郭一卓，馬 龍，付 有，韋勝科

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

（太原科技大學機械工程學院，山西 太原 030024）

當前挖掘機操作方式僅依靠駕駛員在駕駛室內(nèi)，單憑視角觀察動臂斗桿的姿態(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存在諸多局限。如何降低駕駛員的工作強度，提高安全性與控制的準確性，是目前挖掘機的研究熱點。而輔助挖掘系統(tǒng)是其中一種便于實現(xiàn)的方案。輔助挖掘系統(tǒng)為駕駛員提供挖掘機姿態(tài)顯示、參數(shù)監(jiān)控和挖掘指導，便于駕駛員在更直觀的觀察、操控挖掘機進行工作，直接提高挖掘機的工作效率，減輕駕駛員的工作強度。21 世紀自動控制技術、機電一體化技術、微電子技術以及通訊技術的迅猛發(fā)展，為輔助挖掘系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了堅實基礎。

1 總體介紹

挖掘機實時姿態(tài)顯示是挖掘機實現(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的挖掘動作提供指導，同時該系統(tǒng)還實現(xiàn)了挖掘機的遙控作業(yè)，可以實現(xiàn)駕駛員在安全的位置操控挖掘機，避免置于危險環(huán)境中作業(yè)遭受人身傷害。解決特殊危險場合的作業(yè)問題，是現(xiàn)代工程機械的一個研究方向。

本系統(tǒng)通過對安裝在挖掘機鏟斗、斗桿、動臂主要鉸接點處的角度傳感器，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)，使之繪出當前挖掘機的姿態(tài)圖像。駕駛員通過顯示屏幕輸入預定挖掘坐標，系統(tǒng)為駕駛員的操作提供圖像參考。當挖掘機鏟斗到達預期目標，系統(tǒng)予以圖像與聲音提示，讓挖掘工作在程序計算的精確輔助下更高效地完成。

2 系統(tǒng)設計

圖1 系統(tǒng)的控制結構框圖

為了方便演示和驗證本系統(tǒng)，我們制作了演示模型。演示系統(tǒng)的控制結構框圖如圖1 所示。系統(tǒng)監(jiān)控軟件運行于筆記本電腦，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，也可選用較為先進的無線通信方式（例如：藍牙、Wi-Fi 等）?？刂葡到y(tǒng)采用AVR 單片機(ATmega16L)為主控芯片，一是要完成對舵機的控制，3臺舵機分別控制動臂、斗桿、鏟斗的舉升和翻轉(實際工程中可直接控制液壓閥實現(xiàn)相關動作)；二是要完成對數(shù)據(jù)的采集，如挖掘機工作裝置各鉸接點處的角度等參數(shù)，實際應用中可根據(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)硬件電路設計

控制系統(tǒng)使用ATmega16L 單片機作為主控芯片，連接舵機、角度傳感器、數(shù)據(jù)傳送模塊、蜂鳴器等，構成一個可與系統(tǒng)監(jiān)控軟件實現(xiàn)互聯(lián)的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)程序預先寫入單片機，用于發(fā)出控制舵機旋轉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%的精密旋轉電位計，電路系統(tǒng)由舵機控制電路、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)程序設計

控制系統(tǒng)采用AVRmega16L 單片機，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 個部分：一是舵機控制部分，二是數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分。舵機的輸出轉角與輸入信號脈沖寬度關系控制原理如圖2 所示。

圖2 舵機的輸入輸出信號關系

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，從而改變舵機的舵盤角度，使挖掘機模型實現(xiàn)模擬挖掘的動作。

數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分的原理很簡單，當挖掘機模型通過控制搖桿進行動作演示時，利用單片機（AVR）的內(nèi)部定時器每秒觸發(fā)一次AD（模擬信號轉換至數(shù)字信號）轉換，由于挖掘機總共需要采集3 路AD，這樣完成一幀姿態(tài)的采集總共需要3s。采集到的挖掘機各個關節(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姿態(tài)，足以滿足機器的實時性需求。

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) 設計，基礎庫使制作過程簡單，并且通用性強，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)運算，通過顯示屏幕實時還原出挖掘臂的姿態(tài)示意圖以及顯示當前系統(tǒng)相關參數(shù)，實際使用中可以根據(jù)需要添加挖掘機的任何數(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器當前的所有狀態(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)控軟件中設定“預到達坐標值”實現(xiàn)到達預定位置時發(fā)出提示的操作。同時，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 試驗與總結

為了驗證系統(tǒng)制作了挖掘機工裝的演示模型，模型的工裝構件采用易于加工的泡沫塑料板（KT）做骨架，動臂、斗桿和鏟斗的動作由模擬舵機驅動并控制擺動和轉動的角度，使用穩(wěn)定的0～30A可調(diào)開關電源，為舵機等提供可靠的能量保障。角度測量傳感器使用WDD35D1 精密旋轉電位計；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)行程序實現(xiàn)。模型系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)試驗模型圖

經(jīng)過模型試驗測試實現(xiàn)了預期目標，實驗數(shù)據(jù)基本達到設計的精度要求，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，應用于現(xiàn)有挖掘機上可以實現(xiàn)精確挖掘工作，并能極大地減輕駕駛員的工作負荷，為鋪設復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。

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