摘  要： 根據目前國內缺乏液壓挖掘機在線計量裝置的現狀，提出了一種液壓挖掘機動態稱重系統的設計方案。闡述了系統的功能、工作原理、精度控制方式以及以Kane動力學方程思想為核心的動態稱重的數學模型，以ARM芯片STM32F103和DSP芯片TMS320F28335為核心分別進行數據采集和數據分析的硬件、軟件設計。兩種芯片的結合使用使動態稱重系統數據處理快速，測量精度高，可移植性和可擴展性強，具有良好的市場前景和經濟效益。

　　關鍵詞： 挖掘機；動態稱重；Kane方程；STM32F103；TMS320F28335

　　液壓挖掘機是一種機構復雜、用途廣泛的工程機械。在工程機械的一些領域，如裝載機、門座起重機以及集裝箱正面吊運機等，均有相對成熟的動態稱重技術的應用。由于液壓挖掘機本身機構的復雜性和工作環境的惡劣性，大多基于液壓挖掘機的稱重技術都是基于理論的研究，而實際液壓挖掘機在采裝運輸作業過程中主要存在以下稱重方面的問題：

　　（1）作業過程沒有在線計量裝置，所以要知道挖掘機所挖掘土石等物料的質量，只能通過將物料轉移到貨車上，貨車再通過地磅等稱重裝置測量物料的重量。隨著裝卸次數的增加，既浪費了人力財力，也降低了裝卸效率，又不能保證測量精度。

　　（2）由于在線計量裝置的缺乏，不能準確地把握所挖掘的質量，會使貨車處于欠載或者超載情況，前者不利于客戶的利益，損壞企業形象，后者造成貨車等車輛損壞以及不必要的公路超重罰款等。

　　（3）目前液壓挖掘機上使用的稱重系統大多是靜態稱重系統，要求用戶在每個工作循環中將挖掘機的工作裝置靜止一段時間或者將其停留在一個特定的姿態，然后再利用液壓缸油壓等信號與重量之間的比例求得鏟斗負載量。以上的靜態稱重法雖然能夠在一定程度上實現挖掘機鏟斗物料重量的稱重，但是均需要挖掘機間歇性工作的配合，具有很大的局限性，而且使挖掘機的挖掘效率大大降低，從而造成各種資源的浪費。

　　基于上述因素，以及從適應現代機械化的提高生產效率、降低成本、節約勞動力、提高工程質量等方面的發展要求考慮，本文提出了一種液壓挖掘機動態稱重系統的設計方案。

1 系統整體方案

　　1.1 系統功能

　　本文研制的液壓挖掘機動態稱重系統主要功能是測量正常作業時液壓挖掘機的各個工作裝置的姿態位置信息以及各個工作裝置液壓缸的驅動力，將以上測量的動態數據用Kane動態方程進行算法解析，從而實現全自動、不停止正常挖掘作業的計量所挖掘物料質量的方式。該系統主要由傳感器、基于ARM微處理器STM32F103的數據采集系統、基于DSP微處理器TMS320F28335的數據分析系統以及儀表盤顯示和RS232等串行通信口等外圍電路模塊構成。

　　1.2 動態稱重數學模型

　　本文的動態稱重系統算法的基礎是利用工程動力學代替靜力來解決質量測量問題，利用己知的定律、定理推導出系統的數學模型，其主要的思想是Kane動力學方程的思想，具體實現方式如下：

　　（1）如圖1所示，在挖掘機上分別定義5個坐標系（X，Y）、（x，y）、（s，t）、（u，v）、（p，q）和3個廣義坐標，其中（X，Y）是固定參考坐標系，（x，y）是駕駛艙坐標系，（s，t）是大臂坐標系，（u，v）是斗桿坐標系，（p，q）是鏟斗坐標系，1為大臂與水平面的夾角，2為大臂與斗桿的夾角，3為鏟斗與斗桿的夾角。

　　（2）根據Kane動力學方程[1]，在同一廣義坐標下，參照物的廣義主動力和該參照物的廣義慣性力之和為0，可得如下方程組：

　　（3）通過求解Kane定義的慣性力和慣性力矩[2-3]，可求得在各廣義坐標系下各個參照物的廣義慣性力

　　（4）根據參考文獻[2]的Kane廣義主動力的定義，分別對駕駛艙、大臂、斗桿、鏟斗進行受力分析，可求得在各廣義坐標下各個參照物的廣義主動力。

　　（5）將已求得的廣義慣性力和廣義主動力代入式（1），再進行化簡、消元、合并同類項等數學處理，可得下列方程：

　　其中，B1、B2、D1、D2、E1、E2、F1、F2為通過Kane運動學分析，利用各參照物上的陀螺儀和傾角傳感器直接或間接測量并計算所得到的質心加速度、速度、偏速度、角速度、偏角速度、角加速度、三個廣義坐標的一階時間導和二階時間導等動態數據集的組合，均為已知量。pM、qM和M4為剩余的3個未知量，其中pM、qM是為了表示鏟斗物料的質心坐標而引入的兩個未知量，M4是挖掘機動態狀態下計算的挖掘機鏟斗上鏟斗物料的重量。

　　（6）消除未知量qM，方程組（2）轉化為：

　　其中，Hi=D2E1-D1E2，Ji=F2E1-F1E2，Ki=B2E1-B1E2，下標i表示每個瞬時采集的不同的數據集。

　　（7）將式（3）表示為矩陣的形式，即：Ax=b，其中：

　　矩陣A與向量b均為已知量，通過最小二乘法求得x的理想值，最終得到M4的理想值。

2 動態稱重系統硬件設計

　　系統硬件主要包括采樣電路、核心電路、外圍電路以及電源模塊四大部分，如圖2所示。

　　2.1 采樣電路

　　采樣電路采用的主控芯片是STM32F103，該微處理器基于ARM Cortex-M3內核，具有最高72 MHz的工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25 DMIPS/MHz，適用于液壓挖掘機動態稱重數據的采集[4]。該電路的主要任務是采集挖掘機各個工作裝置的姿態信息以及各個液壓缸的壓力信息，將所采集的數據信息進行初步的處理并傳送至核心電路，以備數據分析單元進行稱重算法的解算。

　　采樣電路主要包括壓力傳感器、MPU-9150模塊、A/D轉換器、位置傳感器、高速外部時鐘、JTAG和EEPROM。

　　壓力傳感器有6個，分別用來采集大臂油缸、斗杠油缸以及鏟斗油缸的進出油口壓力信號，它們將油壓轉換為電信號，而對應的A/D轉換器則將液壓缸油壓模擬信號轉換為數字量以用于之后的計算，壓力信號采集的電路設計如圖3所示。

　　MPU-9150模塊由STM32F103的I2C擴展，具有三軸陀螺儀、三軸加速度、三軸磁場功能，采用標準I2C通信協議，芯片內置16 bit A/D轉換器，16 bit數據輸出，陀螺儀范圍、加速度范圍、磁場范圍均符合液壓挖掘機動態稱重技術的數據采集需求，其硬件電路設計如圖4所示。

　　位置傳感器采用霍爾元件，用來控制采樣電路采樣的起止時間，若挖掘機處于可采樣區段的姿態，則通過向核心電路發送一個開關信號來觸發數據采集，此時開關量值置為1，否則置為0。高速外部時鐘采用8 MHz的晶振，20 pF的旁路電容。EEPROM采用芯片型號為M95640-WMN3，由4個SPI口外擴生成，主要用來存放硬件設置數據。數據采樣電路通過外擴一個CAN口與核心電路的CAN口連接，用來傳送傳感器所采集的數據參數。

　　2.2 核心電路的設計

　　核心電路的主控芯片是TMS320F28335，它的CPU包含一個浮點運算單元（FPU），其32×32位的MAC操作及8級流水線技術使程序的執行不用高速存儲器也能達到較高的速度。片上存儲器包括最高達512 KB的閃存與68 KB的RAM，代碼安全性模塊具有128位密碼保護，用來保護Flash/OTP和部分SRAM，從而保證了相關寄存器的數據安全[5]。基于以上的運算特性，選擇TMS320F28335符合液壓挖掘機動態稱重數據的分析解算要求。

　　核心電路主要包括DSP微處理器、SDRAM存儲器和Flash存儲器，是整個硬件平臺的核心。其主要功能是：（1）通過CAN口接收采樣電路傳送的稱重數據，由于動態稱重數據量龐大，可利用SDRAM存儲器進行緩沖，稱重計算過程產生的臨時動態數據存儲在FLASH存儲器中以便于稱重計算過程快速順利地進行；（2）將A/D轉換器得到的數據按預定的方法進行計算以得到最終的結果，即挖掘機的實際載重量；（3）對外圍電路中的各部分模塊進行控制，以實現人機交互功能。SDRAM存儲器和Flash存儲器采用的芯片分別是SST39VF160和IS61LV6416-12T，其硬件電路設計和連接分別如圖5和圖6所示。

　　2.3 外圍電路的設計

　　外圍電路主要包括通信接口、報警電路、液壓挖掘機儀表顯示器及其接口。

　　（1）通信接口：包括CAN總線模塊、RS232、UART串口模塊等，其中CAN總線模塊用于實現數據與其他上位機之間的無線傳輸；RS232、UART串口模塊用于PC與本系統平臺之間的通信，實現程序和數據的下載和上傳等功能。

　　（2）報警電路：當累積重量達到設定的重量值或非正常工作時，微處理器將發出報警指令給稱重報警單元，稱重報警單元發出報警聲，利用此稱重報警單元可對挖掘機的鏟斗起到保護作用。

　　（3）液壓挖掘機儀表顯示器及其接口：用于顯示液壓挖掘機動態稱重結果。

　　2.4 電源模塊的設計

　　電源模塊需要為采樣電路、核心電路以及外圍電路提供安全、可靠、穩定的直流電源，液壓挖掘機的電源為12 V蓄電池串聯組成的24 V的電瓶電源。為了簡化電源模塊的設計以及提高供電的穩定性，本設計采用開關電源芯片LTM8025EV#PBF來實現蓄電池24 V轉換為5 V的穩定直流電源。5 V的直流電源再通過以TPS767D301為核心芯片的電壓轉換模塊轉化為1.9 V和3.3 V。

　　其中采樣電路的主控芯片STM32F103需要3.3 V的供電，核心電路主控芯片TMS320F28335則采用雙電源供電方式，其中CPU、時鐘工作電路以及芯片的內部邏輯等內核電源需要1.9 V供電，I/O接口以及外部器件與該芯片接口的I/O電源需要3.3 V的供電，此類電源電壓不需要設計電平轉換電路。與3.3 V電源相比，1.9 V的電源可以使芯片的功耗大大降低。

3 動態稱重系統軟件設計

　　軟件設計的主要任務是：ARM微處理器STM32F103通過A/D采樣、變換傳感器，經DSP微處理器TMS320F28335的數據分析、處理，實現相關數據的輸出顯示等功能。該裝置的主程序流程如圖7所示，具體的程序設計包括初始化程序、開機自檢程序、STM32F103的數據采集和TMS320F28335的數據處理程序、濾波程序、稱重程序、稱重結果顯示程序、人機交互程序、通信接口及通用I/O接口驅動程序等。

　　其中，初始化程序包括STM32F103最小系統和TMS320F28335最小系統的相關初始化和通信接口與A/D接口的初始化。開機自檢是通過系統內部固化好的程序對系統各硬件的好壞以及線路的暢通與否進行檢查，若出現不正常的現象，則系統進行報警警示。

4 動態稱重系統精度控制

　　衡量挖掘機性能的主要標準除了所應用的動態稱重算法以及軟硬件的設計，還有液壓挖掘機動態稱重的精度的控制，本系統主要從以下兩個方面提高精度。

　　（1）液壓挖掘機動態稱重信號預處理。本文通過設計合適的數字低通濾波器（如巴特沃斯數字低通濾波器）對實際液壓挖掘機動態稱重數據進行高頻去噪處理，利用Levenberg-Marquardt算法抑制低頻干擾來解決所測得的稱重信號摻雜的高低頻噪聲，并用仿真計算驗證。

　　（2）誤差補償算法分析。本文研究的液壓挖掘機稱重系統，其誤差補償的本質是對傾角與壓力進行補償，引起誤差的誤差源主要是動臂速度、物料偏載、溫度等。所以需要分別通過速度影響分析、物料偏載影響分析、溫度影響分析等完成動態補償，具體的動態補償方式在此不予以闡述。

　　本文設計的液壓挖掘機動態稱重系統結構簡單、體積小，能準確、快速、可靠地測量挖掘機載重貨物的質量。通過MATLAB動態方程仿真表明，該系統的數學模型精確，單次稱重精度達2%~5%，綜合精度可低于3%。系統程序可移植性強，配合適當的傳感器，稱重模塊同樣可應用于其他載貨裝置的稱重領域，比如裝載機、門座起重機等。實際應用中，稱重模塊可以擴展GPS和無線傳輸接口（GPRS或GSM），將液壓挖掘機的作業狀態和載貨的各種數據傳輸到監控中心，由遠程監控中心實時統計、匯總，實現對挖掘機作業情況的實時監督與調度，大大提升了該稱重系統的應用價值。

　　參考文獻

　　[1] KANE T， LEVINSON D. Dynamics： theory and applications[M]. New York： McGraw Hill， 1985.

　　[2] 蘇曙.Kane方法及其特點[J].機械設計，1993，8（4）：4-6.

　　[3] 劉武發，龔振邦，汪勤愨.基于旋量理論的開鏈機器人動力學Kane方程研究[J].應用數學和力學，2005，26（5）：577-584.

　　[4] STM32F103. Datasheet（Chinese_V4.0）[S].2008.

　　[5] TMS320F28335. Digital Signal Controllers Data Manual[S].2007.