船載鏟斗挖掘機作業監視儀的設計與實現

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(海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

船載鏟斗挖掘機是具有4個自由度運動形態的獨立機械，結構復雜、用途廣泛。其作業過程的多樣性和復雜性給操作帶來了很大的困難。除了上車回轉機構外，其動臂、斗桿和鏟斗3機構的運動位置與船本身無任何參照關系。要想了解其運動形態(特別在水下)，只能針對挖掘機本身來進行研究。

在河床和海底疏浚工程中，經常使用船載鏟斗挖掘機。由于鏟斗通常沒入水中作業，司機無法直觀了解水下情況，全憑經驗進行和記憶作出判斷，給生產帶來很大的困難。

海軍某部曾將水下攝像頭安裝在鏟斗和斗桿上，通過攝像的方式了解水下作業情況。而實際使用中，卻發現效果并不理想。由于工作環境惡劣，海水、泥沙、石子、振動、沖擊等環境因素對于攝像頭工作十分不利，水下泥沙多，水質渾濁，無法清晰觀察到水下的鏟斗的運動形態。

“鏟斗挖掘機作業監視儀”采用計算機、傳感器及顯示裝置組成系統，通過運動機構與船舶參數和環境參數的相關性，應用計算機圖形仿真技術，對挖掘機的作業軌跡進行計算與顯示，實時處理挖掘機的工況與狀態。作為挖掘機作業的“耳目”有利于減輕司機的勞動強度，提高生產率和疏浚質量，具有較大的經濟價值和社會價值。

1 系統設計

1.1 設計方案

鏟斗挖掘機作業監視儀系統由以下各部分組成。

1)一體化工業PC機一臺；

2)彩色VGA顯示器一臺；

3)傳感器信號采集模塊一個；

4)傳感器若干。

系統組成見圖1。

圖1 系統結構

1.2 工作原理

角位移電位器外觀和原理見圖2、3。由圖3可知：

RX/R=X/L

所以

U=E(X/L)或X=L(U/E)

故通過測量圖中電壓U就可以計算出角度位移[1]。

由電位器和轉動軸構成角度信號傳感器的主要部分，轉動軸與被測部位通過同步帶或齒輪動相關聯，轉動軸再將旋轉運動傳遞給電位器。角度信號傳感器封裝在一個金屬盒里，要求有良好的防水、防油、防震性能。同時，轉角信號誤差小于±0.8°。

圖2 角度傳感器

圖3 角度傳感器原理

圖4和圖5所示為四路轉角信號。其中，鏟斗傳感器安裝在鏟斗轉軸部位，隨鏟斗的轉動送出相對應角度的模擬量，用γ表示。

圖4 X軸向橫截面

圖5 Y軸向橫截面

動臂傳感器安裝在動臂轉軸部位，隨動臂的轉動送出相對應角度的模擬量，用α表示。

斗桿傳感器安裝在斗桿轉軸部位，隨斗桿的轉動送出相對應角度的模擬量，用β表示。

回轉傳感器安裝在上車與底座之間，當上車轉動時，送出相對應角度的模擬量，用θ表示。

傳感器信號采集模塊的功能就是實時采集這四路傳感器信號，并通過RS232通訊接口將信息送到工控主機。工控主機經過計算處理后，以仿真圖形方式在顯示器上顯示出來，便于操作者直觀了解整個挖掘機工作狀態。

圖6 信號采集模塊

1.3 硬件電路設計

信號采集模塊主控制芯片采用美國ATMEL公司的AT89C52單片機，這是一款以MCS-51為內核的高性能單片機[2]，內部集成8 kfalsh，256 ByteSRAM，3個16位定時器，1個UART通訊接口，性能穩定，抗干擾能力強，完全滿足項目要求。

ADC轉換芯片使用TI公司的TLC2543，TLC2543是TI公司的12位串行模數轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程[3]。由于是串行輸入結構，能夠節省51系列單片機I/O資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應用。AT89C52通過TLC2543實時采集γ、α、β、θ等4路角度傳感器送來的電壓信號，經過單片機的內部運算，轉換成角度信號。根據ADC的工作原理，12位的ADC分度數為4 096，即將360°分成4 096等分，分辨率為

F=360°/4 096≈0.09°

單片機將采集到的AD值轉換為角度值，

Phase=AD×F

實際應用中，傳感器經過校準會得到一個倍乘系數a和一個偏移系數b，

Phase=Phase×a+b

這樣，就得到一個精確的角度值。單片機通過UART通訊接口+MAX232電平轉換芯片將角度信號送到工控機進行數據處理。

2 系統功能實現

配合上述硬件設施，必須在工控主機上安裝《WJ2挖掘機作業監視儀》軟件。這是一款用VC編寫的專用軟件，在接收信號采集模塊傳送的角度信號的同時，實現挖掘機作業的參數設置，數據顯示，仿真圖像顯示等功能。

2.1 參數設置

到達一作業點定位下樁后，在挖掘前設置有關參數。若不設置，系統將沿用原設置值。用戶需要設置如下參數。

1)挖深和水位。均為相對于吳淞零點設置，系統依據水位變化自動修正挖深，m。

2)左右限寬為在平面顯示圖(俯視圖)中對理想挖掘區域之X軸向范圍限制，m。

3)吃水。為下樁定位后船體的吃水值，m。

4)方位角。指出船頭方向，(°)。

5)斗桿長度。有5、7 m兩種選擇，設置值若不為5 m，則一律為7 m。

6)水深值。是在理想挖掘區域中線橫截面圖X方向每隔4 m取一點水深，一共取9個點，其中第5點水深對應橫截面X向中間點，m。

2.2 數據顯示

1)日期、時間。為系統的日期時間。

2)平均水深。為上述9點水深值的平均值。

3)當天累計斗數。系統根據操作的閥控信號自動累計。

4)移船次數。系統根據移船操作自動累計。

5)產量。為累計斗數與每斗土立方的乘積。

2.3 仿真圖像顯示

圖像仿真窗口有4個畫面，分別為橫剖面挖掘圖、俯視挖掘圖、挖掘區域示意圖、挖掘深度示意圖。每個畫面均由若干二維圖形構成，由系統根據傳感器信號采集模塊上傳的數據，經過運算，從圖片庫中調用相對應的圖片顯示出來。

仿真窗口的下方顯示實時工況數據，為使顯示界面形象直觀，在設計時作如下規定。

1)挖掘區域的圖像。畫面中用藍色表示已挖掘區域，綠色表示待挖掘區域，即已經挖掘機包絡圖所定的與預定挖深相關的理想挖掘區域，按此預定區域挖掘有利于提高作業效率；棕色表示限挖區域。

2)挖掘機鏟斗的圖像。為紅色時，表示鏟斗帶土；為黃色時，表示處于合適下鏟開挖的位置；為白色時，表示鏟斗為空。

3)運用自動分析技術，驗證參數間的正確關系[4]。在坐標標尺上配以動態黃線條指出鏟齒端中心位置，在參數區實時顯示重要參數。當出現過挖、重挖、漏挖、鏟齒進入船體保護線、限制線、限挖區等工況時，系統將通過揚聲器報警，并顯示出相應的報警信息。

4)在平面圖中作業實況以不同顏色表示不同的挖掘深度。達到或超過預定深度則為藍色(差值≤0.2 m)，相差較大時為亮綠色(差值≤4.0 m)，其余為綠色。

3 結論

仿真軟件應用在特殊場合，確實給工作帶來很大的便利。經過實際應用檢驗，船載鏟斗挖掘機作業監視儀有效地解決了司機“盲目”操作的問題，顯著提高工作效率和工程質量，減輕了操作者的勞動強度。在該項目的實施過程中，通過查閱大量資料，結合現場實際情況了解到，如果將信號采集模塊和工控機以及VGA做成一體機，將很大程度減小設備體積，節省駕駛室空間。

[1] 李瑜芳.傳感器原理及其應用[M].成都：電子科技大學出版社,2008.

[2] 陳光東.單片微型計算機原理與接口技術[M].2版.武漢：華中理工大學出版社，2009.

[3] 盧 鑫，龐偉止.新型模數轉換器TLC2543的串行接口及其應用[J].集成電路應用,2002(1)：66-67.

[4] JIM Ledm.仿真工程[M].焦宗夏，王力萍，譯.北京：機械工業出版社,139-141.