船载铲斗挖掘机作业监视仪的设计与实现.pdf

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1、第41卷第5期2012年10月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGV01．4lNo．50ct．2012DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2012．05．045船载铲斗挖掘机作业监视仪的设计与实现李华。秦珩(海军大连舰艇学院，辽宁大连116018)摘要：分析船载铲斗挖掘机作业监视仪的功能特点、工作原理和结构组成，介绍角度信号的产生和采集，铲斗挖掘机作业工况软件仿真的实现。针对船载铲斗挖掘机作业的现状，提出以传感器信号采集模块和工控机为核心设计船载铲斗挖掘机作业监视仪，替代人工肉眼观察或摄像头监视的落后方法，提高船载铲斗挖掘机

2、作业的可靠性和安全性。关键词：角度信号；软件仿真；铲斗挖掘机中图分类号：u664．4文献标志码：A文章编号：1671-7953(2012)05m163旬3船载铲斗挖掘机是具有4个自由度运动形态的独立机械，结构复杂、用途广泛。其作业过程的多样性和复杂性给操作带来了很大的困难。除了上车回转机构外，其动臂、斗杆和铲斗3机构的运动位置与船本身无任何参照关系。要想了解其运动形态(特别在水下)，只能针对挖掘机本身来进行研究。在河床和海底疏浚工程中，经常使用船载铲斗挖掘机。由于铲斗通常没入水中作业，司机无法直观了解水下情况，全凭经验进行和记忆作出判断，给生产带来很大的困难。

3、海军某部曾将水下摄像头安装在铲斗和斗杆上，通过摄像的方式了解水下作业情况。而实际使用中，却发现效果并不理想。由于工作环境恶劣，海水、泥沙、石子、振动、冲击等环境因素对于摄像头工作十分不利，水下泥沙多，水质浑浊，无法清晰观察到水下的铲斗的运动形态。“铲斗挖掘机作业监视仪”采用计算机、传感器及显示装置组成系统，通过运动机构与船舶参数和环境参数的相关性，应用计算机图形仿真技术，对挖掘机的作业轨迹进行计算与显示，实时处理挖掘机的工况与状态。作为挖掘机作业的“耳目”有利于减轻司机的劳动强度，提高生产率和疏浚质量，具有较大的经济价值和社会价值。收稿日期：2012—05—0

4、3修回日期：2012一06—18第一作者简介：李华(1969一)，男，学士，工程师研究方向：船舶轮机E-mail：hx-2000@yea}1．net1系统设计1．1设计方案铲斗挖掘机作业监视仪系统由以下各部分组成。1)一体化工业PC机一台；2)彩色VGA显示器一台；3)传感器信号采集模块一个；4)传感器若干。系统组成见图1。vGA显示器图1系统结构1．2工作原理角位移电位器外观和原理见图2、3。由图3可知：Rx／R=x／L所以U=E(肜￡)或X=￡(∥E)故通过测量图中电压u就可以计算出角度位移‘1

5、。由电位器和转动轴构成角度信号传感器的主要部分，转动轴与被测

6、部位通过同步带或齿轮动相关联，转动轴再将旋转运动传递给电位器。角度信号传感器封装在—个金属盒里，要求有良好的防水、防油、防震性能。同时，转角信号误差小于±0．8。。163第5期船海工程第4l卷图2角度传感器图3角度传感器原理图4和图5所示为四路转角信号。其中，铲斗传感器安装在铲斗转轴部位，随铲斗的转动送出相对应角度的模拟量，用y表示。图4X轴向横截面图5y轴向横截面动臂传感器安装在动臂转轴部位，随动臂的转动送出相对应角度的模拟量，用d表示。斗杆传感器安装在斗杆转轴部位，随斗杆的转动送出相对应角度的模拟量，用口表示。回转传感器安装在上车与底座之间，当上车转动时，

7、送出相对应角度的模拟量，用9表示。传感器信号采集模块的功能就是实时采集这四路传感器信号，并通过Rs232通讯接口将信息送到工控主机。工控主机经过计算处理后，以仿真图形方式在显示器上显示出来，便于操作者直】64观了解整个挖掘机工作状态。图6信号采集模块1．3硬件电路设计信号采集模块主控制芯片采用美国ATMEL公司的棚9c52单片机，这是一款以MCS一51为内核的高性能单片机【2】，内部集成8k脚sh，256ByteSRAM，3个16位定时器，1个UART通讯接口，性能稳定，抗干扰能力强，完全满足项目要求。ADc转换芯片使用TI公司的rILC2543，，I’LC2

8、543是，I'I公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A／D转换过程口】。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机L／0资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。A髓9C52通过TLC2543实时采集儿a、口、p等4路角度传感器送来的电压信号，经过单片机的内部运算，转换成角度信号。根据ADC的工作原理，12位的ADC分度数为4096，即将3600分成4096等分，分辨率为F=3600／，4096—0．090单片机将采集到的AD值转换为角度值，尸^邯e=AD×F实际应用中，传感器经过校准会得到一个倍乘系数口和一个偏移系数

9、6，P^c咕e=P^c峙e×口+6这样