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装载机车载自动称重仪系统研究

作　者: 杨波波
导　师: 张新荣
学　校: 长安大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 装载机动态称重算法硬件设计软件设计人机界面设计实验
分类号: TH715.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 137次
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内容摘要

装载机是一种使用非常普遍的土方施工机械,也是公路铁路上用于散状物料装卸的主要机种之一。目前,车载自动称重仪越来越多地被用于装载机装卸作业时对物料的动态称重。但是由于装载机作业环境一般比较恶劣,操作人员操作具有任意性,工作装置在工作时具有振动性且会受到惯性冲击,同时多铰链机构摩擦力的大小具有随机性,所以,具有较高称重准确度和稳定性的自动称重仪实现难度较大。同时市场上的自动称重仪普遍存在称重精度低、人机界面不人性化、经常需要调试标定、对操作人员有较多操作要求等缺陷。据此,本课题拟对自动称重仪系统进行全面研究,并设计一套有较高称重精度和可靠性的、具有友好人机界面的自动称重仪系统。本课题对国内外现有自动称重仪称重方案和理论进行了调研,结合典型ZL50型装载机的系统与典型工况,提出了一套基于卡特彼勒称重算法模型的改进型分区间固定角度预标定称重算法。同时提出了一种分段搜索有效匀速段的方案用于解决动臂角加速度带来的惯性力问题。此外,本课题对一种多项式回归算法进行了研究,并将之运用于动态称重过程的数字滤波。对于称重系统的动态补偿问题,本课题分别从速度、偏载以及温度等方面进行分析,并给出了相应的解决方案。对于离散数据的插值问题,本课题采用了一种结合最小二乘拟合的Akima插值算法。基于对算法和应用需求的考虑,本系统设计了S3C44BOX核心主机系统,同时建立了基于MODBUS协议RS-485总线的dsPIC33FJ12MC201核心数字传感器网络；然后移植了嵌入式RTOS(Real Time Operating System,实时操作系统)μc/OS 2.76与嵌入式GUI(Graphical User Interface,图形用户界面)系统μc/GUI 3.90a,实现了自定义的汉字字库与中文输入法,然后对系统的通信接口程序进行了设计,接着基于FSM(Finite State Machie,有限状态机)理论设计了系统核心称重程序框架及其上层程序；最后,本课题建立了一套具有两级管理权限的HMI(Human Machine Interface,人机接口)系统。经过在陕西省韩城市某煤矿的称重实验,结果证明本课题建立的自动称重仪系统具有较好的称重精度、较高的称重稳定性以及良好的可操作性,值得进行推广应用。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-17
  引言  11
  1.1 本课题研究意义  11-13
  1.2 国内外研究概况及发展趋势  13-14
  1.3 自动称重仪相关标准及技术指标  14-16
  1.4 研究内容与研究方法  16-17
第2章方案论证  17-25
  2.1 称重方案分析  17-18
  2.2 轮式装载机系统分析  18-22
    2.2.1 装载机液压系统分析  18-19
    2.2.2 装载机工作装置分析  19-20
    2.2.3 装载机作业工况分析  20-22
  2.3 系统总体方案  22-23
  2.4 本章小节  23-25
第3章称重算法研究  25-51
  3.1 轮式装载机动力学模型分析  25-28
    3.1.1 动臂举升过程动力学分析  26-27
    3.1.2 动臂所受力矩分析  27-28
  3.2 称重算法分析  28-31
    3.2.1 变速工况  29-30
    3.2.2 匀速工况  30-31
    3.2.3 综合分析  31
  3.3 数据滤波算法分析及仿真研究  31-42
    3.3.1 传感器原始数据分析  33-35
    3.3.2 分段多项式回归算法的理论分析和仿真研究  35-42
  3.4 动臂角加速度问题分析  42-45
  3.5 误差补偿算法分析  45-46
    3.5.1 速度影响分析  45-46
    3.5.2 物料偏载影响分析  46
    3.5.3 温度影响分析  46
  3.6 插值算法分析  46-48
  3.7 本章小结  48-51
第4章硬件系统设计  51-81
  4.1 总体方案  51
  4.2 核心处理单元  51-72
    4.2.1 硬件资源分配及系统设置  54-57
    4.2.2 系统实时时钟  57
    4.2.3 电源系统设计  57-60
    4.2.4 存储系统设计  60-62
    4.2.5 串口通信接口设计  62-64
    4.2.6 USB通信接口设计  64-66
    4.2.7 CAN总线通信接口设计  66-68
    4.2.8 LCD接口设计  68-69
    4.2.9 键盘电路设计  69-71
    4.2.10 声音报警电路设计  71-72
    4.2.11 JTAG接口电路设计  72
  4.3 数据采集系统设计  72-77
    4.3.1 传感器通信网络  73
    4.3.2 核心DSP处理器  73-74
    4.3.3 DSP电源电路设计  74
    4.3.4 串行通信接口设计  74-76
    4.3.5 倾角传感器及其调理电路  76
    4.3.6 压力传感器及其调理电路  76-77
  4.4 微型打印机选型  77-78
  4.5 本章小结  78-81
第5章软件系统设计  81-107
  5.1 总体方案  81
  5.2 Boot Loader设计  81-83
  5.3 嵌入式实时操作系统  83-85
    5.3.1 嵌入式操作系统介绍及选择  83-84
    5.3.2 μc/OS系统移植  84-85
  5.4 嵌入式GUI系统  85-92
    5.4.1 主流嵌入式GUI系统介绍  85-86
    5.4.2 μc//GUI系统移植  86-87
    5.4.3 自定义字库实现  87-90
    5.4.4 中文输入法实现  90-92
  5.5 通信系统程序设计  92-98
    5.5.1 基于MODBUS协议的串口网络通信程序设计  92-94
    5.5.2 USB通信程序设计  94-96
    5.5.3 CAN总线通信程序设计  96-98
  5.6 动态计重系统核心处理程序设计  98-106
    5.6.1 称重系统核心FSM软件框架模型分析  99-101
    5.6.2 功能模块分析及其FSM模型分析  101-103
    5.6.3 核心称重模块软件设计  103-106
  5.7 本章小结  106-107
第6章人机界面系统设计  107-117
  6.1 总体方案  107
  6.2 界面调度器  107-109
  6.3 系统初始化  109-110
    6.3.1 称重区间标定  109
    6.3.2 系统预热  109-110
    6.3.3 系统参数标定界面  110
  6.4 动态称重人机交互设计  110-111
    6.4.1 称重信息编辑界面  110-111
    6.4.2 动态称重相关界面  111
  6.5 系统管理平台人机交互设计  111-115
    6.5.1 系统登录与菜单系统设计  112
    6.5.2 信息管理模块  112-113
    6.5.3 系统基本参数设置模块  113
    6.5.4 系统高级参数设置模块  113-115
    6.5.5 示波器模块  115
  6.6 本章小结  115-117
第7章实验研究  117-125
  7.1 系统实验  117-121
    7.1.1 实验器材及实验工具  118-119
    7.1.2 系统安装方案  119
    7.1.3 现场实验  119-121
  7.2 实验数据及实验结论  121-123
  7.3 本章小结  123-125
总结与展望  125-129
参考文献  129-137
致谢  137

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