖南省長沙市嶽麓區麓山南路1號
• 代理人：顏昌偉
• 類別：專利

專利背景

挖掘機是一種廣泛用於建築施工的工程機械，施工機動靈活，施工效率高，但在挖掘機施工過程中，存在的問題也不容忽視，操作挖掘機作業的勞動強度大；有些惡劣環境人類不便直接進入；操作者必須進行長時間的培訓才能完成高質量的作業。因此提高挖掘機的機電一體化程度，進而實現挖掘機的自動化、智慧型化，是解決上述問題最理想的方案。

發明內容

專利目的

《機電一體化挖掘機及控制方法》的目的是解決2006年3月17日以前的挖掘機操作和控制精度不夠、定位不準、能耗過高的問題。

技術方案

《機電一體化挖掘機及控制方法》包括監控處理器、存儲器、看門狗、顯岀屏、語音報警器、光電隔離電路、高速光電隔離電路、計數器、濾波器、通信電路，監控處理器分別與存儲器、看門狗、顯出屏、語音報警器、計數器、濾波器、通信電路相連，光電隔離電路與濾波器相連，高速光電隔離電路與計數器相連；還包括運動控制器、動臂傾角感測器、斗桿傾角感測器、鏟斗傾角感測器，動臂傾角感測器、斗桿傾角感測器、鏟斗傾角感測器的輸出接運動控制器的輸入，運動控制器經通信電路與監控處理器相連。

上述的機電一體化挖掘機中，還包括雷射發射器支架、雷射發射器、高度探測儀，雷射發射器支架置於挖掘機的前方附近，雷射發射器置於雷射發射器支架上，高度探測儀固定於挖掘機斗桿上，高度探測儀的輸岀端與監控處理器相連。上述的機電一體化挖掘機中，還包括節能控制器、模式選擇開關、發動機速度設定旋鈕，由模式選擇開關、發動機速度設定旋鈕輸入到節能控制器中的發動機控制器，並實時檢測發動機轉速進入發動機控制器形成反饋，通過直線位移電磁鐵調節發動機油門適應對功率的需求，控制發動機的動作；△P調節旋鈕輸入泵控制器，油門位置以及發動機轉速進入控制器，形成有效反饋，輸出信號控制泵調節器，實現對泵的控制。

《機電一體化挖掘機及控制方法》包括以下步驟：

1）利用運動控制器的線上規劃功能，確定挖掘機的目標軌跡，獲得工作裝置即動臂、斗桿、鏟斗的運動序列；

2）對序列中的起始點進行參數設定並得到PWM信號控制先導電液比例閥，再由先導電液比例閥控制主閥，驅動工作裝置的各個液壓缸動作；

3）利用安裝在挖掘機動臂上的傾角感測器、斗桿上的傾角感測器、鏟斗上的傾角感測器獲取挖掘機工作裝置的位姿信息，並通過匯流排傳輸到運動控制器，運動控制器獲取工作裝置的新位姿信息後，與預定序列點的工作裝置位姿進行比較，並採用自適應PID算法實時改變控制參數，經PWM輸出得到實時修正的控制量，控制工作裝置動作；

4）重複步驟3），對每個序列點進行如上控制，即實現了預定軌跡的自動挖掘控制。

改善效果

《機電一體化挖掘機及控制方法》的優點：

1）利用固定安裝的雷射發射器發射頭旋轉發射雷射，安裝在挖掘機上的高度探測儀，接收雷射信號並且測量雷射束相對零位的相對高度，得出挖掘機本體的位置信息，可以實時調節挖掘深度，定位鏟斗位置，從而達到精確控制。同時，以高程導引信息為基礎，在完成車體定位後，根據工作裝置運動學模型，可對挖掘機工作裝置進行跟蹤與控制。

2）在挖掘機動臂、斗桿、鏟斗分別設定傾角感測器，可實時觀測挖掘機的工作姿態，提供挖掘機工作裝置的位置和姿態信息，方便操作者進行比較精確的作業，提高勞動生產率，並可實現盲操作。同時，採用智慧型位置PID進行控制，可根據工作裝置的位姿實時改變PID算法，克服挖掘機工作裝置的大慣性，液壓系統的強非線性和控制模型的參數不確定性，保證控制精度。

3）監測系統可對系統主要參數的監測、顯示及報警，使操作者及時掌握挖掘機的工作狀態。故障診斷功能可實時顯示機器工作時各個連線埠的數值，以便在機器發生故障時，快速便捷的找到故障位置並進行維修。

4）採用工作模式選擇開關和柴油機速度設定旋鈕共同決定柴油機的期望轉速，通過恆功率與變功率兩種控制方式的組合，調節發動機油門去適應其對功率的需求，達成發動機、液壓泵、負載的良好匹配，實現節能。

附圖說明

圖1是《機電一體化挖掘機及控制方法》中感測器的安裝結構圖。

圖2是該發明的監控系統結構框圖。

圖3是該發明自動控制系統流程圖。

圖4是該發明的節能控制原理框圖。

權利要求

1、 《機電一體化挖掘機及控制方法》包括監控處理器、存儲器、看門狗、顯出屏、語音報警器、光電隔離電路、高速光電隔離電路、計數器、濾波器、通信電路、雷射發射器支架、雷射發射器、高度探測儀，監控處理器分別與存儲器、看門狗、顯出屏、語音報警器、計數器、濾波器、通信電路相連，光電隔離電路與濾波器相連，高速光電隔離電路與計數器相連；其特徵在於：還包括運動控制器、動臂傾角感測器、斗桿傾角感測器、鏟斗傾角感測器，動臂傾角感測器、斗桿傾角感測器、鏟斗傾角感測器的輸出接運動控制器的輸入，運動控制器經通信電路與監控處理器相連，雷射發射器支架置於挖掘機的前方附近，雷射發射器置於雷射發射器支架上，高度探測儀固定於挖掘機斗桿上，高度探測儀的輸出端與監控處理器相連。

2、 根據權利要求1所述的機電一體化挖掘機，其特徵在於：還包括節能控制器、模式選擇開關、發動機速度設定旋鈕，由模式選擇開關、發動機速度設定旋鈕輸入到節能控制器中的發動機控制器，並實時檢測發動機轉速進入發動機控制器形成反饋，通過直線位移電磁鐵調節發動機油門適應對功率的需求，控制發動機的動作；調節旋鈕輸入泵控制器，油門位置以及發動機轉速進入控制器，形成有效反饋，輸出信號控制泵調節器，實現對泵的控制。

3、《機電一體化挖掘機及控制方法》包括以下步驟：1）利用運動控制器的線上規劃功能，確定挖掘機的目標軌跡，獲得工作裝置即動臂、斗桿、鏟斗的運動序列；2）對序列中的起始點進行參數設定並得到PWM信號控制先導電液比例閥，再由先導電液比例閥控制主閥，驅動工作裝置的各個液壓缸動作；3）利用安裝在挖掘機動臂上的傾角感測器、斗桿上的傾角感測器、鏟斗上的傾角感測器獲取挖掘機工作裝置的位姿信息，並通過匯流排傳輸到運動控制器，運動控制器獲取工作裝置的新位姿信息後，與預定序列點的工作裝置位姿進行比較，並採用自適應PID算法實時改變控制參數，經PWM輸出得到實時修正的控制量，控制工作裝置動作；4）重複步驟3），對每個序列點進行如上控制，即實現了預定軌跡的自動挖掘控制。

實施方式

參見圖1，挖掘機的工作裝置動臂1上設有傾角感測器2，斗桿3上設有傾角感測器4，鏟斗6上設有的傾角感測器7。挖掘機的斗桿3附近設有雷射發射器支架8，雷射發射器9置於雷射發射器支架8上，高度探測儀5固定於挖掘機斗桿3上，高度探測儀5的輸岀端與監控處理器相連。挖掘機工作時，將雷射發射器支架8調水平，雷射發射器9上的雷射頭旋轉並發射雷射，高度探測儀5接收雷射信號，測量雷射束相對零位的相對高度，通過匯流排傳輸到監控系統中央處理器，在監控系統的顯示屏上顯示高程，再通過通信電路傳輸到運動控制器。

參見圖2，圖2為《機電一體化挖掘機及控制方法》的監控系統組成框圖。該發明的監控系統包括監控處理器、存儲器、看門狗、顯出屏、語音報警器、光電隔離電路、高速光電隔離電路、計數器、濾波器、通信電路、運動控制器、動臂傾角感測器、斗桿傾角感測器、鏟斗傾角感測器、雷射發射器、高度探測儀，監控處理器分別與存儲器、看門狗、顯出屏、語音報警器、計數器、濾波器、通信電路相連。光電隔離電路與濾波器相連，動臂傾角感測器、斗桿傾角感測器、鏟斗傾角感測器的位置信息經匯流排傳輸送到運動控制器，再經通信電路送到監控處理器，經處理後送顯示屏顯示。高度探測儀接收的雷射信號，測量雷射束相對零位的相對高度，通過匯流排傳輸到監控處理器，在顯示屏上顯示高程。來自發動機的高速脈衝信號經光電隔離電路送到計數器，經計數器計數送到監控處理器。各種開關信號經光電隔離電路、濾波器後送到監控處理器進行處理。

該發明可實時顯示機器工作時各個節點的壓力、溫度、液位數值，還可在一定程度上實現智慧型控制。實現了對系統主要參數的監測、顯示及報警，包括：燃油液位、機油壓力、水溫、油溫，電瓶電壓低、發動機水溫過高、燃油過低、濾清器堵塞、空濾異常、液壓油油溫過高、機油壓力過低、機油油溫過高、水位過低等。同時，監控處理器的故障診斷功能可實時顯示機器工作時各個連線埠的數值，以便在機器發生故障時，快速便捷的找到故障位置並進行維修。

參見圖3，圖3為該發明中挖掘機自動控制系統流程圖。把挖掘機的工作裝置作為多自由度機器手來處理，利用安裝在工作裝置動臂1上的傾角感測器2、斗桿3上的傾角感測器4、鏟斗6上的傾角感測器7確定工作裝置的位姿，三個傾角感測器的信號通過匯流排傳輸到挖掘機上的運動控制器11，利用運動控制器的線上規劃功能，在確定目標軌跡（如直線、斜線、圓弧等）後，根據運動學及動力學規劃獲得工作裝置即動臂1、斗桿3、鏟斗6的運動序列，對序列中的一個點進行參數設定並得到PWM信號控制先導電液比例閥，再由先導電液比例閥控制主閥，驅動各個液壓缸動作，並實時檢測運動過程的誤差形成反饋，由於挖掘機工作裝置慣性大、液壓系統非線性強、控制模型參數不確定，根據工作裝置的位姿並採用自適應PID算法實時改變控制參數，經PWM輸出得到實時修正的控制量。工作裝置的動作會引起三個傾角感測器的值發生變化並實時地通過匯流排進行傳輸，形成實時反饋，如此循環，對每個序列點進行如上控制，得到精確軌跡，只需按一個按鈕就可實現自動控制。

參見圖4，圖4為該發明的節能控制原理框圖。通過恆功率與變功率兩種控制方式的組合，由模式選擇、發動機速度設定旋鈕輸入到節能控制器12中的發動機控制器，並實時檢測發動機轉速進入發動機控制器形成反饋，通過直線位移電磁鐵調節發動機油門適應對功率的需求，控制發動機的動作；AP調節旋鈕輸入泵控制器，油門位置以及發動機轉速進入控制器，形成有效反饋，輸出信號控制泵調節器，實現對泵的控制；發動機控制器和泵控制器組成的節能控制器共同實現發動機、液壓泵及負載的良好匹配，達到節能目的。

榮譽表彰

2014年3月，《機電一體化挖掘機及控制方法》獲得第十二屆專利獎優秀獎。