專利名稱：挖掘機(jī)負(fù)載自主識(shí)別系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工程機(jī)械，尤其涉及一種挖掘機(jī)負(fù)載自主識(shí)別系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
挖掘機(jī)工作過程中，由于作業(yè)對(duì)象類型差別很大，挖掘機(jī)克服負(fù)載所需的能量就 明顯不同。僅依靠操作人員對(duì)作業(yè)對(duì)象的主觀判斷是不夠精確的，例如松土挖掘時(shí)，不同的 松軟度的土壤要求的挖掘機(jī)輸出功率也不同。因此手動(dòng)調(diào)節(jié)挖掘機(jī)功率模式和發(fā)動(dòng)機(jī)的油 門位置就有很大的盲目性，無法實(shí)現(xiàn)真正意義上功率匹配的節(jié)能目的。如果在挖掘過程中能自動(dòng)判斷當(dāng)前的挖掘情況，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與當(dāng)前場地 負(fù)載情況相適應(yīng)，那么不僅可以降低操作人員的工作強(qiáng)度，而且能夠做到真正意義上功率 匹配，降低燃油消耗。挖掘機(jī)作業(yè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的循環(huán)過程，基本以“挖掘-提升-回轉(zhuǎn)-卸 載”進(jìn)行重復(fù)工作，整個(gè)液壓系統(tǒng)壓力也隨之不斷變化。如圖1所示，現(xiàn)階段挖掘機(jī)的液壓 系統(tǒng)包括鏟斗油缸1、動(dòng)臂油缸2、斗桿油缸3、第一主閥4、第二主閥5、第三主閥6、第一主 泵7和第二主泵8。第一主泵7將液壓油經(jīng)第一主閥4和第二主閥5控制分別輸入給鏟斗 油缸1和動(dòng)臂油缸2。第二主泵8將液壓油經(jīng)第三主閥6控制輸入給斗桿油缸3?，F(xiàn)有挖掘機(jī)僅在第一主泵7和第二主泵8的出口安裝第一壓力傳感器9和第二壓 力傳感器10，將采集到的壓力值作為挖掘機(jī)工況的自動(dòng)識(shí)別的依據(jù)。但會(huì)出現(xiàn)以下問題(1)難以確定采集時(shí)間。因?yàn)橥诰驒C(jī)工作時(shí)，第一主泵7和第二主泵8的出口壓力 會(huì)出現(xiàn)多次峰值。例如，在挖掘機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，第一主泵7和第二主泵8的出口壓力會(huì)出現(xiàn)多 次峰值。或者由于挖掘范圍太大，造成油缸頂死，也會(huì)使出口壓力劇增。(2)由于操作人員操作不當(dāng)，也會(huì)造成對(duì)第一主泵7和第二主泵8的出口壓力分析 錯(cuò)誤。例如，操作人員在幾個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，沒有進(jìn)行挖掘，導(dǎo)致泵的出口壓力過小，不能反映 實(shí)際挖掘所需功率?？傊诂F(xiàn)行的工程機(jī)械負(fù)載識(shí)別系統(tǒng)中，存在無法準(zhǔn)確確定挖掘狀態(tài)，導(dǎo)致負(fù)載 識(shí)別不精確，造成大量燃油損失和環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述只有第一主泵7和第二主泵8的出口壓力作為負(fù)載判斷 依據(jù)存在的缺陷，提供一種挖掘機(jī)負(fù)載自主識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可供挖掘機(jī)等工程機(jī)械使用， 通過自主識(shí)別挖掘負(fù)載，確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，安裝方便，它能提高作業(yè)工作效率，降低燃 油消耗，減輕操作者的工作強(qiáng)度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種挖掘機(jī)負(fù)載自主識(shí)別系統(tǒng)，挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)包 括鏟斗油缸、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、第一主閥、第二主閥、第三主閥、第一主泵和第二主泵。 該挖掘機(jī)負(fù)載自主識(shí)別系統(tǒng)包括五個(gè)壓力傳感器、五個(gè)模擬信號(hào)處理電路、控制芯片和D/A 模塊。其中，所述第一壓力傳感器通過第一模擬信號(hào)處理電路接入控制芯片，第二壓力傳感 器通過第二模擬信號(hào)處理電路接入控制芯片，第三壓力傳感器通過第三模擬信號(hào)處理電路接入控制芯片，第四壓力傳感器通過第四模擬信號(hào)處理電路接入控制芯片，第五壓力傳感 器通過第五模擬信號(hào)處理電路接入控制芯片，控制芯片和D/A模塊相連。所述第一壓力傳 感器接入第一主泵的出口油路上，第二壓力傳感器接入第二主泵的出口油路上，第三壓力 傳感器接入鏟斗油缸大腔與第一主閥相連的油路上，第四壓力傳感器接入動(dòng)臂油缸小腔與 第二主閥相連的油路上，第五壓力傳感器接入斗桿油缸大腔與第三主閥相連的油路上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下技術(shù)效果1.該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣，只需在鏟斗油缸大腔、動(dòng)臂油缸小腔、斗桿油缸 大腔、第一主泵和第二主泵的出口分別安裝壓力傳感器，其避免了一些根據(jù)安裝角度傳感 器判斷姿態(tài)帶來的安裝困難等問題。2.該系統(tǒng)通用性強(qiáng)，可根據(jù)不同工程機(jī)械，重新制定控制策略訓(xùn)練樣本，實(shí)現(xiàn)負(fù)載 識(shí)別。3.該系統(tǒng)具有處理速度快，準(zhǔn)確度高，體積小等特點(diǎn)。利用本發(fā)明提出的控制方 法，只需15秒的預(yù)挖過程后，便可以實(shí)時(shí)確定挖掘機(jī)所處于的工作狀態(tài)。4.該系統(tǒng)可以有效避免人為對(duì)作業(yè)對(duì)象判斷失誤造成的燃油損失和制定功率檔 位過低，造成的柴油機(jī)熄火。


圖1挖掘機(jī)液壓回路示意圖；圖2為壓力傳感器在各油缸液壓回路安裝圖；圖3為負(fù)載識(shí)別系統(tǒng)電路原理圖；圖4為模擬信號(hào)處理電路原理圖；圖5為聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理圖；圖6為D/A模塊電路原理圖；圖7為負(fù)載識(shí)別系統(tǒng)原理框圖；圖中，鏟斗油缸1、動(dòng)臂油缸2、斗桿油缸3、第一主閥4、第二主閥5、第三主閥6、第 一主泵7、第二主泵8、第一壓力傳感器9、第二壓力傳感器10、第三壓力傳感器11、第四壓力 傳感器12、第五壓力傳感器13、第一模擬信號(hào)處理電路14、第二模擬信號(hào)處理電路15、第三 模擬信號(hào)處理電路16、第四模擬信號(hào)處理電路17、第五模擬信號(hào)處理電路18、控制芯片19、 D/A模塊20。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的原理是本發(fā)明首先判斷挖掘機(jī)是否處于挖掘狀態(tài)，然后采集第一主泵 和第二主泵的出口壓力，最終確定挖掘機(jī)工作模式和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。挖掘機(jī)的挖掘狀態(tài) 可以表現(xiàn)在挖掘機(jī)鏟斗油缸、動(dòng)臂油缸和斗桿油缸動(dòng)作變化。因此，本發(fā)明依據(jù)挖掘機(jī)液壓 系統(tǒng)中油缸的油液壓力進(jìn)行判斷，這種方案只需在原有的液壓系統(tǒng)中加入壓力傳感器，根 據(jù)壓力輸出值變化判斷挖掘機(jī)的動(dòng)作，而且數(shù)據(jù)處理較簡單。挖掘機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，各 工作狀態(tài)的一般性相關(guān)動(dòng)作分析如下(1)挖掘過程動(dòng)臂油缸不動(dòng)，斗桿油缸和鏟斗油缸有復(fù)合動(dòng)作。(2)提升過程動(dòng)臂油缸和斗桿油缸有復(fù)合動(dòng)作，鏟斗油缸無動(dòng)作。
(3)卸載動(dòng)作動(dòng)臂油缸和斗桿油缸無動(dòng)作，鏟斗油缸有動(dòng)作。依據(jù)聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法確定挖掘機(jī)處于挖掘狀態(tài)時(shí)，采集第一主泵和第二主泵的出口壓力值，最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳油門位置和最經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的目的。下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。如圖3所示，本發(fā)明挖掘機(jī)負(fù)載自主識(shí)別系統(tǒng)包括五個(gè)壓力傳感器、五個(gè)模擬信 號(hào)處理電路、控制芯片19和D/A模塊20。其中，第一壓力傳感器9通過第一模擬信號(hào)處理 電路14接入控制芯片19，第二壓力傳感器10通過第二模擬信號(hào)處理電路15接入控制芯片 19，第三壓力傳感器11通過第三模擬信號(hào)處理電路16接入控制芯片19，第四壓力傳感器 12通過第四模擬信號(hào)處理電路17接入控制芯片19，第五壓力傳感器13通過第五模擬信號(hào) 處理電路18接入控制芯片19，控制芯片19和D/A模塊20相連。壓力傳感器在挖掘機(jī)液壓回路中的安裝位置如附圖2所示。在控制鏟斗油缸1大 腔的第一主閥4出口油路上安裝第三壓力傳感器11。在控制動(dòng)臂油缸2小腔的第二主閥5 出口油路上安裝第四壓力傳感器12。在控制斗桿油缸3大腔的第三主閥6出口油路上安裝 第五壓力傳感器13。在第一主泵7和第二主泵8的出口油路上分別安裝第一壓力傳感器9 和第二壓力傳感器10。由于壓力傳感器采集到的數(shù)值無法直接接入控制芯片19，需要經(jīng)過模擬信號(hào)處理 電路14-18，如圖4所示，采集到的壓力信號(hào)接入運(yùn)放Ul的正輸入端并與電阻Rl相連接地。 運(yùn)放Ul的負(fù)輸入端與輸出端相連，最終經(jīng)電阻R2連接到芯片19。穩(wěn)壓二極管Dl和電容 C2分別于電阻R2串聯(lián)，另一端接模擬地。運(yùn)放Ul工作電壓設(shè)為12V，正電壓輸入端與電容 Cl串聯(lián)接模擬地。由于壓力傳感器返回的是電流信號(hào)而控制芯片19的A/D數(shù)據(jù)采集模塊 設(shè)定的是電壓輸入，因此模擬信號(hào)處理電路主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)化成芯片AD模 塊所要求的輸入量。將經(jīng)模擬信號(hào)處理電路的第三壓力傳感器11、第四壓力傳感器12和第五壓力傳 感器13的壓力差值作為聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入。首先，挖掘機(jī)預(yù)挖15秒，制定聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 訓(xùn)練樣本，聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理框圖如圖5。然后挖掘機(jī)正常工作，當(dāng)聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷出挖 掘機(jī)處于挖掘狀態(tài)，采集第一壓力傳感器9和第二壓力傳感器10經(jīng)模擬信號(hào)處理電路14 和模擬信號(hào)處理電路15后的壓力數(shù)值。取其中較大值作為判斷挖掘機(jī)工況和負(fù)載大小的 依據(jù)。通過TMS320F2812芯片19的IO輸出高低電平，設(shè)高電平為1，低電平為0。最后通過 D/A模塊20輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的油門位置信號(hào)給挖掘機(jī)主控制器，確定當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率輸 出。D/A模塊20主要包括MAX5250芯片U2和運(yùn)放U3。由于主控制芯片19只能輸出數(shù)字 信號(hào)，所以需要將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并放大返回給挖掘機(jī)主控制器。設(shè)定輸出為0至3V電 壓，線性表示依據(jù)負(fù)載所需的發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置。D/A電路原理圖如圖6所示。TMS320F2812 主控制芯片19的IO 口與MAX5250芯片U2相連。輸出電壓接入運(yùn)放U3正輸入端。運(yùn)放U3 負(fù)輸入端一端經(jīng)電阻R3與模擬地相接，另一端經(jīng)電阻R4與輸出端相連。輸出端與挖掘機(jī) 的主控制板相連。負(fù)載識(shí)別系統(tǒng)的原理框圖如附圖7所示。本發(fā)明中，控制芯片19可以采用TI公司TMS320F2812芯片，運(yùn)放Ul和運(yùn)放U3可 以采用TI公司的LM324。芯片U2可以采用MAXIM公司MAX5250芯片，但不限于此。本發(fā)明在不改變原有挖掘機(jī)液壓回路的基礎(chǔ)上，采集控制鏟斗油缸1大腔的第一 主閥4、控制動(dòng)臂油缸2小腔的第二主閥5和控制斗桿油缸3大腔的第三主閥6出口油路上的壓力作為判斷挖掘機(jī)狀態(tài)的依據(jù)。數(shù)值經(jīng)過第三模擬信號(hào)處理電路16、第四模擬信號(hào)處理電路17和第五模擬信號(hào)處理電路18輸入控制芯片19中聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理分析后，當(dāng)確 定挖掘機(jī)處于挖掘狀態(tài)時(shí)采集經(jīng)第一模擬信號(hào)處理電路14和第二模擬信號(hào)處理電路15的 第一主泵7和第二主泵8的出口 2個(gè)壓力值，取較大值作為挖掘機(jī)負(fù)載的依據(jù)。最后通過 D/A模塊20向挖掘機(jī)主控制器傳輸油門位置信號(hào)，最終確定挖掘機(jī)功率模式。
上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和 權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種挖掘機(jī)負(fù)載自主識(shí)別系統(tǒng)，挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)包括鏟斗油缸(1)、動(dòng)臂油缸(2)、斗桿油缸(3)、第一主閥(4)、第二主閥(5)、第三主閥(6)、第一主泵(7)和第二主泵(8)。其特征在于，該挖掘機(jī)負(fù)載自主識(shí)別系統(tǒng)包括五個(gè)壓力傳感器、五個(gè)模擬信號(hào)處理電路、控制芯片(19)和D/A模塊(20)。其中，所述第一壓力傳感器(9)通過第一模擬信號(hào)處理電路(14)接入控制芯片(19)，第二壓力傳感器(10)通過第二模擬信號(hào)處理電路(15)接入控制芯片(19)，第三壓力傳感器(11)通過第三模擬信號(hào)處理電路(16)接入控制芯片(19)，第四壓力傳感器(12)通過第四模擬信號(hào)處理電路(17)接入控制芯片(19)，第五壓力傳感器(13)通過第五模擬信號(hào)處理電路(18)接入控制芯片(19)，控制芯片(19)和D/A模塊(20)相連。所述第一壓力傳感器(9)接入第一主泵(7)的出口油路上，第二壓力傳感器(10)接入第二主泵(8)的出口油路上，第三壓力傳感器(11)接入鏟斗油缸(1)大腔與第一主閥(4)相連的油路上，第四壓力傳感器(12)接入動(dòng)臂油缸(2)小腔與第二主閥(5)相連的油路上，第五壓力傳感器(13)接入斗桿油缸(3)大腔與第三主閥(6)相連的油路上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種挖掘機(jī)負(fù)載自主識(shí)別系統(tǒng)，包括五個(gè)壓力傳感器、五個(gè)模擬信號(hào)處理電路、控制芯片和D/A模塊，五個(gè)壓力傳感器分別通過模擬信號(hào)處理電路接入控制芯片，控制芯片和D/A模塊相連，第一壓力傳感器接入第一主泵的出口油路上，第二壓力傳感器接入第二主泵的出口油路上，第三壓力傳感器接入鏟斗油缸大腔與第一主閥相連的油路上，第四壓力傳感器接入動(dòng)臂油缸小腔與第二主閥相連的油路上，第五壓力傳感器接入斗桿油缸大腔與第三主閥相連的油路上，該系統(tǒng)可供挖掘機(jī)等工程機(jī)械使用，通過自主識(shí)別挖掘負(fù)載，確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，安裝方便，它能提高作業(yè)工作效率，降低燃油消耗，減輕操作者的工作強(qiáng)度。
文檔編號(hào)E02F9/22GK101806079SQ20101015278
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者馮培恩, 徐振, 高宇 申請人:浙江大學(xué)