船载铲斗挖掘机作业监视仪的设计与实现

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(海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018)

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。

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。

1 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。

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(X/L)或X=L(U/E)

故通过测量图中电压U就可以计算出角度位移[1]。

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一个金属盒里，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°。

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γ表示。

图4 X轴向横截面

图5 Y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α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β表示。

回转传感器安装在上车与底座之间，当上车转动时，送出相对应角度的模拟量，用θ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AT89C52单片机，这是一款以MCS-51为内核的高性能单片机[2]，内部集成8 kfalsh，256 ByteSRAM，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TLC2543，TLC2543是TI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[3]。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O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。AT89C52通过TLC2543实时采集γ、α、β、θ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4 096，即将360°分成4 096等分，分辨率为

F=360°/4 096≈0.09°

单片机将采集到的AD值转换为角度值，

Phase=AD×F

实际应用中，传感器经过校准会得到一个倍乘系数a和一个偏移系数b，

Phase=Phase×a+b

这样，就得到一个精确的角度值。单片机通过UART通讯接口+MAX232电平转换芯片将角度信号送到工控机进行数据处理。

2 系统功能实现

配合上述硬件设施，必须在工控主机上安装《WJ2挖掘机作业监视仪》软件。这是一款用VC编写的专用软件，在接收信号采集模块传送的角度信号的同时，实现挖掘机作业的参数设置，数据显示，仿真图像显示等功能。

2.1 参数设置

到达一作业点定位下桩后，在挖掘前设置有关参数。若不设置，系统将沿用原设置值。用户需要设置如下参数。

1)挖深和水位。均为相对于吴淞零点设置，系统依据水位变化自动修正挖深，m。

2)左右限宽为在平面显示图(俯视图)中对理想挖掘区域之X轴向范围限制，m。

3)吃水。为下桩定位后船体的吃水值，m。

4)方位角。指出船头方向，(°)。

5)斗杆长度。有5、7 m两种选择，设置值若不为5 m，则一律为7 m。

6)水深值。是在理想挖掘区域中线横截面图X方向每隔4 m取一点水深，一共取9个点，其中第5点水深对应横截面X向中间点，m。

2.2 数据显示

1)日期、时间。为系统的日期时间。

2)平均水深。为上述9点水深值的平均值。

3)当天累计斗数。系统根据操作的阀控信号自动累计。

4)移船次数。系统根据移船操作自动累计。

5)产量。为累计斗数与每斗土立方的乘积。

2.3 仿真图像显示

图像仿真窗口有4个画面，分别为横剖面挖掘图、俯视挖掘图、挖掘区域示意图、挖掘深度示意图。每个画面均由若干二维图形构成，由系统根据传感器信号采集模块上传的数据，经过运算，从图片库中调用相对应的图片显示出来。

仿真窗口的下方显示实时工况数据，为使显示界面形象直观，在设计时作如下规定。

1)挖掘区域的图像。画面中用蓝色表示已挖掘区域，绿色表示待挖掘区域，即已经挖掘机包络图所定的与预定挖深相关的理想挖掘区域，按此预定区域挖掘有利于提高作业效率；棕色表示限挖区域。

2)挖掘机铲斗的图像。为红色时，表示铲斗带土；为黄色时，表示处于合适下铲开挖的位置；为白色时，表示铲斗为空。

3)运用自动分析技术，验证参数间的正确关系[4]。在坐标标尺上配以动态黄线条指出铲齿端中心位置，在参数区实时显示重要参数。当出现过挖、重挖、漏挖、铲齿进入船体保护线、限制线、限挖区等工况时，系统将通过扬声器报警，并显示出相应的报警信息。

4)在平面图中作业实况以不同颜色表示不同的挖掘深度。达到或超过预定深度则为蓝色(差值≤0.2 m)，相差较大时为亮绿色(差值≤4.0 m)，其余为绿色。

3 结论

仿真软件应用在特殊场合，确实给工作带来很大的便利。经过实际应用检验，船载铲斗挖掘机作业监视仪有效地解决了司机“盲目”操作的问题，显著提高工作效率和工程质量，减轻了操作者的劳动强度。在该项目的实施过程中，通过查阅大量资料，结合现场实际情况了解到，如果将信号采集模块和工控机以及VGA做成一体机，将很大程度减小设备体积，节省驾驶室空间。

[1] 李瑜芳.传感器原理及其应用[M].成都：电子科技大学出版社,2008.

[2] 陈光东.单片微型计算机原理与接口技术[M].2版.武汉：华中理工大学出版社，2009.

[3] 卢 鑫，庞伟止.新型模数转换器TLC2543的串行接口及其应用[J].集成电路应用,2002(1)：66-67.

[4] JIM Ledm.仿真工程[M].焦宗夏，王力萍，译.北京：机械工业出版社,139-141.