挖掘機(jī)姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示的挖掘輔助系統(tǒng)

郭一卓，馬 龍，付 有，韋勝科

GUO Yi-zhuo,MA Long,FU You,WEI Sheng-ke

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

當(dāng)前挖掘機(jī)操作方式僅依靠駕駛員在駕駛室內(nèi)，單憑視角觀察動(dòng)臂斗桿的姿態(tài)來判斷鏟斗的挖掘狀態(tài)，尤其在挖掘地平面以下較深處物料時(shí)存在諸多局限。如何降低駕駛員的工作強(qiáng)度，提高安全性與控制的準(zhǔn)確性，是目前挖掘機(jī)的研究熱點(diǎn)。而輔助挖掘系統(tǒng)是其中一種便于實(shí)現(xiàn)的方案。輔助挖掘系統(tǒng)為駕駛員提供挖掘機(jī)姿態(tài)顯示、參數(shù)監(jiān)控和挖掘指導(dǎo)，便于駕駛員在更直觀的觀察、操控挖掘機(jī)進(jìn)行工作，直接提高挖掘機(jī)的工作效率，減輕駕駛員的工作強(qiáng)度。21 世紀(jì)自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、微電子技術(shù)以及通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，為輔助挖掘系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 總體介紹

挖掘機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)顯示是挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)作業(yè)狀態(tài)遙控的重要組成部分，為駕駛員精確控制挖掘機(jī)的挖掘動(dòng)作提供指導(dǎo)，同時(shí)該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)的遙控作業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)駕駛員在安全的位置操控挖掘機(jī)，避免置于危險(xiǎn)環(huán)境中作業(yè)遭受人身傷害。解決特殊危險(xiǎn)場合的作業(yè)問題，是現(xiàn)代工程機(jī)械的一個(gè)研究方向。

本系統(tǒng)通過對安裝在挖掘機(jī)鏟斗、斗桿、動(dòng)臂主要鉸接點(diǎn)處的角度傳感器，給位于駕駛員面前的顯示屏幕提供工作裝置的位置參數(shù)，使之繪出當(dāng)前挖掘機(jī)的姿態(tài)圖像。駕駛員通過顯示屏幕輸入預(yù)定挖掘坐標(biāo)，系統(tǒng)為駕駛員的操作提供圖像參考。當(dāng)挖掘機(jī)鏟斗到達(dá)預(yù)期目標(biāo)，系統(tǒng)予以圖像與聲音提示，讓挖掘工作在程序計(jì)算的精確輔助下更高效地完成。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖

為了方便演示和驗(yàn)證本系統(tǒng)，我們制作了演示模型。演示系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。系統(tǒng)監(jiān)控軟件運(yùn)行于筆記本電腦，完成對系統(tǒng)的監(jiān)控，如姿態(tài)顯示、目標(biāo)數(shù)據(jù)輸入與處理等工作?？刂葡到y(tǒng)與系統(tǒng)監(jiān)控軟件之間采用USBRS232 數(shù)據(jù)線通信，也可選用較為先進(jìn)的無線通信方式（例如：藍(lán)牙、Wi-Fi 等）?？刂葡到y(tǒng)采用AVR 單片機(jī)(ATmega16L)為主控芯片，一是要完成對舵機(jī)的控制，3臺舵機(jī)分別控制動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的舉升和翻轉(zhuǎn)(實(shí)際工程中可直接控制液壓閥實(shí)現(xiàn)相關(guān)動(dòng)作)；二是要完成對數(shù)據(jù)的采集，如挖掘機(jī)工作裝置各鉸接點(diǎn)處的角度等參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)要求添加多種信息的數(shù)據(jù)采集，使得監(jiān)控系統(tǒng)能夠集成統(tǒng)一。

2.1 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)使用ATmega16L 單片機(jī)作為主控芯片，連接舵機(jī)、角度傳感器、數(shù)據(jù)傳送模塊、蜂鳴器等，構(gòu)成一個(gè)可與系統(tǒng)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)程序預(yù)先寫入單片機(jī)，用于發(fā)出控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的信號和采集角度傳感器的角度，然后將采集到的角度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳送模塊發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)控軟件。蜂鳴器用于各種信息的聲音提示。角度傳感器為線性度為1%的精密旋轉(zhuǎn)電位計(jì)，電路系統(tǒng)由舵機(jī)控制電路、角度采集發(fā)送電路、搖桿控制電路、聲音和光信息提示電路等組成。

2.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用AVRmega16L 單片機(jī)，程序在AVRStudio 開發(fā)環(huán)境中開發(fā)，該平臺集成度高，調(diào)試方便并且通過插件能很好的支持C 語言?？刂葡到y(tǒng)的程序框架分為2 個(gè)部分：一是舵機(jī)控制部分，二是數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分。舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度關(guān)系控制原理如圖2 所示。

圖2 舵機(jī)的輸入輸出信號關(guān)系

由于AVR 有內(nèi)部的硬件PWM（Pulse Width Modulation 即脈寬調(diào)制），通過改變PWM 的預(yù)分頻值和裝載值便可以改變輸出方波的占空比和周期，從而改變舵機(jī)的舵盤角度，使挖掘機(jī)模型實(shí)現(xiàn)模擬挖掘的動(dòng)作。

數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分的原理很簡單，當(dāng)挖掘機(jī)模型通過控制搖桿進(jìn)行動(dòng)作演示時(shí)，利用單片機(jī)（AVR）的內(nèi)部定時(shí)器每秒觸發(fā)一次AD（模擬信號轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號）轉(zhuǎn)換，由于挖掘機(jī)總共需要采集3 路AD，這樣完成一幀姿態(tài)的采集總共需要3s。采集到的挖掘機(jī)各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值經(jīng)由AVR 內(nèi)部的串口發(fā)送至顯示屏幕進(jìn)行顯示，顯示屏幕則以300 幀/s 以上的速度刷新屏幕上顯示的挖掘機(jī)姿態(tài)，足以滿足機(jī)器的實(shí)時(shí)性需求。

2.3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件平臺

系 統(tǒng) 監(jiān) 控 軟 件 使 用MFC(Microsoft Foundation ClassLibrary) 設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)庫使制作過程簡單，并且通用性強(qiáng)，程序可在32 位Windows 操作系統(tǒng)下執(zhí)行。

系統(tǒng)監(jiān)控軟件將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)函數(shù)運(yùn)算，通過顯示屏幕實(shí)時(shí)還原出挖掘臂的姿態(tài)示意圖以及顯示當(dāng)前系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，實(shí)際使用中可以根據(jù)需要添加挖掘機(jī)的任何數(shù)據(jù)內(nèi)容，基本可以使操作員只看操作平臺就可以很好地了解機(jī)器當(dāng)前的所有狀態(tài)，不必在各種不同的屏幕儀表之間切換視線，提高了操作的安全性），還可以通過系統(tǒng)監(jiān)控軟件中設(shè)定“預(yù)到達(dá)坐標(biāo)值”實(shí)現(xiàn)到達(dá)預(yù)定位置時(shí)發(fā)出提示的操作。同時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)控軟件能與控制系統(tǒng)通訊，將操作指令發(fā)送給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件與控制系統(tǒng)的雙向通信。圖3為顯示屏幕的軟件界面。

圖3 顯示屏幕軟件界面

3 試驗(yàn)與總結(jié)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)制作了挖掘機(jī)工裝的演示模型，模型的工裝構(gòu)件采用易于加工的泡沫塑料板（KT）做骨架，動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的動(dòng)作由模擬舵機(jī)驅(qū)動(dòng)并控制擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，使用穩(wěn)定的0～30A可調(diào)開關(guān)電源，為舵機(jī)等提供可靠的能量保障。角度測量傳感器使用WDD35D1 精密旋轉(zhuǎn)電位計(jì)；系統(tǒng)采用閉式反饋控制形式，顯示系統(tǒng)由筆記本電腦直接執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)。模型系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

經(jīng)過模型試驗(yàn)測試實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求，角位移誤差僅0.17°，鏟斗末端定位誤差僅2.1mm。該系統(tǒng)工作可靠，使用靈活，應(yīng)用于現(xiàn)有挖掘機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)精確挖掘工作，并能極大地減輕駕駛員的工作負(fù)荷，為鋪設(shè)復(fù)雜多變的城市管路系統(tǒng)提供更安全、更精確、更高效的電子輔助指導(dǎo)。

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