CN111259989A - 一种装载机循环工况作业阶段识别方法 - Google Patents

一种装载机循环工况作业阶段识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种装载机循环工况作业阶段识别方法，属于装载机技术领域。该方法将装载机工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔作为三个监测点，采集相同路径下标准操作的压力数据及车速数据建立每个作业阶段的标准特征向量；在装载机作业时，利用监测点的压力数据和车速数据建立特征向量，通过结合挡位信号数据以及特征向量和标准特征向量的距离，识别作业阶段，并进行识别校正。从而能够准确识别出装载机的循环工况，进而能够满足装载机不同作业阶段采取针对性控制方式，提高发动机的功率利用率，提升装载机的燃油经济性。

Description

一种装载机循环工况作业阶段识别方法
技术领域
本发明属于装载机技术领域，具体涉及一种装载机循环工况作业阶段识别方法。
背景技术
装载机是工程车辆家族最为常见的一种，主要用于对散状物料进行铲装运输作业。循环作业是装载机最典型的作业形式，装载机的一个完整循环作业一般包括空载前进、铲装、带载后退、带载前进卸料和空载后退五个阶段，毎个阶段的负载都不相同，对发动机的功率需求呈现明显的阶梯性和周期性，若使用同一发动机功率，必然会使发动机处于部分负荷状态，存在功率损失，降低了燃油经济性。因此，在装载机不同作业阶段采取针对性控制方式，则既能满足作业要求，又能提高发动机的功率利用率，从而提升装载机的燃油经济性。但是，要实现装载机的分阶段控制，首先要识别出装载机所处的实时作业阶段。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种装载机循环工况作业阶段识别方法，通过该方法，可以自动识别装载机的实时作业阶段。
技术方案：本发明所述的一种装载机循环工况作业阶段识别方法，包括如下步骤：
(1)采集装载机作业时工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔的实时压力数据，并获取实时车速和挡位信号数据；
(2)以实时压力数据和实时车速数据建立特征向量；
(3)结合挡位信号数据，将特征向量和装载机循环工况各作业阶段的标准特征向量中的对应元素做距离运算，当距离最小时，判断装载机处于该标准特征向量所处于的作业阶段；
(4)根据当前识别的作业阶段和前一个识别的作业阶段，并结合循环工况作业阶段顺序，对当前作业阶段进行校正，并输出校正后的作业阶段。
其中，装载机循环工况作业阶段的标准特征向量的建立包括：
以标准操作规程沿着相同路径操作装载机进行循环装载作业，同时采集工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔的压力数据，并同步获取车速数据；
将采集的数据按空载前进、铲装、重载后退、重载前进卸料和空载后退分为五个作业阶段，并利用压力数据和车速数据建立每个作业阶段的标准特征向量。
具体的，采集得到的压力数据去除奇异点并滤波，然后将每次的循环工况数据分为五个阶段，再将每个阶段内的工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔处压力和速度数据取均值并归一化处理，使其线性调整到[0，1]，归一化具体公式为
Figure BDA0002393419350000021
式中：f为处理前的数据；
Figure BDA0002393419350000022
为处理后的数据；fmax为同名称作业阶段速度最大值和同名称作业阶段、同位置处压力最大值；fmin为同名称作业阶段速度最小值和同名称作业阶段、同位置处压力最小值；
归一化后，记每个作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]；
式中，b代表工作泵出口，d代表动臂无杆腔，z代表转斗无杆腔；i＝1，2…5，其中，1代表空载前进，2代表铲装，3代表重载后退，4代表重载前进卸料，5代表空载后退段；Pbi为各作业阶段的工作泵出口压力，Pdi为各作业阶段的动臂无杆腔压力，Pzi为各作业阶段转斗无杆腔压力，Vi为各作业阶段的速度；Pbi、Pdi、Pzi和Vi的值由公式(1)处理后的数据取均值确定。
进一步的，所述步骤(2)中，将各监测点的实时压力数据和实时车速数据滤波、取均值再归一化处理，然后建立特征向量，记T＝[tb，td，tz，tv]；
式中，tb为实时的工作泵出口压力，td为实时的动臂无杆腔压力，tz为实时的转斗无杆腔压力，tv为实时的装载机速度。
进一步的，所述步骤(3)中，当挡位信号为前进挡时，将作业阶段特征向量T＝[tb，td，tz，tv]与作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]，i＝1，2，4中的对应元素按下式做距离运算，即
S＝|tb-Pbi|+|td-Pdi|+|tz-Pzi|+|tv-Vi| i＝1，2，4 (2)
式中，S表示作业阶段特征向量T与作业阶段标准特征向量X的贴近程度；
若特征向量T与i＝1时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于空载前进阶段；
若特征向量T与i＝2时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于铲装阶段；
若特征向量T与i＝4时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于重载前进卸料阶段。
当挡位信号为倒挡时，将作业阶段特征向量T＝[tb，td，tz，tv]与作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]，i＝3，5中的对应元素按下式做距离运算，即
S＝|tb-Pbi|+|td-Pdi|+|tz-Pzi|+|tv-Vi| i＝3，5 (3)
若特征向量T与i＝3时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于重载后退阶段；
若特征向量T与i＝5时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于空载后退阶段。
所述步骤(4)中，当前识别为空载前进，前一个识别为重载后退，则校正当前识别为重载前进卸料；
当前识别为空载前进，前一个识别为铲装，则校正当前识别为铲装；
当前识别为空载前进，前一个识别为重载前进卸料，则校正当前识别为重载前进卸料；
当前识别为空载后退，前一个识别为重载后退，则校正当前识别为重载后退；
当前识别为空载后退，前一个识别为铲装，则校正当前识别为重载后退。
所述步骤(4)中，当前识别为铲装，前一个识别为重载后退，则校正当前识别为重载前进卸料；
当前识别为铲装，前一个识别为重载前进卸料，则校正当前识别为重载前进卸料；
当前识别为铲装，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载前进。
所述步骤(4)中，当前识别为重载前进卸料，前一个识别为铲装，则校正当前识别为铲装；
当前识别为重载前进卸料，前一个识别为空载前进，则校正当前识别为空载前进；
当前识别为重载前进卸料，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载前进。
所述步骤(4)中，当前识别为重载后退，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载后退；
当前识别为重载后退，前一个识别为重载前进卸料，则校正当前识别为空载后退；
当前识别为重载后退，前一个识别为空载前进，则校正当前识别为空载后退。
有益效果：该方法在装载机作业时，采集工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔三个监测点的压力数据，以及车速和挡位信号数据，利用监测点的压力数据和车速数据建立特征向量，通过计算特征向量和装载机循环工况作业阶段的标准特征向量的距离，并结合挡位信号数据，识别装载机处于的作业阶段，并进行识别校正。从而能够准确识别出装载机的循环工况，进而能够满足装载机不同作业阶段采取针对性控制方式，提高发动机的功率利用率，提升装载机的燃油经济性。
附图说明
图1是本发明的识别方法的流程示意图；
图2是本发明实施例的完整流程示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1、图2所示，按如下方式实施该装载机循环工况作业阶段识别方法：
S1：建立装载机循环工况作业阶段的标准特征向量；
循环工况试验以装载机铲装原生土、大石方、松散土、小石方和半湿土各20斗，总计100斗进行，采用“V”型装载、分层铲装的作业方式，按空载前进、铲装、重载后退、重载前进卸料、空载后退“五”段循环方式进行。试验由1名操作熟练的驾驶员按照标准操作规范，遵循相同的路线进行装载作业，尽量保证循环作业的一致性，前进后退末段尽可能通过调节油门开度控制车速，减少制动过程。在装载机工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔处安装压力传感器，车速和挡位信号数据从装载机的CAN-Bus总线处读取，以采样频率为1KHz进行数据采集。
采集到的数据去奇异点和滤波后，将每次的循环工况数据按空载前进、铲装、重载后退、重载前进卸料和空载后退分为五段，再将每段内的工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔处压力和速度数据取均值并归一化处理，使其线性调整到[0，1]，归一化具体公式为
Figure BDA0002393419350000051
式中：f为处理前的数据；
Figure BDA0002393419350000052
为处理后的数据；fmax为同名称作业阶段速度最大值和同名称作业阶段、同位置处压力最大值；fmin为同名称作业阶段速度最小值和同名称作业阶段、同位置处压力最小值。
归一化后，记每个作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]；
式中，b代表工作泵出口，d代表动臂无杆腔，z代表转斗无杆腔；i＝1，2…5，其中，1代表空载前进，2代表铲装，3代表重载后退，4代表重载前进卸料，5代表空载后退段；Pbi为各作业阶段的工作泵出口压力，Pdi为各作业阶段的动臂无杆腔压力，Pzi为各作业阶段转斗无杆腔压力，Vi为各作业阶段的速度；Pbi、Pdi、Pzi和Vi的值由公式(1)处理后的数据取均值确定。
S2：对装载机循环工况作业阶段进行识别；
装载机在循环作业时，每0.5秒采集工作泵压力、动臂无杆腔压力、转斗无杆腔压力、车速和挡位信号。采集到的数据滤波、取均值再归一化处理。将归一化后的工作泵压力、动臂无杆腔压力、转斗无杆腔压力和车速看成是一个特征向量，记T＝[tb，td，tz，tv]；
式中，tb为实时的工作泵出口压力，td为实时的动臂无杆腔压力，tz为实时的转斗无杆腔压力，tv为实时的装载机速度。
判定当前挡位信号：
当挡位信号为前进挡D时，将作业阶段特征向量T＝[tb，td，tz，tv]与作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]，i＝1，2，4中的对应元素按下式做距离运算，即
S＝|tb-Pbi|+|td-Pdi|+|tz-Pzi|+|tv-Vi| i＝1，2，4 (2)
式中，S表示作业阶段特征向量T与作业阶段标准特征向量X的贴近程度；
若特征向量T与i＝1时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于空载前进阶段；
若特征向量T与i＝2时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于铲装阶段；
若特征向量T与i＝4时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于重载前进卸料阶段。
当挡位信号为倒挡R时，将作业阶段特征向量T＝[tb，td，tz，tv]与作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]，i＝3，5中的对应元素按下式做距离运算，即
S＝|tb-Pbi|+|td-Pdi|+|tz-Pzi|+|tv-Vi| i＝3，5 (3)
若特征向量T与i＝3时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于重载后退阶段；
若特征向量T与i＝5时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于空载后退阶段。
S3：对作业阶段的识别进行校正；
由于装载机作业情况负载多变，为避免出现误识别，根据装载机的操作规范和作业顺序制订校正规则，对识别的结果进行校正，校正规则如下：
规则一：IF当前识别为空载前进，AND前一个识别为重载后退，THEN校正当前识别为重载前进卸料；
规则二：IF当前识别为空载前进，AND前一个识别为铲装，THEN校正当前识别为铲装；
规则三：IF当前识别为空载前进，AND前一个识别为重载前进卸料，THEN校正当前识别为重载前进卸料；
规则四：IF当前识别为铲装，AND前一个识别为重载后退，THEN校正当前识别为重载前进卸料；
规则五：IF当前识别为铲装，AND前一个识别为重载前进卸料，THEN校正当前识别为重载前进卸料；
规则六：IF当前识别为铲装，AND前一个识别为空载后退，THEN校正当前识别为空载前进；
规则七：IF当前识别为重载前进卸料，AND前一个识别为铲装，THEN校正当前识别为铲装；
规则八：IF当前识别为重载前进卸料，AND前一个识别为空载前进，THEN校正当前识别为空载前进；
规则九：IF当前识别为重载前进卸料，AND前一个识别为空载后退，THEN校正当前识别为空载前进；
规则十：IF当前识别为重载后退，AND前一个识别为空载后退，THEN校正当前识别为空载后退；
规则十一：IF当前识别为重载后退，AND前一个识别为重载前进卸料，THEN校正当前识别为空载后退；
规则十二：IF当前识别为重载后退，AND前一个识别为空载前进，THEN校正当前识别为空载后退；
规则十三：IF当前识别为空载后退，AND前一个识别为重载后退，THEN校正当前识别为重载后退；
规则十四：IF当前识别为空载后退，AND前一个识别为铲装，THEN校正当前识别为重载后退。

Claims (10)

1.一种装载机循环工况作业阶段识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采集装载机作业时工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔的实时压力数据，并获取实时车速和挡位信号数据；
(2)以实时压力数据和实时车速数据建立特征向量；
(3)结合挡位信号数据，将特征向量和装载机循环工况各作业阶段的标准特征向量中的对应元素做距离运算，当距离最小时，判断装载机处于该标准特征向量所处于的作业阶段；
(4)根据当前识别的作业阶段和前一个识别的作业阶段，并结合循环工况作业阶段顺序，对当前作业阶段进行校正，并输出校正后的作业阶段。
2.根据权利要求1所述的装载机循环工况作业阶段识别方法，其特征在于，装载机循环工况作业阶段的标准特征向量的建立包括：
以标准操作规程沿着相同路径操作装载机进行循环装载作业，同时采集工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔的压力数据，并同步获取车速数据；
将采集的数据按空载前进、铲装、重载后退、重载前进卸料和空载后退分为五个作业阶段，并利用压力数据和车速数据建立每个作业阶段的标准特征向量。
3.根据权利要求2所述的装载机循环工况作业阶段识别方法，其特征在于，采集得到的压力数据去除奇异点并滤波，然后将每次的循环工况数据分为五个阶段，再将每个阶段内的工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔处压力和速度数据取均值并归一化处理，使其线性调整到[0，1]，归一化具体公式为
Figure FDA0002393419340000011
式中：f为处理前的数据；
Figure FDA0002393419340000012
为处理后的数据；fmax为同名称作业阶段速度最大值和同名称作业阶段、同位置处压力最大值；fmin为同名称作业阶段速度最小值和同名称作业阶段、同位置处压力最小值；
归一化后，记每个作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]；
式中，b代表工作泵出口，d代表动臂无杆腔，z代表转斗无杆腔；i＝1，2…5，其中，1代表空载前进，2代表铲装，3代表重载后退，4代表重载前进卸料，5代表空载后退段；Pbi为各作业阶段的工作泵出口压力，Pdi为各作业阶段的动臂无杆腔压力，Pzi为各作业阶段转斗无杆腔压力，Vi为各作业阶段的速度；Pbi、Pdi、Pzi和Vi的值由公式(1)处理后的数据取均值确定。
4.根据权利要求3所述的装载机循环工况作业阶段识别方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将各监测点的实时压力数据和实时车速数据滤波、取均值再归一化处理，然后建立特征向量，记T＝[tb，td，tz，tv]；
式中，tb为实时的工作泵出口压力，td为实时的动臂无杆腔压力，tz为实时的转斗无杆腔压力，tv为实时的装载机速度。
5.根据权利要求4所述的装载机循环工况作业阶段识别方法，其特征在于，所述步骤(3)中，当挡位信号为前进挡时，将作业阶段特征向量T＝[tb，td，tz，tv]与作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]，i＝1，2，4中的对应元素按下式做距离运算，即
S＝|tb-Pbi|+|td-Pdi|+|tz-Pzi|+|tv-Vi| i＝1，2，4 (2)
式中，S表示作业阶段特征向量T与作业阶段标准特征向量X的贴近程度；
若特征向量T与i＝1时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于空载前进阶段；
若特征向量T与i＝2时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于铲装阶段；
若特征向量T与i＝4时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于重载前进卸料阶段。
6.根据权利要求5所述的装载机循环工况作业阶段识别方法，其特征在于，当挡位信号为倒挡时，将作业阶段特征向量T＝[tb，td，tz，tv]与作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]，i＝3，5中的对应元素按下式做距离运算，即
S＝|tb-Pbi|+|td-Pdi|+|tz-Pzi|+|tv-Vi| i＝3，5 (3)
若特征向量T与i＝3时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于重载后退阶段；
若特征向量T与i＝5时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于空载后退阶段。
7.根据权利要求1所述的装载机循环工况作业阶段识别方法，其特征在于，所述步骤(4)中，当前识别为空载前进，前一个识别为重载后退，则校正当前识别为重载前进卸料；
当前识别为空载前进，前一个识别为铲装，则校正当前识别为铲装；
当前识别为空载前进，前一个识别为重载前进卸料，则校正当前识别为重载前进卸料；
当前识别为空载后退，前一个识别为重载后退，则校正当前识别为重载后退；
当前识别为空载后退，前一个识别为铲装，则校正当前识别为重载后退。
8.根据权利要求1所述的装载机循环工况作业阶段识别方法，其特征在于，所述步骤(4)中，当前识别为铲装，前一个识别为重载后退，则校正当前识别为重载前进卸料；
当前识别为铲装，前一个识别为重载前进卸料，则校正当前识别为重载前进卸料；
当前识别为铲装，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载前进。
9.根据权利要求1所述的装载机循环工况作业阶段识别方法，其特征在于，所述步骤(4)中，当前识别为重载前进卸料，前一个识别为铲装，则校正当前识别为铲装；
当前识别为重载前进卸料，前一个识别为空载前进，则校正当前识别为空载前进；
当前识别为重载前进卸料，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载前进。
10.根据权利要求1所述的装载机循环工况作业阶段识别方法，其特征在于，所述步骤(4)中，当前识别为重载后退，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载后退；
当前识别为重载后退，前一个识别为重载前进卸料，则校正当前识别为空载后退；
当前识别为重载后退，前一个识别为空载前进，则校正当前识别为空载后退。
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