專利名稱：一種挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種挖掘機(jī)的控制方法和裝置，尤其涉及一種對(duì)挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn) 行自動(dòng)控制的方法和裝置。
背景技術(shù)：
液壓挖掘機(jī)是一種廣泛應(yīng)用的工程機(jī)械，其工作環(huán)境惡劣，且由于操縱動(dòng)作單一， 長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)極易導(dǎo)致駕駛員疲勞。應(yīng)用微機(jī)控制液壓挖掘機(jī)，必然能減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng) 度，提高勞動(dòng)效率，節(jié)省能源，提高安全性。
由于挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和環(huán)境變化大，挖掘作業(yè)要適應(yīng)各種工況、土質(zhì)環(huán)境，且在 施工中每一具體操作的內(nèi)容和要求都不同，很難形成規(guī)律，這要求在控制方式的選擇上應(yīng) 具有智能化的特點(diǎn)，自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有自我適應(yīng)作業(yè)對(duì)象和環(huán)境變化的能力。
現(xiàn)有技術(shù)中，在采用微機(jī)控制實(shí)現(xiàn)工作裝置軌跡控制的研究中，大都采用建立工 作裝置的位姿數(shù)學(xué)模型，依據(jù)給定的斗齒目標(biāo)軌跡，經(jīng)過(guò)計(jì)算，轉(zhuǎn)換為工作裝置的相對(duì)轉(zhuǎn)角 序列，由微機(jī)控制電液伺服系統(tǒng)，使三個(gè)桿件各自跟蹤其目標(biāo)轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)軌跡控制。對(duì)于挖 掘機(jī)這類工程機(jī)械，這種控制方式比較復(fù)雜，難以適應(yīng)各種復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的要求，使用上存 在一定的局限性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種用于液壓挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)控制方法以及采用該控 制方法的控制系統(tǒng)，通過(guò)該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)液壓挖掘機(jī)工作裝置在設(shè)定工況下的自動(dòng)操 縱，準(zhǔn)確而穩(wěn)定地控制工作裝置的位置和姿態(tài)，使工作裝置按照預(yù)期的軌跡運(yùn)動(dòng)，完成作業(yè) 任務(wù)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)控制系 統(tǒng)，包括動(dòng)臂角度傳感器、斗桿角度傳感器、鏟斗角度傳感器、動(dòng)臂油缸壓力傳感器、斗桿 油缸壓力傳感器、鏟斗油缸壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、動(dòng)臂油缸電液比例閥、斗桿油缸電液 比例閥、鏟斗油缸電液比例閥，(1)設(shè)有激光定位儀，用于檢測(cè)挖掘機(jī)工作裝置與挖掘?qū)ο蟮南鄬?duì)位置；(2)帶有軟件程序的可編程控制器，各個(gè)傳感器的信號(hào)輸出端與所述可編程控制器連 接，所述可編程控制器的輸出端分別與動(dòng)臂油缸電液比例閥、斗桿油缸電液比例閥、鏟斗油 缸電液比例閥的控制端連接；(3)所述可編程控制器中的軟件程序包括控制動(dòng)臂的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊、控制斗桿的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊、控制鏟斗的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，以及分別控制各電液比例閥的電液控制模 塊。
上述技術(shù)方案中，各BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出分別連接對(duì)應(yīng)的電液比例閥的電液 控制模塊。
一種挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)控制方法，采用上述自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括下列步驟(1)訓(xùn)練樣本的獲取由駕駛員先在設(shè)定工況下進(jìn)行多次重復(fù)挖掘動(dòng)作，按預(yù)先設(shè)定 的時(shí)間間隔采樣激光定位儀記錄預(yù)定挖掘?qū)ο蠛凸ぷ餮b置的相對(duì)位置e，各角度傳感器 分別采集記錄動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的相對(duì)轉(zhuǎn)角樣本信息θ，各壓力傳感器分別采集記錄動(dòng)臂 油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸的壓力樣本信息P，轉(zhuǎn)速傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速樣本信息η，并 采樣動(dòng)臂、斗桿、鏟斗油缸電液比例閥控制信號(hào)u ；(2)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊將步驟(1)采集的樣本數(shù)據(jù)分別作為控制動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的訓(xùn)練 樣本，經(jīng)過(guò)控制器內(nèi)編好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制程序，通過(guò)其自適應(yīng)的學(xué)習(xí)功能進(jìn)行訓(xùn)練，得 到滿足精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值，從而獲得訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；(3)用激光定位儀測(cè)定當(dāng)前挖掘?qū)ο蠛蛣?dòng)臂、斗桿、鏟斗的相對(duì)位置數(shù)據(jù)e(t)，各角 度傳感器分別采集當(dāng)前動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的相對(duì)轉(zhuǎn)角θ (t)，各壓力傳感器分別測(cè)量動(dòng)臂 油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸的壓力樣本信息P(t)，轉(zhuǎn)速傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速樣本信息 n(t)；(4)將步驟(3)得到的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練好的各BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入，輸出即為動(dòng)臂、 斗桿和鏟斗油缸的電液控制模塊的控制輸入量u(t)，經(jīng)過(guò)各電液控制模塊，分別控制動(dòng) 臂、斗桿、鏟斗油缸的行程，得到下一時(shí)刻動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的位置e(t+l)、相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度 θ (t+1)、油缸壓力p(t+l)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n(t+l)；(5)將步驟C3)和步驟(4)獲得的數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算位置差值A(chǔ)ea+l)，并與步驟(4) 的其他數(shù)據(jù)共同構(gòu)成下一時(shí)刻的系統(tǒng)輸入量；(6)重復(fù)步驟C3)至(5)，通過(guò)整個(gè)控制系統(tǒng)的循環(huán)迭代，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)工作裝置在整個(gè) 挖掘過(guò)程中的軌跡控制。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明采用了 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，通過(guò)采樣真實(shí)駕駛員操作時(shí)的各傳感器參數(shù) 對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，更大程度地模擬了真實(shí)駕駛員的操縱策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況下挖 掘機(jī)工作的適應(yīng)性，控制器根據(jù)及壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理部分計(jì)算后，發(fā)出 控制量，分別驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸動(dòng)作，從而準(zhǔn)確地控制鏟斗的位置 和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)操縱。
2.本發(fā)明通過(guò)對(duì)工作裝置運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)在設(shè)定工況下挖掘機(jī)的自動(dòng) 作業(yè)，減輕駕駛員的工作強(qiáng)度、提高工作效率和安全性、節(jié)約能源；由于應(yīng)用了 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)，避免了采用傳統(tǒng)PID控制方法復(fù)雜、精度低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，將工作裝置的控制策 略模糊化、智能化，并具有自適應(yīng)、學(xué)習(xí)功能，可以根據(jù)熟練駕駛員的作業(yè)示范，當(dāng)場(chǎng)學(xué)習(xí)訓(xùn) 練，獲得成熟的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)在不同工況下的工作裝置挖掘軌跡自動(dòng)控制。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是實(shí)施例中電流控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是控制系統(tǒng)在挖掘機(jī)上的安裝和作用關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一一種挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括動(dòng)臂角度傳感器、斗桿角度傳 感器、鏟斗角度傳感器、動(dòng)臂油缸壓力傳感器、斗桿油缸壓力傳感器、鏟斗油缸壓力傳感器、 轉(zhuǎn)速傳感器、動(dòng)臂油缸電液比例閥、斗桿油缸電液比例閥、鏟斗油缸電液比例閥，其中，帶有 軟件程序的可編程控制器包括模擬駕駛員控制動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊cl、c2、 c3及電液控制模塊c4、c5、c6。動(dòng)臂、斗桿、鏟斗控制系統(tǒng)類似，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所 示，電液控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
參見(jiàn)圖3，本發(fā)明的裝置包括，動(dòng)臂1、斗桿2、鏟斗3、動(dòng)臂油缸al、斗桿油缸a2、鏟 斗油缸a3、動(dòng)臂角度傳感器Si、斗桿角度傳感器s2、鏟斗角度傳感器S3、動(dòng)臂油缸壓力傳感 器s4、斗桿油缸壓力傳感器s5、鏟斗油缸壓力傳感器s6、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器s7、激光定位儀 4、控制器5，其中1)動(dòng)臂角度傳感器si安裝在動(dòng)臂1和平臺(tái)鉸接處，斗桿角度傳感器s2安裝在動(dòng)臂1 和斗桿2鉸接處，鏟斗角度傳感器s3安裝在斗桿2和鏟斗3鉸接處；2)動(dòng)臂油缸壓力傳感器s4安裝在動(dòng)臂油缸al液壓回路中，斗桿油缸壓力傳感器s4 安裝在斗桿油缸al液壓回路中，鏟斗油缸壓力傳感器s4安裝在鏟斗油缸al液壓回路中；3)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器s7安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部；4)激光定位儀4安裝在駕駛室前端；5)控制器5與挖掘機(jī)ECU集成。
本實(shí)施例的控制方法如下1)將系統(tǒng)設(shè)定為手動(dòng)駕駛模式，駕駛員根據(jù)工況在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行重復(fù)挖掘作業(yè)，各 傳感器采樣記錄下動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的轉(zhuǎn)角、壓力信號(hào)、挖掘?qū)ο笙鄬?duì)位置信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 信號(hào)和各工作油缸電液控制比例閥控制信號(hào)；2)將步驟1采集樣本儲(chǔ)存至控制器5，作為其中BP網(wǎng)絡(luò)控制模塊cl、c2、c3的訓(xùn)練樣 本，經(jīng)過(guò)程序運(yùn)行，得到滿足要求的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將其作為工作裝置運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)控制策略；3)將系統(tǒng)設(shè)定為自動(dòng)駕駛模式，傳感器測(cè)定當(dāng)前動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的轉(zhuǎn)角、壓力信號(hào)、 挖掘?qū)ο笙鄬?duì)位置信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和油缸電液控制比例閥控制輸入信號(hào)；4)將步驟幻測(cè)定信號(hào)作為控制器5輸入量，經(jīng)過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊cl、c2、c3，得 到下一瞬時(shí)各工作油缸電液控制比例閥控制信號(hào)；5)將步驟4)得到的控制信號(hào)作為電液控制系統(tǒng)模塊c4、c5、c6的系統(tǒng)輸入量，經(jīng)過(guò)功 率放大器和電液比例閥，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)，控制各工作油缸壓力和的供油量，從而 控制各工作油缸的行程，獲得下一瞬時(shí)動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的相對(duì)位置，經(jīng)過(guò)程序換算，輸出為 下一瞬時(shí)挖掘?qū)ο蠛蛣?dòng)臂、斗桿、鏟斗的相對(duì)位置；6)將步驟3)和步驟5)得到的數(shù)據(jù)相比較，得到相鄰時(shí)刻動(dòng)臂、斗桿和鏟斗與挖掘?qū)?象的相對(duì)位置差值，并反饋至系統(tǒng)輸入端；7)重復(fù)步驟3-6，直至工作裝置完成預(yù)期挖掘動(dòng)作。
由此，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)控制。
權(quán)利要求
1.一種挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括動(dòng)臂角度傳感器、斗桿角度傳感器、鏟 斗角度傳感器、動(dòng)臂油缸壓力傳感器、斗桿油缸壓力傳感器、鏟斗油缸壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳 感器、動(dòng)臂油缸電液比例閥、斗桿油缸電液比例閥、鏟斗油缸電液比例閥，其特征在于(1)設(shè)有激光定位儀，用于檢測(cè)挖掘機(jī)工作裝置與挖掘?qū)ο蟮南鄬?duì)位置；(2)帶有軟件程序的可編程控制器，各個(gè)傳感器的信號(hào)輸出端與所述可編程控制器連 接，所述可編程控制器的輸出端分別與動(dòng)臂油缸電液比例閥、斗桿油缸電液比例閥、鏟斗油 缸電液比例閥的控制端連接；(3)所述可編程控制器中的軟件程序包括控制動(dòng)臂的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊、控制斗桿的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊、控制鏟斗的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，以及分別控制各電液比例閥的電液控制模 塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于各BP神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)模塊的輸出分別連接對(duì)應(yīng)的電液比例閥的電液控制模塊。
3.一種挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)控制方法，采用權(quán)利要求1所述自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其 特征在于，包括下列步驟(1)訓(xùn)練樣本的獲取由駕駛員先在設(shè)定工況下進(jìn)行多次重復(fù)挖掘動(dòng)作，按預(yù)先設(shè)定 的時(shí)間間隔采樣激光定位儀記錄預(yù)定挖掘?qū)ο蠛凸ぷ餮b置的相對(duì)位置e，各角度傳感器 分別采集記錄動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的相對(duì)轉(zhuǎn)角樣本信息θ，各壓力傳感器分別采集記錄動(dòng)臂 油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸的壓力樣本信息P，轉(zhuǎn)速傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速樣本信息η，并 采樣動(dòng)臂、斗桿、鏟斗油缸電液比例閥控制信號(hào)u ；(2)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊將步驟(1)采集的樣本數(shù)據(jù)分別作為控制動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的訓(xùn)練 樣本，經(jīng)過(guò)控制器內(nèi)編好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制程序，通過(guò)其自適應(yīng)的學(xué)習(xí)功能進(jìn)行訓(xùn)練，得 到滿足精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值，從而獲得訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；(3)用激光定位儀測(cè)定當(dāng)前挖掘?qū)ο蠛蛣?dòng)臂、斗桿、鏟斗的相對(duì)位置數(shù)據(jù)e(t)，各角 度傳感器分別采集當(dāng)前動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的相對(duì)轉(zhuǎn)角θ (t)，各壓力傳感器分別測(cè)量動(dòng)臂 油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸的壓力樣本信息P (t)，轉(zhuǎn)速傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速樣本信息 n(t)；(4)將步驟(3)得到的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練好的各BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入，輸出即為動(dòng)臂、 斗桿和鏟斗油缸的電液控制模塊的控制輸入量u(t)，經(jīng)過(guò)各電液控制模塊，分別控制動(dòng) 臂、斗桿、鏟斗油缸的行程，得到下一時(shí)刻動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的位置e(t+l)、相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度 θ (t+1)、油缸壓力p(t+l)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n(t+l)；(5)將步驟C3)和步驟(4)獲得的數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算位置差值A(chǔ)ea+l)，并與步驟(4) 的其他數(shù)據(jù)共同構(gòu)成下一時(shí)刻的系統(tǒng)輸入量；(6)重復(fù)步驟C3)至(5)，通過(guò)整個(gè)控制系統(tǒng)的循環(huán)迭代，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)工作裝置在整個(gè) 挖掘過(guò)程中的軌跡控制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)及控制方法，系統(tǒng)包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗角度傳感器，動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸壓力傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸電液比例閥，其特征在于(1)設(shè)有激光定位儀，用于檢測(cè)挖掘機(jī)工作裝置與挖掘?qū)ο蟮南鄬?duì)位置；(2)可編程控制器接收各傳感器的信號(hào)，控制各電液比例閥；(3)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行控制。本發(fā)明能準(zhǔn)確控制鏟斗的位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)工作裝置的自動(dòng)操縱。
文檔編號(hào)E02F9/20GK102041824SQ20101058106
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者宋杰, 徐瑾, 戴晴華 申請(qǐng)人:三一重機(jī)有限公司