[发明专利]一种挖掘机铲斗物料动态称重装置及其方法

权利要求书

1.一种挖掘机铲斗物料动态称重装置，其特征在于：包括重量采集单元、微处理器和称重显示单元，上述重量采集单元包括倾角传感器、陀螺仪和压力传感器，上述压力传感器设置有六个，六压力传感器分别相应安装在挖掘机的大臂油缸的前后腔、挖掘机的斗杠油缸的前后腔和挖掘机的铲斗油缸的前后腔上，上述倾角传感器和上述陀螺仪均安装在挖掘机的大臂、斗杠和铲斗上，上述微处理器和上述称重显示单元分别安装在挖掘机的驾驶舱内，上述微处理器具有用于采集重量采集单元的数据的数据采集模块和对数据采集模块的数据进行分析、计算的数据分析模块，上述数据采集模块的输出端与上述数据分析模块的输入端连接，上述微处理器的输出端与上述称重显示单元连接，上述倾角传感器、上述陀螺仪与各上述压力传感器均与上述数据采集模块的输入端连接，上述微处理器的输入端连接有用于触发上述微处理器的数据采集模块采集或停止采集数据的信号触发装置，上述信号触发装置包括霍尔位置传感器和与霍尔位置传感器相适配的信号接收器，上述霍尔位置传感器具有上磁钢和下磁钢，上述霍尔位置传感器安装挖掘机大臂上，上述霍尔位置传感器具有上磁钢和下磁钢，上述下磁钢安装在距离挖掘机大臂下边沿3-8mm的位置处，上述上磁钢安装在距离挖掘机大臂上边沿3-8mm的位置处，上述信号接收器安装在挖掘机的驾驶舱内，上述霍尔位置传感器与上述信号接收器的输入端连接，上述信号接收器的输出端与上述微处理器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种挖掘机铲斗物料动态称重装置，其特征在于：上述重量采集单元与上述微处理器之间设有信号调理模块和A/D转换模块，上述倾角传感器、陀螺仪和压力传感器的输出端均与上述信号调理模块的输入端连接，上述信号调理模块的输出端与上述A/D转换模块的输入端连接，上述A/D转换模块的输出端与上述数据采集模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种挖掘机铲斗物料动态称重装置，其特征在于：上述数据采集模块采用其型号为STM32F103的集成电路芯片，上述数据分析模块采用其型号为TMS320F28335的集成电路芯片，上述数据采集模块通过CAN总线与上述数据分析模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种挖掘机铲斗物料动态称重装置，其特征在于：上述微处理器还设有用于存储微处理器数据的数据存储器，上述数据存储器与上述微处理器双向连接。

5.根据权利要求4所述的一种挖掘机铲斗物料动态称重装置，其特征在于：上述数据存储器包括SDRAM存储器和FLASH存储器，上述SDRAM存储器和FLASH存储器分别与上述微处理器双向连接。

6.根据权利要求1所述的一种挖掘机铲斗物料动态称重装置，其特征在于：上述微处理器的输出端还连接有超重报警单元。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种挖掘机铲斗物料动态称重方法，包括如下步骤：

一、待具有铲斗物料的挖掘机的铲斗提升至挖掘机大臂的下磁钢时霍尔位置传感器被触发，向微处理器发送采集数据指令，微处理器的数据采集模块开始采集重量采集单元的采集数据，待具有铲斗物料的挖掘机的铲斗提升到挖掘机大臂的上磁钢时霍尔位置传感器再被触发，向微处理器发送停止采集数据指令，微处理器的数据采集模块停止采集重量采集单元的采集数据；

二、将步骤一中数据采集模块所采集到的数据发送至数据分析模块中，数据分析模块利用自身编制好的数学模型程序进行计算得出铲斗物料重量值，该数据分析模块的计算方法通过如下步骤：

（1）在挖掘机上定义五个坐标系，分别是固定参考坐标系（X，Y），此固定参考坐标系以驾驶舱的几何重心为原点，X方向指向挖掘机车体行进方向，Y方向垂直于X方向；驾驶舱坐标系（x，y），该驾驶舱坐标系以驾驶舱的几何重心为原点，x方向与驾驶舱方向一致，y方向垂直于x方向；大臂坐标系（s，t），该大臂坐标系以驾驶舱与大臂的铰接点O点为原点，s坐标指向OR₂方向，其中O为驾驶舱与大臂的铰接点，R₂为大臂与斗杠的铰接点，t方向垂直于s方向；斗杠坐标系（u，v），该斗杠坐标系是以大臂与斗杠的铰接点为原点，u坐标指向R₂R₃方向，其中R₂为大臂与斗杠的铰接点，R₃为斗杠与铲斗的铰接点，v方向垂直于u方向；铲斗坐标系（p，q）；该铲斗坐标系是以斗杠与铲斗的铰接点为原点，q坐标指向R₃I方向，其中R₃为斗杠与铲斗的铰接点，I为连杠HI在铲斗上的铰接点，连杠HI是铲斗油缸与铲斗铰接的过渡杠，p方向垂直于q方向；

（2）定义三个广义坐标：θ₁、θ₂、θ₃，其中θ₁为大臂与水平面夹角，θ₂为大臂与斗杠的夹角，θ₃为铲斗与斗杠的夹角，θ₁通过安装在挖掘机大臂上的倾角传感器测量出来，θ₂通过安装在挖掘机斗杠上的倾角传感器测量出来，θ₃通过安装在挖掘机铲斗上的倾角传感器测量出来；

（3）设定参照物i，以驾驶舱为参照物1，i=1，大臂为参照物2，i=2，斗杠为参照物3，i=3，铲斗为参照物4，i=4；

（4）根据凯恩的动力学方程：在同一广义坐标下，参照物的广义主动力和该参照物的广义惯性力之和为0，可得如下方程组：

Σi=14Fiθ1+Σi=14Fiθ1*=0Σi=14Fiθ2+Σi=14Fiθ2*=0Σi=14Fiθ3+Σi=14Fiθ3*=0,(i=1,2,3,4)]]>①

其中表示主动力，表示惯性力；

（5）根据凯恩的定义可知：惯性力：②

惯性力矩：T_i^*=-I_io⁰αⁱ-⁰ωⁱ×(I_io⁰ωⁱ)；    ③

其中M_i表示各个参照物的质量，表示各个参照物质心点的加速度，⁰ωⁱ表示各个参照物相对地面的角速度，⁰αi表示各个参照物相对地面的角加速度，该各参照物质心点的角加速度及相对于地面的角速度和角加速度均可通过各参照物上的陀螺仪和倾角传感器直接或间接测量计算出来，I_i表示各个参照物的惯性张量；

（6）根据式②和式③可以得到驾驶舱的广义惯性力大臂的广义惯性力斗杠的广义惯性力铲斗的广义惯性力

（7）计算各参照物的广义主动力：

a：对于各个广义坐标，驾驶舱的偏角速度，线性偏速度均为0，驾驶舱的广义主动力为0，即

b：大臂受到大臂的质量、大臂油缸的驱动力和斗杠油缸的驱动力的共同作用，于广义坐标θ_i，i=1,2,3，大臂的广义主动力为：

F2θi=W2·vG2θi20+F2B·vBθi20+F2D·vDθi20,(i=1,2,3);]]>

其中W₂为大臂的质量，F_2B为大臂油缸驱动力，通过大臂油缸的两个压力传感器的压力差转化计算求得，F_2D为斗杠油缸驱动力，通过斗杠油缸的两个压力传感器的压力差转化计算求得，分别为广义坐标θ_i下，点G₂，B和D的偏速度，G₂点为大臂的质心，B点为大臂与大臂油缸在大臂上的铰接点，D点为斗杠油缸与大臂在大臂上的铰接点，通过凯恩动力学方程可计算得出；

c、斗杠受到斗杠的质量、斗杠油缸的驱动力、铲斗油缸的驱动力和沿着铲斗油缸与斗杠铰接的过渡杠的拉力的共同作用，对于广义坐标θ_i，i=1,2,3，斗杠的广义主动力为：

F3θi=W3·vG3θi30+F3E·vEθi30+F3F·vFθi30+F3G·vGθi30,(i=1,2,3);]]>

其中W₃为斗杠的质量，F_3E为斗杠油缸驱动力，其通过斗杠油缸的两个压力传感器的压力差转化计算求得，F_3F为铲斗油缸驱动力，其通过铲斗的两个压力传感器的压力差转化计算求得，F_3G为沿着铲斗油缸与斗杠铰接的过渡杠的的拉力，其通过斗杠，铲斗，铲斗油缸、连杠HG、连杠HI组成的连杠机构的几何受力分析可以求得，连杠HG是铲斗油缸与斗杠铰接的过渡杠，分别为广义坐标θ_i下，点G₃，E,F和G的偏速度，其中点G₃是铲斗的质心，点E为斗杠油缸与斗杠在斗杠上的铰接点，点F为铲斗油缸与斗杠在斗杠上的铰接点，点G为连杠HG在斗杠上的铰接点，通过凯恩动力学方程可计算得出；

d、铲斗受到铲斗的质量和沿着连杠HI拉力的共同作用，对于广义坐标θ_i，i=1,2,3，铲斗的广义主动力为：

F4θi=W4·vG4θi40+F3I·vIθi40,(i=1,2,3);]]>

其中W₄为铲斗的质量，F_3I为沿着连杠HI的拉力，通过斗杠、铲斗、铲斗油缸、连杠HG及连杠HI组成的连杠机构的几何受力分析可以求得，分别为广义坐标θ_i下，点G₄和I的偏速度，G₄为铲斗的质心，点I为连杠HI在铲斗上的铰接点，通过通过凯恩动力学方程可计算得出；

（8）将步骤（6）和步骤（7）中为0值的广义惯性力和广义主动力代入方程组①，可得新的方程组：

（9）由④-⑤，⑤-⑥可得：

F2θ1+(F3θ1-F3θ2)+(F4θ1-F4θ2)+(F3θ1*-F3θ2*)(F4θ1*-F4θ2*)=0F3θ2+(F4θ2-F4θ3)+F3θ2*+(F4θ2*-F4θ3*)]]>⑦

（10）将步骤（6）和步骤（7）中为非0值的广义惯性力和广义主动力代入方程组⑦，可得：

B1+D1pM+E1qM+F1M4=0B2+D2pM+E2qM+F2M4=0]]>⑧

其中B₁，B₂，D₁，D₂，E₁，E₂，F₁，F₂为通过凯恩运动学分析，利用各参照物上的陀螺仪和倾角传感器直接或间接测量，计算所得到的质心加速度、速度、偏速度、角速度、偏角速度、角加速度、三个广义坐标的一阶时间导，二阶时间导等动态数据集的组合，均为已知量，p_M，q_M和M₄为剩余的三个未知量；

(11)消除未知量q_M，方程组⑧转化为：

HipM+Ji1M+Ki=0,(i=1,2,Ln)]]>⑨

H_i=D₂E₁-D₁E₂，J_i=F₂E₁-F₁E₂，K_i=B₂E₁-B₁E₂；

其中下标i表示每个瞬时采集的不同的数据集，H_i、J_i、K_i均为由步骤（10）所述的动态数据集表示的已知量；

（12）将⑨表示为矩阵的形式，即：Ax=b，其中

A=H1J1H2J2MMHnJn,x=pM1M4,b=-K1-K2M-Kn]]>

矩阵A与向量b均为已知量，通过最小二乘法来求得x的理想值，最终得到M₄的理想值，此M₄即为挖掘机动态状态下计算的挖掘机铲斗上铲斗物料的重量；

三、步骤二计算所得的数值发送至称重显示单元，由称重显示单元显示。