论文总字数：11869字

摘 要

纵观工程机械的发展历程，其实就是在不断的提高工作效率和能力。不管是早期的以单一的正铲为主的机械式挖掘机还是如今以采用电力技术和液压以及高端的控制技术为特点的单斗或多斗液压式挖掘机，在工艺、构造、功能及用途等各个方面都取得了不错的成绩。自从2011年发布了中国工程机械“十二五”发展计划，在其中重点的强调说明：工程机械的智能化工程主要包括三个方位：环境感知、控制系统、轨迹规划。其中，控制系统的含义是依照设计的目标轨迹，从而来控制运动机构和电流的输出等。本文主要做的工作是智能挖掘机器人控制系统的硬件设计，设计出一种可自主完成任务的智能挖掘机器人的控制系统硬件方案。

关键词:液压挖掘机；智能化；硬件控制

Intelligent Miner robot control system hardware design

Abstract

The history of mining machinery development is the continuous improvement of the efficiency and the ability of work process. From the early simple mechanical shovel excavator to today's single and multi-bucket hydraulic excavator characterized by hydraulic and electric technology as well as complex control technology,great process has been make in the structure,materials,processes,and performance of excavators. In the"Twelfth Five-Year Plan" for Chinese construction machinery proposed that:intelligent engineering construction machinery mainly include environmental awareness,trajectory planning and control,wherein the control system control current output according to the planned target trajectory in order to achieve control of the actuator. The hardware design for Intelligent excavating robot control system is completed in this paper,which can be used for an intelligent excavation control system.

Key Words:Hydraulic Excavator;Intelligent excavation;Hardware control

第1章引言

1.1智能挖掘机器人的国内外研究现状

这些年来，随着市场需求量的扩大、加剧的竞争和各种各样新技术不断发明了出来，挖掘机的功能、设计技术和使用材料也在不断的进步，挖掘机适用范围大大的扩大了，越来越多的新型挖掘机投入生产和使用，当然旧的挖掘机也被不断的淘汰^[1]-[2]。从20世纪90年代开始，国外很多著名的关于挖掘机的制造厂商与有关的研究所已经开始把微处理器和高级处理器等应用于挖掘机来使的其更智能化和自动化，欧美等发达国家更是在智能挖掘机器人开发和研究方面取得了好多重要的成果。与此同时世界各地的专家们也在挖掘机智能化方面下足了功夫。比如英国兰凯斯特(Lancaster)大学研发出了LUCE系统，该系统最大的特点是智能智能化，能够自动控制这个执行机构，而且能够在我们完全不认知的情况下特别是月球的开发上完成挖掘这一工作。此系统已初步实现了挖掘机器人模型化自动控制，能够智能化地控制机械本身，在变化非常大的地形上能够精确地控制规划挖掘这一项工作。同样在英国的斯特大学CU等采用了PIP算法，针对挖掘机行进运动控制进行了分析并且和以前人们发明的PID算法进行了一个比较；TAFAZOLI对挖掘机的两个重要参数进行了研究，有关挖掘机动力学的数据和控制学；张大庆等针对铲斗轨迹的鲁棒跟踪控制进行了研究，从而实现了铲斗的轨迹控制，同时为了使工人在操作液压挖掘机的难度降低,专家们针对液压挖掘机机身装置的空间自由度动力学数据进行了研究,发明了液压挖掘机的动力学有关的公式，通过测试液压挖掘机的工作数据这一个实验,给出了关于控制阀的方法,研究PID数据的办法和内容，并且在上面取得的成果下进行了挖掘机的仿真实验，实验表明了就能达到熟练工人的能力程度；王福斌等通过采用神经网络的公式对挖掘机运动时候的具体参数进行了改良，采用RBF精神元对矩形投射中扩大的系数进行改良，计划、模拟了工作台末端弧形运动及工作台前端直线运动的轨迹^[3]-[4]。

1.2研究智能挖掘机器人的目的和意义

挖掘机的出现使我们从重体力的劳动中解脱了出来，然而传统的挖掘机有较大的局限性，对操作者的操作要求也非常的高。所以，智能挖掘机器人一直是我们渴望的一种智能化生产工具，我们一直都在努力的寻找更简单，更省力和能够实现自动化，轨迹化的智能挖掘机器人的捷径^[5]。随着科技水平的进一步提高和社会水平的提高，智能挖掘机器人渐渐的有了发展。

随着对环境要求和工作效率的提高，特别是在极端危险的情况下的进行作业，一般的液压式挖掘机已经不能够满足我们日益增长的苛刻要求，使得我们迫切的要在挖掘机上智能化控制上下一番功夫，使智能化挖掘机器人替代我们传统的挖掘机。实现新型挖掘机的自动化、智能化，这也是工程机械主流的发展方向^[6]。以科技水平不断的提高，智能控制技术不断的提高为前提，这使以液压传动为主要运动方式的挖掘机向数学化，机械化的方向迈出历史性的一步。现在的新型挖掘机都采用了电液比例阀控制技术，优化了挖掘机内部的电路，精确了挖掘作业的轨迹。

1.3课题的来源

本课题来源于江苏省前瞻性联合研究项目（编号201502982-SBY2015020146），该项目主要研究面向多工况的电控液压挖掘机自主挖掘控制策略。早在2011年，中国工程机械“十二五”发展计划中着重表明：工程机械实现智能化工程，工程机械行业技术发展的重要方向是提高智能化控制。工程机械的智能化工作一般包含环境控制、轨迹设定、系统控制等三个内容^[7]-[10]。其中，控制系统是依照计划好的轨迹，控制好了电流的输出，从而达到对机械机构的智能控制。控制系统的设计涉及大学阶段学的传感器与检测技术、微机原理、自动控制原理、计算机控制原理、matlab应用以及计算机编程等多方面的知识。随着我国经济发展的越来越快和国债发行的局势一片大好，挖掘机市场的需求疯狂的增长^[11]-[13]。西部大开发的影响力越来越大，使基层的建设中对工程机械的需求量也表现出增长的势头，为开发大型工程机械提供了很好的市场空间。这么多年来，我国大容积液压挖掘机产销量持续的快速的增长，特别是国内智能化挖掘机需求量的增长，导致我们急需研究这一种产品^[14]。

1.4研究的思路和技术方法

1.4.1 研究的思路

(1)研究液压挖掘机的挖掘原理和步骤，设计出对应的硬件控制方案

(2)选取合适的控制器、传感器，设计各部分之间的接口，实现控制器与传感器以及执行机构之间的信号传递。

1.4.2 技术方法

以三一重机公司生产的SY235C-8型小型挖掘机为平台，设计出智能液压挖掘机控制系统的硬件电路^[15]。

第2章三一SY235C-8型挖掘机参数

2.1主要参数

表2-1 挖掘机的主要参数

2.2综合参数

表2-2 挖掘机的综合参数

2.3发动机参数

表2-3 挖掘机发动机的参数

2.4整机尺寸参数

表2-4 挖掘机整机尺寸参数

挖掘机实物图如图2-1所示：

图2-1 挖掘机SY235C-8实物图

第3章智能挖掘机器人的硬件设计

3.1总体方案的设计

智能挖掘机器人是由四部分组成，自身的机械系统、各种传感器组成的传感系统、直流电机驱动系统、以及采用单片机为控制器的控制系统等^[16]，基本的结构图如图3-1。

图3-1智能挖掘机器人的基本结构图

智能挖掘机器人的工作过程大致如下：传感系统采用角位移传感器和压力传感器来实时检测挖掘机器人的状态，检测的信号送入以单片机为核心的控制系统，单片机及时的处理信号发出控制信号给伺服电动机，从而使机器人能够进行自主挖掘^[17]。

本设计主要采用的是ATmega128-16MC单片机，通过角位移传感器和压力传感器采集数据，通过输出PWD信号来控制电液比例阀的运行，最后达到控制挖掘的整个过程^[18]。具体结构如图3-2所示。

图3-2 挖掘机器人硬件设计程序图

3.2上位机串口模块的设计

当用单片机和上位机通过串口模块进行通信时，虽然单片机也有串行模块进行通信的功能，但是单片机输出的信号电平和RS232的规定的不一样，因此要通过Max232这种类似的芯片进行电平转换。Max232的特点:（1）符合所有的RS-232C技术标准（2）只需要单一 5V电源供电（3）片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生 10V和-10V电压V 、V-（4）功耗低，典型供电电流5mA（5）内部集成2个RS-232C驱动器（6）高集成度，片外最低只需4个电容就可以运行（7）；里面装有两个RS-232C型号的接收器。

RS-232应用范围很广、非常的廉价、编程简单并且比其它接口的导线更加的长。近年以来，随着USB推广度越来越高，更多的转换装置也随之出现，可以把USB接口改成RS-232或转换成别的接口。但是RS-232和其他的接口仍然在各个控制系统中得到广泛的应用。但是对于已经习惯了使用RS-232的专家可以考虑一下USB/RS-232转换器，该转换器是依靠USB总线来传输RS-232数据，换句话说，上位机端的应用软件是对RS-232串行端口编程的，其他的设备也是用RS-232来传输数据的，但是从上位机到其他设备之间的连接仍然采用的是USB接口，这上面的数据通信也是采用的USB接口^[19]-[20]。采用这种方式的好处在于：一方面可以保护以前软件的投入发展，已经成功的针对RS-232的应用软件进行保护，可以继续使用，不用在加以修复；考虑到了USB总线的接口多优点，这样可以用USB接口连多个RS-232设备，传输速度得到了质的飞跃，还能随时随地的用USB接口进行传输，同时也解决了USB接口不能够传送信号很远的这一缺点。

图3-3 串口模块接口图

3.3主控制器的设计

3.3.1主控制器的选型

采用高功能、低功耗的AVR 8位微处理器atmega128-16mc。Atmega128微处理器在系统的内部有128KB大小的可编程Flash程序存储器，而且有同时读写的能力；4KB的E²PR0M；4KB的SRAM；53个通用的I/O端口；32个通用工作寄存器；实时时钟（RTC)；4个具有PWM功能的定时器/计数器；2个USART；2线接口（TW1）；8通道10位ADC；片内有可编程的定时器；串行外围设备接口；与IEEE1149.1标准相容的JTAG接口，可以用于片上测试；6种省电模式通过软件可以实现；53个可编程I/O端口线；采用64引脚TQFP与MLF封装。

图3-4 单片机电路图

3.3.2主控制器电源的选型

采用LM2940S-5.0低压差三端芯片，该集成块为双列8脚贴片封装。主要用途：双功率运算放大器。下图是LM2940S-5.0的电路图。

图3-5 LM2940S-5.0电路图

3.4传感器电路设计

3.4.1角位移传感器

控制系统是通过对智能挖掘机的动臂、斗杆、铲斗的转动角度控制来对挖掘机工作装置运动轨迹的规划。为了了解挖掘机各关节角度的数据变化，要在动臂、斗杆、铲斗上面同时安装角度位移传感器和压力传感器。从传感器的实用性来选择，非接触式传感器应该是首选。所以我们选了霍尔角度传感器HAN28型号的。

图3-6 霍尔角度传感器HAN28

特点:（1）非接触式传感技术（2）绝对位8,10,12（3）电源：3V或5V（4）整体结构设计，高强度（5）环境，防震，防护等级高（6）结构紧凑，体积小，外壳直径仅18mm（7）内置的两组球轴承，适用于工业环境。

表3-1霍尔传感器各项参数

3.4.2压力传感器

我们需要了解智能挖掘机的动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸内腔压力的大小，并且将有关的压力大小数据发送到控制器进行研究。在本设计中选用上海彪贺扩散硅压力变送器厂生产的PH102型压力变送器

图3-7 PH102型压力变送器

产品描述：PH102系列压力传感器壳体为304不锈钢材质，传感元件为高精度的扩散硅压力芯体，具有抗震性、抗冲击性能好和长期稳定性高,安装非常的方便，量程长等特点，现在主要使用于液体或气体进行压力的测量。还有不同的接口和输出的信号，满足了不同客户的选购要求。该系列产品一般应用于工业设备、供水系统、医疗器械、过控等。

特点：采用精度特别高的扩散硅压力芯体元件，高精度，长期稳定性好，灵敏度高，超载能力强，量程长，安装便捷，满足了不同顾客的需求。
应用领域：建筑机械、工程机械、试验机型、压力的检测、航天领域、液压与电气设备、供水设备、医疗器械等。

技术参数如下表：

表3-2 压力变送器各项参数

3.5电机驱动电路设计

选择驱动电路是非常的主要，SGC公司生产的L298N，内部有4通道逻辑驱动电路，是一个专门为二相或者四相使用的驱动器，可以带动46V、2A的电动机。也就是说内部有两个H桥的大型电压电流双全桥式驱动器，可以接收TTL逻辑电平信号到驱动电路里面。

图3-8 L298实物图

图3-9 电源模块连接图

L298有两路电源：逻辑电源和动力电源，图8中逻辑电源是6V的，动力电源是12V的。ENA和ENB直接接入6V的逻辑电源即两个电机都在工作状态。J3和J5跟电机的阴阳两极可以连接在一起，接入的动力电源是J6，接入的逻辑电源是J4，单片机控制两个电机的输入端是J1和J2。通过J1和J2两个接口来实现电机的运转和停止。因为我们使用的电机是线阻式的，从顺时针的状态一下子变换到逆时针状态时和从运行的状态一下子转换到停止的状态就可能产生反向的巨大电流，所以我们要进行泄流，通过在电路中加一个2极管来保护芯片的正常运行。

PWM调速：

L298在对直流电机的驱动的过程中可以分成两种方式:开关型的驱动方式和放大比例型的驱动方式，L298在线性区工作

优点：控制原理易懂，输出信号稳定，对邻近电路的影响小

缺点：功率低和散热问题严重。

我们使用的是开关型的驱动方式，开关型的驱动方式是使L298在开关状态下工作，通过PWM来控制L298电机的电压大小，从而对电动机转速进行控制。

3.6 CAN通讯电路设计

一般的液压挖掘机控制系统之间的控制器和传感器件都是一个一个进行连接的。由于控制非常的集中，所以系统的可靠性不是很高，单个部分的失效往往会导致整个系统的崩溃甚至会引发安全事故。而且要连起来线的种类非常的多，从而占用机器的空间，不利于维修和保养，特别是在老机器的维修中非常的难，开放性和发展性很差。所以用CAN总线技术提高控制系统的维护性和发展性。

从80年代初，德国Bosch公司为了解决现代汽车中的控制器与测试器中间的数据交换而发明的一种数位数率可以达到1Mbps的通讯串行协议。CAN总线是一种有用的串行通信协议，加上它的应用广泛，自动化控制领域的车辆发动机控制部件、传感器等中都得到了广泛使用，现在已在许多其他领域中应用，特别是在液压实时控制系统中是运用最广泛的一种通讯总线。

CAN总线的特点：1、低成本；一个控制器和收发器就可以完成。在相对复杂的远距离网络中性价比比较高。可靠性很好2、极高的总线利用率；有完善的仲裁机制。而且可以使用硬件自动完成仲裁，所以，在负载比较大的网络中比较适用，不容易产生因为拥堵导致的通信错误和总线瘫痪3、较远的数据传输距离(长达10Km)；距离就看收发器的能力了。而且CAN协议是不限制传输介质的，也就是说用光缆可以绕着地球围一圈，等于4亿多人的站在一起的长度。4、高速的数据传输速率（高达1Mbit/s）；CAN通常使用独立的硬件，或者使用硬件内独立的功能模块所以不会占用更多系统资源，而且校验机制比较完善。所以可以使用较高的波特率。不过这些优点都是在特定的条件下才成立的。比如一个小网络，安全要求又很低。那么CAN的成本反而很高。

3.7下载端口设计

我们采用的是JTAG接口，JTAG接口是一种国际上约定的标准测试协议（IEEE 1149.1相容），用在芯片里面的测试。现在很多的高端元器件都支持JIAG数据协议,比如ARM、FPGA、一些单片机的器件等。一般的JTAG接口是4线的接口，TMS（模式选择）、TCK（时钟）、TDI（数据输入）、TDO（数据输出）4种接口。JTAG一开始被用来测试芯片，通过专用的测试的工具来在线对每个内部的节点一个一个的测试。JTAG允许很多器件同时接入，所以JTAG能够同时测试各个元器件，效率高，速度快。下图是JTAG示意图。

图3-10下载端口JTAG

第4章结论与展望

4.1结论

本文首先对国内外智能挖掘机器人的研究现状作了介绍，并结合自己所学知识，设计出一种可自主完成一项任务的智能挖掘机器人的控制系统硬件方案。采用了三一重机有限公司生产的SY235型小型液压挖掘机为设计的样机，设计出智能挖掘机器人控制系统硬件部分的电路。用protel这一个软件来清晰的表达出电路的结构。总结本文的研究工作，主要研究成果及结论如下：

(1)学习ATMEL公司生产的8位系列单片机atmega128，该单片机是8系列中具有最高配置的，其功能特性也非常的有优势。以该单片机为主要的控制器设计了智能挖掘机硬件的电路，包括基本控制电路、直流电动机驱动电路、传感电路、通讯设备电路。并从元器件的选择、电路的设计，到protel的设计电路，对硬件设计中的元器件的可靠性进行分析，保证了硬件的安全稳定性。

(2)文中对数据通信和功率驱动的流程进行了说明。采用PWM信号输出的方式来控制电机的功率，从而控制整个挖掘机的动作，提高了电磁阀的精度，来确保挖掘误差降低到很小。

(3)使用CAN总线能够极大提高控制系统的稳定性和可发展性。

(4)研究智能挖掘机的传感控制原理，在兼备普通挖掘机所有功能的基础上，设计了一套智能挖掘机的控制原理电路图。提出了控制电路的优化设计方案，通过对电源管理电路的合理规划和增加的功能减少了蓄电池电量的无关消耗。

4.2展望

本课题设计的智能挖掘机硬件控制系统为实现智能挖掘提供了一种可以参考的途径。虽然进行了有关的学习研究后设计了智能挖掘机的硬件控制系统，但尚存在很多不足之处，还需要进行学习的方面，还需要做的工作有：

1. 现在这个阶段设计的控制电路只有传感和控制这两个基本的功能，为了进一步使智能挖掘机更加的自动化，在后续的研究中可以增设模拟挖掘模式，在计算机中先把要挖掘的过程事先模拟一次。我们还应该考虑误差这一个主要的问题，通过对挖掘机工况的分析来确定误差范围，从而减小误差。
2. 深入研究远程无线通讯可靠性的实现方法。借助于无线数据的传输，在控制系统之内完成与控制器的数据通讯，建立智能挖掘机的立体模型。
3. 控制器的硬件方面：1）可以选择功能更强大的微处理器，提高智能挖掘机的控制系统的稳定性和可靠性；2）在控制器中集成无线数据传输模块，这样的话就可以完成无线数据通讯的任务。

参考文献

[1]史青录.液压挖掘机[M]北京：机械工业出版社，2011.12

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