基于位置控制的挖掘机操纵装置技术领域
本发明涉及一种挖掘机操纵装置。
背景技术
如图1所示，常规的挖掘机包含六个工作装置，分别为挖斗1、斗杆2、动臂3、回转装置4、左行走装置5和右行走装置6；如图2所示，驾驶员通过操作两个十字手柄和两个脚踏板分别对上述的六个工作装置进行控制，左十字手柄11的左右倾斜用来控制回转装置4围绕回转轴7旋转，左十字手柄11的前后倾斜用来控制斗杆2的运动，右十字手柄12的左右倾斜用来控制挖斗1围绕挖斗铰点9运动，右十字手柄12的前后倾斜用来控制动臂3的运动，左行走踏板13和右行走踏板14的前后倾斜分别用来控制左行走装置5和右行走装置6在底平面8上运动。目前挖掘机操作手柄和踏板对各工作装置的控制都是基于速度的控制，即十字手柄或脚踏板在一个方向上倾斜时，十字手柄或脚踏板下方的先导电磁阀就会打开，十字手柄或脚踏板倾斜的角度越大先导电磁阀打开得就越大，对应支路的多路阀主阀芯打开面积也就越大，相应被控装置的运动速度就会越快。
由于每一个驾驶杆的一个倾斜方向都只对应着一个工作装置的运动，因此如果挖掘机需要进行一个复杂的动作时，驾驶员需要操作一个驾驶杆的多个方向，或者多个驾驶杆的多个方向才能完成，例如“扫平”动作时挖掘机的三个机械臂(挖斗、斗杆和动臂)需要同时协调地前后运动才能将前方的地面整平，即需要协调地操纵两个驾驶杆的三个方向才能完成。
传统的挖掘机操纵方式是左十字手柄的一个操纵方向控制斗杆，右十字手柄两个操作方向分别控制挖斗和动臂，但是挖斗、斗杆和动臂这三个工作装置实际上是在一个平面内运动的。这样的操纵方式是将操纵杆的三维运动映射到工作装置的两维运动上去了，这对于一个初学者来说很不直观：如果只是单一动作时还好说，如果是复合动作时驾驶员很难将几个动作协调地完成。
总上所述，传统的挖掘机操纵方式不直观，驾驶员很难对几个装置同时进行协调的控制；然而挖掘机几乎所有的动作都是需要几个工作装置复合在一个工作的，这就需要简化传统的操纵方式。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于位置控制的挖掘机操纵系统，通过人工选择进入特定工作模式后，驾驶员只需要一个简单的操作就可以对斗杆和动臂进行复合控制，使得挖斗铰点实现水平保持或者纵向保持、或者保持挖斗斗齿与底平面的夹角，大大简化了挖掘机驾驶员进行复杂动作时的操纵步骤。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括两个具有电反馈信号的十字手柄、挖斗角位移传感器、斗杆角位移传感器、动臂角位移传感器和显示控制器，所述的挖斗角位移传感器、斗杆角位移传感器、动臂角位移传感器分别测量挖斗角位移传感器测量角、斗杆角位移传感器测量角和动臂角位移传感器测量角；所示的显示控制器接收驾驶员选择的工作模式，并向驾驶员显示十字手柄、挖斗角位移传感器、斗杆角位移传感器、动臂角位移传感器的位置，计算得到对挖斗、斗杆和动臂的先导电磁阀的控制指令，进而控制相应的先导电磁阀。
当驾驶员通过显示控制器选择水平保持功能时，挖斗铰点在水平方向上的速度![]()
和在纵向的运动速度![]()
满足以下矩阵：
x
·
y
·
=
-
a
·
s
i
n
(
α
)
+
b
·
s
i
n
(
α
+
β
)
b
·
s
i
n
(
α
+
β
)
a
·
c
o
s
(
α
)
-
b
·
cos
(
α
+
β
)
-
b
·
c
o
s
(
α
+
β
)
α
·
β
·
=
k
h
·
θ
a
r
m
0
,
]]>
其中，a为动臂长度，b为斗杆长度，α为动臂角位移传感器测量角，β为斗杆角位移传感器测量角，挖斗铰点在纵向的运动速度![]()
由于左十字手柄的前后倾斜角度θarm范围为0°～20°，杆死区为2°，挖斗铰点水平运动速度![]()
的范围为0～500cm/s，则 k h = 0 , θ arm ∈ [ 0,2 ] 8.33 ( x - 2 ) , θ arm ∈ [ 2,5 ] 25 , θ arm ∈ [ 5,20 ] , ]]>计算上述矩阵解出![]()
![]()
关于θarm的方程，同时![]()
![]()
与斗杆和动臂的先导电磁阀控制指令成正比，由θarm得到斗杆和动臂先导电磁阀控制指令。
当驾驶员通过显示控制器选择纵向保持功能时，挖斗铰点在水平方向上的速度![]()
和在纵向的运动速度![]()
满足以下矩阵：
x
·
y
·
=
-
a
·
s
i
n
(
α
)
+
b
·
s
i
n
(
α
+
β
)
b
·
s
i
n
(
α
+
β
)
a
·
c
o
s
(
α
)
-
b
·
cos
(
α
+
β
)
-
b
·
c
o
s
(
α
+
β
)
α
·
β
·
=
k
v
·
0
θ
b
o
o
m
,
]]>
其中，挖斗铰点在水平方向运动速度![]()
由于右十字手柄的前后倾斜角度θboom范围为0°～20°，杆死区为2°，挖斗铰点纵向运动速度![]()
的范围为0～500cm/s，则 k v = 0 , θ boom ∈ [ 0,2 ] 8.33 ( x - 2 ) , θ boom ∈ [ 2,5 ] 25 , θ boom ∈ [ 5,20 ] , ]]>计算上述矩阵解出![]()
![]()
关于θboom的方程，同时![]()
和![]()
与斗杆和动臂的先导电磁阀控制指令成正比，由θboom得到斗杆和动臂的先导电磁阀控制指令。
当驾驶员通过显示控制器选择挖斗保持功能时，通过测量α、β以及挖斗角位移传感器测量角γ得到挖斗斗齿与挖掘机底平面的夹角Δ＝2π-α-β-γ，保持Δ不变，当斗杆和动臂运动时，即α和β在变化时，实时计算得到γ，即挖斗先导电磁阀打开面积对时间的积分；由此得到挖斗先导电磁阀控制指令。
本发明的有益效果是：驾驶员只需要一个简单的操作就可以对斗杆和动臂进行复合控制，当需要进行“扫平”动作时，驾驶员只需要启动水平保持模式和挖斗保持模式，然后操纵左十字手柄前后运动就可以完成；当需要进行“修坡”模式时，驾驶员只需要启动纵向保持模式和挖斗保持模式，然后操纵右十字手柄前后运动就可以完成。大大降低了挖掘机驾驶员进行复杂动作时的操纵难度。
附图说明
图1是现有挖掘机的结构示意图；
图2是现有挖掘机的操作装置示意图；
图3为新型挖掘机操纵系统组成结构
图4新型挖掘机操纵系统水平保持功能和纵向保持功能实现效果示意
图5新型挖掘机操纵系统水平保持功能和纵向保持功能实现原理分析图
图6左十字手柄前后倾角θarm与kh的对应关系图
图7右十字手柄前后倾角θboom与kv的对应关系图
图中，1-挖斗；2-斗杆；3-动臂；4-回转装置；5-左行走装置；6-右行走装置；7-回转轴；8-底平面；9-挖斗铰点；11-左先导十字手柄；12-右先导十字手柄；13-左行走踏板；14-右行走踏板；21-挖斗铰点在水平的运动轨迹；22-挖斗铰点在纵向的运动轨迹；23-动臂角位移传感器测量角；24-斗杆角位移传感器测量角；25-动臂铰点；26-斗杆铰点；28-动臂长度；29-斗杆长度；30-挖斗角位移传感器测量角；31-挖斗先导电磁阀；32-斗杆先导比例电磁阀；33-动臂先导比例电磁阀；34-左电十字手柄；35-右电十字手柄；36-挖斗角位移传感器；37-斗杆角位移传感器；38-动臂角位移传感器；39-显示控制器；40-控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
如图3所示，控制器40的作用是采集来自左电十字手柄34、右电十字手柄35、挖斗角位移传感器36、斗杆角位移传感器37和动臂角位移传感器38的电信号，通过软件的计算得到挖斗先导电磁阀31、斗杆先导比例电磁阀32和动臂先导比例电磁阀33的控制指令对它们进行控制。
显示控制器39的作用是与驾驶员进行交互：驾驶员通过显示控制器选择工作模式，包括水平保持模式、纵向保持模式和挖斗保持模式；显示控制器向驾驶员显示系统的工作状态，包括角位移传感器的位置和电十字手柄的位置。
通过人工选择进入某种工作模式后，驾驶员只需要操作某一只手柄的一个方向就可以对斗杆2和动臂3进行复合控制，实现挖斗铰点9的水平保持或纵向保持，或对挖斗位置的保持，如图4所示。大大简化了挖掘机驾驶员进行复杂动作时的操纵步骤。
本发明采用两个具有电反馈信号的十字手柄来替换传统的左、右先导十字手柄7和8，同时使用三个具有电反馈信号的角位移传感器分别测量动臂角位移传感器测量角23、斗杆角位移传感器测量角24以及挖斗角位移传感器测量角30，如图5所示。基本工作原理是：控制器采集两个十字手柄在各方向上倾斜的角度以及三个角位移传感器旋转的角度，再通过控制器软件计算得到对挖斗、斗杆和动臂先导电磁阀的控制指令，然后去控制相应的先导电磁阀。
假设挖斗铰点9坐标位置为(x,y)，动臂长度28为a，斗杆长度29为b，动臂角位移传感器测量角23为α，斗杆角位移传感器测量角24为β，挖斗角位移传感器测量角30为γ，那么可以得到以下方程：
x
=
cos
(
α
)
·
a
-
cos
(
α
+
β
)
·
b
y
=
sin
(
α
)
·
a
-
sin
(
α
+
β
)
·
b
]]>
那么控制器软件实现了三个功能：
水平保持功能：通过测量左十字手柄的前后倾斜角度θarm，可以知道挖斗铰点9在水平方向上运动速度的快慢，反映在坐标系中就是挖斗铰点9在水平方向上的速度![]()
的快慢，即![]()
同时挖斗铰点9在纵向的运动速度为0，即![]()
因此可以得到以下矩阵形式：
x
·
y
·
=
-
a
·
s
i
n
(
α
)
+
b
·
s
i
n
(
α
+
β
)
b
·
s
i
n
(
α
+
β
)
a
·
c
o
s
(
α
)
-
b
·
cos
(
α
+
β
)
-
b
·
c
o
s
(
α
+
β
)
α
·
β
·
=
k
h
·
θ
a
r
m
0
]]>
其中kh的大小取决于驾驶员对挖斗铰点9水平运动速度快慢的要求。假设十字手柄的倾斜角度θarm范围为0°～20°，并且设置杆死区为2°，挖斗铰点9水平运动速度![]()
的范围为0～500cm/s，则kh的取值如下，画成曲线如图6：
k
h
=
0
,
θ
a
r
m
∈
[
0
,
2
]
8.33
(
x
-
2
)
,
θ
a
r
m
∈
[
2
,
5
]
25
,
θ
a
r
m
∈
[
5
,
20
]
]]>
通过计算可以从上面的矩阵解出![]()
和![]()
关于θarm的方程，同时![]()
和![]()
与斗杆和动臂的先导电磁阀控制指令成正比，因此可以由θarm得到斗杆和动臂先导电磁阀控制指令。
纵向保持功能：通过测量右十字手柄的前后倾斜角度θboom，可以知道挖斗铰点9在竖直方向上运动速度的快慢，反映在坐标系中就是挖斗铰点坐标9在竖直方向上的速度![]()
的快慢，即![]()
同时挖斗铰点9在水平方向运动速度为0，即![]()
因此可以得到以下矩阵形式：
x
·
y
·
=
-
a
·
s
i
n
(
α
)
+
b
·
s
i
n
(
α
+
β
)
b
·
s
i
n
(
α
+
β
)
a
·
c
o
s
(
α
)
-
b
·
cos
(
α
+
β
)
-
b
·
c
o
s
(
α
+
β
)
α
·
β
·
=
k
v
·
0
θ
b
o
o
m
]]>
其中kv的大小取决于驾驶员对挖斗铰点9纵向运动速度快慢的要求。假设十字手柄的倾斜角度θboom范围为0°～20°，并且设置杆死区为2°，挖斗铰点9纵向运动速度![]()
的范围为0～500cm/s，则kv的取值如下，画成曲线如图6：
k
v
=
0
,
θ
b
o
o
m
∈
[
0
,
2
]
8.33
(
x
-
2
)
,
θ
b
o
o
m
∈
[
2
,
5
]
25
,
θ
b
o
o
m
∈
[
5
,
20
]
]]>
通过计算可以从上面的矩阵解出![]()
和![]()
关于θboom的方程，同时![]()
和![]()
与斗杆和动臂的先导电磁阀控制指令成正比，因此可以由θboom得到斗杆和动臂的先导电磁阀控制指令。
挖斗保持功能：通过测量动臂角位移α、斗杆角位移β以及挖斗角位移γ，可以计算得到此时挖斗斗齿与挖掘机底平面的夹角Δ：
Δ＝2π-α-β-γ
为了保持Δ不变，当斗杆和动臂运动时，即α和β在变化时，可以实时计算得到γ的值，即挖斗先导电磁阀打开面积对时间的积分。由此可以得到由α和β表示的挖斗先导电磁阀控制指令。
当需要进行“扫平”动作时，驾驶员只需要启动水平保持模式和挖斗保持模式，然后操纵左十字手柄前后运动就可以完成；当需要进行“修坡”模式时，驾驶员只需要启动纵向保持模式和挖斗保持模式，然后操纵右十字手柄前后运动就可以完成。大大降低了挖掘机驾驶员进行复杂动作时的操纵难度。
下面举例说明水平保持功能：
假设目前挖掘机的动臂角位移传感器测量角23为α＝30°，斗杆角位移传感器测量角24为β＝90°，左十字手柄前后方向倾斜角度θarm＝20°，动臂长度a＝500cm，斗杆长度b＝400cm，则可以得到：
96.4102
346.4102
633.0127
200
α
·
β
·
=
0
500
]]>
通过计算得到:
α
·
=
-
1.625
β
·
=
1.89
]]>
由于![]()
和![]()
与斗杆和动臂的先导电磁阀控制指令成正比，因此可以根据驾驶员的需求可以设计斗杆和动臂先导电磁阀的指令梯度，从而得到斗杆和动臂的先导电磁阀控制指令通过控制器发出。