挖掘機自動測深儀的研制

摘要：根據挖掘機的結構特點，建立了挖掘深度測量的數學模型，論述了挖掘機自動測深儀的硬件/軟件結構、工作原理、性能指標及可靠性等。

關鍵詞：自動測量 儀器 儀表 微機 挖掘機

挖掘機是重要的工程機械，其作業(yè)環(huán)境比較復雜，有時屬于惡劣環(huán)境。如遇危險場合或進行水下挖掘時，挖掘的深度難以測量，直接影響了挖掘的質量和效率。為了改變這一狀況，我人開發(fā)研制了一種適合挖掘機工作環(huán)境的高穩(wěn)定性和高可靠性的自動測深儀。它能夠自動測量并顯示挖掘深度，可設定挖掘界限，挖掘時遇限報警，以指導操作人員有效地工作。

無論是輪式挖掘機還是履帶式挖掘機，其工作裝置主要由動臂、斗桿、鏟頭等部件組成，各部件以轉動關節(jié)鉸接在一起，每個關節(jié)具有一個自由主，并由相應的動力部件（油缸）驅動。挖掘的深度與各組件的相對空間位置有關。根據挖掘機工作裝置的結構特點建立相應的深度測量模型，這是自動測量的基礎。

1 建立數學模型

按以上規(guī)則建立直角坐標系：

基坐標系O0X0Y0Z0與挖掘機下車架固聯(lián)，坐標原點O0在動臂與下車架鉸點處，X0軸為下架正前方，Z0軸垂直于接地平面，Y0軸按右手規(guī)則確定。

第i個坐標系OiXiYiZi與第i個關節(jié)固聯(lián)，坐標原點在第i+1個關節(jié)的鉸點中心，并遵循以下三個條件：

①Zi軸與第i+1個關節(jié)的運動軸方向一致；

②Xi軸垂直于Zi-1軸，或Xi=±Z(i-1)×Zi;

③Yi軸由右手規(guī)則確定。

兩坐標系的聯(lián)系可由四個參數來確定，四個參數定義如下：

θi：關于Zi-1軸，按右手規(guī)則，從Xi-1到Xi的轉角；

di：從第i-1個坐標系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的原點Oi-1沿著Zi-1軸到Xi軸與Xi-1軸相交點的距離；

ai：從Zi-1軸與Xi軸的交點，沿Xi軸到第i個坐標系坐標原點的偏移距離；

αi：關于Xi軸，按右手規(guī)則從Zi-1軸到Zi軸的轉角。

四個參數中，連標參數（ai,αi）由連桿的結構決定，是常數；關節(jié)參數（θi，di）決定相鄰連桿的相對位置。由于在挖掘機中均為轉動關節(jié)，因此，di是常數，θi是變量。由上述定義可以看出，學過以下四步，可以使坐標系OiXiYiZi與Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1重合：

①繞Zi-1軸旋轉θi角，使Xi-1軸與Xi軸平行；

②沿Zi-1軸平移動距離di，使Xi-1軸與Xi軸位于同一直線上；

③沿Xi軸平移距離ai，使兩坐標系原點重合；

④繞Xi軸旋轉αi角，使兩坐標系重合。

這樣，兩坐標系之間的聯(lián)系可由一個4×4齊次變換矩陣Ai i-1來表示：

式中，Si=sinθi,Ci=cosθi,Sαi=sinα,Cαi=cosαi,Rot表示回轉因子，Trans表示平移因子，Ai i-1表示第i個坐標系相對于第i-1個坐標系的齊次變換矩陣。

按上述規(guī)則建立的挖掘機工作裝置直角坐標系如圖1所示。履帶或輪胎接地平臺為Mo，點A為動臂與上車架鉸點，點B為動臂與斗桿的鉸點，點C為斗桿與鏟頭的鉸點，點D為斗類，且AB=L1，BC=L2，CD=L3，鉸點A與平面M0的距離為L0。

坐標系O0X0Y0Z0的原點O0在A點，O1X1Y1Z1的原點O1也在A點，O2X2Y2Z2的原點O2在B點，O3X3Y3Z3的原點O3在C點，O4X4Y4Z4的原點O4在D點。根據坐標系建立規(guī)則可得各坐標系參數如表1所示。

表1 各坐標系參數

由式（1）可得：

可進一步求出第i個坐標系相對于基坐標系的齊次變換矩陣Ai o：

其中，i=1，2，3，…，N

由此得：

矩陣A為挖掘機鏟斗末端相對于基坐標系的齊次變換矩陣。向量n、s、a表示鏟斗末端在基坐標系中的姿態(tài)，向量p表示鏟斗末端在基坐標系中的位置矢量，且p=[pxpypz]T。

將式（2）、（3）、（4）、（5）代入式（7），可得：

Pz=-L3S234-L2S23-L1S2 (8)

其中，S234=(θ2+θ3+θ4），S23=sin(θ2+θ3),S2=sinθ2

pz即為鏟斗末端在基坐標系中Z0軸上的坐標量。深度測量以挖掘機輪胎或履帶接地平面M0為參考平面，若動臂和上車架鉸點與接地平面之間的距離為L0，可得挖掘深度測量數學模型為：

H0=L0+pz=L0-L3S234-L2S23-L1S2 (9)

從式（9）可看出，除了挖掘機結構參數L0、L1、L2、L3等常數以外，挖掘深度只與3個角度有關。

2 硬件設計

挖掘機自動測深儀的硬件結構如圖2所示，由以下幾個部分組成：轉角傳感器、A/D轉換接口、MCS51主機板、數碼顯示接口、鍵盤接口、電源等。

轉角傳感器：用于測量動臂與車體（θ2）、斗桿與動臂（θ3）、鏟斗與斗桿（θ4）等之間的夾角，輸出標準電流信號，輸出送到A/D轉換接口。

A/D轉換接口：由I/V變換電路、高精度參考電源、A/D轉換電路及其相應接口電路組成。功能是將電流信號轉變成電壓，并由A/D轉換電路轉換成數字量，經接口電路輸入到主機板。

MCS51主機板：是硬件系統(tǒng)的核心，主要由單片機AT89C52、E2PROM存儲器2864A、日歷時鐘12887及I/O接口電路組成。軟件固化在單片機AT89C52中，是系統(tǒng)運行的控制中心。

數碼顯示接口：由數碼管和驅動電路組成。在工作模式時，顯示深度測量值；在校驗模式時，顯示各轉角傳感器測量值；在輸入模式時，顯示各組件結構尺寸值；在日歷模式時，顯示/修改日期或時間。

鍵盤接口：定制的薄膜鍵盤，由數字鍵盤（0～9）和功能鍵盤（包括模式轉換鍵、確認鍵、返回鍵等）組成，用于模式轉換操作及其參數輸入等。

電源：供電電源直接使用挖掘機蓄電池組，穩(wěn)壓電源采用形狀型DC/DC電源。

3 軟件設計

設計自動測深儀軟件時，為達到通用性、靈活性和實用性，設置了四種模式：工作模式、校驗模式、輸入模式日歷模式，軟件流程如圖3所示。

工作模式是挖掘深度自動測量模式，包括轉角數據采集、數字濾波、標度變換、深度計算、越限報警及深度顯示等；校驗模式用于安裝調試時各轉角傳感器零點與滿量程的校準；輸入模式因挖掘機型號不同、部件尺寸不同，用于輸入或修改組件結構尺寸值；日歷模式用于輸入或修改日歷與時間。

軟件由MCS51匯編語言編寫，按自下而上、模塊化設計思想開發(fā)了如下模塊：初始化、數據采集、數字濾波、標度變換、深度計算、越限判斷、顯示、鍵盤管理、主程序等。為了提高精度，采用三字節(jié)浮點數運算。

挖掘機自動測深儀的研制成功，解決了挖掘深度自動測量難的問題，尤其在復雜作業(yè)場合，如水下、危險環(huán)境等，更體現(xiàn)出了其優(yōu)越性能。在挖掘深度不大于1m時，其絕對誤差不大于0.05m；挖掘深度大于1m時，其相對誤差不大于1%。

自動測深儀在設計時，采取了抗電磁干擾、抗振動、防水、耐高低溫等措施，大大提高了儀器的穩(wěn)定性和可靠性以及環(huán)境適應性。

自動測深儀操作簡單、安裝調試容易、維護十分方便，推廣應用效益顯著。