一种挖掘机械的多功能控制系统论文和设计-王洪彩

全文摘要

一种挖掘机械的多功能控制系统(1)，其特征在于，所述多功能控制系统(1)包括第一控制模块(2)、第二控制模块(3)、第三控制模块(4)、第四控制模块(5)、第五控制模块(6)以及智能综合控制模块(7)；智能综合控制模块(7)与所述第一至第五控制模块连接并控制所述第一至第五控制模块工作状态的切换。本发明的挖掘机械的多功能控制系统通过多功能的控制系统与控制逻辑，实现较好的多功能控制效果，实现挖掘机在行走控制、斗杆回收挖掘作业控制、负载自适应控制以及远程控制等多方面的舒适性及安全性。

主设计要求

1.一种挖掘机械的多功能控制系统(1)，其特征在于，所述多功能控制系统(1)包括第一控制模块(2)、第二控制模块(3)、第三控制模块(4)、第四控制模块(5)、第五控制模块(6)以及智能综合控制模块(7)；所述第一控制模块(2)包括行进电机、连接在挖掘机械的流体驱动增压器与所述行进电机之间的第一主控管路开闭构件、连接在行进电机的档位控制油路上的换挡阀、第一控制器、用于检测行进电机进油端压力的压力传感器、低压流体增压器和行进压力控制阀，所述换挡阀是控制端与所述第一控制器连接的电磁阀，所述第一控制器通过压力传感器检测行进电机的进油端的压力值并计算行进电机的进油端的压力差值，所述行进压力控制阀连接在所述第一主控管路开闭构件的液控端，所述低压流体增压器的出油端通过管路与所述行进压力控制阀和换挡阀的进油端连接；所述第二控制模块(3)包括连接在挖掘斗油缸与所述流体驱动增压器之间的第二主控管路开闭构件、设置在所述第二主控管路开闭构件的低压油路上且与第二控制器连接的比例电磁阀、与第二控制器连接的操纵杆、与第二控制器连接且设置在所述流体驱动增压器上用于检测压力的压力传感器、与第二控制器连接用于检测挖掘斗的相对翻转角度的地平经度传感器，所述第二控制器依据所述操纵杆的输出信号和压力传感器检测到的压力判断挖掘机械的工作状态；所述第三控制模块(4)包括第三控制器、控制开关、监测装置、第三主控管路开闭构件、低压控制阀和多个液压执行装置，在所述第三主控管路开闭构件的低压油路上且与第三控制器连接有比例电磁阀和测斜仪，第三主控管路开闭构件上设置压力反馈传感器，低压控制阀与第三主控管路开闭构件相连并通过第三主控管路开闭构件控制多个液压执行装置；所述测斜仪、压力反馈传感器和第三主控管路开闭构件与第三控制器输入端相连，第三控制器输出端与监测装置相连并通过监测装置进行实时数据显示，第三控制器接收挖掘机械的发动机转速信号、挖掘机械的流体驱动增压器的倾角信号、第三主控管路开闭构件的电压力信号和操作控制信号并进行处理，第三控制器根据处理结果输出控制信号，用于调节流体驱动增压器的消耗功率并使其与预先设定的发动机的功率曲线相匹配，使流体驱动增压器的消耗功率始终保持最佳；所述第四控制模块(5)包括第四控制器、第四主控管路开闭构件、与第四控制器连接的控制杆，与所述控制器连接用于检测挖掘机械工作姿态的姿态传感器、与第四控制器连接的复位键，第四控制器的输出端与所述第四主控管路开闭构件连接；当复位键被按下且持续时长超过预定值时，所述第四控制器每隔一定时长通过姿态传感器测量记录复位键被按下后挖掘机械工作姿态变化位置直至松开复位键以形成挖掘机械工作的工位返回运行轨迹；当复位键被按下且持续时长小于预定值时，所述第四控制器依据姿态传感器测量所获取挖掘机械工作的姿态位置向所述第四主控管路开闭构件输出控制信号使挖掘机械沿着工位返回运行轨迹运行到终点位置；所述第五控制模块(6)包括监控装置以及操控装置，所述监控装置包括被设置在挖掘机械上的IP摄像机、嵌入控制系统、行进指引系统以及监控输送装置；所述嵌入控制系统分别与该IP摄像机、行进指引系统以及监控输送装置通信连接；所述嵌入控制系统还与挖掘机械的作业控制系统通信连接，所述行进指引系统由线加速计、角速率陀螺、计算机和控制显示器组成；所述操控装置包括第五控制器、与所述第五控制器通信连接的六自由度运动平台、显示单元、操作单元以及操控输送装置；所述显示单元设于所述六自由度运动平台上，所述第五控制器通过所述监控输送装置和操控输送装置与所述嵌入控制系统通信连接，以根据挖掘机械的工作状态调整所述六自由度运动平台的姿态；智能综合控制模块(7)与所述第一至第五控制模块连接并控制所述第一至第五控制模块工作状态的切换，所述智能综合控制模块(7)包括切换控制单元，所述切换控制单元具有第一至第五控制通路，每条控制通路与所述第一至第五控制模块一一对应连接，所述切换控制单元控制第一至第五控制通路的开闭实现置位或复位操作，每次置位或复位操作可对应实现所述第一至第五控制模块的运行。

设计方案

1.一种挖掘机械的多功能控制系统(1)，其特征在于，所述多功能控制系统(1)包括第一控制模块(2)、第二控制模块(3)、第三控制模块(4)、第四控制模块(5)、第五控制模块(6)以及智能综合控制模块(7)；

所述第一控制模块(2)包括行进电机、连接在挖掘机械的流体驱动增压器与所述行进电机之间的第一主控管路开闭构件、连接在行进电机的档位控制油路上的换挡阀、第一控制器、用于检测行进电机进油端压力的压力传感器、低压流体增压器和行进压力控制阀，所述换挡阀是控制端与所述第一控制器连接的电磁阀，所述第一控制器通过压力传感器检测行进电机的进油端的压力值并计算行进电机的进油端的压力差值，所述行进压力控制阀连接在所述第一主控管路开闭构件的液控端，所述低压流体增压器的出油端通过管路与所述行进压力控制阀和换挡阀的进油端连接；

所述第二控制模块(3)包括连接在挖掘斗油缸与所述流体驱动增压器之间的第二主控管路开闭构件、设置在所述第二主控管路开闭构件的低压油路上且与第二控制器连接的比例电磁阀、与第二控制器连接的操纵杆、与第二控制器连接且设置在所述流体驱动增压器上用于检测压力的压力传感器、与第二控制器连接用于检测挖掘斗的相对翻转角度的地平经度传感器，所述第二控制器依据所述操纵杆的输出信号和压力传感器检测到的压力判断挖掘机械的工作状态；

所述第三控制模块(4)包括第三控制器、控制开关、监测装置、第三主控管路开闭构件、低压控制阀和多个液压执行装置，在所述第三主控管路开闭构件的低压油路上且与第三控制器连接有比例电磁阀和测斜仪，第三主控管路开闭构件上设置压力反馈传感器，低压控制阀与第三主控管路开闭构件相连并通过第三主控管路开闭构件控制多个液压执行装置；所述测斜仪、压力反馈传感器和第三主控管路开闭构件与第三控制器输入端相连，第三控制器输出端与监测装置相连并通过监测装置进行实时数据显示，第三控制器接收挖掘机械的发动机转速信号、挖掘机械的流体驱动增压器的倾角信号、第三主控管路开闭构件的电压力信号和操作控制信号并进行处理，第三控制器根据处理结果输出控制信号，用于调节流体驱动增压器的消耗功率并使其与预先设定的发动机的功率曲线相匹配，使流体驱动增压器的消耗功率始终保持最佳；

所述第四控制模块(5)包括第四控制器、第四主控管路开闭构件、与第四控制器连接的控制杆，与所述控制器连接用于检测挖掘机械工作姿态的姿态传感器、与第四控制器连接的复位键，第四控制器的输出端与所述第四主控管路开闭构件连接；当复位键被按下且持续时长超过预定值时，所述第四控制器每隔一定时长通过姿态传感器测量记录复位键被按下后挖掘机械工作姿态变化位置直至松开复位键以形成挖掘机械工作的工位返回运行轨迹；当复位键被按下且持续时长小于预定值时，所述第四控制器依据姿态传感器测量所获取挖掘机械工作的姿态位置向所述第四主控管路开闭构件输出控制信号使挖掘机械沿着工位返回运行轨迹运行到终点位置；

所述第五控制模块(6)包括监控装置以及操控装置，所述监控装置包括被设置在挖掘机械上的IP摄像机、嵌入控制系统、行进指引系统以及监控输送装置；所述嵌入控制系统分别与该IP摄像机、行进指引系统以及监控输送装置通信连接；所述嵌入控制系统还与挖掘机械的作业控制系统通信连接，所述行进指引系统由线加速计、角速率陀螺、计算机和控制显示器组成；所述操控装置包括第五控制器、与所述第五控制器通信连接的六自由度运动平台、显示单元、操作单元以及操控输送装置；所述显示单元设于所述六自由度运动平台上，所述第五控制器通过所述监控输送装置和操控输送装置与所述嵌入控制系统通信连接，以根据挖掘机械的工作状态调整所述六自由度运动平台的姿态；

智能综合控制模块(7)与所述第一至第五控制模块连接并控制所述第一至第五控制模块工作状态的切换，所述智能综合控制模块(7)包括切换控制单元，所述切换控制单元具有第一至第五控制通路，每条控制通路与所述第一至第五控制模块一一对应连接，所述切换控制单元控制第一至第五控制通路的开闭实现置位或复位操作，每次置位或复位操作可对应实现所述第一至第五控制模块的运行。

2.根据权利要求1所述的挖掘机械的多功能控制系统(1)，其特征在于，当压力差值大于预设值时，所述第一控制器向所述换挡阀输出控制信号使所述行进电机工作于低速挡；当压力差值由大于预设值变化为小于预设值时，所述第一控制器向换挡阀输出控制信号使行进电机恢复至之前的工作档位。

3.根据权利要求1或2所述的挖掘机械的多功能控制系统(1)，其特征在于，当挖掘机械处于挖掘斗臂回收挖掘工况时，第二控制器通过所述地平经度传感器检测挖掘斗的相对翻转角度并将其与预设角度进行比较，若挖掘斗的相对翻转角度与预设角度不一致时所述第二控制器向比例电磁阀输出挖掘斗运行控制信号，通过所述第二主控管路开闭构件控制挖掘斗驱动挖掘斗的相对翻转角度与预设角度一致；所述第二控制器检测到操纵杆仅输出挖掘斗回收动作的低压控制信号且流体驱动增压器的压力大于预设值时判断为挖掘斗杆回收挖掘工况。

4.根据权利要求3所述的挖掘机械的多功能控制系统(1)，其特征在于，所述第三控制器通过控制器局域网络与监测装置相连；第三控制器接收当前液压压力信号、当前发动机转速及选择的操作控制信号并进行PID优化，控制液压压力信号和发动机转速信号的偏差值，保证液压压力信号和发动机转速信号的稳定性。

5.根据权利要求4所述的挖掘机械的多功能控制系统(1)，其特征在于，所述姿态传感器包括用于测量挖掘机械整体相对转动的角度传感器、用于测量挖掘机械中的动臂相对转动的角度传感器、用于测量挖掘机械中挖掘斗臂相对转动的角度传感器以及用于测量挖掘机械中挖掘斗相对挖掘斗臂转动的角度传感器。

6.根据权利要求5所述的挖掘机械的多功能控制系统(1)，其特征在于，该IP摄像机包括多个安装于挖掘机械上的高清摄像头；该显示单元对应每一高清摄像头均具有一液晶屏，且所述液晶屏在所述六自由度运动平台上的位置对应高清摄像头位置排布设置所述六自由度运动平台包括固定基座以及自由平台。

设计说明书

技术领域

本发明涉及挖掘机械的控制技术领域，具体地，涉及一种挖掘机械的多功能控制系统。

背景技术

挖掘机械是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘机械挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机械的发展相对较快，挖掘机械已经成为工程建设中最主要的工程机械之一。

现有技术中，履带式挖掘机械行走马达在高速挡与低速挡之间的切换都是依靠人工来进行。行走马达处于高速转动时，其扭矩较小。而挖掘机在进行转弯时，其阻力增大，行走马达需要增加扭矩才能满足转向所需要的扭矩。而由于现有挖掘机械行走马达的高速挡与低速挡之间是由人工开操作切换，而人不能在挖掘机转弯时判断行走马达输出的扭矩是否充足而不会及时进行挡位切换，从而导致现有挖掘机在高速行进时转弯能力不足。

挖掘机械具有较大的工作范围，即能够对地面以下物料进行施工，也能够对高处的物料进行挖掘。在对高处物料进行挖掘时，由于工作装置本身较重，如果驾驶员对工作装置动作速度不加以控制，在重力的作用下，工作装置反而驱动斗杆油缸活塞杆快速运动，当活塞杆运动速度高于油缸无杆腔液压油供油量时，将造成油缸无杆腔出现真空现象，一方面影响液压缸使用寿命，另一方面造成安全隐患。挖掘机械的斗杆挖掘过程中，铲斗切削刃板同斗杆的相对角度对斗杆挖掘过程挖掘阻力影响较大，较好的角度能够有效降低土壤的阻力从而降低能耗。目前，在进行斗杆挖掘时，驾驶员一般凭借经验调整铲斗相对于斗杆的角度，由于操作员的操作经验不同而差异很大，很难做到最优。

一般挖掘机械作业循环可划分为挖掘-回转卸料-返回三个步骤。每一个步骤的实现都需要驾驶员操作两个控制手柄联合动作才能实现。但挖掘机械作业过程重复性较强，开展各作业步骤时均有较为相对固定的位置。同时施工过程中需要驾驶员精神高度集中，连续不断的操作手柄才能控制整机的动作，造成驾驶员工作强度大，容易疲劳并造成事故的发生。并且，重复的工作通过人来操控完成，其效率相对较低。

挖掘机械的操作员属于高危技术工种，在操作员操作过程中，一旦发生事故，操作员很难逃生；另一方面，挖掘机械的作业环境通常都比较恶劣，受到各种外界因素的干扰和影响，特别是在某些特殊行业工程机械作业环境异常恶劣，比如：毒气废气场合、垃圾清理、抢险救灾、隧道开挖、防爆作业、放射性场合作业等，使用人工现场操作的挖掘机械是难以保证操作者的安全的。

此外，挖掘机械的发动机扭矩与功率特性都是一个比较复杂的曲线，简单的一个比例函数或曲线并不能够清楚描述其特性，只有将液压泵功率做到根据操作者的需求实时地跟随发动机扭矩与功率曲线并始终工作在万有能耗曲线经济能耗区，才能做到优化发动机与液压系统间的功率匹配性能，优化发动机掉速性能，有效优化发动机不稳定问题，提升整机工作效率。设计能实现压力、流量的精确控制、动作协调流畅、挖掘机械能够完成各种精细化动作的节能系统具有重要的现实意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种挖掘机械的多功能控制系统。本发明的挖掘机械的多功能控制系统通过多功能的控制系统与控制逻辑，实现较好的多功能控制效果，实现挖掘机在行走控制、斗杆回收挖掘作业控制、负载自适应控制以及远程控制等多方面的舒适性及安全性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是一种挖掘机械的多功能控制系统，所述多功能控制系统包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块、第四控制模块、第五控制模块以及智能综合控制模块；

所述第一控制模块包括行进电机、连接在挖掘机械的流体驱动增压器与所述行进电机之间的第一主控管路开闭构件、连接在行进电机的档位控制油路上的换挡阀、第一控制器、用于检测行进电机进油端压力的压力传感器、低压流体增压器和行进压力控制阀，所述换挡阀是控制端与所述第一控制器连接的电磁阀，所述第一控制器通过压力传感器检测行进电机的进油端的压力值并计算行进电机的进油端的压力差值，所述行进压力控制阀连接在所述第一主控管路开闭构件的液控端，所述低压流体增压器的出油端通过管路与所述行进压力控制阀和换挡阀的进油端连接；

所述第二控制模块包括连接在挖掘斗油缸与所述流体驱动增压器之间的第二主控管路开闭构件、设置在所述第二主控管路开闭构件的低压油路上且与第二控制器连接的比例电磁阀、与第二控制器连接的操纵杆、与第二控制器连接且设置在所述流体驱动增压器上用于检测压力的压力传感器、与第二控制器连接用于检测挖掘斗的相对翻转角度的地平经度传感器，所述第二控制器依据所述操纵杆的输出信号和压力传感器检测到的压力判断挖掘机械的工作状态；

所述第三控制模块包括第三控制器、控制开关、监测装置、第三主控管路开闭构件、低压控制阀和多个液压执行装置，在所述第三主控管路开闭构件的低压油路上且与第三控制器连接有比例电磁阀和测斜仪，第三主控管路开闭构件上设置压力反馈传感器，低压控制阀与第三主控管路开闭构件相连并通过第三主控管路开闭构件控制多个液压执行装置；所述测斜仪、压力反馈传感器和第三主控管路开闭构件与第三控制器输入端相连，第三控制器输出端与监测装置相连并通过监测装置进行实时数据显示，第三控制器接收挖掘机械的发动机转速信号、挖掘机械的流体驱动增压器的倾角信号、第三主控管路开闭构件的电压力信号和操作控制信号并进行处理，第三控制器根据处理结果输出控制信号，用于调节流体驱动增压器的消耗功率并使其与预先设定的发动机的功率曲线相匹配，使流体驱动增压器的消耗功率始终保持最佳；

所述第四控制模块包括第四控制器、第四主控管路开闭构件、与第四控制器连接的控制杆，与所述控制器连接用于检测挖掘机械工作姿态的姿态传感器、与第四控制器连接的复位键，第四控制器的输出端与所述第四主控管路开闭构件连接；当复位键被按下且持续时长超过预定值时，所述第四控制器每隔一定时长通过姿态传感器测量记录复位键被按下后挖掘机械工作姿态变化位置直至松开复位键以形成挖掘机械工作的工位返回运行轨迹；当复位键被按下且持续时长小于预定值时，所述第四控制器依据姿态传感器测量所获取挖掘机械工作的姿态位置向所述第四主控管路开闭构件输出控制信号使挖掘机械沿着工位返回运行轨迹运行到终点位置；

所述第五控制模块包括监控装置以及操控装置，所述监控装置包括被设置在挖掘机械上的IP摄像机、嵌入控制系统、行进指引系统以及监控输送装置；所述嵌入控制系统分别与该IP摄像机、行进指引系统以及监控输送装置通信连接；所述嵌入控制系统还与挖掘机械的作业控制系统通信连接，所述行进指引系统由线加速计、角速率陀螺、计算机和控制显示器组成；所述操控装置包括第五控制器、与所述第五控制器通信连接的六自由度运动平台、显示单元、操作单元以及操控输送装置；所述显示单元设于所述六自由度运动平台上，所述第五控制器通过所述监控输送装置和操控输送装置与所述嵌入控制系统通信连接，以根据挖掘机械的工作状态调整所述六自由度运动平台的姿态；

智能综合控制模块与所述第一至第五控制模块连接并控制所述第一至第五控制模块工作状态的切换，所述智能综合控制模块包括切换控制单元，所述切换控制单元具有第一至第五控制通路，每条控制通路与所述第一至第五控制模块一一对应连接，所述切换控制单元控制第一至第五控制通路的开闭实现置位或复位操作，每次置位或复位操作可对应实现所述第一至第五控制模块的运行。

优选的，当压力差值大于预设值时，所述第一控制器向所述换挡阀输出控制信号使所述行进电机工作于低速挡；当压力差值由大于预设值变化为小于预设值时，所述第一控制器向换挡阀输出控制信号使行进电机恢复至之前的工作档位。

在上述任一方案中优选的是，当挖掘机械处于挖掘斗臂回收挖掘工况时，第二控制器通过所述地平经度传感器检测挖掘斗的相对翻转角度并将其与预设角度进行比较，若挖掘斗的相对翻转角度与预设角度不一致时所述第二控制器向比例电磁阀输出挖掘斗运行控制信号，通过所述第二主控管路开闭构件控制挖掘斗驱动挖掘斗的相对翻转角度与预设角度一致；所述第二控制器检测到操纵杆仅输出挖掘斗回收动作的低压控制信号且流体驱动增压器的压力大于预设值时判断为挖掘斗杆回收挖掘工况。

在上述任一方案中优选的是，所述第三控制器通过控制器局域网络与监测装置相连；第三控制器接收当前液压压力信号、当前发动机转速及选择的操作控制信号并进行PID优化，控制液压压力信号和发动机转速信号的偏差值，保证液压压力信号和发动机转速信号的稳定性。

在上述任一方案中优选的是，所述姿态传感器包括用于测量挖掘机械整体相对转动的角度传感器、用于测量挖掘机械中的动臂相对转动的角度传感器、用于测量挖掘机械中挖掘斗臂相对转动的角度传感器以及用于测量挖掘机械中挖掘斗相对挖掘斗臂转动的角度传感器。

在上述任一方案中优选的是，该IP摄像机包括多个安装于挖掘机械上的高清摄像头；该显示单元对应每一高清摄像头均具有一液晶屏，且所述液晶屏在所述六自由度运动平台上的位置对应高清摄像头位置排布设置所述六自由度运动平台包括固定基座以及自由平台。

本发明是根据多年的实际应用实践和经验所得，采用最佳的技术手段和措施来进行组合优化，获得了最优的技术效果，并非是技术特征的简单叠加和拼凑，因此本发明具有显著的意义。

本发明的有益效果：

1.本发明以挖掘斗臂的油缸无杆腔内的压力作为挖掘斗臂油缸是否会发生吸空的判断依据，在油缸吸空之前进行判断，若判断有吸空趋势，则减小有杆腔回油的阀口开度，降低斗臂油缸活塞杆的伸出速度，从而避免吸空，这种挖掘机械斗臂油缸液压控制系统在结构上与一般的挖掘机相比，仅增加少许部件，且控制逻辑简单，控制效果好。

2.本发明引进姿态传感器、监控装置及嵌入控制系统的智能化控制策略，结合多自由度运动平台，在远程遥操作的同时保证操作者有真实的现场操作体验，具有极广阔的开发潜力以及市场应用价值。

3.本发明的挖掘机械在行走过程中出现转弯时，自动由高速挡转变为低速挡，以提高挖掘机的转弯能力，保证了挖掘机械的行进安全性。

4.本发明实现了当挖掘机械处于斗臂回收挖掘工况时，自动调整挖掘斗相对斗臂的姿态，降低斗臂回收挖掘时的阻力，提高了挖掘机械的作业效率和降低油耗。

5.本发明具备了轨迹检测及轨迹控制功能，可实现挖掘机械一键操作回复至相应工作位置，降低了驾驶员工作强度，提高整机智能化程度。同时安全性能较高，驾驶员可随时终止自动操作。本发明中驾驶员根据实际操作信号调整各部件的运动速度及运动时间，使整机在自动操作的过程中具备较高的舒适性及安全性。

6.本发明利用智能综合控制模块确定操作控制权归属意图，进一步保障挖掘机械的驾驶和作业安全。

附图简要说明

图1是根据本发明的挖掘机械的多功能控制系统的组成示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步描述，但要求保护的范围并不局限于此。

实施例1

参见图1，一种挖掘机械的多功能控制系统,1，所述多功能控制系统1包括第一控制模块2、第二控制模块3、第三控制模块4、第四控制模块5、第五控制模块6以及智能综合控制模块7；

所述第一控制模块2包括行进电机、连接在挖掘机械的流体驱动增压器与所述行进电机之间的第一主控管路开闭构件、连接在行进电机的档位控制油路上的换挡阀、第一控制器、用于检测行进电机进油端压力的压力传感器、低压流体增压器和行进压力控制阀，所述换挡阀是控制端与所述第一控制器连接的电磁阀，所述第一控制器通过压力传感器检测行进电机的进油端的压力值并计算行进电机的进油端的压力差值，所述行进压力控制阀连接在所述第一主控管路开闭构件的液控端，所述低压流体增压器的出油端通过管路与所述行进压力控制阀和换挡阀的进油端连接；

所述第二控制模块3包括连接在挖掘斗油缸与所述流体驱动增压器之间的第二主控管路开闭构件、设置在所述第二主控管路开闭构件的低压油路上且与第二控制器连接的比例电磁阀、与第二控制器连接的操纵杆、与第二控制器连接且设置在所述流体驱动增压器上用于检测压力的压力传感器、与第二控制器连接用于检测挖掘斗的相对翻转角度的地平经度传感器，所述第二控制器依据所述操纵杆的输出信号和压力传感器检测到的压力判断挖掘机械的工作状态；

所述第三控制模块4包括第三控制器、控制开关、监测装置、第三主控管路开闭构件、低压控制阀和多个液压执行装置，在所述第三主控管路开闭构件的低压油路上且与第三控制器连接有比例电磁阀和测斜仪，第三主控管路开闭构件上设置压力反馈传感器，低压控制阀与第三主控管路开闭构件相连并通过第三主控管路开闭构件控制多个液压执行装置；所述测斜仪、压力反馈传感器和第三主控管路开闭构件与第三控制器输入端相连，第三控制器输出端与监测装置相连并通过监测装置进行实时数据显示，第三控制器接收挖掘机械的发动机转速信号、挖掘机械的流体驱动增压器的倾角信号、第三主控管路开闭构件的电压力信号和操作控制信号并进行处理，第三控制器根据处理结果输出控制信号，用于调节流体驱动增压器的消耗功率并使其与预先设定的发动机的功率曲线相匹配，使流体驱动增压器的消耗功率始终保持最佳；

所述第四控制模块5包括第四控制器、第四主控管路开闭构件、与第四控制器连接的控制杆，与所述控制器连接用于检测挖掘机械工作姿态的姿态传感器、与第四控制器连接的复位键，第四控制器的输出端与所述第四主控管路开闭构件连接；当复位键被按下且持续时长超过预定值时，所述第四控制器每隔一定时长通过姿态传感器测量记录复位键被按下后挖掘机械工作姿态变化位置直至松开复位键以形成挖掘机械工作的工位返回运行轨迹；当复位键被按下且持续时长小于预定值时，所述第四控制器依据姿态传感器测量所获取挖掘机械工作的姿态位置向所述第四主控管路开闭构件输出控制信号使挖掘机械沿着工位返回运行轨迹运行到终点位置；

所述第五控制模块6包括监控装置以及操控装置，所述监控装置包括被设置在挖掘机械上的IP摄像机、嵌入控制系统、行进指引系统以及监控输送装置；所述嵌入控制系统分别与该IP摄像机、行进指引系统以及监控输送装置通信连接；所述嵌入控制系统还与挖掘机械的作业控制系统通信连接，所述行进指引系统由线加速计、角速率陀螺、计算机和控制显示器组成；所述操控装置包括第五控制器、与所述第五控制器通信连接的六自由度运动平台、显示单元、操作单元以及操控输送装置；所述显示单元设于所述六自由度运动平台上，所述第五控制器通过所述监控输送装置和操控输送装置与所述嵌入控制系统通信连接，以根据挖掘机械的工作状态调整所述六自由度运动平台的姿态；

智能综合控制模块7与所述第一至第五控制模块连接并控制所述第一至第五控制模块工作状态的切换，所述智能综合控制模块7包括切换控制单元，所述切换控制单元具有第一至第五控制通路，每条控制通路与所述第一至第五控制模块一一对应连接，所述切换控制单元控制第一至第五控制通路的开闭实现置位或复位操作，每次置位或复位操作可对应实现所述第一至第五控制模块的运行。所述切换控制单元可以是液压换向阀。所述智能综合控制模块7实现了第一至第五控制模块的操纵归属权确定，从而控制所述第一至第五控制模块进行工作状态的切换，并且进一步确定操作控制权归属意图，进一步保障具有挖掘机械的作业安全。

当压力差值大于预设值时，所述第一控制器向所述换挡阀输出控制信号使所述行进电机工作于低速挡；当压力差值由大于预设值变化为小于预设值时，所述第一控制器向换挡阀输出控制信号使行进电机恢复至之前的工作档位。例如，当挖掘机械在行进过程中进行转弯时，第一控制器通过压力传感器检测行进电机进油端的压力值并计算压力差值，当压力差值大于预设值时，第一控制器向换挡阀输出控制信号使行进电机工作于低速挡，也即当挖掘机械的行进电机处于高速挡时，第一控制器输出控制信号使其自动调节到低速挡，以增大挖掘机械行进电机的扭矩，提高转弯能力。当挖掘机械转弯完毕后，也即当压力差值由大于预设值变化值小于预设值时，第一控制器向换挡阀输出控制信号使行进电机恢复至之前的工作挡位，例如，挖掘机械的行进电机处于高速挡行进，转弯时自动调整为低速挡，转弯完毕后由自动恢复到高速挡。挖掘机械在行走过程中出现转弯时，自动由高速挡转变为低速挡，以提高挖掘机的转弯能力，保证了挖掘机械的行进安全性。

当挖掘机械处于挖掘斗臂回收挖掘工况时，第二控制器通过所述地平经度传感器检测挖掘斗的相对翻转角度并将其与预设角度进行比较，若挖掘斗的相对翻转角度与预设角度不一致时所述第二控制器向比例电磁阀输出挖掘斗运行控制信号，通过所述第二主控管路开闭构件控制挖掘斗驱动挖掘斗的相对翻转角度与预设角度一致；所述第二控制器检测到操纵杆仅输出挖掘斗回收动作的低压控制信号且流体驱动增压器的压力大于预设值时判断为挖掘斗杆回收挖掘工况。当挖掘机处于挖掘斗臂回收挖掘工况时，第二控制模块自动调整挖掘斗相对挖掘斗臂的姿态，降低挖掘斗臂回收挖掘时的阻力，提高了挖掘机械的作业效率并降低了油耗。

所述第三控制器通过控制器局域网络与监测装置相连；第三控制器接收当前液压压力信号、当前发动机转速及选择的操作控制信号并进行PID优化，控制液压压力信号和发动机转速信号的偏差值，保证液压压力信号和发动机转速信号的稳定性。操作者发动发动机，设定发动机转速，通过控制开关选择操作模式，发动机的转速信号和操作控制信号传递至第三控制器，通过低压控制阀控制第三主控管路开闭构件进而驱动液压执行装置做出响应，各液压执行装置同比降速，第三控制器输出PWM电流信号至流体驱动增压器，用于实时调整流体驱动增压器的消耗功率。本发明优化了发动机与液压系统间的功率匹配性能，优化发动机掉速性能，有效优化发动机不稳定问题，提升整机工作效率，提高燃油经济性，防止负载突然增大时发动机掉转及憋车，实现压力、流量的精确控制，挖掘机械能够完成精细化动作，节能效果好。

所述姿态传感器包括用于测量挖掘机械整体相对转动的角度传感器、用于测量挖掘机械中的动臂相对转动的角度传感器、用于测量挖掘机械中挖掘斗臂相对转动的角度传感器以及用于测量挖掘机械中挖掘斗相对挖掘斗臂转动的角度传感器。这使得本发明具备了轨迹检测及轨迹控制功能，可实现挖掘机械一键操作回复至相应工作位置，降低了驾驶员工作强度，提高整机智能化程度。同时安全性能较高，驾驶员可随时终止自动操作。本发明中驾驶员根据实际操作信号调整各部件的运动速度及运动时间，使整机在自动操作的过程中具备较高的舒适性及安全性。

该IP摄像机包括多个安装于挖掘机械上的高清摄像头；该显示单元对应每一高清摄像头均具有一液晶屏，且所述液晶屏在所述六自由度运动平台上的位置对应高清摄像头位置排布设置所述六自由度运动平台包括固定基座以及自由平台。所述第五控制器用于收到行进指引系统有关挖掘机械工作状态数据参数后，经过六自由度运动平台的空间运动模型变换，进行反解以及补偿运算，实时控制调整六自由度运动平台的姿态。所述第五控制器工作时首先通过监控输送装置和操控输送装置，收到行进指引系统有关挖掘机械工作状态数据参数后，经过六自由度运动平台的空间运动模型变换，进行反解以及补偿运算，计算出六自由度运动平台的各个电动缸的伸长量，并通过总线传递给各个电动缸的驱动器，电动缸按照驱动指令伸缩，六自由度运动平台亦运行到指定姿态，实现控制六组电动缸的伸长量；在该过程中，电动缸的编码器实时检测电动缸力矩、速度以及位置信息，并发送到电动缸的驱动器，构成电动缸闭环控制系统；以实时精确地控制各电动缸的伸长量，实现实时调整自由平台姿态。由于操作人员在该六自由度运动平台上能清楚的体会到挖掘机械的转动惯性、挖掘作业中机架抖动或偏摆运动幅度及趋势，并能体会机架的滑移、倾斜等严重影响稳定性的参数信息；实现了掌握实验台周围环境，从而能及时调整操作，避免了挖掘的的侧翻、前后倾翻以及机身撞击等问题，降低误操作造成实验台受损的概率。解决了现有挖掘机现场作业危险程度高的问题。

实施例2

在该实施例中，所述第三控制模块4还包括控制循环路径，所述流体驱动增压器与所述控制循环路径连通，以输出具有液压能的液压油至所述控制循环路径，所述控制循环路径包括能够连接所述液压执行装置的连接管路，所述控制循环路径能够对所述流体驱动增压器输出的具有液压能的液压油调速和\/或调压。所述第三控制器与所述控制循环路径连接，并能够获取所述连接管路中的液压油的压力，并根据所述输出管路中的液压油的压力控制所述流体驱动增压器的输出流量。所述控制循环路径还包括设置在进油路上的减压阀、单向阀以及储能器，还包括安全阀，所述安全阀的一端连通回油路，另一端连通所述单向阀和进油口之间的进油路。

所述流体驱动增压器还包括流量控制件，所述流量控制件与挖掘机械的斜盘连接，以调整所述斜盘的倾角。

通过在挖掘机械的所述第三控制模块4中设置专门的控制循环路径，并通过第三控制器由作业人员直接控制，便于操作，减少了安全隐患；进一步，控制循环路径可对流体驱动增压器输出的具有液压能的液压油调速和\/或调压，可实现自主控制的施工作业，而且在间歇作业过程中，有利于液压智能化控制，实现燃油经济型。

实施例3

在该实施例中，智能综合控制模块7还包括施工现场环境监测仪，用于对挖掘机械的施工现场环境的进行现场测量，以获得当前扬尘浓度，并输出所述当前扬尘浓度；现场图像采集器，用于对挖掘机械周围进行全景图像感应，以获得实时全景图像；以及人体感应器，发出人体报警信号。当挖掘机械在现场施工时，所述施工现场环境监测仪进行现场的扬尘检测，并配合现场图像采集器以及人体感应器进行工作。当施工现场环境监测仪检测到因为机械作业导致的扬尘浓度超标时，且现场图像采集器以及人体感应器发现施工现场有人时，智能综合控制模块7能够自动停止第二至第四控制模块的运行，进而停止相应作业施工的进行，避免继续造成施工现场的扬尘加重，以保护现场环境。并在1分钟后智能综合控制模块7自动控制运行第一控制模块开始运行，使挖掘机械暂时离开施工现场，防止扬尘对挖掘机械的操作人员的影响。待没有扬尘时再回来继续进行施工作业，以保证操作人员以及其它施工人员的身体健康。这样既保护了环境又保证了现场各类人员的身体健康。

在上述实施例1-3中，所述的主控管路开闭构件为阀装置。此外，为实现更优的技术效果，还可将上述实施例中的技术方案任意组合，以满足各种实际应用的需求。

由上述实施例可知，本发明以挖掘斗臂的油缸无杆腔内的压力作为挖掘斗臂油缸是否会发生吸空的判断依据，在油缸吸空之前进行判断，若判断有吸空趋势，则减小有杆腔回油的阀口开度，降低斗臂油缸活塞杆的伸出速度，从而避免吸空，这种挖掘机械斗臂油缸液压控制系统在结构上与一般的挖掘机相比，仅增加少许部件，且控制逻辑简单，控制效果好。本发明引进姿态传感器、监控装置及嵌入控制系统的智能化控制策略，结合多自由度运动平台，在远程遥操作的同时保证操作者有真实的现场操作体验，具有极广阔的开发潜力以及市场应用价值。

此外，本发明的挖掘机械在行走过程中出现转弯时，自动由高速挡转变为低速挡，以提高挖掘机的转弯能力，保证了挖掘机械的行进安全性。实现了当挖掘机械处于斗臂回收挖掘工况时，自动调整挖掘斗相对斗臂的姿态，降低斗臂回收挖掘时的阻力，提高了挖掘机械的作业效率和降低油耗。

本发明具备了轨迹检测及轨迹控制功能，可实现挖掘机械一键操作回复至相应工作位置，降低了驾驶员工作强度，提高整机智能化程度。同时安全性能较高，驾驶员可随时终止自动操作。本发明中驾驶员根据实际操作信号调整各部件的运动速度及运动时间，使整机在自动操作的过程中具备较高的舒适性及安全性。利用智能综合控制模块确定操作控制权归属意图，进一步保障挖掘机械的驾驶和作业安全。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

设计图

一种挖掘机械的多功能控制系统论文和设计

一种挖掘机械的多功能控制系统论文和设计-王洪彩

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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