一种基于多传感器数据融合的推土机铲刀自适应调节方法

本发明涉及工程机械自动控制，更具体地说，本发明涉及一种基于多传感器数据融合的推土机铲刀自适应调节方法。

背景技术：

1、推土机是土方工程、道路施工、场地平整、水利工程和矿山施工中常用的工程机械。铲刀是推土机完成推土、切削、摊铺和平整作业的核心工作装置。铲刀作业位置是否符合设计作业面要求，直接影响施工面的平整度、坡度一致性和后续施工质量。传统推土机作业通常依赖驾驶员根据经验判断地面高低和铲刀姿态，再通过手动方式控制铲刀升降和倾斜。该方式对驾驶员经验要求较高，在坡面、道路纵坡、横坡或曲面作业场景下，容易出现反复修整、作业效率偏低、平整质量不稳定等问题。

2、随着卫星定位、传感检测和电液控制技术的发展，推土机自动找平技术逐渐应用于工程机械作业控制中。例如，2024年，石昊在《工程机械》期刊上发表《两种推土机自动找平技术对比研究》，以山推dh17g型推土机为对象，对激光控制和gnss三维控制（图2示出）两种自动找平系统进行了比较研究，说明自动找平系统能够通过测量与控制装置辅助铲刀实现找平作业。该类技术说明，推土机自动找平已经从单纯人工经验控制逐步发展为基于传感器检测和液压控制的自动化作业方式。在定位辅助施工方面，2024年，陈杰在《陆军工程大学学报》上发表的《rtk-bds定位的推土机推平作业实时辅助施工研究》中提出，基于北斗rtk技术和运动学方程可以求得推土机实时位置，并可将推土高程与设计平面高程差作为平整作业质量评价依据，该研究还研制了驾驶引导装置，用于实时显示推土机状态与作业进度，该研究表明，rtk-bds定位能够为推土机推平作业提供位置和高程辅助信息，但其重点偏向实时辅助施工和作业效果评价。

3、此外，推土机自动找平控制方式包括激光控制和gps三维高程控制，激光控制系统可将激光信号转化为电信号，并根据电信号变化控制电磁比例液压换向阀，最终控制铲刀提升液压缸实现平整作业；gps三维控制系统则能够结合定位技术和设计数据，实现铲刀实时定位和自动控制。

4、但是，在现有推土机自动找平或辅助施工技术中，通常侧重于获取推土机的实时位置、显示作业状态，或者根据单一高程偏差对铲刀升降动作进行控制。虽然能够在一定程度上辅助驾驶员完成平整作业，但在实际施工过程中，推土机面对的作业面并不总是单一平面，还可能包括道路坡面、边坡以及连续变化的曲面作业面。对于这类复杂作业面，仅根据推土机位置或单一高度偏差进行控制，难以同时判断铲刀当前位置对应的目标高度和目标侧倾角，也难以根据实际铲刀高度、实际铲刀倾角与设计作业面之间的偏差进行协同调节，导致铲刀高度调节和倾角调节之间配合不够紧密，铲刀难以根据不同设计作业面的变化进行自适应调节。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于多传感器数据融合的推土机铲刀自适应调节方法，是通过rtk定位系统、铲刀倾角传感器和铲刀高度传感器融合得到铲刀三维坐标，在设计作业面数据中确定铲刀当前位置对应的目标高度和目标侧倾角，并将实际状态与目标状态之间的偏差转换为pwm控制信号，基于电磁比例阀对液压油路进行分配和流量调节，实现铲刀高度、倾角的自适应调节，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于多传感器数据融合的推土机铲刀自适应调节方法，包括如下步骤：

4、步骤1，获取设计作业面数据。

5、步骤2，通过多传感器采集推土机铲刀作业过程中的实时检测数据，得到铲刀刀刃参考点的三维坐标、铲刀实际高度和铲刀实际侧倾角。

6、步骤3，根据铲刀作业位置的三维坐标，在设计作业面数据中确定铲刀当前位置对应的目标高度和目标侧倾角。

7、步骤4，将铲刀实际高度和目标高度比较得到高度偏差，将铲刀实际倾角和目标侧倾角比较得到倾角偏差。

8、步骤5，根据高度偏差和倾角偏差生成对应的pwm控制信号，输出至电磁比例阀。

9、步骤6，基于pwm控制信号调节铲刀高度和铲刀倾角。

10、作为本发明进一步方案，步骤1，获取设计作业面数据，包括以下具体内容：通过驾驶室显控终端输入设计作业面数据，所述设计作业面数据包括平面作业数据、坡面作业数据和曲面作业数据。设计作业面数据经can总线传输至pid控制器，使pid控制器在作业前获得推土机铲刀应当满足的目标作业要求。

11、作为本发明进一步方案，步骤2，通过多传感器采集推土机铲刀作业过程中的实时检测数据，得到铲刀刀刃参考点的三维坐标、铲刀实际高度和铲刀实际侧倾角，包括以下具体内容：通过rtk定位系统、铲刀倾角传感器和铲刀高度传感器采集推土机铲刀作业过程中的实时检测数据。所述rtk定位系统用于获取推土机在施工区域中的实时空间位置，当铲刀倾角传感器安装在铲刀上时，直接采集铲刀相对于水平基准面的倾角数据；当倾角传感器安装在推土机车体上时，pid控制器结合铲刀连接机构几何关系和铲刀高度数据换算得到铲刀实际倾角，所述铲刀高度传感器用于采集铲刀升降位置或铲刀相对于施工基准面的高度数据。pid控制器对rtk定位系统的数据、铲刀倾角传感器的数据和铲刀高度传感器的数据进行融合处理，并由pid控制器根据高度偏差和倾角偏差生成pwm控制信号。

12、作为本发明进一步方案，步骤3，根据铲刀作业位置的三维坐标，在设计作业面数据中确定铲刀当前位置对应的目标高度和目标侧倾角，包括以下具体内容：pid控制器根据铲刀作业位置的三维坐标，在载入的设计作业面数据中确定铲刀当前位置对应的目标高度和目标侧倾角。具体地，pid控制器将三维坐标中的水平位置坐标与设计作业面数据进行对应。当设计作业面数据为平面作业数据时，pid控制器确定铲刀当前位置对应的目标高度；当设计作业面数据为坡面作业数据或曲面作业数据时，pid控制器确定铲刀当前位置对应的目标高度和目标侧倾角。

13、作为本发明进一步方案，步骤4，将铲刀实际高度和目标高度比较得到高度偏差，将铲刀实际倾角和目标侧倾角比较得到倾角偏差，包括以下具体内容：pid控制器将铲刀实际高度与目标高度进行比较，得到高度偏差；并将铲刀实际倾角与目标侧倾角进行比较，得到倾角偏差。高度偏差用于确定铲刀整体是否需要提升或下降，倾角偏差用于确定铲刀是否需要进行侧倾调节。

14、作为本发明进一步方案，步骤5，根据高度偏差和倾角偏差生成对应的pwm控制信号，输出至电磁比例阀，包括以下具体内容：pid控制器根据高度偏差的方向确定铲刀升降控制方向，并根据高度偏差的大小确定对应pwm控制信号的输出强度。当高度偏差表示铲刀实际高度高于目标高度时，pid控制器生成用于控制铲刀下降油路的pwm控制信号；当高度偏差表示铲刀实际高度低于目标高度时，pid控制器生成用于控制铲刀提升油路的pwm控制信号。控制器根据倾角偏差的方向确定铲刀侧倾调节方向，并根据倾角偏差的大小生成用于控制铲刀侧倾油路的pwm控制信号。

15、作为本发明进一步方案，步骤6，基于pwm控制信号调节铲刀高度和铲刀倾角，包括以下具体内容：pid控制器根据高度偏差和倾角偏差生成对应pwm控制信号，并输出至电磁比例阀；电磁比例阀依据pwm控制信号选择并调节铲刀提升油路、下降油路或侧倾油路的导通状态和流量，使液压油进入液压缸相应工作腔并形成压力差，推动液压缸伸出或回缩，从而驱动铲刀完成提升、下降或侧倾动作；动作完成后重新采集铲刀状态并更新控制信号，实现铲刀位置和姿态的闭环自适应修正。

16、本发明一种基于多传感器数据融合的推土机铲刀自适应调节方法的技术效果和优点：本发明通过rtk定位系统、铲刀倾角传感器和铲刀高度传感器融合获取铲刀作业位置三维坐标，并结合设计作业面数据确定目标高度和目标侧倾角，再由pid控制器生成pwm控制信号，经电磁比例阀调节液压油路，使液压缸驱动铲刀提升、下降或侧倾，并通过重新采集状态实现闭环修正，提高复杂作业面下铲刀调节的自适应性、平整精度和作业效率。