一种抓斗数控系统及方法
【专利摘要】本发明公开了海底挖掘【技术领域】中的一种抓斗数控系统及方法。本发明包括用于采集抓斗操控杆信号和传感器信号的模拟信号输入端、用于对抓斗当前工作状态信号进行采集的数字信号输入端、用于对所述抓斗操控杆信号、抓斗当前工作状态信号及传感器信号进行算术和逻辑处理并发出控制指令的中央处理器，以及用于向抓斗发送抓斗运动控制信号的模拟信号输出端。本发明实现了抓斗速度闭环控制，改善了抓斗的控制精度，提高了施工效率，通过设备智能化，减弱了挖泥操控对人工经验及能力水平的依赖，适用于各种工作环境，鲁棒性强。
【专利说明】一种抓斗数控系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及海底挖掘【技术领域】，特别涉及一种抓斗数控系统及方法。
【背景技术】
[0002]抓斗式挖泥船的抓斗运动控制是挖泥手通过一个操纵控制手柄的前推(下放抓斗，位置越向前，抓斗下放速度越快)、中位(抓斗停止运动)、后拉(提升抓斗，位置越向后，抓斗提升速度越快)来实现的。在这种工作过程中，挖泥手必须时刻保持对各种信号灯的关注，并根据不同的信号灯反馈信号及现场情况操纵控制杆，使其处于适当的位置，以使抓斗运动的当前速度满足工况，这是一种开环控制方式，其速度控制精度差，且施工精度稳定性极大地依赖于挖泥手的能力和经验，这无疑增大挖泥手的工作强度，使其疲乏，易产生误动作，最终降低工作效率。另外，对操控杆的推拉动作通常是在极短时间内完成的，这不可避免地会使操控杆的输出信号因机械抖动产生变化，这会引起抓斗运动速度也发生抖动，可能会导致安全事故，同时也不利于抓斗精确控制和保证施工质量稳定。为此，产生了由计算机对抓斗升降过程进行自动控制的需求，但现有的操作杆无法满足此需求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种抓斗控制系统和方法提高抓斗的控制精度，维持稳定的施工质量，提高抓斗工作的效率和安全性。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一种抓斗数控系统，其特征在于:该系统包括用于采集抓斗操控杆信号和传感器信号的模拟信号输入端、用于对抓斗当前工作状态信号进行采集的数字信号输入端、用于对所述抓斗操控杆信号、抓斗当前工作状态信号及传感器信号进行算术和逻辑处理并发出控制指令的中央处理器、用于向抓斗发送抓斗运动控制信号的模拟信号输出端。
[0005]所述数字信号输入端用于输入急停控制信号、减速点到达状态信号和深度位置到达状态信号。
[0006]所述抓斗数控系统还包括用于接收所述上位机发出的控制指令的通信连接端口。
[0007]所述中央处理器分别与所述模拟信号输入端、模拟信号输出端、数字信号输入端和通信连接端口连接；所述通信连接端口与上位机连接和通信，并最终实现上位机完全自动控制抓斗运动的目的。
[0008]所述模拟信号输入端为AD转换器。
[0009]所述模拟信号输出端为DA转换器。
[0010]其特征在于:在所述模拟信号输出端连接有控制模式切换电路。
[0011]一种抓斗数控方法，其特征在于:该抓斗数控方法包括以下步骤:
[0012]S1:初始化；
[0013]S2:所述模拟输出端口输出抓斗运动控制信号；
[0014]S3:对所述上位机发送来的指令进行处理的步骤；[0015]S4:对所述模拟信号输入端口和数字信号输入端口接收的信号进行算术和逻辑处理的步骤。
[0016]所述步骤S3具体为:
[0017]所述中央处理器查看所述通信连接端口中是否有所述上位机的控制指令，若有，则执行所述控制指令；否则进入步骤S4。
[0018]所述步骤S4具体为:
[0019]所述中央处理器读取所述模拟信号输入端口和数字信号输入端口接收到的信号，在对模拟信号输入端口接收到的信号进行数据平滑、滤波及防抖动处理后，根据所述数字信号输入端口所接收的信号状态，所述中央处理器生成所述模拟输出端口输出抓斗运动控制信号，返回步骤S3。
[0020]本发明与现有技术相比具有以下的优点:
[0021 ] 1.本发明通过模拟信号输入端口接收来自抓斗操控杆和传感器上采集的数据，通过相应的算术和逻辑算法后，实现了对抓斗运动的闭环控制，减小了控制过程所受外部因素干扰，提高了控制精度和稳定性；
[0022]2.本发明通过中央处理器对抓斗操控杆信号和传感器的信号进行采集和处理，然后根据对数字信号输入端口接收到的信号进行逻辑判断，自动输出相应状态下抓斗应有的运动控制信号，实现了抓斗运动速度控制的自动化；提高了施工质量的稳定性和生产的安全性，极大地提高了施工效率；实现了对抓斗进行平挖和定深的精确控制。施工人员通过控制操控杆启动抓斗挖掘程序后，抓斗在下放过程中将在减速点到达后自动减速至预先设定的速度，在深度位置到达后自动将抓斗停止在目标开挖位置，整个过程中无需人工干预，减轻了施工人员的工作强度及过多地对其技能的依赖，能有效稳定施工质量。
[0023]3.本发明控制模式切换电路实现了从操控杆电路控制到抓斗数控系统控制之间的快速切换，增加了工作方式的选择性，同时又兼顾了原有操作模式；当抓斗数控系统处于工作状态时，可以对来自操控杆和传感器的信号进行平滑、滤波、防抖等处理，实现抓斗下放过程的自动闭环控制；当不需数控系统进行控制时，可切换到操控杆电路直接控制状态，这样仍能够人工对抓斗进行有效控制，鲁棒性强。
[0024]4.本发明通过上位机(可选)能够根据实际的工作情况对抓斗数控系统进行直接控制，从而可实现抓斗挖泥全过程的自动化。即自动下放抓斗、自动减速、自动停止、自动提升、自动卸泥，这是不采用数控系统的抓斗挖泥船不可能实现的功能。故本发明提供了对抓斗进行全自动闭环控制基础条件。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的结构框图；
[0026]图2是本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1所示；为了解决现有提高挖泥船的工作效率，增强挖泥设备有效稳定运行性能和高精确度控制挖泥船的抓斗运动，本发明提出了一种抓斗数控系统及方法。[0028]抓斗数控系统的核心是数字式操控杆控制器，还包括相应外围部件。数字式操控杆控制器主要有数字信号输入端、通信连接端口、中央处理器、模拟信号输入端、模拟输出端口。外围部件主要有一个联动的控制模式切换电路、模拟传感器和数字传感器。
[0029]控制模式切换电路主要用于“原有”和“数字”两种工作方式的切换。当开关位于“原有”位置时，将切断模拟输出端口的输出，同时将常规操控杆的输出信号作为抓斗升降速度控制电压信号输出给抓斗速度控制器。当开关位于“数字”位置时，将切断常规操控杆输出信号，并将模拟输出端口的输出作为抓斗升降速度控制电压信号输出给抓斗速度控制器，此时操控杆信号和传感器信号将经由模拟信号输入端口采集至数字式操控杆控制器，中央处理器在对模拟信号输入端输入的信号进行滤波、平滑和防抖动处理后，再根据数字信号输入端检测到的状态信号，通过闭环控制算法，实时计算出当前应提供给抓斗速度控制器的控制量，最终经由模拟输出端口向抓斗速度控制器发送对应的控制信号。
[0030]本发明系统具体包括:
[0031]1.模拟信号输入端，与抓斗操控杆和抓斗速度、深度传感器连接，用于检测操控杆当前所处的位置(控制量给定值)及传感器信号(抓斗的速度信号和深度信号)，模拟信号输入端选用AD转换器。对传感器信号进行模数转换，经过滤波、去噪、防抖等处理后得到操控杆位置和传感器信号对应的数字信号；
[0032]2.中央处理器，用于根据模拟信号输入端口和数字信号输入端口接收到的信号，生成实时的抓斗控制信号。当通信连接端口接收到上位机(可选)发送来的指令时，优先处理上位机(可选)的指令。实现上位机(可选)直接控制抓斗运动的目的。中央处理器分别与模拟信号输入端、模拟信号输出端、数字信号输入端和通信连接端口连接。中央处理器有对接收到的上机位控制命令进行处理的逻辑算法。
[0033]中央处理器采用ARM处理器或Intel处理器，具体型号可根据实际需要选定；
[0034]3.模拟信号输出端，用于向抓斗速度控制器发送抓斗控制信号，模拟信号输出端选用DA转换器。
[0035]4.数字信号输入端，用于接收来自施工人员发出的急停指令、接收数字传感器检测到的减速点到达信号和深度位置到达信号。具体为:
[0036]“急停”信号是一个数字输入信号，可以用一个按钮产生，也可能来自上位机(可选)，用于命令中央处理器向抓斗速度控制器发送立即停止抓斗运动的控制信号。中央处理器接收到此信号后，会立即向抓斗速度控制器发出停止抓斗运动对应的电压信号。抓斗速度控制器控制立即停止抓斗的动作。
[0037]“减速点到达”是一个数字输入信号，来自于原船的一个开关传感器，用于向中央处理器发送抓斗减速申请。中央处理器接收到此信号后，将通过模拟输出端口向抓斗速度控制器输出一个与预选设定的一个速度值对应的电压值，当抓斗速度控制器接收到此控制信号后，控制抓斗的下放速度减速至预置速度，以便在抓斗深度位置到达时，避免由于下放速度过大而产生较大的惯性，从而产生较大控制误差。
[0038]“深度位置到达”是一个数字输入信号，来自于原船一个开关传感器，用于向中央处理器表明当前抓斗位置已到达预定挖泥位置，此时应停止抓斗运动。中央处理器在接收到此信号后，将向通过模拟输出端口向抓斗速度控制器输出使抓斗运动停止相对应的电压信号。当抓斗速度控制器接收到此信号后，应自动将抓斗停止在目标开挖位置。[0039]5.通信连接端口，用于接收上位机(可选)发出的控制指令。
[0040]6.上位机(可选)，和所述通信连接端口连接，用于通过本发明对抓斗运动过程进行全过程闭环自动控制。
[0041]7.控制模式切换电路，用于选择操控杆控制电路发出抓斗控制信号或数字操控杆控制器发出抓斗控制信号。控制模式切换电路的输出端连接在抓斗速度控制器上，两个输入端分别与操控杆控制电路的输出端和数字操控杆控制器的输出端(模拟信号输出端)连接。采用切换开关或其他切换器件实现。
[0042]参见图2所示；本发明方法包括以下步骤:
[0043]S1:初始化；
[0044]抓斗数控系统接通时，对抓斗数控系统的各个组成部分进行初始化操作；
[0045]S2:所述模拟输出端口输出抓斗运动控制信号；
[0046]为了保证原有抓斗的操作安全性，在接入抓斗数控系统时，将抓斗置于静止状态。
[0047]S3:对所述上位机发送来的指令进行处理的步骤；
[0048]所述中央处理器查看所述通信连接端口中是否有所述上位机(可选)的控制指令，若有，则执行所述控制指令；否则进入步骤S4 ；
[0049]抓斗数控系统正常工作时，通信连接端口中没有上位机(可选)发送来的的控制指令，如果有上位机(可选)的控制指令，则暂停其他操作，优先处理上位机(可选)的控制指令，上位机(可选)的控制指令可以是“急停”指令、设置“减速点到达”后的预置减速速度指令，也可以是通过抓斗数控系统直接控制抓斗运动的控制指令。执行完上位机(可选)的控制指令后，中央处理器继续处理之前暂停的操作。
[0050]S4:对所述模拟信号输入端口(ADC)和数字信号输入端口(DAC)接收的信号进行算术和逻辑处理的步骤；
[0051]所述中央处理器读取所述模拟信号输入端口和数字信号输入端口的信号，在对模拟信号输入端口接收到的信号进行平滑、滤波及防抖处理后，根据所述数字信号输入端口所接收的信号状态，所述中央处理器将生成控制所述模拟输出端口输出抓斗控制信号，返回步骤S3。
[0052]模拟信号输入端口接收操控杆位置信号和传感器的数据，传感器的数据包括抓斗的深度信息和速度信息。中央处理器收到从模拟信号输入端口输入的数据，并对该数据进行滤波、去噪、防抖等处理后，再根据数字信号输入端检测到的状态信号，通过闭环控制算法，实时计算出当前应提供给抓斗速度控制器的控制量，最终经由模拟输出端口向抓斗速度控制器发送对应的控制信号。本发明的优势为:
[0053]本发明通过模拟信号输入端口接收抓斗上的传感器采集的数据和操控杆位置信号，实现了对抓斗速度的闭环控制，控制过程减小了外部因素干扰，提高了控制精度，能增强挖泥设备有效运行性能，利于维持施工质量的稳定性。
[0054]本发明只需通过中央处理器对传感器的信号和数字信号输入端口内的信号比较就可得出对抓斗的控制信号，极大地提高了施工效率，实现了抓斗运动速度控制的自动化；提高了生产的安全性；实现了对抓斗进行高精确度定深控制和平挖控制。过程中无需人工干预，减轻了施工人员的工作强度和过多地对其技能的依赖，能有效稳定施工质量。
[0055]本发明通过中央处理器对抓斗操控杆信号和传感器的信号进行采集和处理，然后根据对数字信号输入端口接收到的信号进行逻辑判断，自动输出相应状态下抓斗应有的运动控制信号，极大地提高了施工效率，实现了抓斗运动速度控制的自动化；提高了生产的安全性；实现了对抓斗进行平挖和定深的精确控制。施工人员通过控制操控杆启动抓斗挖掘程序后，抓斗在下放过程中将在减速点到达后自动减速至预先设定的速度，在深度位置到达后自动将抓斗停止在目标开挖位置，整个过程中无需人工干预，减轻了施工人员的工作强度及对人工能力的依赖性。
[0056]本发明为抓斗挖泥船施工全过程进行全自动闭环控制提供了基础条件。通过本发明，上位机(可选)能够根据实际的工作情况对抓斗数控系统进行直接控制，从而可实现自动下放抓斗、自动减速、自动停止、自动提升、自动卸泥，这是不采用数控系统的抓斗挖泥船不可能实现的功能。
[0057]以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
【权利要求】
1.一种抓斗数控系统，其特征在于:该系统包括用于采集抓斗操控杆信号和传感器信号的模拟信号输入端、用于对抓斗当前工作状态信号进行采集的数字信号输入端、用于对所述抓斗操控杆信号、抓斗当前工作状态信号及传感器信号进行算术和逻辑处理并发出控制指令的中央处理器、用于向抓斗发送抓斗运动控制信号的模拟信号输出端。
2.根据权利要求1所述抓斗数控系统，其特征在于:所述数字信号输入端用于输入急停控制信号、减速点到达状态信号和深度位置到达状态信号。
3.根据权利要求1所述抓斗数控系统，其特征在于:所述抓斗数控系统还包括用于接收所述上位机发出的控制指令的通信连接端口。
4.根据权利要求3所述抓斗数控系统，其特征在于:所述中央处理器分别与所述模拟信号输入端、模拟信号输出端、数字信号输入端和通信连接端口连接；所述通信连接端口与上位机连接和通信，并最终实现上位机完全自动控制抓斗运动的目的。
5.根据权利要求4所述抓斗数控系统，其特征在于:所述模拟信号输入端为AD转换器。
6.根据权利要求4所述抓斗数控系统，其特征在于:所述模拟信号输出端为DA转换器。
7.根据权利要求1-6其中之一所述抓斗数控系统，其特征在于:在所述模拟信号输出端连接有控制模式切换电路。
8.一种应用权利要求1-7其中任一所述的抓斗数控系统实现的抓斗数控方法，其特征在于:该抓斗数控方法包括以下步骤: 51:初始化； 52:所述模拟输出端口输出抓斗运动控制信号； 53:对所述上位机发送来的指令进行处理的步骤； S4:对所述模拟信号输入端口和数字信号输入端口接收的信号进行算术和逻辑处理的步骤。
9.根据权利要求8所述抓斗数控方法，其特征在于:所述步骤S3具体为: 所述中央处理器查看所述通信连接端口中是否有所述上位机的控制指令，若有，则执行所述控制指令；否则进入步骤S4。
10.根据权利要求8所述抓斗数控方法，其特征在于:所述步骤S4具体为: 所述中央处理器读取所述模拟信号输入端口和数字信号输入端口接收到的信号，在对模拟信号输入端口接收到的信号进行数据平滑、滤波及防抖动处理后，根据所述数字信号输入端口所接收的信号状态，所述中央处理器生成所述模拟输出端口输出抓斗运动控制信号，返回步骤S3。
【文档编号】G05B19/18GK103454962SQ201310365448
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】林鸣, 许向东, 刘国生, 刘烈晖, 李纪元, 张继潮, 刘静, 朱淋淋 申请人:中交广州航道局有限公司