一種挖掘機自動平地控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種挖掘機自動平地控制方法，屬于機械控制領域，應用于挖掘機，包括設定自動平地作業時所述斗尖5的水平高度，并采集車身1、動臂2、斗桿3和鏟斗4的位姿信號；根據位姿信號計算斗尖5保持一定速度水平運動時所需動臂2和斗桿3的角速度；并據此計算出動臂2和斗桿3的油缸的速度控制輸出量；根據位姿信號計算出斗尖5實際高度與設定高度之間的高度差，并根據高度差計算出動臂2和/或斗桿3的油缸的高度控制輸出量；將速度控制輸出量和高度控制輸出量合并后輸出。本發明的技術方案采用了以速度控制為主，位置反饋調整為輔的方法，既能保證動作的平穩性，又能保證斗尖高度控制的精確性。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬于機械設備控制領域，涉及一種自動化控制方法，尤其涉及一種適用于 挖掘機的自動平地控制方法。 一種挖掘機自動平地控制方法

【背景技術】
[0002] 挖掘機，特別是反鏟挖掘機在實際應用中常常需要對作業地面進行平整作業，此 時操作者需要同時控制動臂、斗桿和鏟斗，使斗尖始終在平行于地面運動，從而平整土地。
[0003] 由于平地作業需要控制的變量多，控制復雜，需要操作者有良好的工作協調性和 操作技巧，因此平地作業的實際效果往往隨著駕駛員操作技能高低而變化，同時平地作業 的復雜性也使操作者容易疲勞，不能長時間工作。
[0004] 目前已有的一些挖掘機自動化作業的系統主要集中于硬件實現，即在挖掘機上安 裝位姿信號傳感器，通過控制器計算結果調整工作裝置輸出。
[0005] 對于實現自動平地的控制方法，現有技術均基于位姿反饋控制，通過把斗桿和鏟 斗視為一體（即將鏟斗視為一點），計算斗桿當前位置，從而調整動臂輸出，使鏟斗處于水 平位置。
[0006] 現有控制方法實際上是位置伺服方法。由于液壓挖掘機的機械液壓系統具有較大 的慣性質量，包含諸多非線性因素，當系統檢測到斗尖位置偏離預設的高度時，機構才能做 出反應，而此時機構已經超出預定高度距離較遠，使得實際應用中這種控制方法造成的斗 尖上下的波動幅度大，平整效果差。
[0007] 此外，由于斗尖在超出預設位置范圍以后工作機構（通常是動臂）才會進行調 整以便使斗尖回到預設位置，因此在這種工作模式下，工作機構總是處于靜止-調整-靜 止-調整的狀態中，造成機構的沖擊大，抖動劇烈、動作不連貫等缺陷。


【發明內容】

[0008] 有鑒于此，本發明采用了以速度控制為主，位置反饋調整為輔的方法，既能保證動 作的平穩性，又能保證斗尖高度控制的精確性。
[0009] 為達到上述目的，具體技術方案如下：
[0010] 提供了一種挖掘機自動平地控制方法，應用于挖掘機自動平地作業，所述挖掘機 包括依次相連的車身、動臂、斗桿和鏟斗，所述鏟斗上設有斗尖，包括以下步驟：
[0011] 步驟1，設定自動平地作業時所述斗尖的水平高度，并采集所述車身、動臂、斗桿和 鏟斗的位姿信號；
[0012] 步驟2,根據步驟1的位姿信號計算所述斗尖保持一定速度水平運動時所需動臂 和斗桿的角速度；
[0013] 步驟3,根據所需動臂和斗桿的角速度計算出所述動臂和斗桿的油缸的速度控制 輸出量；
[0014] 步驟4,根據步驟1的位姿信號計算出所述斗尖實際高度與設定高度之間的高度 差，并根據所述高度差計算出所述動臂和/或斗桿的油缸的高度控制輸出量；
[0015] 步驟5,所述動臂和斗桿的油缸將所述速度控制輸出量和高度控制輸出量合并后 輸出。
[0016] 優選的，所述步驟2中通過建立所述斗尖保持水平運動時動臂和斗桿的角速度比 例系數，計算出所需動臂和斗桿的角速度。
[0017] 優選的，所述步驟2中角速度比例系數與所述位姿信號相關，且隨斗尖的運動而 變化。
[0018] 優選的，所述步驟3中通過分別建立動臂和斗桿的角速度與油缸的速度控制輸出 量的函數，計算出動臂和斗桿的油缸的速度控制輸出量。
[0019] 優選的，所述步驟4中的高度控制輸出量包括：當所述斗尖的實際高度高于預定 高度時，將使動臂運動偏向減慢抬升速度或者加快下降速度；當所述斗尖的實際高度低于 設定高度時，將使動臂運動偏向加快抬升速度或者減慢下降速度。
[0020] 優選的，所述步驟1中的位姿信號包括：所述車身、動臂、斗桿、鏟斗相對于水平 面的傾角，或者車身、動臂、斗桿、鏟斗之間的夾角和車身相對于水平面的傾角，或者動臂油 缸、斗桿油缸、鏟斗油缸的伸出量和車身相對于水平面的傾角。
[0021] 相對于現有技術，本發明的技術方案的優點有：
[0022] 1、控制精度達到或超過手動平地效果，效率更高；
[0023] 2、采用速度控制和位移控制結合的控制方法，用速度控制保證斗尖運動的平順 性，用位移控制改善位置控制精度，有更加優異的實用效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實 施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
[0025] 圖1是本發明實施例的挖掘機的結構示意圖；
[0026] 圖2是本發明實施例的流程示意圖；
[0027] 圖3是本發明實施例的挖掘機的函數結構示意圖。
[0028] 其中，1為車身、2為動臂、3為斗桿、4為鏟斗、5為斗尖、6為動臂油缸、7為斗桿油 缸、8為鏟斗油缸。

【具體實施方式】
[0029] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0030] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相 互組合。
[0031] 以下將結合附圖對本發明的實施例做具體闡釋。
[0032] 如圖1中所示的本發明的實施例的一種挖掘機，在車身1及工作裝置（動臂2、斗 桿3、鏟斗4)上各安裝傾角傳感器或者在車身1及各工作裝置之間安裝相對角傳感器，也可 以在動臂油缸6、斗桿油缸7和鏟斗油缸8上安裝油缸位移傳感器并在車身1安裝傾角傳感 器。
[0033] 如圖2中所示，在本發明的實施例中，挖掘機自動平地控制方法包括：
[0034] 步驟1，設定自動平地作業時斗尖5的水平高度H，并由上述傳感器反饋信息任意 時刻采集車身1、動臂2、斗桿3和鏟斗4的位姿信號；
[0035] 步驟2,根據步驟1的位姿信號，通過建立斗尖5保持水平運動時動臂2和斗桿3 的角速度比例系數，計算斗尖5保持一定速度水平運動時所需動臂2和斗桿3的角速度。
[0036] 如圖3中所示，在本發明的實施例中，根據采集到的數據計算動臂角速度WA和斗 桿角速度WB之間的比例系數g，使得當滿足 1WA=5 X \VB時，斗尖5處于水平運動狀態。此 時的比例函數是與各工作裝置角度有關的函數，且隨著工作裝置姿態的變化其值也連續變 化。假定此時的自動平地時斗桿的角速度為WB1，根據比例系數g即可計算動臂相應角速度 WAl〇
[0037] 步驟3,根據所需動臂2和斗桿3的角速度，通過分別建立動臂2和斗桿3的角速 度與油缸的速度控制輸出量的函數，計算出動臂2和斗桿3的油缸的速度控制輸出量；
[0038] 步驟4,根據步驟1的位姿信號計算出斗尖5實際高度h與設定高度Η之間的高度 差Λh，并根據高度差計算出動臂2或斗桿3的油缸的高度控制輸出量。當斗尖5高于預 定的水平運動高度時，調整量將使動臂2運動偏向減慢抬升速度或者加快下降速度；當斗 尖5低于預定的水平運動高度時，調整量將使動臂2運動偏向加快抬升速度或者減慢下降 速度；
[0039] 步驟5,動臂2和斗桿3的油缸將速度控制輸出量和高度控制輸出量合并后輸出， 同時向斗桿3和動臂2油缸輸出上述計算結果，即可使斗尖5在預定的水平高度平穩運動。
[0040] 本發明的實施例不同于以往用只用位置反饋來控制斗尖的高度，而采用了以速度 控制為主，位置反饋調整為輔的方法，用速度控制量和位置反饋控制量的合并量來控制工 作裝置，既能保證動作的平穩性，又能保證斗尖高度控制的精確性。
[0041] 以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為范例，本發明并不限 制于以上描述的具體實施例。對于本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和 替代也都在本發明的范疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和范圍下所作的均等變換和 修改，都應涵蓋在本發明的范圍內。
【權利要求】
1. 一種挖掘機自動平地控制方法，應用于挖掘機自動平地作業，所述挖掘機包括依次 相連的車身（1)、動臂（2)、斗桿（3)和鏟斗（4)，所述鏟斗（4)上設有斗尖（5)，其特征在于， 包括以下步驟： 步驟1，設定自動平地作業時所述斗尖（5)的水平高度，并采集所述車身（1)、動臂（2)、 斗桿（3)和鏟斗（4)的位姿信號； 步驟2,根據步驟1的位姿信號計算所述斗尖（5)保持一定速度水平運動時所需動臂 (2)和斗桿（3)的角速度； 步驟3,根據所需動臂（2)和斗桿（3)的角速度計算出所述動臂（2)和斗桿（3)的油缸 的速度控制輸出量； 步驟4,根據步驟1的位姿信號計算出所述斗尖（5)實際高度與設定高度之間的高度 差，并根據所述高度差計算出所述動臂（2)和/或斗桿（3)的油缸的高度控制輸出量； 步驟5,所述動臂（2)和斗桿（3)的油缸將所述速度控制輸出量和高度控制輸出量合并 后輸出。
2. 如權利要求1所述的挖掘機自動平地控制方法，其特征在于，所述步驟2中通過建 立所述斗尖（5)保持水平運動時動臂（2)和斗桿（3)的角速度比例系數，計算出所需動臂 (2)和斗桿（3)的角速度。
3. 如權利要求2所述的挖掘機自動平地控制方法，其特征在于，所述步驟2中角速度比 例系數與所述位姿信號相關，且隨斗尖（5)的運動而變化。
4. 如權利要求3所述的挖掘機自動平地控制方法，其特征在于，所述步驟3中通過分別 建立動臂（2)和斗桿（3)的角速度與油缸的速度控制輸出量的函數，計算出動臂（2)和斗 桿（3)的油缸的速度控制輸出量。
5. 如權利要求3所述的挖掘機自動平地控制方法，其特征在于，所述步驟4中的高度控 制輸出量包括：當所述斗尖（5)的實際高度高于預定高度時，將使動臂（2)運動偏向減慢抬 升速度或者加快下降速度；當所述斗尖（5)的實際高度低于設定高度時，將使動臂（2)運動 偏向加快抬升速度或者減慢下降速度。
6. 如權利要求5所述的挖掘機自動平地控制方法，其特征在于，所述步驟1中的位姿 信號包括：所述車身（1)、動臂（2)、斗桿（3)、鏟斗（4)相對于水平面的傾角，或者車身（1)、 動臂（2)、斗桿（3)、鏟斗（4)之間的夾角和車身⑴相對于水平面的傾角，或者動臂⑵油 缸、斗桿⑶油缸、鏟斗⑷油缸的伸出量和車身⑴相對于水平面的傾角。
【文檔編號】E02F3/43GK104120745SQ201410362825
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】張舒原, 鄭堯, 石向星 申請人:三一重機有限公司