CN110565711A - 一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统及轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统及轨迹规划方法，包括上位机、下位机、伸缩量传感器、压力传感器、驱动装置和无线传输模块。通过传感器采集动臂、斗杆、铲斗三组液压缸的长度传至上位机计算后得出液压挖掘机实时位姿，在上位机上以二维图像形式体现。在水平面和坡面挖掘工况下规划铲斗齿尖轨迹，经上位机计算后转换为三组油缸的实时长度和压力，通过与实际油缸长度和压力比较后发出控制信号，实现反铲液压挖掘机水平面或坡面的自动挖掘。该系统无需设计专用机型，可在任意机型上加装，可有效提高坡面挖掘和平整场地时的施工效率和质量、简化操作并降低施工成本。

Description

一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统及轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及液压挖掘机水平面和坡面挖掘工况下的轨迹规划及远程智能控制系统领域，更具体而言，涉及一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统及轨迹规划方法。

背景技术

液压挖掘机作为一种用途广泛的工程机械，在各种施工领域起着不可替代的作用。现有液压挖掘机的操作主要还是人工操作，操作者要达到一定的熟练程度才能够较好的协调配合完成作业，施工质量和效率也因人而异，甚至有些工作环境会对人体造成伤害，不适合人现场作业。诸多因素均会影响挖掘机的施工效率和施工精度，因此研发一种高效率、高精度、智能化、人性化的液压挖掘机成为越来越多用户的迫切需求。

运用液压挖掘机进行平整场地、坡面挖掘及修坡作业是液压挖掘机的重要作业工况之一，也是体现驾驶员操作水平及整机性能的重要指标之一。然而，就目前国内外的技术水平，运用液压挖掘机进行平面作业时需要驾驶员同时操作动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸，其作业效果即挖掘后场地或坡面的平整程度主要依赖于驾驶员的操作技能和熟练程度，同时还与挖掘机的控制精度有很大关系。这不仅影响作业效果和效率，还容易造成驾驶员的疲劳，同时也会影响整机的使用寿命和安全性。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种在水平面及设定角度坡面挖掘工况下可自动规划轨迹并且可远程遥控的反铲液压挖掘机轨迹控制系统及轨迹规划方法，本系统可完成水平面及设定角度坡面挖掘工况下的挖掘机工作装置轨迹规划、远程遥控及实时显示工作装置位姿，在提高了作业效率和作业精度的同时减轻驾驶员的操作疲劳程度。

一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统，包括上位机、下位机、伸缩量传感器、压力传感器和驱动装置；

所述上位机用于挖掘机轨迹规划并将其转换为油缸期望长度和压力实时传输至下位机、挖掘机位姿实时显示、接收伸缩量传感器实时油缸长度信息和压力传感器实时油缸压力信息；

所述下位机用于接收上位机传来的信号并控制驱动装置动作；

所述伸缩量传感器采用激光测距传感器，分别安装在动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸上，用于检测动臂、斗杆和铲斗的液压油缸实时长度，并将油缸长度值实时传到上位机；

所述压力传感器用来监测油缸两腔的压力，并将油缸压力值实时传到上位机；

所述驱动装置采用电液比例阀，通过控制电液比例阀的开口大小及方向来控制工作装置液压缸的伸缩长度、所需压力和流量。

所述上位机、下位机、伸缩量传感器、压力传感器间信号传输均通过无线传输模块进行无线传输。所述无线传输模块分别与上位机、下位机、伸缩量传感器、压力传感器电性连接，所述无线传输模块设置为多个。

所述激光测距传感器包括激光发射及接收器和反射块，所述激光发射用于发出激光信号至反射块并接收反射块的反射激光信号，并将接收的反射激光信号与发射的激光信号进行比较并换算为发射点距反射点的距离；所述反射块用于反射激光束。

所述激光发射及接收器安装于油缸缸筒中间段外侧，所述反射块安装于活塞杆一端头部；则任意时刻油缸长度：l＝l_min+s-s_min，式中l_min为油缸最短长度；s为激光发射及接收器和反射块之间的距离；s_min为油缸最短长度时对应的激光发射及接收器和反射块之间的距离。

所述伸缩量传感器的激光发射及接收器及反射块上设置有保护罩，所述保护罩随液压缸伸缩而伸缩。所述保护罩包括固定罩与伸缩罩，所述固定罩固定在油缸缸体上，所述伸缩罩固定在油缸伸缩杆上；所述伸缩罩套设在固定罩中ru。

进一步地，所述压力传感器安装于主控制阀组上对应的油缸的进出油路上。

一种反铲液压挖掘机轨迹规划方法，具体包括以下步骤：

S1、将反铲液压挖掘机参数导入上位机，上位机绘制挖掘机包络图，同时实时显示其包络图；

S2、在上位机中输入反铲液压挖掘机挖掘参数，包括挖掘层数、分层厚度、平面倾角、挖掘长度、取点间距、铲斗斗底后角参数；

S3、通过伸缩量传感器分别检测动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸长度，并将长度参数传输到上位机；压力传感器分别检测动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸两腔的压力，并将压力参数传输到上位机；

S4、上位机将S3中数据分析计算后以二维图像的形式显示挖掘机工作装置位姿；

S5、上位机根据S2与S3中参数比对计算挖掘轨迹，将挖掘轨迹转换为动臂油缸、铲斗油缸、斗杆油缸的长度，通过与实际油缸长度比较确定三组油缸伸缩量，经无线传输模块将命令传到下位机，下位机通过控制驱动装置进而控制挖掘机工作装置动作；

S6、挖掘机开始挖掘，伸缩量传感器收集动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸长度并将其实时传输至上位机，上位机根据实时数据确定油缸伸缩量，并以二维图像的形式实时显示挖掘机位姿。

进一步地，所述S4工作装置位姿用矩阵表示为：

其中： 为动臂与机身铰接点与动臂与斗杆铰接点的连线与停机面的夹角，为斗杆相对于动臂的转角，为铲斗相对于斗杆的转角，a为工作装置对称平面内动臂与机身的铰接点至回转中心的水平距离，b为动臂与机身的铰接点至停机面的垂直距离；

处于纵向对称中心平面内的斗齿尖点V点的姿态角为令则V点的位置用矩阵表示为：

进一步地，所述S5挖掘轨迹上各点用坐标表示为：

其中，θ为平面倾角、l为挖掘长度、n为取点间距、为挖掘起始点坐标，即处于纵向对称中心平面内的斗齿尖点坐标。

进一步地，所述S6中三组液压缸长度：

动臂液压缸的瞬时长度：

斗杆液压缸的瞬时长度：

铲斗液压缸的瞬时长度：

其中，l_GN为铲斗油缸与斗杆的铰接点与摇臂与斗杆的铰接点之间距离，l_MN为铲斗油缸与摇臂铰接点与摇臂与斗杆铰接点之间距离，l_CF为动臂与机身铰接点与动臂与斗杆铰接点之间距离，l_EF为斗杆油缸与斗杆铰接点与动臂与斗杆铰接点之间距离；∠FCB，∠CFD，∠EFQ为结构角，是固定值；为斗杆相对于动臂的转角，为斗杆相对于动臂的转角；α₁₁为动臂与机身铰接点与动臂油缸与机身铰接点的连线与x₀y₀平面的夹角，其中固结于转台的坐标系为o₀x₀y₀z₀，其原点o与回转中心与转台底面的交点重合，y₀轴与z₀轴位于工作装置纵向对称平面内，初始状态下x₀轴、y₀轴、z₀轴分别与大地坐标系x轴、y轴平行；

θ₃＝2π-∠GNF-∠FNQ-∠MNH-∠HNK-∠KNQ，

其中，∠GNF，∠FNQ，∠MNH为结构角，是固定值，

其中，l_HN为摇臂与连杆铰接点与摇臂与斗杆铰接点之间距离，l_HK为摇臂与连杆铰接点与铲斗与连杆铰接点之间距离，l_NQ为摇臂与斗杆铰接点与斗杆与铲斗铰接点之间距离，l_KQ为铲斗与连杆铰接点与斗杆与铲斗铰接点之间距离，

l_NK为变化值：

其中，∠NQF，∠KQV为结构角，是固定值。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本发明提供了一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统及轨迹规划方法，该系统无需设计专用机型，可在任意机型上加装，仅需进行简单硬件改造，将加装机型几何参数按要求格式导入到上位机即可；采用激光测距传感器来测量液压缸的长度，避免了使用角度传感器计算齿尖位置时误差放大，计算精度更高；采用远程遥控操作，可在危险作业环境下保护操作人员安全；能够准确快速的完成水平面和坡面挖掘作业，将操作员从繁琐复杂的操作中解放出来。采用二维图显示位姿，具有传输数据量小、显示准确快速、硬件要求不高，节约成本的优点，帮助驾驶员在驾驶室显示器上直观的观察到由于视线盲区看不到的工作装置位姿，并可用于控制器内部的目标控制位姿。本发明采用的轨迹规划方法考虑了需要克服的由于挖掘厚度因素产生的挖掘阻力，并由此反求三组油缸需要提供的压力，考虑了挖掘过程中需要发挥的挖掘力，即既控制了齿尖的运动位置和铲斗的位姿，又控制了齿尖产生的挖掘力，同时满足了只要求齿尖位置、不要求挖掘力的修坡作业工况和齿尖位置和挖掘力需要同时控制的坡面挖掘工况。

附图说明

图1为本发明提供的一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统示意图；

图2为伸缩量传感器安装示意图；

图3为伸缩量传感器所测长度与液压油缸长度的关系；

图4为挖掘机工作装置位姿实时显示画面；

图5为简化后的工作装置简图；

图6为挖掘机动臂机构示意图；

图7为挖掘机铲斗连杆机构几何关系示意图；

图8为上位机软件界面；

图9为平面挖掘几何关系图；

图中：1为上位机、2为下位机、3为伸缩量传感器、4为压力传感器、5为驱动装置、6为动臂油缸、7为斗杆油缸、8为铲斗油缸、9为无线传输模块、10为激光发射及接收器、11为反射块、12为保护罩。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统，该系统包括上位机1、下位机2、无线传输模块9、伸缩量传感器3、压力传感器4和驱动装置5；所述上位机1用于挖掘机轨迹规划并将其转换为油缸期望长度和压力实时传输至下位机2、挖掘机位姿实时显示、接收伸缩量传感器3实时油缸长度信息和压力传感器4实时油缸压力信息；所述下位机2用于接收上位机1传来的信号并控制驱动装置5动作；所述伸缩量传感器3采用激光测距传感器，分别安装在动臂油缸6、斗杆油缸7、铲斗油缸8上，用于检测动臂、斗杆和铲斗的液压油缸实时长度，并将油缸长度值实时传到上位机1；所述压力传感器4用来监测油缸两腔的压力，并将油缸压力值实时传到上位机；通过控制动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸伸缩运作实现控制动臂、斗杆和铲斗状态，最终实现控制铲斗方位及斗齿尖位置，从而实时平面或坡面挖掘作业；所述驱动装置5采用电液比例阀，通过控制电液比例阀的开口大小及方向来控制工作装置液压缸的伸缩长度、所需压力和流量。

在本实施例中，所述上位机1、下位机2、伸缩量传感器3、压力传感器4间信号传输均通过无线传输模块9进行无线传输，所述无线传输模块9分别与上位机1、下位机2、伸缩量传感器3、压力传感器4电性连接，所述无线传输模块9设置为多个，分别设置在上位机1、下位机2、伸缩量传感器3、压力传感器4相近位置。

在每组油缸上安装一组激光测距传感器以测量油缸的实时长度。激光测距仪结构原理如图2所示，所述激光测距传感器包括激光发射及接收器10和反射块11，所述激光发射及接收器10用于发出激光信号至反射块并接收反射块的反射激光信号，并将接收的反射激光信号与发射的激光信号进行比较并换算为发射点距反射点的距离，然后将数据传输至上位机1；所述反射块11用于反射激光束。所述激光发射及接收器10安装于油缸缸筒中间段外侧，所述反射块11安装于活塞杆一端头部；则任意时刻油缸长度：l＝l_min+s-s_min，式中l_min为油缸最短长度；s为激光发射及接收器10和反射块11之间的距离；s_min为油缸最短长度时对应的激光发射及接收器10和反射块11之间的距离。利用激光测距仪测量距离精度较高，可达1mm级，可以满足挖掘机作业要求。激光测距仪响应时间短，可达50Hz，外形紧凑，易于安装，还可带总线接口，容易融入现场总线。

如图3所示，所述伸缩量传感器的激光发射及接收器10及反射块11上设置有保护罩12，所述保护罩12随液压缸伸缩而伸缩。所述保护罩12包括固定罩与伸缩罩，所述固定罩固定在油缸缸体上，所述伸缩罩固定在油缸伸缩杆上；所述伸缩罩套设在固定罩中。

在本实施例中，所述压力传感器4安装于主控制阀组上对应的油缸的进出油路上。在每组油缸上安装一组压力传感器以测量油缸的进出口压力，将其反馈到上位机1，该部件可安装于主控制阀组上对应的油缸的进出油路上。其中，油缸进油腔的压力取决于外载荷；出油腔的压力则取决于两种情况：当进油压力用于克服外载荷时，出油腔直通油箱，出油阻力即为回油阻力，这主要受制于回油时的沿程损失和局部损失；当需要出油腔及回油阻力来克服外负荷时，出油腔的压力需要背压阀来调节，此时需调节背压阀提供必要的回油压力或阻力以平衡外负荷或满足外负荷要求。因此，需要在各油缸进油和回油路上设置压力传感器4及背压阀，以实时调节油缸进出油路的压力。在本实施例中，采用现有调压回路技术。

工作装置位姿实时显示是这样实现的：首先在上位机1中输入反铲液压挖掘机各类参数，绘制出挖掘机轮廓及其挖掘包络图，通过伸缩量传感器3分别将动臂油缸6、斗杆油缸7、铲斗油缸8长度检测后通过无线传输模块传到上位机，上位机1中处理器分析计算后得出挖掘机工作装置位姿，同时实时显示其位姿，如图4为挖掘机工作装置位姿实时显示画面。

工作装置位姿的计算方法具体如下：

如图5为简化后的工作装置简图，对部件铰接点的符号及字母代号作如下约定：

A点——动臂油缸与机身的铰接点；

B点——动臂油缸与动臂的铰接点；

C点——动臂与机身的铰接点；

D点——斗杆油缸与动臂的铰接点；

E点——斗杆油缸与斗杆的铰接点；

F点——动臂与斗杆的铰接点；

G点——铲斗油缸与斗杆的铰接点；

M点——铲斗油缸与摇臂的铰接点；

H点——摇臂与连杆的铰接点；

N点——摇臂与斗杆的铰接点；

K点——铲斗与连杆的铰接点；

Q点——斗杆与铲斗的铰接点；

V点——处于纵向对称中心平面内的斗齿尖；

a——工作装置对称平面内C点至回转中心的水平距离；

b——C点至停机面的垂直距离；

对坐标系做如下定义：

坐标系o₀x₀y₀z₀——固结于转台的坐标系。原点o与回转中心与转台底面的交点重合，y₀轴、z₀轴位于工作装置纵向对称平面内。初始状态下x₀轴、y₀轴、z₀轴分别与大地坐标系x轴、y轴平行；

坐标系o₁x₁y₁z₁——固结于动臂的坐标系。原点o₁与C点重合，y₁轴沿CF方向为正，坐标系符合右手定则；

坐标系o₂x₂y₂z₂——固结于动臂的坐标系。原点o₂与F点重合，y₂轴沿FQ方向为正，坐标系符合右手定则；

坐标系o₃x₃y₃z₃——固结于动臂的坐标系。原点o₃与Q点重合，y₃轴沿QV方向为正，坐标系符合右手定则；

由D-H法确立各杆件参数如表1所示：

表1D-H参数表

根据D-H法，由坐标系o_i-1到o_i(i＝1、2、3)，绕z_i轴旋转角度的变换矩阵，用改良后的4×4变换矩阵表示为：

由原始坐标系O₀到动臂坐标系O₁的4×4变换矩阵表示为：

由坐标系O₃到齿间V的4×4变换矩阵表示为：

根据坐标系变换原则，工作装置末端的位姿矩阵为：

其中： 为动臂与机身铰接点与动臂与斗杆铰接点的连线与停机面的夹角，为斗杆相对于动臂的转角，为铲斗相对于斗杆的转角；

显然，V点的姿态角为令则V点的位置用矩阵表示为：

其中，转角的确定方法如下：

(1)动臂运动分析

如图6所示，在ΔAB’C中∠ACB’为：

其中：L₁为动臂液压缸的瞬时长度，l_CA为动臂油缸与机身的铰接点与动臂与机身的铰接点之间距离，l_CB为动臂油缸与动臂的铰接点与动臂与机身的铰接点之间距离；

CF连线与停机面的夹角：

其中：α₁₁为CA连线与x₀y₀平面的夹角；∠FCB为结构角，是固定值；

(2)斗杆运动分析：

如图6所示，在ΔDEF中∠DFE为：

其中：L₂为斗杆液压缸的瞬时长度，l_CF为动臂与机身铰接点与动臂与斗杆的铰接点之间距离，l_EF为斗杆油缸与斗杆的铰接点与动臂与斗杆的铰接点之间距离；

斗杆相对于动臂的转角：

其中∠CFD和∠EFQ均为结构角，是固定值；

(3)铲斗运动分析：

如图7所示，在ΔGMN中∠GNM为：

式中：L₃为铲斗液压缸的瞬时长度，l_GN为铲斗油缸与斗杆的铰接点与摇臂与斗杆的铰接点之间距离，l_MN为铲斗油缸与摇臂的铰接点与摇臂与斗杆的铰接点之间距离；

铲斗相对于斗杆的转角为铲斗上QV连线相对于y₂轴的转角。为正值时表示为逆时针方向，为负值时为顺时针方向。

其中，∠FQN、∠KQV均为结构角，是固定值；

其中，l_NQ为摇臂与斗杆的铰接点与斗杆与铲斗的铰接点之间距离，l_HN为摇臂与连杆的铰接点与摇臂与斗杆的铰接点之间距离，l_KQ为铲斗与连杆的铰接点与斗杆与铲斗的铰接点之间距离，l_HK为摇臂与连杆的铰接点与铲斗与连杆的铰接点之间距离；

其中，∠HNQ＝∠MNQ-∠MNH＝2π-θ₃-∠GNF-∠FNQ-∠MNH

其中，∠GNF，∠FNQ，∠MNH均为结构角，是固定值；

至此，动臂、斗杆、铲斗分别绕其铰接点相对转角便均可由液压缸长度变化来表示。

在本实施例中，自动平面挖掘是这样实现的：上位机1根据设定的挖掘参数进行轨迹规划，轨迹规划得出结果后转换为动臂油缸6、铲斗油缸7、斗杆油缸8的长度，通过与实际油缸长度比较确定三组油缸伸缩量，经无线传输模块9将命令传到下位机2，下位机2控制驱动装置5进而控制挖掘机工作装置动作。

其中轨迹规划是这样实现的：在上位机中设置如图8所示的挖掘层数、分层厚度、平面倾角、挖掘长度、取点间距、挖掘后角参数；其中，挖掘层数：指在要求的总挖掘厚度和设定的单层挖掘厚度下，挖掘总厚度与单层挖掘厚度的比值；分层厚度：具体为图2中h，指在总的挖掘厚度要求下，根据挖掘机的实际能力设定的单层挖掘厚度；平面倾角：具体为图2中坡角“α”，指挖掘后形成的坡面与水平面的夹角；挖掘长度：具体为图2中t，指设定的单层挖掘时齿尖走过的直线距离或挖掘坡面的长度；取点间距：指上位机软件在计算齿尖形成的坡面上的离散点平均间距；铲斗斗底后角：具体为图2中γ，指铲斗斗底前段直线部分与挖掘坡面之间的夹角，由于挖掘机工作装置自身结构特点和齿尖所处位置，该角度在每层挖掘的开始阶段是变化的，但在每层挖掘的平稳阶段则是一定的，并大于等于设定值。由已知参数计算挖掘轨迹，具体计算方法如下：

已知平面倾角为θ、挖掘长度为l、取点间距为n、挖掘起始点坐标为则平面挖掘轨迹上的各点坐标为：

根据挖掘轨迹上的坐标点由以下方法求得动臂、斗杆、铲斗的转角

如图9所示，已知平面倾角θ、后角α、QV与斗刃的夹角β，则有几何关系：

又有：

求解方程得出

之后即可由下列公式得到三组液压缸长度：

其中，θ₃＝2π-∠GNF-∠FNQ-∠MNH-∠HNK-∠KNQ

其中，∠GNF，∠FNQ，∠MNH为结构参数已知时的给定值；

在本实施例中，系统使用具体步骤为：

步骤1、将反铲液压挖掘机参数导入上位机1，上位机1绘制挖掘机包络图，同时实时显示其包络图；

步骤2、将反铲液压挖掘机参数导入上位机1，上位机1绘制挖掘机包络图，同时手动遥控调整反铲液压挖掘机工作装置起始点，然后选择工作模式为手动遥控或自动挖掘，进入步骤3或步骤4；

步骤3、进入手动遥控模式：通过手动操作上位机发出指令，经过无线传输模块传输到下位机，通过驱动装置控制挖掘机工作；伸缩量传感器3收集动臂油缸6、斗杆油缸7、铲斗油缸8长度并将其实时传输至上位机，上位机中处理器实时处理出具并以二维图像的形式实时显示挖掘机位姿；

步骤4、进入自动挖掘模式：在上位机1中输入反铲液压挖掘机挖掘参数，包括挖掘层数、分层厚度、平面倾角、挖掘长度、取点间距、铲斗斗底后角参数；

步骤5、通过伸缩量传感器3分别检测动臂油缸6、斗杆油缸7、铲斗油缸8长度，并将长度参数传输到上位机1；压力传感器4分别检测动臂油缸6、斗杆油缸7、铲斗油缸8油缸两腔的压力，并将压力参数传输到上位机1；

步骤6、上位机1将步骤5中数据分析计算后得出挖掘机工作装置位姿，同时实时显示其位姿；

步骤7、上位机1根据步骤2与步骤5中参数比对计算挖掘轨迹，将挖掘轨迹转换为动臂油缸6、铲斗油缸7、斗杆油缸8的长度，通过与实际油缸长度比较确定三组油缸伸缩量，经无线传输模块9将命令传到下位机2，下位机2通过控制驱动装置5进而控制挖掘机工作装置动作；

步骤8、挖掘机开始挖掘，伸缩量传感器3收集动臂油缸6、斗杆油缸7、铲斗油缸8长度并将其实时传输至上位机，上位机根据实时数据确定油缸伸缩量，并以二维图像的形式实时显示挖掘机位姿。

在本实施例中，采用的轨迹规划方法考虑了需要克服的由于挖掘厚度因素产生的挖掘阻力，当工作油缸处于主动状态时，缸内压力由实时检测的工作装置位姿、工作负载大小(挖掘阻力)、再由上位机计算后，通过工作油泵的持续供油决定，再通过压力传感器反馈回上位机。当工作油缸处于被动状态时，缸内压力取决于当前位姿下作用于油缸两端的力及回油背压。其中，作用于油缸两端的作用力由上位机根据工况姿态实时计算得出，并进一步计算出被动状态下缸内所需产生的压力，该压力值由油缸回油路上的可调节流阀(背压阀)控制，并被反馈至上位机以进行实时控制。

具体控制方法如下：

1)首先给出挖掘层厚度；

2)根据物料特性及挖掘层厚度求得齿尖产生的挖掘阻力；

3)根据工作装置位姿对其进行受力分析，求出各油缸两端的受力。并将此受力换算成油缸腔内压力，此压力作为油缸主动作用时应产生的压力或被动作用时由回油背压阀产生的回油压力目标值。

此外，为保证液压系统安全工作，当油缸处于主动状态时该值与系统压力比较，不能大于系统压力；当油缸呈被动状态时该值与闭锁压力比较，不能大于设定的最大闭锁压力。无论油缸处于哪种状态，当油缸需要产生的上述压力大于系统压力或最大闭锁压力时，都不能保证齿尖产生足够的挖掘力来克服平面挖掘工况产生的挖掘阻力，说明挖掘厚度选择过大，此时需要重新设置挖掘厚度。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统，其特征在于：包括上位机(1)、下位机(2)、伸缩量传感器(3)、压力传感器(4)和驱动装置(5)；

所述上位机(1)用于挖掘机轨迹规划并将其转换为油缸期望长度值和压力值实时传输至下位机(2)、挖掘机位姿实时显示、接收伸缩量传感器(3)实时油缸长度信息和压力传感器(4)实时油缸压力信息；

所述下位机(2)用于接收上位机(1)传来的信号并控制驱动装置(5)动作；

所述伸缩量传感器(3)采用激光测距传感器，分别安装在动臂油缸(6)、斗杆油缸(7)、铲斗油缸(8)上，用于检测动臂油缸(6)、斗杆油缸(7)和铲斗油缸(8)实时长度，并将油缸长度值实时传到上位机(1)；

所述压力传感器(4)用来监测油缸两腔的压力，并将油缸压力值实时传到上位机；

所述驱动装置(5)采用电液比例阀，通过控制电液比例阀的开口大小及方向来控制工作装置液压缸的伸缩长度、所需压力和流量。

2.根据权利要求1所述的一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统，其特征在于：所述上位机、下位机、伸缩量传感器、压力传感器间信号传输均通过无线传输模块(9)进行无线传输。

3.根据权利要求1所述的一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统，其特征在于：所述激光测距传感器包括激光发射及接收器(10)和反射块(11)，所述激光发射及接收器(10)用于发出激光信号至反射块并接收反射块的反射激光信号，并将接收的反射激光信号与发射的激光信号进行比较并换算为发射点距反射点的距离；所述反射块(11)用于反射激光束。

4.根据权利要求3所述的一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统，其特征在于：所述激光发射及接收器(10)安装于油缸缸筒中间段外侧，所述反射块(11)安装于活塞杆远离油缸端端头部；则任意时刻油缸长度：l＝l_min+s-s_min，式中l_min为油缸最短长度；s为激光发射及接收器(10)和反射块(11)之间的距离；s_min为油缸最短长度时对应的激光发射及接收器(10)和反射块(11)之间的距离。

5.根据权利要求3所述的一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统，其特征在于：所述激光测距传感器的激光发射及接收器(10)及反射块(11)上设置有保护罩(12)，所述保护罩随液压缸伸缩而伸缩。

6.根据权利要求1所述的一种反铲液压挖掘机轨迹控制系统，其特征在于：所述压力传感器安装于主控制阀组上对应的油缸的进出油路上。

7.一种反铲液压挖掘机轨迹规划方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、将反铲液压挖掘机参数导入上位机(1)，上位机(1)绘制挖掘机包络图，同时实时显示其包络图；

S2、在上位机(1)中输入反铲液压挖掘机挖掘参数，包括挖掘层数、分层厚度、平面倾角、挖掘长度、取点间距、铲斗斗底后角参数；

S3、通过伸缩量传感器(3)分别检测动臂油缸(6)、斗杆油缸(7)、铲斗油缸(8)长度，并将长度参数传输到上位机(1)；压力传感器(4)分别检测动臂油缸(6)、斗杆油缸(7)、铲斗油缸(8)油缸两腔的压力，并将压力参数传输到上位机(1)；

S4、上位机(1)将S3中数据分析计算后以二维图像的形式显示挖掘机工作装置位姿；

S5、上位机(1)根据S2与S3中参数比对计算挖掘轨迹，将挖掘轨迹转换为动臂油缸(6)、铲斗油缸(7)、斗杆油缸(8)的长度，通过与实际油缸长度比较确定三组油缸伸缩量，经无线传输模块(9)将命令传到下位机(2)，下位机(2)通过控制驱动装置(5)进而控制挖掘机工作装置动作；

S6、挖掘机开始挖掘，伸缩量传感器(3)收集动臂油缸(6)、斗杆油缸(7)、铲斗油缸(8)瞬时长度并将其实时传输至上位机(1)，上位机(1)根据实时数据确定油缸伸缩量，并以二维图像的形式实时显示挖掘机位姿。

8.根据权利要求7所述的一种反铲液压挖掘机轨迹规划方法，其特征在于：所述S4工作装置位姿用矩阵表示矩阵为：

其中： 为动臂与机身铰接点与动臂与斗杆铰接点的连线与停机面的夹角，为斗杆相对于动臂的转角，为铲斗相对于斗杆的转角，a为工作装置对称平面内动臂与机身的铰接点至回转中心的水平距离，b为动臂与机身的铰接点至停机面的垂直距离；l₁为动臂与机身铰接点与动臂与斗杆铰接点之间距离，l₂为动臂与斗杆铰接点与斗杆与铲斗铰接点之间距离，l₃为斗杆与铲斗铰接点与处于纵向对称中心平面内斗齿尖之间的距离；

处于纵向对称中心平面内的斗齿尖点V点的姿态角为令则V点的位置用矩阵表示为：

9.根据权利要求7所述的一种反铲液压挖掘机轨迹规划方法，其特征在于：所述S5挖掘轨迹上各点用坐标表示为：

其中，θ为平面倾角、l为挖掘长度、n为取点间距、为挖掘起始点坐标。

10.根据权利要求7所述的一种反铲液压挖掘机轨迹规划方法，其特征在于：所述S6中三组液压缸长度：

动臂液压缸的瞬时长度：

斗杆液压缸的瞬时长度：

铲斗液压缸的瞬时长度：

其中，l_GN为铲斗油缸与斗杆的铰接点与摇臂与斗杆的铰接点之间距离，l_MN为铲斗油缸与摇臂铰接点与摇臂与斗杆铰接点之间距离，l_CF为动臂与机身铰接点与动臂与斗杆铰接点之间距离，l_EF为斗杆油缸与斗杆铰接点与动臂与斗杆铰接点之间距离；∠FCB，∠CFD，∠EFQ为结构角，是固定值；为斗杆相对于动臂的转角，为斗杆相对于动臂的转角；α₁₁为动臂与机身铰接点与动臂油缸与机身铰接点的连线与x₀y₀平面的夹角，其中固结于转台的坐标系为o₀x₀y₀z₀臂原点o与回转中心与转台底面的交点重合，y₀轴与z₀轴位于工作装置纵向对称平面内，初始状态下x₀轴、y₀轴、z₀轴分别与大地坐标系x轴、y轴平行；

θ₃＝2π-∠GNF-∠FNQ-∠MNH-∠HNK-∠KNQ，

其中，∠GNF，∠FNQ，∠MNH为结构角，是固定值，

其中，l_HN为摇臂与连杆铰接点与摇臂与斗杆铰接点之间距离，l_HK为摇臂与连杆铰接点与铲斗与连杆铰接点之间距离，l_NQ为摇臂与斗杆铰接点与斗杆与铲斗铰接点之间距离，l_KQ为铲斗与连杆铰接点与斗杆与铲斗铰接点之间距离，

l_NK为变化值：

其中，∠NQF，∠KQV为结构角，是固定值。