CN103900669B - 一种挖掘机铲斗物料动态称重装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在工作状态下能够进行称重操作，挖掘效率高的挖掘机铲斗物料动态称重装置，包括重量采集单元、微处理器和称重显示单元，重量采集单元包括倾角传感器、陀螺仪和压力传感器，挖掘机的大臂油缸和斗杠油缸的前后腔上安装有压力传感器，挖掘机的大臂、斗杠和铲斗上安装有倾斜传感器和陀螺仪，微处理器具有数据采集模块和数据分析模块，微处理器的输出端与称重显示单元连接，倾角传感器、陀螺仪与压力传感器均与数据采集模块连接，微处理器的输入端连接有用于触发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，信号触发装置与微处理器的输入端触发控制连接。本发明还公开一种挖掘机铲斗物料动态称重方法。

Description

一种挖掘机铲斗物料动态称重装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种称重装置及其称重方法，特别涉及一种用于挖掘机铲斗上物料的动态称重装置及其方法。

背景技术

在使用液压挖掘机过程中，若用户需对液压挖掘机所作业的物料有称量需求时，一般要分成两步操作，首先用液压挖掘机铲运物料至卡车或地磅等间接称重装置，再利用间接称重装置进行称量，此种称重方式，如果称量地点距离装料地点较远或者称重工程量较大，那么上料后需要卡车转运或者液压挖掘机开至较远的距离去称量，这样既浪费了人力，也浪费了财力，并不能保证测量精度。为了解决上述问题，现市面也有在液压挖掘机上安装一用于挖掘机铲斗物料称重的称重系统，如中国发明专利2013年11月27日公开的公开号为103407890A的一种挖掘机吊物称重装置及方式，其通过挖掘机上的角度传感器和油压传感器来采集数据，并将此采集的数据发送至可编程控制器内，并通过可编程控制器内的计算公式计算出挖掘机所吊重物的重量，此种称重装置虽具有测量精度高，省时省力，成本低的优点，但该称重装置是静态称重系统，即称重时需使挖掘机的工作静止一段时间或者停留在一个特定的姿态，这样使挖掘机的挖掘效率大大降低。

有鉴于此，本申请人对现有挖掘机铲斗物料的称重装置所存在的问题进行深入研究，遂由本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种挖掘机铲斗物料动态称重装置，其可使挖掘机在工作时也能够进行称重操作，无需停止工作，大大提高了挖掘机的挖掘效率。

本发明的另一目的在于提供一种挖掘机铲斗物料动态称重方法，其可使挖掘机在工作时也能够进行称重操作，无需停止工作，大大提高了挖掘机的挖掘效率。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种挖掘机铲斗物料动态称重装置，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，且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。

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。

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。

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。

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。

上述微处理器的输出端还连接有超重报警单元。

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数据；

二、数据采集模块将步骤一中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：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i{\mathrm{\θ}}_1}+\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{{\mathrm{i\θ}}_1}^{*}=0\\ \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{{\mathrm{i\θ}}_2}+\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{{\mathrm{i\θ}}_2}^{*}=0\\ \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{{\mathrm{i\θ}}_3}+\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{{\mathrm{i\θ}}_3}^{*}=0\end{array}\right.,(i=\mathrm{1,2,3,4})$ 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：

$F_{{2\mathrm{\θ}}_i}=W_2\·v_{G_2{\mathrm{\θ}}_i}^2{}_0+F_{2B}\·v_{{\mathrm{B\θ}}_i}^2{}_0+F_{2D}\·v_{{\mathrm{D\θ}}_i}^2{}_0,(i=\mathrm{1,2,3});$

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：

$F_{{3\mathrm{\θ}}_i}=W_3\·v_{G_3{\mathrm{\θ}}_i}^3{}_0+F_{3E}\·v_{{\mathrm{E\θ}}_i}^3{}_0+F_{3F}\·v_{{\mathrm{F\θ}}_i}^3{}_0+F_{3G}\·v_{{\mathrm{G\θ}}_i}^3{}_0,(i=\mathrm{1,2,3});$

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：

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构成的连杠机构的几何受力分析可以求得F_3I，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：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{{2\mathrm{\θ}}_1}+(F_{{3\mathrm{\θ}}_1}-F_{{3\mathrm{\θ}}_2})+(F_{{4\mathrm{\θ}}_1}-F_{{4\mathrm{\θ}}_2})+(F_{{3\mathrm{\θ}}_1}^{*}-F_{{3\mathrm{\θ}}_2}^{*})(F_{{4\mathrm{\θ}}_1}^{*}-F_{{4\mathrm{\θ}}_2}^{*})=0\\ F_{{3\mathrm{\θ}}_2}+(F_{{4\mathrm{\θ}}_2}-F_{{4\mathrm{\θ}}_3})+F_{{3\mathrm{\θ}}_2}^{*}+(F_{{4\mathrm{\θ}}_2}^{*}-F_{{4\mathrm{\θ}}_3}^{*})\end{array}\right.$ 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：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_1+D_1{p}_M+E_1{q}_M+\frac{F_1}{M_4}=0\\ B_2+D_2{p}_M+E_2{q}_M+\frac{F_2}{M_4}=0\end{array}\right.$ 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：

$H_i{p}_M+J_i\frac{1}{M}+K_i=0,(i=\mathrm{1,2},\mathrm{Ln})$ 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

$A=\left[\begin{array}{cc}{H}_1& J_1\\ H_2& J_2\\ M& M\\ H_n& J_n\end{array}\right],x=\left[\begin{array}{c}{p}_M\\ \frac{1}{M_4}\end{array}\right],b=\left[\begin{array}{c}{-K}_1\\ {-K}_2\\ M\\ {-K}_n\end{array}\right]$

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。

采用上述方案后，本发明的一种挖掘机铲斗物料动态称重装置及其方法，其测量挖掘机铲斗上铲斗物料重量时无需使挖掘机停机或固定某一角度，可在挖掘机的转运过程中对铲斗物料进行称重操作，大大提高了挖掘机的挖掘效率，并具有操作简易、使用方便，计算准确，可靠性强的优点，特别适用于土方石等大型工程的挖掘工作计量。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的数学模型。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

本发明的一种挖掘机铲斗物料动态称重装置，如图1所示，包括重量采集单元1、微处理器2、信号调理模块3、A/D转换模块4、称重显示单元5、供电电源6和晶振时钟模块7，该重量采集单元1包括倾角传感器11、陀螺仪12和压力传感器13，压力传感器13设置有六个，六个压力传感器13分别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，倾角传感器11和陀螺仪12均安装在挖掘机的大臂、斗杠和铲斗上，微处理器2、信号调理模块3、A/D转换模块4和称重显示单元5分别安装在挖掘机的驾驶舱内，微处理器2具有用于采集重量采集单元1的数据采集模块21和对数据采集模块21的数据进行分析、计算的数据分析模块22，数据采集模块21采用其型号为STM32F103的集成电路芯片，数据分析模块22采用其型号为TMS320F28335的集成电路芯片，数据采集模块21通过CAN总线与数据分析模块22连接，各倾角传感器11、陀螺仪12与压力传感器13均信号调理模块3的输入端连接，信号调理模块3的输出端与A/D转换模块4的输入端连接，A/D转换模块4的输出端与数据采集模块21的输入端连接，微处理器2的输出端与称重显示单元5连接，且微处理器2还连接有用于触发微处理器2的数据采集模块21采集或停止采集重量采集单元1数据的信号触发装置，此信号触发装置包括霍尔位置传感器81和与霍尔位置传感器81相适配的信号接收器82，霍尔位置传感器81安装挖掘机的大臂上，霍尔位置传感器81具有上磁钢和下磁钢，下磁钢安装在距离大臂下边沿3-8mm的位置处，上磁钢安装在距离大臂上边沿3-8mm的位置处，通过对上、下磁钢的限定使数据采集模块21在此段时间采集的数据较为稳定，从而使数据分析模块22计算出的铲斗物料的重量值较为精准，该信号接收器82安装在挖掘机的驾驶舱内，霍尔位置传感器81与信号接收器82的输入端连接，信号接收器82的输出端与微处理器2的输入端控制连接。

本发明中，该微处理器2还外接有用于存储微处理器2数据的数据存储器9，此数据存储器9与微处理器2双向连接，该数据存储器9包括SDRAM存储器91和FLASH存储器92，SDRAM存储器91和FLASH存储器92分别与微处理器2双向连接；通过此数据存储器9可使整个系统的运行较为顺畅。

本发明中，该微处器2的输出端还连接有称重报警单元10，这样，当累积重量达到设定的重量值或非正常工作时，微处理器2将发出报警指令给称重报警单元10，称重报警单元10发出报警声，利用此称重报警单元10可对挖掘机的铲斗起到保护作用。

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、数据采集模块将步骤一中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，如图2所示，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：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i{\mathrm{\θ}}_1}+\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{{\mathrm{i\θ}}_1}^{*}=0\\ \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{{\mathrm{i\θ}}_2}+\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{{\mathrm{i\θ}}_2}^{*}=0\\ \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{{\mathrm{i\θ}}_3}+\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{{\mathrm{i\θ}}_3}^{*}=0\end{array}\right.,(i=\mathrm{1,2,3,4})$ 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Mi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，同时驾驶舱的转向比较单一，只在水平面上有转向角，驾驶舱与大臂的连接是固定的，则驾驶舱的角速度和角加速度可以通过安装在大臂上的陀螺仪来测得，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：

$F_{{2\mathrm{\θ}}_i}=W_2\·v_{G_2{\mathrm{\θ}}_i}^2{}_0+F_{2B}\·v_{{\mathrm{B\θ}}_i}^2{}_0+F_{2D}\·v_{{\mathrm{D\θ}}_i}^2{}_0,(i=\mathrm{1,2,3});$

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，此种计算方式为公知的计算方式，在此不再详述，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，此种计算方式为公知的计算方式，在此不再详述，；

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：

$F_{{3\mathrm{\θ}}_i}=W_3\·v_{G_3{\mathrm{\θ}}_i}^3{}_0+F_{3E}\·v_{{\mathrm{E\θ}}_i}^3{}_0+F_{3F}\·v_{{\mathrm{F\θ}}_i}^3{}_0+F_{3G}\·v_{{\mathrm{G\θ}}_i}^3{}_0,(i=\mathrm{1,2,3});$

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，此种计算方式为公知的计算方式，在此不再详述，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及连杠HI构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，此种计算方式为公知的计算方式，在此不再详述，；

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：

$F_{{4\mathrm{\θ}}_i}=W_4\·v_{G_4{\mathrm{\θ}}_i}^4{}_0+F_{3I}\·v_{{\mathrm{I\θ}}_i}^4{}_0,(i=\mathrm{1,2,3});$

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，此种计算方式为公知的计算方式，在此不再详述，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，此种计算方式为公知的计算方式，在此不再详述，；

（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：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{{2\mathrm{\θ}}_1}+(F_{{3\mathrm{\θ}}_1}-F_{{3\mathrm{\θ}}_2})+(F_{{4\mathrm{\θ}}_1}-F_{{4\mathrm{\θ}}_2})+(F_{{3\mathrm{\θ}}_1}^{*}-F_{{3\mathrm{\θ}}_2}^{*})(F_{{4\mathrm{\θ}}_1}^{*}-F_{{4\mathrm{\θ}}_2}^{*})=0\\ F_{{3\mathrm{\θ}}_2}+(F_{{4\mathrm{\θ}}_2}-F_{{4\mathrm{\θ}}_3})+F_{{3\mathrm{\θ}}_2}^{*}+(F_{{4\mathrm{\θ}}_2}^{*}-F_{{4\mathrm{\θ}}_3}^{*})\end{array}\right.$ 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：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_1+D_1{p}_M+E_1{q}_M+\frac{F_1}{M_4}=0\\ B_2+D_2{p}_M+E_2{q}_M+\frac{F_2}{M_4}=0\end{array}\right.$ 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：

$H_i{p}_M+J_i\frac{1}{M}+K_i=0,(i=\mathrm{1,2},\mathrm{Ln})$ 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

$A=\left[\begin{array}{cc}{H}_1& J_1\\ H_2& J_2\\ M& M\\ H_n& J_n\end{array}\right],x=\left[\begin{array}{c}{p}_M\\ \frac{1}{M_4}\end{array}\right],b=\left[\begin{array}{c}{-K}_1\\ {-K}_2\\ M\\ {-K}_n\end{array}\right]$

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。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化和修饰，均应属于本发明权利要求的范围。

Claims (7)

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装置的称重方法，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：

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：

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：

$F_{2{\mathrm{\θ}}_i}=W_2\·v_{G_2{\mathrm{\θ}}_i}^2{}_0+F_{2B}\·v_{{\mathrm{B\θ}}_i}^2{}_0+F_{2D}\·v_{{\mathrm{D\θ}}_i}^2{}_0,(i=1,2,3);$

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，和分别为广义坐标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，和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：

$F_{3{\mathrm{\θ}}_i}=W_3\·v_{G_3{\mathrm{\θ}}_i}^3{}_0+F_{3E}\·v_{{\mathrm{E\θ}}_i}^3{}_0+F_{3F}\·v_{{\mathrm{F\θ}}_i}^3{}_0+F_{3G}\·v_{{\mathrm{G\θ}}_i}^3{}_0,(i=1,2,3);$

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，和分别为广义坐标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，和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：

$F_{4{\mathrm{\θ}}_i}=W_4\·v_{G_4{\mathrm{\θ}}_i}^4{}_0+F_{3I}\·v_{{\mathrm{I\θ}}_i}^4{}_0,(i=1,2,3);$

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，和分别为广义坐标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，和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：

(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：

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：

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

$A=\left[\begin{array}{cc}{H}_1& J_1\\ H_2& J_2\\ M& M\\ H_n& J_n\end{array}\right],x=\left[\begin{array}{c}{p}_M\\ \frac{1}{M_4}\end{array}\right],b=\left[\begin{array}{c}-K_1\\ -K_2\\ M\\ -K_n\end{array}\right]$

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。