CN116950159A - 一种节能型电驱动轮式无人装载机铲掘控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种节能型电驱动轮式无人装载机铲掘控制方法，用以解决铲斗铲收问题以及电机扭矩最佳控制问题。通过预先标定一些参数，使得当装载机达到料堆前方接到铲掘命令时，首先令铲斗平直下降至铲斗缸承压腔的压力达到刚刚接地且不对地面造成过大压力，然后令车辆以一定车速和对应的驱动扭矩接近料堆，当实时测得的动臂缸承压腔的压力大于标定值时，判定铲斗已经接触到料堆，开始铲掘，此时令驱动电机的驱动扭矩改变为电机与液压标定驱动扭矩的120％。铲掘过程中，同时记录装载机前进行程，根据行程和车速变化，判断是否铲掘完成以及采取何种措施。

Description

一种节能型电驱动轮式无人装载机铲掘控制方法

技术领域

本发明涉及一种装载机，尤其涉及一种纯电驱动轮式无人装载机铲掘控制的改进方法，属于工程机械无人驾驶领域。

背景技术

近些年装载机的工作效率因无人驾驶得到了很大的提升，尤其是纯电驱动轮式装载机。此类型装载机可以通过不依赖雷达、传感器的前提下，在物料附近确定铲掘位置并能够判断铲斗装满与否，很大程度上提高了效率。

然而该技术存在着两种缺陷，具体问题为：

1、为了将物料铲起，无人驾驶的纯电驱动轮式装载机的铲斗接近料堆前会将铲斗放置到地面上以便铲起物料，但此时由于地面的不平会出现接地但是不挨地，或是接地过于严重铲斗将车轮支起的现象。铲斗不在地面上，会有部分物料铲不干净；但铲斗接地后前轮悬空铲斗与地面的接触为滑动摩擦，此时的摩擦力远大于装载机正常行驶时的滚动摩擦，且装载机驱动力仅由后轮提供，铲掘力明显变小，这使得其工作效率极大地降低，造成能源浪费。

2、已有的一种纯电驱动轮式无人装载机铲掘控制方法，是基于车速变化和行程变化是否超过阈值来确定是否进入铲掘位置，以及确定铲掘物料的软硬性质，并令铲掘过程中MCU始终输出最大扭矩。

然而，(1)该方法忽略了装载机实际工作环境中的状况，有可能遇到的并不是物料，而是壁垒、岩石、海绵体等障碍物，装载机控制器不会对其识别，只会继续铲掘，驱动力无法根据实际情况有效调控。无人驾驶的装载机在经过时只会通过设定的行程阈值和速度阈值将其判定为物料进行铲掘，在铲掘时由于硬物在地面十分稳固不易铲起，装载机将一直通过以固定速率增大输出外力矩增加铲力，最后达到峰值将其铲起。由于用力过猛，铲起硬物后装载机会在没有物料阻挡下车速过高失去控制。这个过程中不仅对装载机的能源造成了很大的消耗，而且输出过大的力矩会使得装载机车速过高造成危险。

(2)加之，由于地面物料的形状、性质等不同，所设定的车速阈值和行程阈值在实际工作环境中不具有一般性，这样会导致以固定速率增加的扭矩出现铲掘力过大而铲掘速度过快及铲掘增长过慢，自动铲掘过程出现车辆走走停停的现象。

鉴于上述两种情况，无人驾驶的纯电驱动轮式装载机在实际工作中存在着很多不足：铲掘时的能源消耗、驱动力无法调控。这会大大降低工作效率，造成更多的经济消耗，与无人驾驶的高效、节约、绿色的理念相违背。所以，综上所述，解决上述两个缺陷是必要的，将能够使无人驾驶的装载机在实际状况中得到更好、更广泛的应用。

发明内容

本发明针对背景中的问题，提出相关的解决方法，提出一种节能型电驱动轮式装载机无人铲掘的控制方法，该方法通过改进判定条件，能够避免出现铲斗离地出现的物料铲收不完全或铲斗接地压力过大出现的摩擦损失过大(驱动力不足)，以及因驱动力控制不准出现的铲装过程速度顿挫及因误判导致的装载机速度失控的问题，在实际工作环境中能够以更高效、更经济地完成铲掘工作。

本发明的技术方案如下：

一种节能型电驱动轮式无人装载机铲掘控制方法，1)预先在车上标定如下参数：记

平直场地工况下装载机铲斗将前轮支起时铲斗缸承压腔的压力为：P₁₄；

平直场地工况下装载机铲斗接地，使铲斗缸承压腔压力达到(a+10％)*P₁₄，a取值区间为[0,1]，车辆以5公里/小时的速度稳定行驶30秒内测得的动臂缸承压腔平均压力为：P_13-b，此时间内车轮的驱动电机平均驱动扭矩为：T_5-b；

铲斗平直置于地面抵住料堆，使驱动电机在最大扭矩下不能前进，保持最大扭矩30秒不变，此时间内动臂缸承压腔的平均压力为：P_13-max，驱动电机的最大驱动扭矩为：T_5-max；

2)在标定上述参数的基础上，在装载机驶向物料的过程中，当装载机达到料堆前方，接到铲掘命令时，首先令铲斗平直下降至铲斗缸承压腔的压力达到a*P₁₄，然后在达到铲掘状态前，对铲斗缸承压腔的压力进行调整，调整在[(a-b)*P₁₄,(a+b)*P₁₄]，b取值区间为[0,a]；

然后，令车辆以一定车速Vi、对应的驱动扭矩为T_c接近料堆，当实时测得的动臂缸承压腔的压力P_13-i大于P_13-b时，判定铲斗已经接触到料堆，降速开始铲掘，此时令驱动电机的驱动扭矩T_i改变为电机与液压标定驱动扭矩的120％，如式(1)所示：

铲掘过程中，同时记录装载机前进行程；

2.1)当装载机前进行程小于设定的阈值L0，驱动扭矩达到T_5-max，且在前进期间出现车速小于阈值V0或车轮打滑时，则判定为装载机触碰到了硬实物料，

此时，控制器通过控制铲斗缸和/或动臂缸，使得铲斗向上翻转或水平向上抬升，直至车速高于阈值V0且铲斗底面与车架平面转角不超过30度时，停止铲斗翻转，车辆继续前进；

继续前进过程中，如果装载机前进行程小于阈值L0前，再次出现车速小于阈值V0或车轮打滑，则重复上述动作；

直至装载机前进行程≥阈值L0，或铲斗底面与车架平面转角超过30度时，装载机将铲斗收至收斗位置，同时在铲斗底面与车架平面转角超过45度时将驱动扭矩降至0Nm；

2.2)当装载机前进行程大于阈值L0，且前进期间从未出现车速小于阈值V0时，则判定为装载机触碰到了松散物料，此时，控制器通过控制铲斗缸使得铲斗上翻至收斗位置。

为实现上述方法，在装载机上装载有：人机界面、铲斗控制阀、两位四通电磁阀、动臂缸压力传感器、铲斗缸压力传感器、动臂倾角传感器、铲斗倾角传感器、定位装置；通过人机界面输入路况信息；在所述铲斗控制阀旁边并联加装两位四通电磁阀。

本发明的有益效果是：

1、铲斗接地控制方式能保证铲斗与地面真实接触且对地面压力不大，可以实现物料收取的最大化和能量浪费最小。

2、电机扭矩控制方式能保证铲掘过程车辆的铲掘力永远大于整车阻力，车辆的速度不会出现卡顿，当出现误判或阻力突然消失时，整车也不会出现失速。

附图说明

图1是本发明无人装载机铲掘控制系统结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的描述，本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

首先，在无人装载机上装载以下铲掘控制系统：如图1所示，包括整车控制器1、加速踏板2、电机控制器3、人机界面4、驱动电机5、前桥主减速器6、后桥主减速器7、轮边减速器8、铲斗控制阀9、两位四通电磁阀10、动臂缸11、铲斗缸12、动臂缸压力传感器13、铲斗缸压力传感器14、动臂倾角传感器15、铲斗倾角传感器16，此外，车上还装有定位装置(GPS或北斗)。

本发明在前、后桥分别加装主减速器，在各个轮边加装轮边减速器进行二级减速，前桥主减速器6和后桥主减速器7同时由驱动电机5驱动连接；驱动电机5受控于电机控制器3。整车控制器1根据加速踏板2的开度，制定控制策略，输出扭矩命令，并将扭矩命令通过电机控制器3输入给驱动电机5，实现装载机铲掘所需要的驱动力。

车内设置人机界面4，整车控制器1与人机界面4交互，驾驶员根据装载机当时作业路面的情况，通过人机界面4输入路况信息，比如沥青、水泥、沙石、干土、泥泞、冰雪等路况信息，整车控制器1结合人机界面4输入的路况信息，调取存储于控制器中的相应路面参数，根据路况信息便可以准确的计算出车辆能发挥的最大驱动力。

本发明在装载机原有铲斗控制阀9旁边并联加装两位四通电磁阀10，两位四通电磁阀10通过实验标定，以两位四通电磁阀10接通后，铲斗缸12实现轻微转动为准。两位四通电磁阀10的电磁铁控制端与整车控制器1相连，用于接通或断开油路。

在动臂缸11上加装压力传感器和倾角传感器，铲斗缸12上也加装压力传感器和倾角传感器，用来测量动臂缸和铲斗缸承压腔的压力和缸体倾角的大小。一般来讲，压力传感器安装在缸的承压腔(多为无杆腔)。

此外，在整车控制器1上预先植入有铲掘控制程序，通过判定铲掘条件是否满足，启动铲掘控制程序。

本发明解决铲斗接地问题所采取的方法是：

通过在装载机铲斗缸承压腔(多为无杆腔)至此腔与多路阀联接的管路上安装铲斗缸压力传感器14，实时监测缸内压强(即铲斗与地面之间的压力)。令平直场地工况下纯电驱动轮式装载机铲斗将前轮支起时其铲斗缸承压腔的压力大小为P₁₄。当装载机接到开始铲掘命令时，令铲斗平直下降(通过动臂倾角传感器15、铲斗倾角传感器16所得数据调整)至铲斗缸接地承压腔的压力达到a*P₁₄，这里a在区间[0,1]，优先a＝0.1，到这个压力时就停下来然后慢慢调节。压力达到a*P₁₄的目的是保持较小压力使之着地，但是力不是很大，不会浪费更多的摩擦力。

然后，在达到铲掘的状态之前，通过两位四通电磁阀10对此铲斗缸承压腔的压力进行复制为b的逻辑门限值控制，这里b在区间[0,a]，优选b＝0.05，使铲斗缸压力始终保持在[(a-b)*P₁₄,(a+b)*P₁₄]的区间上下浮动，以此保证铲斗始终与地面接触但又不与地面压力过大造成能量损失。

本发明解决铲掘驱动力问题所采取的方法是：

通过在装载机动臂缸承压腔(多为无杆腔)上安装动臂缸压力传感器13，实时监测通过装载机铲斗反作用在动臂承压腔的铲掘力，据此压力对驱动电机5的驱动力进行控制。

首先标定驱动电机的驱动扭矩与动臂缸承压腔的压力对应关系：

在平直的沥青或水泥路面将装载机铲斗接地，调整两位四通电磁阀10，使铲斗缸承压腔压力在[(a-b)*P₁₄,(a+b)*P₁₄]区间；令驱动电机5以5公里/小时的目标行驶速度驱动整车，在车辆稳定车速30秒内测得动臂缸压力传感器13的压力值，令其在这段时间内的平均值为P_13-b，并采集驱动电机5的驱动扭矩值，令其平均值为T_5-b；将铲斗平直放置于地面，抵住料堆使驱动电机5在最大扭矩下不能前进，保持最大扭矩30秒不变，并记录此过程动臂缸压力传感器13的压力值，令其平均值为P_13-max，令此过程驱动电机5的最大驱动扭矩值为T_5-max。

在实际工作中，当装载机根据定位装置(GPS或北斗)或传感器信息采集判断车辆达到料堆前方时，首先按前述方法将铲斗置于地面(“前述方法”就是指解决铲斗接地问题所采取的方法)，并保持与地面间的压力。

此时令车辆根据物料种类以一定固定车速Vi(速度可根据工况现场标定)，对应的驱动电机5驱动扭矩为T_c接近料堆，当动臂缸压力传感器13的压力值P_13-i大于P_13-b时，判定铲斗已经接触到料堆，降速开始铲掘过程，此时令驱动电机5的驱动扭矩T_i改变为电机与液压标定驱动扭矩的120％(电机与液压标定扭矩，就是用铲斗抵住料堆，电机不同扭矩时动臂缸对应的压力值，以此来标定的两者的对应关系)，如式(1)所示：

进一步地，铲掘过程中，同时控制器记录装载机前进行程。

1)当装载机前进行程小于阈值L0，驱动扭矩达到T_5-max(最大的驱动力)且在前进期间出现车速小于阈值V0或车轮打滑时，则判定为装载机触碰到了硬实物料；

此时，控制器通过控制铲斗缸和/或动臂缸，使得铲斗向上翻转或水平向上抬升，至车速高于阈值V0且铲斗底面与车架平面转角不超过30度时，停止铲斗翻转，车辆继续前进；

继续前进过程中，如果装载机前进行程小于阈值L0前，再次出现车速小于阈值V0或车轮打滑，则重复上述动作；

直至装载机前进行程≥阈值L0，或铲斗底面与车架平面转角超过30度时，装载机将铲斗收至收斗位置，同时在铲斗底面与车架平面转角超过45度时将驱动扭矩降至0Nm；

2)当装载机前进行程大于阈值L0，且前进期间从未出现车速小于阈值V0时，则判定为装载机触碰到了松散物料，此时，控制器通过控制铲斗缸使得铲斗上翻至收斗位置。

与现有技术相比，本发明不怕铲斗及动臂的遮挡，通过电机扭矩的变化或车速的变化来判别装载机是否靠近了物料，并控制铲斗接地压力，然后再通过前进行程中速度的变化，判断接触的是硬实物料还是松散物料，以及是否铲掘结束，以此调整铲斗的铲掘状态，精准完成铲掘工作，能够避免对铲掘动作的误判，并实现了节能、效率的最大化。

Claims (3)

1.一种节能型电驱动轮式无人装载机铲掘控制方法，其特征在于：

1)预先在车上标定如下参数：记

平直场地工况下装载机铲斗将前轮支起时铲斗缸承压腔的压力为：P₁₄；

平直场地工况下装载机铲斗接地，使铲斗缸承压腔压力达到(a+10％)*P₁₄，a取值区间为[0,1]，车辆以5公里/小时的速度稳定行驶30秒内测得的动臂缸承压腔平均压力为：P_13-b，此时间内车轮的驱动电机平均驱动扭矩为：T_5-b；

铲斗平直置于地面抵住料堆，使驱动电机在最大扭矩下不能前进，保持最大扭矩30秒不变，此时间内动臂缸承压腔的平均压力为：P_13-max，驱动电机的最大驱动扭矩为：T_5-max；

2)在标定上述参数的基础上，在装载机驶向物料的过程中，当装载机达到料堆前方，接到铲掘命令时，首先令铲斗平直下降至铲斗缸承压腔的压力达到a*P₁₄，然后在达到铲掘状态前，对铲斗缸承压腔的压力进行调整，调整在[(a-b)*P₁₄,(a+b)*P₁₄]，b取值区间为[0,a]；

然后，令车辆以一定车速Vi、对应的驱动扭矩为T_c接近料堆，当实时测得的动臂缸承压腔的压力P_13-i大于P_13-b时，判定铲斗已经接触到料堆，降速开始铲掘，此时令驱动电机的驱动扭矩T_i改变为电机与液压标定驱动扭矩的120％，如式(1)所示：

2.根据权利要求1所述的节能型电驱动轮式无人装载机铲掘控制方法，其特征在于：

铲掘过程中，同时记录装载机前进行程，

2.1)当装载机前进行程小于设定的阈值L0，驱动扭矩达到T_5-max，且在前进期间出现车速小于阈值V0或车轮打滑时，则判定为装载机触碰到了硬实物料，

此时，控制器通过控制铲斗缸和/或动臂缸，使得铲斗向上翻转或水平向上抬升，直至车速高于阈值V0且铲斗底面与车架平面转角不超过30度时，停止铲斗翻转，车辆继续前进；

继续前进过程中，如果装载机前进行程小于阈值L0前，再次出现车速小于阈值V0或车轮打滑，则重复上述动作；

直至装载机前进行程≥阈值L0，或铲斗底面与车架平面转角超过30度时，装载机将铲斗收至收斗位置，同时在铲斗底面与车架平面转角超过45度时将驱动扭矩降至0Nm；

2.2)当装载机前进行程大于阈值L0，且前进期间从未出现车速小于阈值V0时，则判定为装载机触碰到了松散物料，此时，控制器通过控制铲斗缸使得铲斗上翻至收斗位置。

3.根据权利要求1或2所述的节能型电驱动轮式无人装载机铲掘控制方法，其特征在于：

在所述装载机上装载有：人机界面、铲斗控制阀、两位四通电磁阀、动臂缸压力传感器、铲斗缸压力传感器、动臂倾角传感器、铲斗倾角传感器、定位装置；

通过人机界面输入路况信息；

在所述铲斗控制阀旁边并联加装所述两位四通电磁阀。