WO2018014718A1

WO2018014718A1 - 一种装载机作业工况难易程度识别方法

Info

Publication number: WO2018014718A1
Application number: PCT/CN2017/091433
Authority: WO
Inventors: 侯亮; 王少杰; 卜祥建
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2019-01-22
Also published as: US10633823B2; US20190024341A1

Abstract

一种装载机作业工况难易程度识别方法，将经作业段提取获得的挖掘作业段作为主要的研究对象，并进行作业工况识别，最终得到作业工况难易程度值。作业工况难易程度的识别，有利于控制柴油发动机的功率输出模式，实现按需分配；同时作为智能化换挡控制策略的判断依据，对于工程车辆的智能换档、功率模式控制以及提高作业性能等具有重要的意义，而且有利于作业性能的提高及节能减排；同时利用作业工况难易程度，实现变功率调节，提高工程机械的适用范围，一台机子可用于多种工作介质，实现真正的一机多用，能同时用于多种不同介质的工作场合，提高其作业性能与智能化水平。

Description

一种装载机作业工况难易程度识别方法

技术领域

本发明涉及工程车辆作业工况难易程度的识别技术，更具体地说，涉及一种装载机作业工况难易程度识别方法。

背景技术

工程车辆是一种以作业为主的工程机械，多采用液力传动，以便获得大扭矩、大惯量载荷需求，由于作业环境恶劣，作业工况复杂多变，以及设备自动化、信息化程度的不断提高，如何确保工程机械可靠、高效的运行，是目前亟待解决的技术难题。不同作业工况对车辆的燃油经济性影响很大，尤其是挖掘原生土、铁矿石等密实度高的物料，对于不同的作业工况需要选择相应的换挡控制策略及作业功率模式。因此如何有效的识别作业工况难易程度，对于提高工程机械的作业性与智能化能具有重要意义。

以工程车辆中典型样机装载机为例，装载机是以装卸土壤、砂石、煤炭等综合性物料为主的一种大、中、小型多用途的高效率工程机械，适用于矿场、港口、基建、道路修建等作业，广泛应用于工厂、车站、码头、货场、仓库等工况。对于密度较大的矿石、坚实原图或密度较小的松散物如土壤、焦炭等，由于其作业工况不同，对装载机选择同样有着较大的差异。对于那些坚实原土、矿石等较大密度的物料，由于对牵引力要求较高，应选择工作速度较低，掘起力及牵引力均较大的产品以保证正常的使用。因为松散物料对装载机的牵引力要求不高，可以选择行驶速度更高的产品以取的较高的工作效率。工作介质不同，作业工况难易程度也不同，由于无法识别作业工况情况，工程机械企业只能推出针对某一特定工作介质的专用型产品。如宇通重工为满足不同工况环境下的用户需要，为适应装煤作业的需要，宇通重工特别推出了煤矿专用型铲斗、焦炭专用型铲斗、岩石斗、抓木、推雪等不同工作装置、并配合不同型号的装载机，以达到一机多用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高工程机械的适用范围，实现一机多用，能同时用于多种不同介质的工作场合，提高其作业性能与智能化水平的装载机作业工况难易程度识别方法。

本发明的技术方案如下：

一种装载机作业工况难易程度识别方法，步骤如下：

1)从装载机上获取动臂大腔压力、转斗大腔压力信号，提取动臂大腔压力、转斗大腔压力信号的作业周期；

2)依据得到的作业周期，提取挖掘作业段；

3)获取挖掘作业段的动臂大腔压力的挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值与动臂大腔压力极大值变化率，进而根据预设的规则得到作业工况难易程度指数。

作为优选，挖掘作业段中，动臂大腔压力接触物料前的极小值点定义为挖掘作业段起始时间点；转斗大腔压力的第一个极大值点定义为挖掘作业段结束时间。

作为优选，步骤3)中，对挖掘作业段的动臂大腔压力采用模糊逻辑C均值聚类算法进行挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值与动臂大腔压力极大值变化率的聚类分析。

作为优选，设挖掘作业段的时间长度序列为T＝(t₁,t₂,...,t_i,...,t_n-1,t_n)，依据模糊逻辑C均值聚类算法计算得到挖掘时间长度t_FCM，各段的挖掘时间长短变化率u_t如下：

其中，i＝1,2,...,n；

根据挖掘时间长短变化率u_t计算其聚类中心值u_FCM，并将u_FCM作为挖掘时间长短变化率的评定值。

作为优选，设一个挖掘时间段只有一次挖掘作业，并对所有挖掘作业段的动臂大腔压力曲线进行二阶抛物线拟合，拟合函数为：p＝a+bt+ct²；

根据拟合得到的函数，得到动臂大腔压力的动臂大腔压力极大值p_max与达到极大值经历的时间t，则动臂大腔压力极大值变化率计算公式为：

其中，i＝1,2,...,n；

其中，u_p为动臂大腔压力极大值变化率，p_i为某次的动臂大腔压力值，p_max为动臂大腔压力极大值。

作为优选，将挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值与动臂大腔压力极大值变化率映射到单位圆的雷达图中，对这些值进行正向归一化处理。

作为优选，得到正向归一化值后，用雷达图表示；通过计算各个作业工况的雷达图包含的面积，并定义各雷达图与单位圆面积的比值作为作业难度值，得出作业工况难易程度指数。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的装载机作业工况难易程度识别方法，将经作业段提取获得的挖掘作业段作为主要的研究对象，并进行作业工况识别，最终得到作业工况难易程度值。作业工况难易程度的识别，有利于控制柴油发动机的功率输出模式，实现按需分配；同时作为智能化换挡控制策略的判断依据，对于工程车辆的智能换档、功率模式控制以及提高作业性能等具有重要的意义，而且有利于作业性能的提高及节能减排；同时利用作业工况难易程度，实现变功率调节，提高工程机械的适用范围，一台机子可用于多种工作介质，实现真正的一机多用，能同时用于多种不同介质的工作场合，提高其作业性能与智能化水平。

附图说明

图1是本发明的识别方法的基本框架；

图2是本发明的作业工况评价指标示意图；

图3是本发明的识别方法的流程图；

图4是本发明的识别方法的作业周期示意图；

图5是本发明的作业工况难易程度的雷达图表示。

图6是本发明的识别方法的作业周期提取流程。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明所述的方法，如图1所示，主要步骤如下：

1)从装载机上获取动臂大腔压力、转斗大腔压力信号，

2)清洗、计算动臂大腔压力、转斗大腔压力信号提取作业周期；

3)依据得到的作业周期，提取挖掘作业段；

4)获取挖掘作业段的动臂大腔压力的挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值与动臂大腔压力极大值变化率，进而根据预设的规则得到作业工况难易程度指数。

作业周期主要是指将装载机挖掘过程的每个作业循环段的划分，包括：挖掘作业段、重载运输作业段和卸料作业段(如附图4所示)。定义各作业段间为连续性，即：挖掘作业段起点标为A1；挖掘作业段终点的为重载运输作业段的起点标为A2；重载运输作业段终点的为重卸料作业段的起点标为A3；重卸料作业段的终点标为A3.。

挖掘作业段的定义：挖掘作业段起始时间为铲斗与物料接触时，动臂大腔压力开始剧烈变大，动臂大腔压力在变化前会有给最小的极值点，这是由于挖掘前铲斗放置与地面造成的，此时动臂大腔压力值比正常行驶时还小，因此定义动臂大腔压力剧烈变化前的极小值点为挖掘作业段起始时间点；挖掘作业段的结束时间为铲斗装满物料脱离工作面时，此时一般伴随收斗动作(一般1-2次)，转斗大腔压力在每次收斗时都会出现一个极大值，完成收斗后转斗大腔压力将平稳下降，定义转斗大腔压力的第一个极大值点为挖掘作业段结束时间。

本发明对挖掘作业段进行分析，得出如下特点：

(1)不同物料，由于其状态、密实度等的不同，导致单次挖掘作业的时间长短不同，各次挖掘作业时间长度的变化率不同。比如细沙与铁矿石对比，但其都属于离散颗粒状态时，由与铁矿石密实度高，形状较大，掘进难度大，因此其单次挖掘作业每次消耗的时间都较多，各次挖掘作业时间长度的变化率较大。

(2)不同物料，由于其密实度的不同，导致单次挖掘作业在铲满斗时，其动臂大腔的最大压力值不同。比如细沙与铁矿石对比，铁矿石明显比细沙的密实度大好多，因此，满斗时动臂大腔的最大压力值肯定也比较大。

(3)不同物料，由于挖掘难度较大后，经常出现无法铲满斗的情况，对于密实度较大的铁矿石、原生土等，能完成满斗的概率很小，特别是铁矿石，半斗就相当与细沙一斗的重量。

(4)不同驾驶员，由于操作习惯、操作经验不同，导致试验过程铲满程度、挖掘速度等也会影响挖掘作业段时间长度及时间长度的变化率等。

基于上述特点，本发明提出一种作业工况的评价指标，如图2所示。用作业难易度来衡量作业工况的复杂程度，并用百分比值0-100％来评定等级。作业工况评价主要由时间指标与压力指标组成。其中时间指标包括时间长度与时间变化率；压力指标包括压力极值与压力变化率。时间指标与压力指标主要考量对象为挖掘作业段的动臂大腔压力信号，具体表示为挖掘作业段时间长度与挖掘作业时间变化率的大小；挖掘作业段动臂大腔压力的极大值大小与达到极大值过程的压力变化率。

如图3所示，本发明所述的方法，首先对压力信号进行作业周期提取，在得到作业周期后，进一步进行作业段提取，并获取挖掘作业段信号，然后进行分析识别，具体如下：

对挖掘作业段的动臂大腔压力采用模糊逻辑C均值聚类算法进行挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值与动臂大腔压力极大值变化率的聚类分析。

设挖掘作业段的时间长度序列为T＝(t₁,t₂,...,t_i,...,t_n-1,t_n)，依据模糊逻辑C均值聚类算法计算得到挖掘时间长度t_FCM，各段的挖掘时间长短变化率u_t如下：

其中，i＝1,2,...,n；

为了便于分析，设一个挖掘时间段只有一次挖掘作业，即一铲即完成，并对所有挖掘作业段的动臂大腔压力曲线进行二阶抛物线拟合，拟合函数为：p＝a+bt+ct²；

其中，i＝1,2,...,n；

根据对得到的挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值与动臂大腔压力极大值变化率的分析发现，挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值等三个参数对于作业难易程度的衡量成正比关系，动臂大腔压力极大值变化率则成反比。为了统一关系，将挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值与动臂大腔压力极大值变化率映射到单位圆的雷达图中，对这些值进行正向归一化处理。

本实施例中，假设时间长度最大值为20s，大于等于此值的时间长度用1表示其归一化值，小于此值的时间长度除以此最大值得到的值作为归一化值；时间变化率已符合归一化值，不做处理；由于最大的动臂大腔压力为20Mpa，因此将压力极大值除以最大压力值作为归一化值；压力变化率则先除以最大压力值后求倒数，并设倒数最大值为3，大于3的用1表示其归一化值，小于3的处理3后的值作为其归一化值。经统一后，所有标准特征值对作业难易度的评价影响趋势一致。

得到正向归一化值后，将这些值用雷达图表示。为了进一步计算作业难度值，通过计算各个作业工况的雷达图包含的面积，并定义各雷达图与单位圆面积的比值作为作业难度值，得出作业工况难易程度指数。

[根据细则26改正11.08.2017]　
如图5所示，本发明所述的雷达图表示法，图中Ａ表示时间长度、Ｂ表示时间长度变化率、Ｃ表示压力极大值、Ｄ表示压力变化率。根据上述方法，获得4个作业工况难易程度的特征值，按照图5所示的单位圆雷达图表示法标记在图上，4个特征值构成一个四边形ABCD，假设四边形ABCD的面积为S_F，单位圆的面积为S_UC，作业工况难易程度值K可表达为：

如图6所示，本发明所述的识别方法，其作业周期提取包括以下步骤：

1)采集压力信号：从装载机上分别获取转斗大腔压力信号、动臂大腔压力信号；

2)作业周期提取：

对动臂大腔压力信号进行清洗、计算获得极小值点B，依据极小值点B计算获得作业段的起点A1和终点A4

具体步骤包括：

2.1对动臂大腔压力信号进行两次迭代滤波

2.2求极小值点B

2.3求最邻近B的左右极小值点

2.4得到A1、A4点；

对转斗大腔压力信号进行清洗、计算获得极大值点C，依据极大值点C计算获得作业段的节点A2和A3：

2.5转斗大腔压力信号进行两次迭代滤波，再进行一阶求导

2.6转斗大腔压力信号进行一百次迭代滤波，求极大值点C；

2.7求最邻近C的左右第一阶导数大于0.5的点

2.8得到A2、A3点

3)有效作业提取

根据以上计算获得A1、A2、A3、A4点信息，提取有效作业信息。其中A1、A2之间即为挖掘作业段。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

工业实用性

本发明一种装载机作业工况难易程度识别方法，将经作业段提取获得的挖掘作业段作为主要的研究对象，并进行作业工况识别，最终得到作业工况难易程度值。利用作业工况难易程度，实现变功率调节，提高工程机械的适用范围，一台机子可用于多种工作介质，实现真正的一机多用，能同时用于多种不同介质的工作场合，提高其作业性能与智能化水平。

Claims

一种装载机作业工况难易程度识别方法，其特征在于，步骤如下：

1)从装载机上获取动臂大腔压力、转斗大腔压力信号，清洗、计算动臂大腔压力、转斗大腔压力信号提取作业周期；

2)依据得到的作业周期，提取挖掘作业段；

3)获取挖掘作业段的动臂大腔压力的挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值与动臂大腔压力极大值变化率，进而根据预设的规则得到作业工况难易程度指数。
根据权利要求1所述的装载机作业工况难易程度识别方法，其特征在于，挖掘作业段中，动臂大腔压力接触物料前的极小值点定义为挖掘作业段起始时间点；转斗大腔压力的第一个极大值点定义为挖掘作业段结束时间点。
根据权利要求1所述的装载机作业工况难易程度识别方法，其特征在于，步骤3)中，对挖掘作业段的动臂大腔压力采用模糊逻辑C均值聚类算法进行挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值与动臂大腔压力极大值变化率的聚类分析。
根据权利要求3所述的装载机作业工况难易程度识别方法，其特征在于，设挖掘作业段的时间长度序列为T＝(t₁,t₂,...,t_i,...,t_n-1,t_n)，依据模糊逻辑C均值聚类算法计算得到挖掘时间长度t_FCM，各段的挖掘时间长短变化率u_t如下：

其中，i＝1,2,...,n；

根据挖掘时间长短变化率u_t计算其聚类中心值u_FCM，并将u_FCM作为挖掘时间长短变化率的评定值。
根据权利要求3所述的装载机作业工况难易程度识别方法，其特征在于，设一个挖掘时间段只有一次挖掘作业，并对所有挖掘作业段的动臂大腔压力曲线进行二阶抛物线拟合，拟合函数为：p＝a+bt+ct²；

根据拟合得到的函数，得到动臂大腔压力的极大值p_max与达到极大值经历的时间t，则动臂大腔压力极大值变化率计算公式为：

其中，i＝1,2,...,n；

其中，u_p为动臂大腔压力极大值变化率，p_i为某次的动臂大腔压力值，p_max为动臂大腔压力极大值。
根据权利要求3所述的装载机作业工况难易程度识别方法，其特征在于，将挖掘时间长度、挖掘时间长短变化率、动臂大腔压力极大值与动臂大腔压力极大值变化率映射到单位圆的雷达图中，得到正向归一化值。
根据权利要求6所述的装载机作业工况难易程度识别方法，其特征在于，得到正向归一化值后，用雷达图表示；通过计算各个作业工况的雷达图包含的面积，并定义各雷达图与单位圆面积的比值作为作业难度值，得出作业工况难易程度指数。
根据权利要求1所述的装载机作业工况难易程度识别方法，其特征在于，所述作业周期包括：挖掘作业段、重载运输作业段和卸料作业段。
根据权利要求1或8所述的装载机作业工况难易程度识别方法，其特征在于，所述作业周期提取包括以下步骤：

(1)采集压力信号：

从装载机上分别采集转斗大腔压力信号、动臂大腔压力信号；

(2)作业周期提取：

对动臂大腔压力信号进行清洗、计算获得极小值点B，依据极小值点B计算获得作业段的起点A1和终点A4

对转斗大腔压力信号进行清洗、计算获得极大值点C，依据极大值点C计算获得作业段的节点A2和A3

(3)有效作业提取：

根据以上计算获得A1、A2、A3、A4即可获得有效作业信息，其中A1、A2之间即为挖掘作业段。