CN114923554B - 一种装载机自适应称重装置与称重方法 - Google Patents

Abstract

一种装载机自适应称重装置与称重方法，包括以下步骤：S1：标定，运用最小二乘法拟合动臂匀速上升的速度v与动臂从下限位置到上限位置匀速提升的滑动均值推力

的二次函数关系式、拟合动臂匀速上升的速度v与动臂油缸单位推力变化率ΔF的一次函数关系式；S2：称重过程并校准的速度；S3：求出待测负载重量；S4：输出待测负载重量、累计重量、超重报警或检测全程压力不平稳时进行称重无效报警。针对现有技术存在的因抖动或以上其他因素而导致的重量测量不准的技术问题，本发明可以由已知负载重量推导出待测负载的重量，并且由平稳期的推力变化率来校准速度，去除了随机抖动对速度的影响，以及多项滤波得到相对稳定的推力，可以得到更为准确的称重效果。

Description

一种装载机自适应称重装置与称重方法

本发明属于装载机称重技术领域，更具体地，涉及一种装载机自适应称重装置与称重方法。

背景技术

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。

在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。

装载机自重大，轴距短，且始终处于流动作业状态，难以用固定位置的衡器对它所载货物进行称量，否则会影响工作效率，因此，寻找一种使其在工作过程中完成对货物称重的方法，才能较好地解决这一问题。一般来对货物计量的准确度要求越高越好，装载机进行散堆货物装载时，初期采用测比重画线估算的方法来计算所装货物的重量，此法存在着误差大、随机性大、不便管理等特点。多装，会造成直接经济损失和超载运输；少装欠载，则会降低运输效能，损害客户利益。同时，因装载机无称量装置而使物料装卸还必须依赖于汽车转运过秤或使用地磅，装卸效率低下费用也很高。随着铁路、汽车、港口、码头等物流装卸业的发展，装载上货效率、安全性和准确性的要求越来越高。需要一种先进的装载机称重系统来实现装载过程中对货物的自动准确计量，对于加强装载作业管理，防止超载和欠载，提高装卸作业效率和效益，保证车辆运输的安全性有着显著的实效。

如公开号为CN204043764U，名为装载机智能称重系统的发明专利，通过增加双接近位置传感器，实现对装载机铲装物料时动臂工作状态的检测及判断，一个低位置信号，一个高位置信号，高位置信号发送的条件在初始安装时调试时，在铲斗没有举升时，低位置信号产生电信号发送给中央控制器，当铲斗举升达到或超过设定的高度时，低位置信号才为高位置信号发送电信号给中央控制器，即是说，当称重系统中央控制器首先接收低位置信号，然后接收到高位置信号后，才开始称重，以防止动臂没有举升或举升高度不够而造成的误称重，并采集压力数据进行信号采集及转换来计算出负载的重量。但该发明仍有一个严重的缺点，当达到开始称重的位置时，如果动臂发生了抖动，单点压力数据也会有抖动，该方案没有公开处理方法，即没有处理该情况而导致的称重不准；也没有考虑到当以不同速度提升动臂时，压力会有变化的情况，最终导致称重数据不准的情况。

发明内容

针对上述存在的因抖动或以上其他因素而导致的重量测量不准的技术问题，本发明提出一种装载机自适应称重装置与称重方法，提升装载机称重的准确度。

本发明采取以下具体的技术方案：

一种装载机自适应称重方法，包括以下步骤：

S1：标定，运用最小二乘法拟合动臂匀速上升的速度v与动臂从下限位置到上限位置匀速提升的滑动均值推力

的二次函数关系式，运用最小二乘法拟合动臂匀速上升的速度v与动臂油缸单位推力变化率ΔF的一次函数关系式；

S2：称重，选取上限开关与下限开关间采集的单位推力变化率ΔF的平稳段均值，利用S1中的一次函数关系式求得校准的速度v_校；

S3：将S2中校准的速度v_校利用S1中的二次函数关系式分别求得空载和标准重量的平均推力，再将采集的经多重滤波后的推力值与二次函数关系式求出空载推力值、标准负载推力值和标准负载重量，根据线性关系求出待测负载重量；

S4：输出待测负载重量、累计重量、超重报警或检测全程压力不平稳时进行称重无效报警。

优选的，所述标定过程中包括空载标定或标准负载标定的二次函数。

优选的，所述动臂从静止加速到匀速过程中满足的关系式为：

S₀代表在此过程中动臂油缸伸长的位移，h₀代表动臂从底部提升到下限开关水平位置的高度，g代表重力加速度，m代表负载重量。

优选的，所述动臂从下限开关水平位置到上限开关水平位置的过程满足的关系式为：

S代表在此过程中动臂油缸伸长的位移，F_下限、F_上限分别代表下限开关水平位置、上限开关水平位置时动臂油缸的推力大小，h代表动臂从下限开关水平位置提升到上限开关水平位置的高度，g代表重力加速度，m代表负载重量。

优选的，所述S2中选取平稳段均值的方法为：

实时检测单位推力变化率ΔF，滑动并累计检测一段时间，当单位推力变化率ΔF的方差小于预先设置的门限，则认为该段时间为匀速平稳变化，没有发生随机抖动。

优选的，所述方差D²的计算公式为：

其中，n代表检测单位推力变化率ΔF的次数，ΔF_i代表第i次检测的单位推力变化率ΔF的值，

代表n次检测的单位推力变化率ΔF的平均值；

若所述方差在设置的门限内，则校准的速度

其中，k、b分别代表为一次函数关系式的参数，由两组不同速度v下的推力变化均值以及提升时间求出。

优选的，所述S3中空载的平均推力F_空依据空载的二次函数系数a₀₀、a₀₁、a₀₂求出，标准重量的平均推力F_标依据标准负载的二次函数系数a₁₀、a₁₁、a₁₂求出，将上、下限开关之间采集的推力值做各种滤波处理得到F_测，已知的标准负载的重量M_标，最后运用相同速度下不同重量时的压力线性关系求出待测负载重量M_测：

F_空＝a₀₀+a₀₁v_校+a₀₂v_校 ²

F_标＝a₁₀+a₁₁v_校+a₁₂v_校 ²

优选的，所述滤波的方法包括3-sigma去除异常值滤波、递推均值滤波和加权滤波。

一种装载机自适应称重装置，包括装载机大臂提升的匀速运行段安装的下限开关和上限开关、油路上安装的阀块预留接口以及分别在动臂油缸的无杆腔与有杆腔安装的压力传感器。

优选的，所述下限开关设置在动臂活塞伸出20％—50％时的大臂位置处，所述上限开关设置在动臂活塞伸出55％—80％时的大臂位置处。

本发明的有益效果为：

(1)运用装载机的动臂杠推力(由压力传感器获取)与速度(由上下限开关间的提升时间获取)的二次函数特性，以及动臂杠推力变化率与速度的一次函数特性，可以由已知负载重量推导出待测负载的重量，并且由平稳期的推力变化率来校准速度，去除了随机抖动对速度的影响，以及多项滤波得到相对稳定的推力，可以得到更为准确的称重效果，是一种真正的动态称重。

(2)对比现有技术，没有增加更多的硬件设备，方法的巧妙设计即可以实现准确的动态称重，在成本上有显著优势。

附图说明

图1为本发明装载机动臂与铲斗运动位置关系示意图；

图2为本发明标定过程流程框图；

图3为本发明称重过程流程框图；

图4为空载、不同速度举升时大腔压力变化曲线图；

图5为相同速度、不同负载时压力变化曲线图。

1、动臂；2、铲斗；3、动臂油缸。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明。除非特别说明，本发明实施例中采用的原料和方法为本领域常规市购的原料和常规使用的方法。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“侧向”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可视具体情况理解上述用语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，一种装载机自适应称重装置，包括装载机大臂提升的匀速运行段安装的下限开关和上限开关、油路上安装的阀块预留接口(预留一个位置用来安装压力传感器)以及分别在动臂油缸3的无杆腔与有杆腔安装的压力传感器。动臂油缸3带动动臂1进行起升运动，动臂1连接铲斗2，铲斗2中装载物料。

下限开关设置在动臂1活塞伸出30％—40％时的大臂位置处，上限开关设置在动臂1活塞伸出60％—70％时的大臂位置处(具体的根据机器运行的匀速段来安装，本实施例选取前述区间范围)(一般来说，动臂是大臂的主要组成部分，大臂所指的范围稍广一些，包含一端连接车身，另一端连接铲斗可以一起举升的部位；动臂活塞是指动臂油缸的活塞，其能伸出的最大长度对应大臂能提升的最高高度)。

运用最小二乘拟合速度v(实际为时间倒数)与压力(动臂从下限位置到上限位置匀速提升的滑动均值推力

)的二次函数，其中包含空载和标准负载的二次函数。运用最小二乘拟合速度v(实际为时间倒数)与压力变化率的一次函数，实际称重时，根据压力值的平稳特征矫正速度，最后运用相同速度下不同重量时的压力线性关系求出实际重量(待测负载重量)。该称重装置较常规装载机没有增加更多的硬件设备，即可以实现准确的动态称重，在成本上有显著优势。

实施例2

基于上述实施例1的称重装置，本实施例公开一种装载机自适应称重方法，主要包括以下步骤：

S1：标定，如图2所示，运用最小二乘法拟合动臂匀速上升的速度v与动臂从下限位置到上限位置匀速提升的滑动均值推力

的二次函数关系式(标定过程中包括空载标定或标准负载标定的二次函数)，运用最小二乘法拟合动臂匀速上升的速度v与动臂油缸单位推力变化率ΔF的一次函数关系式：

二次函数关系式的获取：将装载机置于水平地面上，从大臂提升允许的最低速至最高速等分成N级，也即需要大臂匀速提升N次，每次以不同的速度进行，不同的速度由不同的油门开度来调节，每一级都采集一组数据，这组数据为：从下限开关开始采集大小腔压力数据，直至到达上限开关。以及用CPU计算该段从下限到上限开关的提升时间长度，对这段时间内取得的压力数据进行滤波处理得到最终值。

获得N种速度下的提升时间长度以及压力数据，如下表1所示，本实施样例中N取6，v为速度(实际取提升时间倒数)，F为滤波后的压力数据；根据最小二乘理论得出二次函数参数求取公式：

表1

分别求出空载情况下二次函数系数a₀₀、a₀₁、a₀₂和标准负载情况下二次函数系数a10，a 11，a 12，存储于芯片中。

一次函数关系式的获取：

其中t为上、下限开关间的提升时间长度，s为上、下限开关间的位移，是一个固定值，可以假设为1。k，b为需要求取的一次函数参数；取两组不同速度下的压力变化均值以及提升时间既可求得该组参数k，b。

为压力变化率的均值(单位推力变化率ΔF的平均值)，算法公式为：

F_i为上、下限开关期间采集的大小腔压力数据。

S2：称重，如图3所示，选取上限开关与下限开关间采集的单位推力变化率ΔF的平稳段均值，利用S1中的一次函数关系式求得校准的速度v_校。

装载机从下限限位运动至上限限位开关期间，实时检测压力(推力)变化率，滑动并累计检测一段时间，当压力变化率的方差小于预先设置的门限，则认为该段时间为匀速平稳变化，没有发生随机抖动。可以用该段时间压力变化率的均值

根据一次函数参数k、b求出校准的速度v_校(实为时间倒数，假设s为1)。

方差计算式：

其中ΔF为两相邻压力值之差，也即变化率，n代表检测单位推力变化率ΔF的次数，ΔF_i代表第i次检测的单位推力变化率ΔF的值，/>

代表n次检测的单位推力变化率ΔF的平均值。

S3：将S2中校准的速度v_校利用S1中的二次函数关系式分别求得空载和标准重量的平均推力，再将采集的经多重滤波后的推力值与二次函数关系式求出空载推力值、标准负载推力值和标准负载重量，根据线性关系求出待测负载重量。

空载的平均推力F_空依据空载的二次函数系数a₀₀、a₀₁、a₀₂求出，标准重量的平均推力F_标依据标准负载的二次函数系数a₁₀、a₁₁、a₁₂求出，将上、下限开关之间采集的推力值做各种滤波处理得到F_测，已知的标准负载的重量M_标，最后运用相同速度下不同重量时的压力线性关系求出待测负载重量M_测：

F_空＝a₀₀+a₀₁v_校+a₀₂v_校 ²

F_标＝a₁₀+a₁₁v_校+a₁₂v_校 ²

针对上下限开关之间采集的压力值,具体的滤波算法为：

1、3-sigma去除异常值滤波；

P(|F-μ|>3σ)≤0.003

总体标准差：

μ为均值；此时的F_i为压力数据的输入点，可以去除大的抖动值。

2、递推均值滤波，

大臂举升时，压力值在增大的过程中会出现小范围高频波动，使用递推平均值算法能使曲线变得圆滑。

3、加权滤波

其中C₀，C₁，...，C_N-1为常数，满足这组之和为1。

车辆未停稳，操作人员快速举升大臂时，车辆会出现颠簸，压力会出现抖动现象，加权滤波可以有效减小波峰、波谷。

S4：输出待测负载重量、累计重量、超重报警或检测全程压力不平稳时进行称重无效报警。

实施例3

本实施例公开实施例2实现的理论依据：

根据牛顿运动定律以及能量守恒定律，动臂推力与速度的关系为如下：

当从静止到下限开关之间，动臂的平均推力产生的位移合力做的功转化为匀速动能和动臂提升的重力势能。

式(1)表示动臂从初始静止加速进入匀速段的过程，

为这段时间的平均推力，S₀代表在此过程中动臂油缸伸长的位移，h₀代表动臂从底部提升到下限开关水平位置的高度，g代表重力加速度，m代表负载重量。可以看出推力与速度有二次函数的关系。

当从下限开关提升到上限开关时，动臂匀速运动，动臂缸推力匀速变大，增加的推力做的功转化为动臂提升的重力势能。

式(2)表示从下限开关水平位置到上限开关水平位置的过程，S代表在此过程中动臂油缸伸长的位移，F_下限、F_上限分别代表下限开关水平位置、上限开关水平位置时动臂油缸的推力大小，h代表动臂从下限开关水平位置提升到上限开关水平位置的高度，g代表重力加速度，m代表负载重量。

由于每次从下限到上限开关之间，如图1所示，S与H的相对变化关系式是不变的，故可得出，相同质量下，这段时间增加的总的推力是不变的。初始推力又在匀速运动下以单位推力变化率增加达到总体推力值，可以得出，单位时间的推力增加变化率是与速度成正比例变化的。

在装载机上体现为：1、同等重量，大臂提升速度从低速到高速，同一位置采样点压力成抛物线式(二次函数)变化；2、同等重量，大臂提升速度从低速到高速，压力的变化率与速度基本成线性(一次函数)变化；3、大臂从下限位置提升到上限位置时，整个大腔压力基本成线性(一次函数)变化；4、不同重量，相同速度提升大臂，压力之间成线性比例变化。

上下限开关之间的位移，安装后便能被确定，故速度的变化直接体现为该段提升时间倒数的变化。

实验效果：

1、0吨空载，不同速度下6次举升时，大腔压力变化，横轴为速度v_i(上下限开关间的提升时间倒数)；纵轴为上下限开关之间多重滤波后的压力值F_i；通过最小二乘法拟合出两者关系为二次函数，如图4所示：

F_i＝32.388+0.4298v_i+1.7845v_i ²。

2、相同速度下，不同重量时该压力变化率基本是一致的，如图5所示，系列一的3.44吨、系列二的1.68吨的两组压力数据的斜率(也即变化率)是一致的，两条线呈平行状。

3、实际称重数据：

a、平均误差不超1％；

b、与市面称重系统最高精度0.3％～1％水平差不多。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种装载机自适应称重方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：标定，运用最小二乘法拟合动臂匀速上升的速度v与动臂从下限位置到上限位置匀速提升的滑动均值推力F的二次函数关系式，运用最小二乘法拟合动臂匀速上升的速度v与动臂油缸单位推力变化率ΔF的一次函数关系式；

S2：称重，选取上限开关与下限开关间采集的单位推力变化率ΔF的平稳段均值，利用S1中的一次函数关系式求得校准的速度v_校；

S3：将S2中校准的速度v_校利用S1中的二次函数关系式分别求得空载和标准重量的平均推力，再将采集的经多重滤波后的推力值与二次函数关系式求出空载推力值、标准负载推力值和标准负载重量，根据线性关系求出待测负载重量；

S4：输出待测负载重量、累计重量、超重报警或检测全程压力不平稳时进行称重无效报警。

2.根据权利要求1所述的装载机自适应称重方法，其特征在于，所述标定过程中包括空载标定或标准负载标定的二次函数。

3.根据权利要求1所述的装载机自适应称重方法，其特征在于，所述动臂从静止加速到匀速过程中满足的关系式为：

S₀代表在此过程中动臂油缸伸长的位移，h₀代表动臂从底部提升到下限开关水平位置的高度，g代表重力加速度，m代表负载重量。

4.根据权利要求1所述的装载机自适应称重方法，其特征在于，所述动臂从下限开关水平位置到上限开关水平位置的过程满足的关系式为：

S代表在此过程中动臂油缸伸长的位移，F_下限、F_上限分别代表下限开关水平位置、上限开关水平位置时动臂油缸的推力大小，h代表动臂从下限开关水平位置提升到上限开关水平位置的高度，g代表重力加速度，m代表负载重量。

5.根据权利要求1所述的装载机自适应称重方法，其特征在于，所述S2中选取平稳段均值的方法为：

实时检测单位推力变化率ΔF，滑动并累计检测一段时间，当单位推力变化率ΔF的方差小于预先设置的门限，则认为该段时间为匀速平稳变化，没有发生随机抖动。

6.根据权利要求5的装载机自适应称重方法，其特征在于，所述方差D²的计算公式为：

其中，n代表检测单位推力变化率ΔF的次数，ΔF_i代表第i次检测的单位推力变化率ΔF的值，

代表n次检测的单位推力变化率ΔF的平均值；

若所述方差在设置的门限内，则校准的速度

其中，k、b为一次函数关系式的参数，由两组不同速度v下的推力变化均值以及提升时间求出。

7.根据权利要求1的装载机自适应称重方法，其特征在于，所述S3中空载的平均推力F_空依据空载的二次函数系数a₀₀、a₀₁、a₀₂求出，标准重量的平均推力F_标依据标准负载的二次函数系数a₁₀、a₁₁、a₁₂求出，将上、下限开关之间采集的推力值做各种滤波处理得到F_测，已知的标准负载的重量M_标，最后运用相同速度下不同重量时的压力线性关系求出待测负载重量M_测：

F_空＝a₀₀+a₀₁v_校+a₀₂v_校 ²

F_标＝a₁₀+a₁₁v_校+a₁₂v_校 ²

8.根据权利要求1或7的装载机自适应称重方法，其特征在于，所述滤波的方法包括3-sigma去除异常值滤波、递推均值滤波和加权滤波。

9.根据权利要求1～8任一所述装载机自适应称重方法的一种装载机自适应称重装置，其特征在于，包括装载机大臂提升的匀速运行段安装的下限开关和上限开关、油路上安装的阀块预留接口以及分别在动臂油缸的无杆腔与有杆腔安装的压力传感器。

10.根据权利要求9所述的装载机自适应称重装置，其特征在于，所述下限开关设置在动臂活塞伸出20％—50％时的大臂位置处，所述上限开关设置在动臂活塞伸出55％—80％时的大臂位置处。

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