CN114855899A - 一种挖掘机工作阶段及工况识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，包括：步骤1，持续检测挖掘机手柄操作信号和动臂工作角度信号，判断并识别挖掘机的工作阶段；所述工作阶段包括：挖掘阶段、举升回转阶段、卸载阶段以及复位回转阶段；步骤2，根据挖掘机的工作阶段的特征，进一步识别挖掘机的作业工况；所述作业工况包括：搭台工况、装车工况和甩方工况。本发明技术方案通过增设动臂倾角传感器，极大的提高了挖掘阶段和搭台工况的识别精度；创造性的使用液压马达进油口和出油口的压力变化特征识别装车工况与甩方工况，解决了二者判定模糊的问题；程序简洁明了，识别准，速度快，不过多占用现有控制器资源。

Description

一种挖掘机工作阶段及工况识别方法

技术领域

本发明涉及一种工程机械的工作阶段及工况识别方法，特别是一种挖掘机工作阶段及工况识别方法。

背景技术

近年来，随着我国不断推进基础设施建设，挖掘机作为主力机械得到快速发展，被称为“工程机械之王”。挖掘机具有优异的工况适应能力，被广泛应用于土方挖掘、国防建设、采矿业、水利工程、灾害救援等领域。尤其在土石方施工方面，据统计全球约2/3以上的工作量由挖掘机完成。

挖掘机作为工程机械中绝对的污染大户，能耗高、燃油效率低、排放量大已成为行业共识。为了实现中国向世界作出的“碳达峰”“碳中和”承诺，挖掘机节能减排技术已迫在眉睫。挖掘机的工作阶段以及工况的自动识别是节能减排技术的基础研究，开发人员可以根据不同的工作阶段以及工况调整运行参数，使得挖掘机处于最佳工作状态。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种挖掘机工作阶段及工况识别方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，包括以下步骤：

步骤1，持续检测挖掘机手柄操作信号和动臂工作角度信号，判断并识别挖掘机的工作阶段；所述工作阶段包括：挖掘阶段、举升回转阶段、卸载阶段以及复位回转阶段；

步骤1中所述判断并识别挖掘机的工作阶段的方法，包括：

步骤1-1，以设定的采样频率检测挖掘机手柄操作信号和动臂工作角度信号；

其中，挖掘机手柄操作信号包括：铲斗挖掘信号、铲斗卸载信号、左回转信号和右回转信号；其中左回转信号与右回转信号统称为回转信号；

步骤1-2，所述挖掘机的各工作阶段前后连续衔接，通过识别挖掘阶段与卸载阶段的起始点与终止点，判断并识别挖掘机的工作阶段；所述挖掘机的工作阶段包括挖掘阶段、卸载阶段和复位回转阶段。

步骤1-2中所述挖掘阶段的起始点与终止点的判断方法包括：

所述挖掘阶段起始点判定方法包括：当检测到铲斗挖掘信号时，判断是否同时存在回转信号；若存在，则判断回转信号消失的同时是否存在铲斗挖掘信号，若依然存在铲斗挖掘信号，则判定回转信号消失时刻为挖掘阶段起始点；若不存在，则判定铲斗挖掘信号出现时刻为挖掘阶段起始点；

若回转信号消失的同时未检测到铲斗挖掘信号，则判定该时刻点属于举升回转阶段而非挖掘阶段；

所述挖掘阶段终止点判定方法包括：自挖掘阶段起始点检测动臂工作角度信号，当动臂角度出现跃升点，则判定动臂角度跃升点为挖掘阶段终止点。

步骤1-2中所述挖掘阶段终止点判定方法中，动臂角度跃升点的计算方法包括：

自挖掘阶段起始点开始，每间隔1秒计算动臂角度变化率，直到该变化率达到设定阈值；所述动臂角度变化率达到设定阈值后，自动臂角度变化率增长点起始，间隔3秒计算动臂角度增长值，若该值达到设定阈值，则判定该变化率增长点为动臂角度跃升点，否则继续寻找下一个动臂角度跃升点。

步骤1-2中所述卸载阶段的起始点与终止点的判断方法包括：

所述卸载阶段起始点判定方法包括：判定挖掘阶段终止点之后，当检测到铲斗卸载信号出现时，则判定铲斗卸载信号出现点为卸载阶段起始点；

所述卸载阶段终止点判定方法包括：判定卸载阶段终止点之后，当检测到铲斗卸载信消失时，则判定铲斗卸载信号消失点为卸载阶段终止点。

步骤1-2中所述复位回转阶段判断段逻辑如下：

所述复位回转阶段的起点是卸载阶段的终点；所述复位回转阶段的终点是挖掘阶段的起点。

步骤2，根据挖掘机的工作阶段的特征，进一步识别挖掘机的作业工况；所述作业工况包括：搭台工况、装车工况和甩方工况。

步骤2中所述识别挖掘机作业工况的方法包括：

步骤2-1，识别挖掘机的搭台工况，所述搭台工况的识别特征是动臂角度在挖掘阶段过程中持续处于低位，挖掘阶段下动臂角度低于阈值即可判定为搭台工况；

步骤2-2，识别挖掘机的装车与甩方工况，所述装车与甩方工况的识别特征为：在卸载阶段判断是否伴随回转信号，伴随回转信号判定为甩方工况，否则判断为装车工况。

步骤2-1中所述识别挖掘机的搭台工况的方法包括：

根据步骤1-2中所述挖掘阶段的起始点和终止点，分别记作第一工作点和第二工作点；

计算挖掘机动臂角度在第一工作点和第二工作点之间的均值，若该均值低于预设第三阈值，则判定为搭台工况，否则为非搭台工况。所述第三阈值由挖掘机型号决定，具体可由挖掘机作出搭台动作实际测得。

步骤2-2中所述识别挖掘机的装车与甩方工况的方法包括：

步骤2-2-1，检测挖掘机回转液压马达的进油口和出油口压力值信号；

步骤2-2-2，根据步骤1-2中所述卸载阶段的起始点和终止点，分别记作第三工作点和第四工作点；

步骤2-2-3，检测第三工作点与第四工作点之间回转液压马达进油口和出油口的压力值信号，记进油口和出油口压力值曲线的第一个交错点为第五工作点，计算第三和第五工作点之间经历的时刻占第三和第四工作点之间总时刻的百分比；

步骤2-2-3，判断步骤2-2-3中所述百分比，若该百分比低于10％，判定第五工作点无效，继续寻找下一个交错点，重新记为第五工作点；若该百分比高于10％，则判定第五工作点有效，进行装车与甩方的识别。

步骤2-2-3中所述的第五工作点有效时，若第三和第五工作点之间经历的时刻占第三和第四工作点之间总时刻的百分比超过40％，则判定为甩方工况，否则为装车工况。

有益效果：

本发明技术方案简洁明了，可执行性高，具有较高的实际应用价值。

本发明技术方案通过增设动臂倾角传感器，极大的提高了挖掘阶段和搭台工况的识别精度；创造性的使用液压马达进油口和出油口的压力变化特征识别装车工况与甩方工况，解决了二者判定模糊的问题；程序简洁明了，识别准，速度快，不过多占用现有控制器资源。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明的流程示意图。

图2为挖掘机的四个工作阶段示意图。

图3为挖掘机的三种工况示意图。

图4为挖掘阶段起始点手柄信号示意图。

图5为挖掘阶段动臂角度跃升点曲线示意图。

图6为搭台工况动臂挖掘阶段工作角度示意图。

图7为装车工况下卸载阶段液压马达进油口和出油口压力曲线图。

图8为甩方工况下卸载阶段液压马达进油口和出油口压力曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

驾驶员通过操纵手柄实现挖掘机作业，同时根据不同的工况要求组合出相应的手柄操作序列。因此，通过研究手柄信号可以识别出挖掘机的工作阶段以及工况。挖掘机从铲斗挖掘土石方到下一次挖掘作业之间称为一个工作循环，具体细分为挖掘阶段、举升回转阶段、卸载阶段、复位回转阶段，如图2所示。

在工程实际中，挖掘机常用的工况有搭台状态下的装车和甩方，以及非搭台状态下的装车和甩方。通过提取上述工作循环各阶段的作业特征，实现搭台、装车和甩方工况的识别，如图3所示，其中搭台工况具体是指待挖掘土方低于挖掘机履带所在平面，装车工况是指回转停止后卸载土方，甩方工况是指回转过程中卸载土方。

本发明实施例提供了一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，先进行工作阶段的识别，再根据工作阶段的特征识别具体工况，如图1所示，为本发明实施例中挖掘机工作阶段及工况识别方法流程示意图：

本实施例中基于手柄信号和动臂工作角度信号的挖掘机工作阶段的识别方法如下：

采集手柄信号中的铲斗挖掘、铲斗卸载、左回转、右回转，动臂工作角度信号；

当操纵手柄产生动作时，相应的信号从0渐渐上升，上升的速度与手柄操作幅度有关，幅度越大则信号上升越快，当手柄处于最大操作幅度时，信号保持最大值不变；本实施例中，信号最大为1000。

判定挖掘阶段起始点步骤如下：

(1)当检测到铲斗挖掘信号时，判断是否同时存在回转信号，所述回转信号包括左回转信号和右回转信号；

(2)若存在回转信号，则判断回转信号消失的同时是否存在铲斗挖掘信号；若依然有铲斗挖掘信号，则判定回转信号消失时刻为挖掘阶段起始点，如图4中标注灰色时刻；若铲斗挖掘信号消失，判定当前不是挖掘阶段，重新执行(1)；

(3)若不存在回转信号，则判定铲斗挖掘信号出现时刻为挖掘阶段起始点。

所述挖掘阶段起始点判定完毕，下面判定挖掘阶段终止点：

所述挖掘阶段终止点与举升回转阶段起始点重合，即根据动臂工作角度急剧增大的特征识别挖掘阶段终止点，判定步骤如下：

(1)自挖掘阶段起始点检测动臂工作角度，以当前时刻为第一计算点，间隔1秒作为第二计算点，计算第一和第二计算点之间的斜率并判断斜率是否达到预设第一阈值；若未达到第一阈值，则根据采样频率更新第一计算点并继续计算斜率；

(2)若达到第一阈值，则以第一计算点为起始点，间隔3秒作为第三计算点，计算第一和第三计算点之间的增长值并判断是否达到预设第二阈值；若未达到预设第二阈值，则重新执行(1)；

(3)若达到第二阈值，则判定第一计算点所在的时刻为挖掘阶段终止点，如图5所示，第一和第二计算点间隔1s取值并且产生斜率值；第一和第三计算点间隔3s取值并且产生增幅；

(4)所述预设的第一阈值和第二阈值可通过实际挖掘机动臂举升操作确定，不同型号的挖掘机有不同的阈值。

所述挖掘阶段终止点判定完毕，下面判定卸载阶段起始点和终止点：

所述卸载阶段之前，铲斗中已充满物料，保持较强的卸载趋势，故一旦手柄发出卸载信号，挖掘机立刻进行卸载作业，即实际卸载动作几乎与卸载信号同步进行；

所述卸载阶段起始点判定流程如下：判定挖掘阶段终止点之后，当检测到铲斗卸载信号出现时，则判定铲斗卸载信号出现点为卸载阶段起始点；

所述卸载阶段终止点判定流程如下：判定卸载阶段终止点之后，当检测到铲斗卸载信消失时，则判定铲斗卸载信号消失点为卸载阶段终止点；

所述卸载阶段起始点和终止点判定完毕。

所述复位回转阶段终止点与挖掘阶段起始点重合，故不作赘述。

所述基于手柄信号和动臂工作角度信号的挖掘机工作阶段的识别方法表述完毕。

本实施例中基于挖掘机工作阶段特征的工况识别方法如下：

所述挖掘机是否搭台识别流程如下：

当挖掘机的工作平台高于挖掘平面，驾驶员需操作铲斗置于工作平面以下的工况称为搭台工况；当挖掘机的工作平台低于或者持平挖掘平面的时，称为非搭台工况，如图6所示；

所述搭台工况的本质特征是挖掘机在挖掘阶段过程中，动臂的工作角度远低于非搭台工况，动臂工作角度如图6所示，以动臂和下车铰接点为原点，向动臂和斗杆铰接点作射线并与水平面形成夹角即为动臂工作角度；

通过上述工作阶段识别方法识别出挖掘阶段的起始点和终止点，分别记作第一工作点和第二工作点；

计算挖掘机动臂角度在第一工作点和第二工作点之间的均值，若该均值低于预设第三阈值，则判定为搭台工况，否则为非搭台工况；

所述第三阈值由挖掘机型号决定，具体可由挖掘机作出搭台动作实际测得。

所述挖掘机是否搭台识别完成，下面识别挖掘机装车工况与甩方工况：

进一步地，为了识别装车和甩方工况，需要得到挖掘机回转液压马达的进油口和出油口压力值信号；

所述装车工况是指挖掘机在卸载阶段之前已停止回转，即先停后卸；

所述甩方工况是指挖掘机在卸载过程中伴随回转，做出将土石方甩出的动作，即边转边卸；

通过上述工作阶段识别方法识别出卸载阶段的起始点和终止点，分别记作第三工作点和第四工作点；

提取第三工作点与第四工作点之间回转液压马达进油口和出油口的压力值信号，记进油口和出油口压力值曲线的第一个交错点为第五工作点，计算第三和第五工作点之间经历的时刻占第三和第四工作点之间总时刻的百分比；

若该百分比低于10％，判定第五工作点无效，继续寻找下一个交错点，重新记为第五工作点并计算第三和第五工作点之间经历的时刻占第三和第四工作点之间总时刻的百分比，

若该百分比高于10％，则判定第五工作点有效，进行装车与甩方的识别；

所述第三和第五工作点之间经历的时刻占第三和第四工作点之间总时刻的百分比超过40％判定为甩方工况，否则为装车工况；

所述装车工况下卸载阶段液压马达进油口、出油口压力曲线图如图7所示，其中第三工作点为压力曲线起始点、第四工作点为压力曲线终止点、第五工作点为进油口和出油口压力曲线的第一个有效交汇点，第三和第五工作点之间为压力交错点时刻，第三和第四工作点之间为卸载阶段总时刻；

所述甩方工况下卸载阶段液压马达进油口、出油口压力曲线图如图8所示，其中第三工作点为压力曲线起始点、第四工作点为压力曲线终止点、第五工作点为进油口和出油口压力曲线的第一个有效交汇点，第三和第五工作点之间为压力交错点时刻，第三和第四工作点之间为卸载阶段总时刻。

所述基于挖掘机工作阶段特征的工况识别方法表述完毕。

本发明实施例提供的一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，首先识别挖掘机的工作阶段，然后根据各工作阶段的特征识别挖掘机的工况，该方案简洁明了，可执行性高，具有较高的实际应用价值。

具体实现中，本发明还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本发明提供的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(randomaccess memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了一种挖掘机工作阶段及工况识别方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，持续检测挖掘机手柄操作信号和动臂工作角度信号，判断并识别挖掘机的工作阶段；所述工作阶段包括：挖掘阶段、举升回转阶段、卸载阶段以及复位回转阶段；

步骤2，根据挖掘机的工作阶段的特征，进一步识别挖掘机的作业工况；所述作业工况包括：搭台工况、装车工况和甩方工况。

2.根据权利要求1所述的一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，其特征在于，步骤1中所述判断并识别挖掘机的工作阶段的方法，包括：

步骤1-1，以设定的采样频率检测挖掘机手柄操作信号和动臂工作角度信号；

其中，挖掘机手柄操作信号包括：铲斗挖掘信号、铲斗卸载信号、左回转信号和右回转信号；其中左回转信号与右回转信号统称为回转信号；

步骤1-2，所述挖掘机的各工作阶段前后连续衔接，通过识别挖掘阶段与卸载阶段的起始点与终止点，判断并识别挖掘机的工作阶段；所述挖掘机的工作阶段包括挖掘阶段、卸载阶段和复位回转阶段。

3.根据权利要求2所述的一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，其特征在于，步骤1-2中所述挖掘阶段的起始点与终止点的判断方法包括：

所述挖掘阶段起始点判定方法包括：当检测到铲斗挖掘信号时，判断是否同时存在回转信号；若存在，则判断回转信号消失的同时是否存在铲斗挖掘信号，若依然存在铲斗挖掘信号，则判定回转信号消失时刻为挖掘阶段起始点；若不存在，则判定铲斗挖掘信号出现时刻为挖掘阶段起始点；

若回转信号消失的同时未检测到铲斗挖掘信号，则判定该时刻点属于举升回转阶段而非挖掘阶段；

所述挖掘阶段终止点判定方法包括：自挖掘阶段起始点检测动臂工作角度信号，当动臂角度出现跃升点，则判定动臂角度跃升点为挖掘阶段终止点。

4.根据权利要求3所述的一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，其特征在于，步骤1-2中所述挖掘阶段终止点判定方法中，动臂角度跃升点的计算方法包括：

自挖掘阶段起始点开始，每间隔1秒计算动臂角度变化率，直到该变化率达到设定阈值；所述动臂角度变化率达到设定阈值后，自动臂角度变化率增长点起始，间隔3秒计算动臂角度增长值，若该值达到设定阈值，则判定该变化率增长点为动臂角度跃升点，否则继续寻找下一个动臂角度跃升点。

5.根据权利要求4所述的一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，其特征在于，步骤1-2中所述卸载阶段的起始点与终止点的判断方法包括：

所述卸载阶段起始点判定方法包括：判定挖掘阶段终止点之后，当检测到铲斗卸载信号出现时，则判定铲斗卸载信号出现点为卸载阶段起始点；

所述卸载阶段终止点判定方法包括：判定卸载阶段终止点之后，当检测到铲斗卸载信消失时，则判定铲斗卸载信号消失点为卸载阶段终止点。

6.根据权利要求5所述的一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，其特征在于，步骤1-2中所述复位回转阶段判断段逻辑如下：

所述复位回转阶段的起点是卸载阶段的终点；所述复位回转阶段的终点是挖掘阶段的起点。

7.根据权利要求6所述的一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，其特征在于，步骤2中所述识别挖掘机作业工况的方法包括：

步骤2-1，识别挖掘机的搭台工况，所述搭台工况的识别特征是动臂角度在挖掘阶段过程中持续处于低位，挖掘阶段下动臂角度低于阈值即可判定为搭台工况；

步骤2-2，识别挖掘机的装车与甩方工况，所述装车与甩方工况的识别特征为：在卸载阶段判断是否伴随回转信号，伴随回转信号判定为甩方工况，否则判断为装车工况。

8.根据权利要求7所述的一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，其特征在于，步骤2-1中所述识别挖掘机的搭台工况的方法包括：

根据步骤1-2中所述挖掘阶段的起始点和终止点，分别记作第一工作点和第二工作点；

计算挖掘机动臂角度在第一工作点和第二工作点之间的均值，若该均值低于预设第三阈值，则判定为搭台工况，否则为非搭台工况。

9.根据权利要求8所述的一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，其特征在于，步骤2-2中所述识别挖掘机的装车与甩方工况的方法包括：

步骤2-2-1，检测挖掘机回转液压马达的进油口和出油口压力值信号；

步骤2-2-2，根据步骤1-2中所述卸载阶段的起始点和终止点，分别记作第三工作点和第四工作点；

步骤2-2-3，检测第三工作点与第四工作点之间回转液压马达进油口和出油口的压力值信号，记进油口和出油口压力值曲线的第一个交错点为第五工作点，计算第三和第五工作点之间经历的时刻占第三和第四工作点之间总时刻的百分比；

步骤2-2-3，判断步骤2-2-3中所述百分比，若该百分比低于10％，判定第五工作点无效，继续寻找下一个交错点，重新记为第五工作点；若该百分比高于10％，则判定第五工作点有效，进行装车与甩方的识别。

10.根据权利要求9所述的一种挖掘机工作阶段及工况识别方法，其特征在于，步骤2-2-3中所述的第五工作点有效时，若第三和第五工作点之间经历的时刻占第三和第四工作点之间总时刻的百分比超过40％，则判定为甩方工况，否则为装车工况。

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