摘  要： 根據(jù)目前國內(nèi)缺乏液壓挖掘機(jī)在線計(jì)量裝置的現(xiàn)狀，提出了一種液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。闡述了系統(tǒng)的功能、工作原理、精度控制方式以及以Kane動(dòng)力學(xué)方程思想為核心的動(dòng)態(tài)稱重的數(shù)學(xué)模型，以ARM芯片STM32F103和DSP芯片TMS320F28335為核心分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的硬件、軟件設(shè)計(jì)。兩種芯片的結(jié)合使用使動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理快速，測量精度高，可移植性和可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有良好的市場前景和經(jīng)濟(jì)效益。

　　關(guān)鍵詞： 挖掘機(jī)；動(dòng)態(tài)稱重；Kane方程；STM32F103；TMS320F28335

　　液壓挖掘機(jī)是一種機(jī)構(gòu)復(fù)雜、用途廣泛的工程機(jī)械。在工程機(jī)械的一些領(lǐng)域，如裝載機(jī)、門座起重機(jī)以及集裝箱正面吊運(yùn)機(jī)等，均有相對成熟的動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的應(yīng)用。由于液壓挖掘機(jī)本身機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和工作環(huán)境的惡劣性，大多基于液壓挖掘機(jī)的稱重技術(shù)都是基于理論的研究，而實(shí)際液壓挖掘機(jī)在采裝運(yùn)輸作業(yè)過程中主要存在以下稱重方面的問題：

　?。?）作業(yè)過程沒有在線計(jì)量裝置，所以要知道挖掘機(jī)所挖掘土石等物料的質(zhì)量，只能通過將物料轉(zhuǎn)移到貨車上，貨車再通過地磅等稱重裝置測量物料的重量。隨著裝卸次數(shù)的增加，既浪費(fèi)了人力財(cái)力，也降低了裝卸效率，又不能保證測量精度。

　　（2）由于在線計(jì)量裝置的缺乏，不能準(zhǔn)確地把握所挖掘的質(zhì)量，會(huì)使貨車處于欠載或者超載情況，前者不利于客戶的利益，損壞企業(yè)形象，后者造成貨車等車輛損壞以及不必要的公路超重罰款等。

　?。?）目前液壓挖掘機(jī)上使用的稱重系統(tǒng)大多是靜態(tài)稱重系統(tǒng)，要求用戶在每個(gè)工作循環(huán)中將挖掘機(jī)的工作裝置靜止一段時(shí)間或者將其停留在一個(gè)特定的姿態(tài)，然后再利用液壓缸油壓等信號(hào)與重量之間的比例求得鏟斗負(fù)載量。以上的靜態(tài)稱重法雖然能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)鏟斗物料重量的稱重，但是均需要挖掘機(jī)間歇性工作的配合，具有很大的局限性，而且使挖掘機(jī)的挖掘效率大大降低，從而造成各種資源的浪費(fèi)。

　　基于上述因素，以及從適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械化的提高生產(chǎn)效率、降低成本、節(jié)約勞動(dòng)力、提高工程質(zhì)量等方面的發(fā)展要求考慮，本文提出了一種液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)整體方案

　　1.1 系統(tǒng)功能

　　本文研制的液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要功能是測量正常作業(yè)時(shí)液壓挖掘機(jī)的各個(gè)工作裝置的姿態(tài)位置信息以及各個(gè)工作裝置液壓缸的驅(qū)動(dòng)力，將以上測量的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)用Kane動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行算法解析，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、不停止正常挖掘作業(yè)的計(jì)量所挖掘物料質(zhì)量的方式。該系統(tǒng)主要由傳感器、基于ARM微處理器STM32F103的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于DSP微處理器TMS320F28335的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以及儀表盤顯示和RS232等串行通信口等外圍電路模塊構(gòu)成。

　　1.2 動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)學(xué)模型

　　本文的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)算法的基礎(chǔ)是利用工程動(dòng)力學(xué)代替靜力來解決質(zhì)量測量問題，利用己知的定律、定理推導(dǎo)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其主要的思想是Kane動(dòng)力學(xué)方程的思想，具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

　?。?）如圖1所示，在挖掘機(jī)上分別定義5個(gè)坐標(biāo)系（X，Y）、（x，y）、（s，t）、（u，v）、（p，q）和3個(gè)廣義坐標(biāo)，其中（X，Y）是固定參考坐標(biāo)系，（x，y）是駕駛艙坐標(biāo)系，（s，t）是大臂坐標(biāo)系，（u，v）是斗桿坐標(biāo)系，（p，q）是鏟斗坐標(biāo)系，1為大臂與水平面的夾角，2為大臂與斗桿的夾角，3為鏟斗與斗桿的夾角。

　?。?）根據(jù)Kane動(dòng)力學(xué)方程[1]，在同一廣義坐標(biāo)下，參照物的廣義主動(dòng)力和該參照物的廣義慣性力之和為0，可得如下方程組：

　　（3）通過求解Kane定義的慣性力和慣性力矩[2-3]，可求得在各廣義坐標(biāo)系下各個(gè)參照物的廣義慣性力

　?。?）根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]的Kane廣義主動(dòng)力的定義，分別對駕駛艙、大臂、斗桿、鏟斗進(jìn)行受力分析，可求得在各廣義坐標(biāo)下各個(gè)參照物的廣義主動(dòng)力。

　?。?）將已求得的廣義慣性力和廣義主動(dòng)力代入式（1），再進(jìn)行化簡、消元、合并同類項(xiàng)等數(shù)學(xué)處理，可得下列方程：

　　其中，B1、B2、D1、D2、E1、E2、F1、F2為通過Kane運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用各參照物上的陀螺儀和傾角傳感器直接或間接測量并計(jì)算所得到的質(zhì)心加速度、速度、偏速度、角速度、偏角速度、角加速度、三個(gè)廣義坐標(biāo)的一階時(shí)間導(dǎo)和二階時(shí)間導(dǎo)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集的組合，均為已知量。pM、qM和M4為剩余的3個(gè)未知量，其中pM、qM是為了表示鏟斗物料的質(zhì)心坐標(biāo)而引入的兩個(gè)未知量，M4是挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)狀態(tài)下計(jì)算的挖掘機(jī)鏟斗上鏟斗物料的重量。

　?。?）消除未知量qM，方程組（2）轉(zhuǎn)化為：

　　其中，Hi=D2E1-D1E2，Ji=F2E1-F1E2，Ki=B2E1-B1E2，下標(biāo)i表示每個(gè)瞬時(shí)采集的不同的數(shù)據(jù)集。

　?。?）將式（3）表示為矩陣的形式，即：Ax=b，其中：

　　矩陣A與向量b均為已知量，通過最小二乘法求得x的理想值，最終得到M4的理想值。

2 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件主要包括采樣電路、核心電路、外圍電路以及電源模塊四大部分，如圖2所示。

　　2.1 采樣電路

　　采樣電路采用的主控芯片是STM32F103，該微處理器基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有最高72 MHz的工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25 DMIPS/MHz，適用于液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)的采集[4]。該電路的主要任務(wù)是采集挖掘機(jī)各個(gè)工作裝置的姿態(tài)信息以及各個(gè)液壓缸的壓力信息，將所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行初步的處理并傳送至核心電路，以備數(shù)據(jù)分析單元進(jìn)行稱重算法的解算。

　　采樣電路主要包括壓力傳感器、MPU-9150模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、位置傳感器、高速外部時(shí)鐘、JTAG和EEPROM。

　　壓力傳感器有6個(gè)，分別用來采集大臂油缸、斗杠油缸以及鏟斗油缸的進(jìn)出油口壓力信號(hào)，它們將油壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器則將液壓缸油壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以用于之后的計(jì)算，壓力信號(hào)采集的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　MPU-9150模塊由STM32F103的I2C擴(kuò)展，具有三軸陀螺儀、三軸加速度、三軸磁場功能，采用標(biāo)準(zhǔn)I2C通信協(xié)議，芯片內(nèi)置16 bit A/D轉(zhuǎn)換器，16 bit數(shù)據(jù)輸出，陀螺儀范圍、加速度范圍、磁場范圍均符合液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的數(shù)據(jù)采集需求，其硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

　　位置傳感器采用霍爾元件，用來控制采樣電路采樣的起止時(shí)間，若挖掘機(jī)處于可采樣區(qū)段的姿態(tài)，則通過向核心電路發(fā)送一個(gè)開關(guān)信號(hào)來觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，此時(shí)開關(guān)量值置為1，否則置為0。高速外部時(shí)鐘采用8 MHz的晶振，20 pF的旁路電容。EEPROM采用芯片型號(hào)為M95640-WMN3，由4個(gè)SPI口外擴(kuò)生成，主要用來存放硬件設(shè)置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采樣電路通過外擴(kuò)一個(gè)CAN口與核心電路的CAN口連接，用來傳送傳感器所采集的數(shù)據(jù)參數(shù)。

　　2.2 核心電路的設(shè)計(jì)

　　核心電路的主控芯片是TMS320F28335，它的CPU包含一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），其32×32位的MAC操作及8級(jí)流水線技術(shù)使程序的執(zhí)行不用高速存儲(chǔ)器也能達(dá)到較高的速度。片上存儲(chǔ)器包括最高達(dá)512 KB的閃存與68 KB的RAM，代碼安全性模塊具有128位密碼保護(hù)，用來保護(hù)Flash/OTP和部分SRAM，從而保證了相關(guān)寄存器的數(shù)據(jù)安全[5]?；谝陨系倪\(yùn)算特性，選擇TMS320F28335符合液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)的分析解算要求。

　　核心電路主要包括DSP微處理器、SDRAM存儲(chǔ)器和Flash存儲(chǔ)器，是整個(gè)硬件平臺(tái)的核心。其主要功能是：（1）通過CAN口接收采樣電路傳送的稱重?cái)?shù)據(jù)，由于動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)量龐大，可利用SDRAM存儲(chǔ)器進(jìn)行緩沖，稱重計(jì)算過程產(chǎn)生的臨時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH存儲(chǔ)器中以便于稱重計(jì)算過程快速順利地進(jìn)行；（2）將A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)據(jù)按預(yù)定的方法進(jìn)行計(jì)算以得到最終的結(jié)果，即挖掘機(jī)的實(shí)際載重量；（3）對外圍電路中的各部分模塊進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。SDRAM存儲(chǔ)器和Flash存儲(chǔ)器采用的芯片分別是SST39VF160和IS61LV6416-12T，其硬件電路設(shè)計(jì)和連接分別如圖5和圖6所示。

　　2.3 外圍電路的設(shè)計(jì)

　　外圍電路主要包括通信接口、報(bào)警電路、液壓挖掘機(jī)儀表顯示器及其接口。

　　（1）通信接口：包括CAN總線模塊、RS232、UART串口模塊等，其中CAN總線模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與其他上位機(jī)之間的無線傳輸；RS232、UART串口模塊用于PC與本系統(tǒng)平臺(tái)之間的通信，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的下載和上傳等功能。

　?。?）報(bào)警電路：當(dāng)累積重量達(dá)到設(shè)定的重量值或非正常工作時(shí)，微處理器將發(fā)出報(bào)警指令給稱重報(bào)警單元，稱重報(bào)警單元發(fā)出報(bào)警聲，利用此稱重報(bào)警單元可對挖掘機(jī)的鏟斗起到保護(hù)作用。

　　（3）液壓挖掘機(jī)儀表顯示器及其接口：用于顯示液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重結(jié)果。

　　2.4 電源模塊的設(shè)計(jì)

　　電源模塊需要為采樣電路、核心電路以及外圍電路提供安全、可靠、穩(wěn)定的直流電源，液壓挖掘機(jī)的電源為12 V蓄電池串聯(lián)組成的24 V的電瓶電源。為了簡化電源模塊的設(shè)計(jì)以及提高供電的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用開關(guān)電源芯片LTM8025EV#PBF來實(shí)現(xiàn)蓄電池24 V轉(zhuǎn)換為5 V的穩(wěn)定直流電源。5 V的直流電源再通過以TPS767D301為核心芯片的電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為1.9 V和3.3 V。

　　其中采樣電路的主控芯片STM32F103需要3.3 V的供電，核心電路主控芯片TMS320F28335則采用雙電源供電方式，其中CPU、時(shí)鐘工作電路以及芯片的內(nèi)部邏輯等內(nèi)核電源需要1.9 V供電，I/O接口以及外部器件與該芯片接口的I/O電源需要3.3 V的供電，此類電源電壓不需要設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路。與3.3 V電源相比，1.9 V的電源可以使芯片的功耗大大降低。

3 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：ARM微處理器STM32F103通過A/D采樣、變換傳感器，經(jīng)DSP微處理器TMS320F28335的數(shù)據(jù)分析、處理，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的輸出顯示等功能。該裝置的主程序流程如圖7所示，具體的程序設(shè)計(jì)包括初始化程序、開機(jī)自檢程序、STM32F103的數(shù)據(jù)采集和TMS320F28335的數(shù)據(jù)處理程序、濾波程序、稱重程序、稱重結(jié)果顯示程序、人機(jī)交互程序、通信接口及通用I/O接口驅(qū)動(dòng)程序等。

　　其中，初始化程序包括STM32F103最小系統(tǒng)和TMS320F28335最小系統(tǒng)的相關(guān)初始化和通信接口與A/D接口的初始化。開機(jī)自檢是通過系統(tǒng)內(nèi)部固化好的程序?qū)ο到y(tǒng)各硬件的好壞以及線路的暢通與否進(jìn)行檢查，若出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象，則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警警示。

4 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)精度控制

　　衡量挖掘機(jī)性能的主要標(biāo)準(zhǔn)除了所應(yīng)用的動(dòng)態(tài)稱重算法以及軟硬件的設(shè)計(jì)，還有液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重的精度的控制，本系統(tǒng)主要從以下兩個(gè)方面提高精度。

　?。?）液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)預(yù)處理。本文通過設(shè)計(jì)合適的數(shù)字低通濾波器（如巴特沃斯數(shù)字低通濾波器）對實(shí)際液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行高頻去噪處理，利用Levenberg-Marquardt算法抑制低頻干擾來解決所測得的稱重信號(hào)摻雜的高低頻噪聲，并用仿真計(jì)算驗(yàn)證。

　?。?）誤差補(bǔ)償算法分析。本文研究的液壓挖掘機(jī)稱重系統(tǒng)，其誤差補(bǔ)償?shù)谋举|(zhì)是對傾角與壓力進(jìn)行補(bǔ)償，引起誤差的誤差源主要是動(dòng)臂速度、物料偏載、溫度等。所以需要分別通過速度影響分析、物料偏載影響分析、溫度影響分析等完成動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，具體的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式在此不予以闡述。

　　本文設(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小，能準(zhǔn)確、快速、可靠地測量挖掘機(jī)載重貨物的質(zhì)量。通過MATLAB動(dòng)態(tài)方程仿真表明，該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精確，單次稱重精度達(dá)2%~5%，綜合精度可低于3%。系統(tǒng)程序可移植性強(qiáng)，配合適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，稱重模塊同樣可應(yīng)用于其他載貨裝置的稱重領(lǐng)域，比如裝載機(jī)、門座起重機(jī)等。實(shí)際應(yīng)用中，稱重模塊可以擴(kuò)展GPS和無線傳輸接口（GPRS或GSM），將液壓挖掘機(jī)的作業(yè)狀態(tài)和載貨的各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、匯總，實(shí)現(xiàn)對挖掘機(jī)作業(yè)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)督與調(diào)度，大大提升了該稱重系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

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