作業車的曲臂傾斜角的測量方法及系統的製作方法

2023-09-17 11:35:45

作業車的曲臂傾斜角的測量方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明實施例公開了一種作業車的曲臂傾斜角的測量方法及系統，其中，方法包括：安裝在曲臂上的傾角計在曲臂做旋轉運動時，測量傾角計中測力擺線所受的力F測，通過β=arccos（F測/mg）計算獲取曲臂傾斜角β；單片機控制器通過曲臂傾斜角β、傾角計中擺錘球的質量m、以及傾角計中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r，計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力F向；所述單片機控制器對曲臂傾斜角β進行修正處理，通過公式α=arccos(（F測-F向）/mg）計算實際的曲臂傾斜角α，其中g為重力加速度。本發明實施例可以得到更加精確的曲臂傾斜角。
【專利說明】作業車的曲臂傾斜角的測量方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及測量技術，尤其是一種作業車的曲臂傾斜角的測量方法及系統。
【背景技術】
[0002]運動曲臂式作業車的曲臂傾斜角是作業車上能夠做旋轉運動的曲臂相對地面的水平夾角。曲臂傾斜角是一項重要的參數，它對控制臂端的平臺調平、臂架的姿態調整等起著極其重要的作用，直接關係著設備及人員的安全問題。因此，精準地實時測量運動曲臂的動態傾斜角很關鍵。
[0003]現有技術是採用經濟性最好的固體式傾角計來測量曲臂傾斜角。傾角計是運用慣性原理的一種加速度傳感器，可用於系統的水平測量或相對於水平面的傾斜角變化量的測量。傾角計的理論基礎是牛頓第二定律，根據基本的物理原理，在一個系統內部無法測量物體的速度，但可以測量其加速度。如果已知物體的初速度，則可以通過積分計算出其線速度，進而可以計算出物體的直線位移。
[0004]當傾角計靜止時，即在傾角計的側面和垂直方向沒有加速度作用時，作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸(例如，測力擺線)之間的夾角即為曲臂傾斜角。但當曲臂在展開或回收的過程中，傾角計以曲臂為半徑、以曲臂和主臂的鉸接點為圓心作圓周運動。此時，由於傾角計向心力的存在，對傾斜角的測量將會產生偏差，使得測量出來的傾斜角值要比實際的傾斜角值小，無法滿足對曲臂的傾斜角測量精度的要求，嚴重影響運動曲臂式作業車控制系統的穩定性。
[0005]由於曲臂運動速度越小，傾角計所受的向心力也越小，傾斜角的測量偏差越小，因此，目前業界大多數採用犧牲速度的方法來獲得相對精確的曲臂傾斜角，但是過慢的速度無法滿足部分工程的需求。

【發明內容】

[0006]本發明實施例所要解決的技術問題是:提供一種作業車的曲臂傾斜角的測量方法及系統，以在作業車曲臂做旋轉運動時精確測得其傾斜角的大小，獲得更加精確的曲臂傾斜角，解決現有技術中因忽略曲臂做旋轉運動時伴有向心力的影響而導致所測的曲臂傾斜角值不準的問題。
[0007]本發明實施例提供的一種作業車的曲臂傾斜角的測量方法，包括:
[0008]安裝在曲臂上的傾角計在曲臂做旋轉運動時，測量傾角計中測力擺線所受的力F_，通過β =arccos (F./mg)計算獲取曲臂傾斜角β ；
[0009]單片機控制器通過曲臂傾斜角β、傾角計中擺錘球的質量m、以及傾角計中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r,計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力；
[0010]所述單片機控制器對曲臂傾斜角β進行修正處理，通過公式a=arCC0S( (F#廠FP/mg)計算實際的曲臂傾斜角α，其中g為重力加速度。
[0011]本發明上述作業車的曲臂傾斜角的測量方法的另一實施例中，所述傾角計包括固定支架、測力擺線和擺錘球；
[0012]所述計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力？@包括:
[0013]對曲臂傾斜角β進行微分處理，得到擺錘球的角速度ω=(1β /dt，其中t為時間；
[0014]利用公式F向=m ω 2r，得到擺錘球所受的向心力F向。
[0015]本發明上述作業車的曲臂傾斜角的測量方法的另一實施例中，還包括:
[0016]所述單片機控制器將實際的曲臂傾斜角α輸出到作業車的控制系統。
[0017]本發明上述作業車的曲臂傾斜角的測量方法的另一實施例中，還包括:
[0018]所述單片機控制器將實際的曲臂傾斜角α輸出到顯示器進行顯示。
[0019]本發明上述作業車的曲臂傾斜角的測量方法的另一實施例中，所述單片機控制器通過數字串行外設接口 SPI採集曲臂傾斜角β。
[0020]本發明實施例提供的一種作業車的曲臂傾斜角的測量系統，包括:
[0021]傾角計，安裝在曲臂上，用於在曲臂做旋轉運動時測量傾角計中測力擺線所受的力F測,通過β =arccos (Ffw/mg)計算獲取曲臂傾斜角β ；
[0022]單片機控制器，用於通過曲臂傾斜角β、傾角計中擺錘球的質量m、以及傾角計中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r，計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力；
[0023]所述單片機控制器還用於對曲臂傾斜角β進行修正處理，通過利用公式a =arccos ( (F_-F /mg)計算實際的曲臂傾斜角α，其中g為重力加速度。
[0024]本發明作業車的曲臂傾斜角的測量系統的另一實施例中，所述傾角計包括固定支架、測力擺線和擺錘球；
[0025]所述單片機控制器具體對曲臂傾斜角β進行微分處理，得到擺錘球的角速度ω=(1β /dt,其中t為時間；利用公式F@=mco2r,得到擺錘球所受的向心力F@。
[0026]本發明作業車的曲臂傾斜角的測量系統的另一實施例中，所述單片機控制器，還用於將實際的曲臂傾斜角α輸出到作業車的控制系統。
[0027]本發明作業車的曲臂傾斜角的測量系統的另一實施例中，所述單片機控制器，還用於將實際的曲臂傾斜角α輸出到顯示器進行顯示；
[0028]所述系統還包括:
[0029]顯示器，用於顯示實際的曲臂傾斜角α。
[0030]本發明作業車的曲臂傾斜角的測量系統的另一實施例中，所述單片機控制器具體通過數字串行外設接口 SPI採集曲臂傾斜角β。
[0031]基於本發明上述實施例提供的作業車的曲臂傾斜角的測量方法與裝置，曲臂做旋轉運動時，安裝在曲臂上的傾角計測量傾角計中測力擺線所受的力F3m，通過計算獲取曲臂傾斜角β。單片機控制器通過曲臂傾斜角β、傾角計中擺錘球的質量m、以及傾角計中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r，計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力F @。進而,單片機控制器對曲臂傾斜角β進行修正處理，通過計算得到實際的曲臂傾斜角α。與現有技術相比，本發明實施例在傾角計測量曲臂傾斜角時考慮了向心力的影響，通過修正處理所得到的曲臂傾斜角更加精確。
[0032]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【專利附圖】

【附圖說明】[0033]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0034]圖1為本發明作業車曲臂傾斜角的測量方法一個實施例的流程圖；
[0035]圖2為本發明作業車曲臂傾斜角的測量方法實施例中傾角計的結構示意圖；
[0036]圖3為本發明作業車曲臂傾斜角的測量方法實施例中曲臂靜止時傾角計中擺錘球受力分析的示意圖；
[0037]圖4為本發明作業車曲臂傾斜角的測量方法實施例中曲臂做旋轉運動時的示意圖；
[0038]圖5為本發明作業車曲臂傾斜角的測量方法實施例中曲臂做旋轉運動時傾角計中擺錘球受力分析的示意圖；
[0039]圖6為本發明作業車的曲臂傾斜角的測量系統一個實施例的結構示意圖；
[0040]圖7為本發明作業車的曲臂傾斜角的測量系統另一個實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0041]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0042]圖1為本發明作業車曲臂傾斜角的測量方法一個實施例的流程圖。如圖1所示，本實施例提供的作業車曲臂傾斜角的測量方法，具體包括:
[0043]步驟101，安裝在曲臂上的傾角計在曲臂做旋轉運動時，測量傾角計中測力擺線所受的力Ffw,通過β =arccos (Ffw/mg)計算獲取曲臂傾斜角β ；
[0044]步驟102，單片機控制器通過曲臂傾斜角β、傾角計中擺錘球的質量m、以及傾角計中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r，計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力F
向？
[0045]步驟103,單片機控制器對曲臂傾斜角β進行修正處理,通過公式a=arccos((Fa-F^) /mg)計算實際的曲臂傾斜角α，其中g為重力加速度。
[0046]基於本發明上述實施例提供的作業車的曲臂傾斜角的測量方法，曲臂做旋轉運動時，安裝在曲臂上的傾角計測量傾角計中測力擺線所受的力F3m，通過計算獲取曲臂傾斜角β。單片機控制器通過曲臂傾斜角β、傾角計中擺錘球的質量m、以及傾角計中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r，計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力進而，單片機控制器對曲臂傾斜角β進行修正處理，通過計算得到實際的曲臂傾斜角α。與現有技術相t匕，利用傾角計測量曲臂傾斜角時考慮向心力的影響，通過修正處理所得到的曲臂傾斜角更加精確。
[0047]圖2為本發明作業 車曲臂傾斜角的測量方法實施例中傾角計的結構示意圖。如圖2所示，傾角計200可以是固體擺式傾角計，其包括固定支架201、測力擺線202和擺錘球203。示例性地，傾角計具體可以是三維微機電系統(3D-MEMS)的傾角計。[0048]具體地，曲臂在靜止的情況下，測量得到的測力擺線所受的力F^F^mgcos α，其中Fa為理論計算得到實際的曲臂傾斜角時測力擺線所受的力，傾角計所測得曲臂傾斜角α即為實際的曲臂傾斜角，如圖3所示，為本發明作業車曲臂傾斜角的測量方法實施例中曲臂靜止時傾角計中擺錘球受力分析的示意圖。
[0049]進一步地，曲臂在做旋轉運動的情況下，例如曲臂做展開或回收運動，如圖4所示，為本發明作業車曲臂傾斜角的測量方法實施例中曲臂做旋轉運動時的示意圖。在圖4中，作業車的主臂300連接曲臂100，傾角計200安裝在曲臂100上，傾角計200與旋轉運動中心O的距離為r。當曲臂100做旋轉運動時，例如，曲臂做展開運動，即由A點運動到B點；或者曲臂做回收運動，即由點運動到C點，傾角計200中的擺錘球203的位置會相應地變化，傾角計200測量的測力擺線202所受的力會相應地變化，此時測量得到的測力擺線202所受的力FM=Fa+F^如圖5所示，為本發明作業車曲臂傾斜角的測量方法實施例中曲臂做旋轉運動時傾角計中擺錘球受力分析的示意圖。根據Ffw=IiigcosP、Fa=Higc0sa，可以得知理論計算得到實際的曲臂傾斜角α時測力擺線所受的力Fa=FM-F@=mgcos β-mgcos α。因此，傾角計所測得曲臂傾斜角a=arccos( (FM_F向)/mg)。
[0050]作為本發明作業車曲臂傾斜角的測量方法的一個具體實施例，圖1所示實施例的步驟102具體可以通過以下方式實現:對曲臂傾斜角β進行微分處理，得到擺錘球的角速度《=di3/dt，其中t為時間；利用公式F@=mco2r，得到擺錘球所受的向心力—般地，角速度ω需要通過陀螺儀傳感器來測量，而該實施例中，通過對曲臂傾斜角β進行微分處理，即可得到角速度ω，省去了價格昂貴的陀螺儀傳感器，節約了開發成本，具有優良的經濟性。
[0051]作為本發明作業車的曲臂傾斜角的測量方法的另一個實施例，圖1所示流程還可以包括:單片機控制器將實際的曲臂傾斜角α輸出到作業車的控制系統，以便根據曲臂傾斜角α來控制臂端的平臺調平、臂架的姿態等，從而提升作業車控制系統的穩定性。作為示例，該實施例中的傾角計可以採用VTI Technologies公司的SCA61T晶片,單片機控制器可以採用Atmel公司的Atmegal6單片機。
[0052]進一步地，作為本發明作業車的曲臂傾斜角的測量方法的又一個實施例，圖1所示流程還可以還包括:單片機控制器將實際的曲臂傾斜角α輸出到顯示器進行顯示。具體地，該顯示器可以是液晶顯示器IXD，將理解，本發明並不限於此。
[0053]作為本發明上述實施例作業車的曲臂傾斜角的測量方法的一個具體實例而非限制，單片機控制器可以通過數字串行外設接口(SPI)來採集曲臂傾斜角β。具體地，傾角計安裝在曲臂上並接通電源後，單片機控制器可以對輸入輸出(IO) 口、定時器、中斷等進行初始設置，以防程序運行過程中的混亂。進一步地，單片機控制器通過SPI接口採集傾角計測量的曲臂傾斜角β，進行修正處理得到實際的曲臂傾斜角α。
[0054]圖6為本發明作業車的曲臂傾斜角的測量系統一個實施例的結構示意圖。該實施例提供的作業車的曲臂傾斜角的測量系統可以實現本發明實施例提供的作業車的曲臂傾斜角的測量方法，如圖6所示，其包括傾角計200和單片機控制器400。
[0055]其中，傾角計200安裝在曲臂100上(參見圖4)，用於在曲臂做旋轉運動時測量傾角計200中測力擺線所受的力Ffw,通過β =arccos (F./mg)計算獲取曲臂傾斜角β ;單片機控制器400，用於通過曲臂傾斜角β、傾角計200中擺錘球的質量m、以及傾角計200中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r，計算得到傾角計200中擺錘球所受的向心力F@ ;單片機控制器400還用於對曲臂傾斜角β進行修正處理，通過利用公式a=arccOS((FS1-F^) /mg)計算實際的曲臂傾斜角α，其中g為重力加速度。
[0056]基於本發明上述實施例提供的作業車的曲臂傾斜角的測量系統，曲臂做旋轉運動時，安裝在曲臂上的傾角計測量傾角計中測力擺線所受的力F3m，通過計算獲取曲臂傾斜角β。單片機控制器通過曲臂傾斜角β、傾角計中擺錘球的質量m、以及傾角計中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r，計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力進而，單片機控制器對曲臂傾斜角β進行修正處理，通過計算得到實際的曲臂傾斜角α。與現有技術相t匕，利用傾角計測量曲臂傾斜角時考慮向心力的影響，通過修正處理所得到的曲臂傾斜角更加精確。[0057]再參見圖2，作為本發明實施例作業車的曲臂傾斜角的測量系統的具體示例而非限制，傾角計200可以是固體擺式傾角計，其包括固定支架201、測力擺線202和擺錘球203。示例性地，傾角計200可以是3D-MEMS的傾角計。與方法實施例相對應，傾角計測量曲臂傾斜角的具體實現過程，這裡不再贅述。
[0058]作為本發明上述實施例作業車的曲臂傾斜角的測量系統的一個具體實施例，單片機控制器400具體對曲臂傾斜角β進行微分處理，得到擺錘球的角速度《=di3/dt，其中t為時間；利用公式~=mco2r，得到擺錘球所受的向心力該實施例中，通過採用單片機控制器400對曲臂傾斜角β進行微分處理，即可得到角速度ω，省去了價格昂貴的陀螺儀傳感器，節約了開發成本，具有優良的經濟性。
[0059]作為本發明作業車的曲臂傾斜角的測量系統的另一個實施例，單片機控制器400還用於將實際的曲臂傾斜角α輸出到作業車的控制系統，以便根據曲臂傾斜角α來控制臂端的平臺調平、臂架的姿態等，從而提升作業車控制系統的穩定性。
[0060]作為本發明作業車的曲臂傾斜角的測量系統的另一個實施例，單片機控制器400還用於將實際的曲臂傾斜角α輸出到顯示器進行顯示。相應地，該實施例還可以包括:顯示器500，用於顯示實際的曲臂傾斜角α。如圖7所示，為本發明作業車的曲臂傾斜角的測量系統的另一個實施例的結構示意圖。
[0061]作為本發明上述實施例作業車的曲臂傾斜角的測量系統的一個具體實例而非限制，單片機控制器400具體可以通過數字串行外設接口 SPI採集曲臂傾斜角β。具體地，傾角計200安裝在曲臂上並接通電源後，單片機控制器400可以對IO 口、定時器、中斷等進行初始設置，以防程序運行過程中的混亂。再參見圖7，進一步地，單片機控制器400通過SPI接口採集傾角計200測量的曲臂傾斜角β，進行修正處理得到實際的曲臂傾斜角α。
[0062]本說明書中各個實施例均採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其它實施例的不同之處，各個實施例之間相同或相似的部分相互參見即可。對於系統實施例而言，由於其與方法實施例基本對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。
[0063]可能以許多方式來實現本發明的方法、系統。例如，可通過軟體、硬體、固件或者軟體、硬體、固件的任何組合來實現本發明的方法和系統。用於所述方法的步驟的上述順序僅是為了進行說明，本發明的方法的步驟不限於以上具體描述的順序，除非以其它方式特別說明。此外，在一些實施例中，還可將本發明實施為記錄在記錄介質中的程序，這些程序包括用於實現根據本發明的方法的機器可讀指令。因而，本發明還覆蓋存儲用於執行根據本發明的方法的程序的記錄介質。
[0064]本領域普通技術人員可以理解:實現上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬體來完成，前述的程序可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，執行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括:R0M、RAM、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0065]本發明實施例可以在曲臂做旋轉運動時，利用安裝在曲臂上的傾角計測量傾角計中測力擺線所受的力F3m，通過計算獲取曲臂傾斜角β。單片機控制器通過曲臂傾斜角β、傾角計中擺錘球的質量m、以及傾角計中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r，計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力進而，單片機控制器對曲臂傾斜角β進行修正處理，通過計算得到實際的曲臂傾斜角α。本發明實施例在傾角計測量曲臂傾斜角時考慮了向心力的影響，通過修正處理所得到的曲臂傾斜角更加精確。
[0066]本發明的描述是為了示例和描述起見而給出的，而並不是無遺漏的或者將本發明限於所公開的形式。很多修改和變化對於本領域的普通技術人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，並且使本領域的普通技術人員能夠理解本發明從而設計適於特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
【權利要求】
1.一種作業車的曲臂傾斜角的測量方法，其特徵在於，包括: 安裝在曲臂上的傾角計在曲臂做旋轉運動時，測量傾角計中測力擺線所受的力F3m，通過β =arccos (F./mg)計算獲取曲臂傾斜角β ； 單片機控制器通過曲臂傾斜角β、傾角計中擺錘球的質量m、以及傾角計中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r，計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力； 所述單片機控制器對曲臂傾斜角β進行修正處理，通過公式a=arccos( (F#J-F/mg)計算實際的曲臂傾斜角α，其中g為重力加速度。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述傾角計包括固定支架、測力擺線和擺錘球； 所述計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力？@包括: 對曲臂傾斜角β進行微分處理，得到擺錘球的角速度《=di3/dt，其中t為時間； 利用公式F向=m ω 2r，得到擺錘球所受的向心力F向。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括: 所述單片機控制器將實際的曲臂傾斜角α輸出到作業車的控制系統。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括: 所述單片機控制器將實際的曲臂傾斜角α輸出到顯示器進行顯示。
5.根據權利要求1至4任意一項所述的方法，其特徵在於，所述單片機控制器通過數字串行外設接口 SPI採集曲臂傾斜角β。
6.一種作業車的曲臂傾斜角的測量系統，其特徵在於，包括: 傾角計，安裝在曲臂上，用於在曲臂做旋轉運動時測量傾角計中測力擺線所受的力F_，通過β =arccos (F./mg)計算獲取曲臂傾斜角β ； 單片機控制器，用於通過曲臂傾斜角β、傾角計中擺錘球的質量m、以及傾角計中擺錘球繞曲臂旋轉運動中心的旋轉半徑r,計算得到傾角計中擺錘球所受的向心力； 所述單片機控制器還用於對曲臂傾斜角β進行修正處理，通過利用公式a =arccos ( (F_-F /mg)計算實際的曲臂傾斜角α，其中g為重力加速度。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述傾角計包括固定支架、測力擺線和擺錘球； 所述單片機控制器具體對曲臂傾斜角β進行微分處理，得到擺錘球的角速度ω=(1β/dt，其中t為時間；利用公式i^=mco2r，得到擺錘球所受的向心力F向。
8.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述單片機控制器，還用於將實際的曲臂傾斜角α輸出到作業車的控制系統。
9.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述單片機控制器，還用於將實際的曲臂傾斜角α輸出到顯示器進行顯示； 所述系統還包括: 顯示器，用於顯示實際的曲臂傾斜角α。
10.根據權利要求6至9任意一項所述的系統，其特徵在於，所述單片機控制器具體通過數字串行外設接口 SPI採集曲臂傾斜角β。
【文檔編號】G01C9/12GK103837133SQ201410097290
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月17日 優先權日:2014年3月17日
【發明者】張霞, 溫讀夫, 肖興軍 申請人:徐工集團工程機械股份有限公司