專利名稱：工程機(jī)械及其操縱手柄輸出信號的處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及工程機(jī)械，特別是涉及工程機(jī)械及其操縱手柄輸出信號的處理裝置。
背景技術(shù)：
操縱手柄(Joystick)是一種常用的人機(jī)接口裝置，它廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、交通 運(yùn)輸工具、醫(yī)療設(shè)備、測量儀器以及游戲機(jī)等儀器或設(shè)備，用于操控上述儀器或設(shè)備。按照 操縱手柄的不同使用場合，一般將其分為工業(yè)用手柄、精確控制手柄和游戲手柄三類；其 中，工業(yè)用手柄主要應(yīng)用在作業(yè)環(huán)境比較惡劣、工作中使用比較頻繁的工程機(jī)械上，例如， 在叉車、起重機(jī)等。作為控制工程機(jī)械作業(yè)的操控部件，手柄具有一個中心位置并可相對于該中心位 置前、后、左、右擺動。其工作原理是當(dāng)操作者左右(以下簡稱X方向)、前后(以下簡稱Y 方向)擺動手柄時，設(shè)置在手柄上的傳感器實(shí)時地輸出反映手柄位置的電信號至信號處理 模塊，信號處理模塊將此電信號進(jìn)行濾波后，再根據(jù)輸入?yún)?shù)值和期望輸出值之間的比值 映射(轉(zhuǎn)換)成相應(yīng)的控制信號輸出至相應(yīng)的執(zhí)行元件，由執(zhí)行元件完成相應(yīng)的動作。近年來，隨著CAN總線技術(shù)的日趨成熟，基于CAN總線設(shè)計的操縱手柄在工程機(jī)械 領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。雖然工業(yè)用手柄類型多種多樣，但是，根據(jù)手柄上的傳感器類型其 主要分為兩方向傳感器型和四方向傳感器型兩種。二者的主要區(qū)別在于，信號處理模塊的 輸入電信號形態(tài)不同，即從傳感器輸出至信號處理模塊的反映手柄位置的電信號的形態(tài)不 同。兩方向傳感器型手柄信號處理模塊的輸入信號形態(tài)如圖1所示，其特點(diǎn)為手柄 的擺動相對于中心位置呈中心對稱狀，對于信號處理模塊面言，與手柄位置相對應(yīng)的輸入 電信號則由左至右呈線性逐漸增大狀(以X方向?yàn)槔?，手柄擺動至左端的最大位置時所對 應(yīng)的是輸入電信號的最小值；Y方向與此相類。四方向傳感器型手柄信號處理模塊的輸入 信號形態(tài)如圖2所示，其特點(diǎn)為相對于信號處理模塊而言，與手柄位置相對應(yīng)的輸入電信 號也呈中心對稱狀，也就是說，手柄擺動位置與控制單元的輸入電信號的形態(tài)相一致，手柄 擺動至左端的最大位置時所對應(yīng)的是輸入電信號的最大值。具體應(yīng)用時，信號處理模塊對 上述兩種類型手柄的輸入電信號進(jìn)行處理，處理后輸出與各執(zhí)行元件相匹配的期望輸出信 號，分別如圖3、圖4所示。由此可見，兩方向和四方向傳感器型手柄信號處理模塊的輸入、 輸出信號形態(tài)是完全不同的。眾所周知，手柄類型不同，不同廠家的手柄輸入范圍也不同，加之用戶在設(shè)計時的 多樣化要求，因此，對于主機(jī)廠商來說，選用不同的手柄需要搭載不同的信號處理模塊。顯 然，上述處理方法中存在以下一些問題(1)信號處理模塊中的PLC程序設(shè)計較為煩瑣，程序不具備通用性。(2)在實(shí)際應(yīng)用中，不同產(chǎn)品的不同配置對應(yīng)著不同的信號處理模塊，如圖5所 示，三個不同的手柄模塊對應(yīng)到不同的產(chǎn)品配置上，每種產(chǎn)品產(chǎn)生了多個版本的軟件，隨著產(chǎn)品的不斷增加，需要維護(hù)的軟件也成倍地增加。(3)對于不同的手柄模塊，處理的接口不同，使用人員必須掌握各種模塊的原理才 能確保正確合理的使用，因此使用也極不方便。有鑒于此，亟待解決現(xiàn)有的工業(yè)用手柄信號處理模塊所存在不具備通用性，而且 維護(hù)成本高，使用不方便的問題。

實(shí)用新型內(nèi)容針對上述缺陷，本實(shí)用新型解決的技術(shù)問題在于，提供一種操縱手柄輸出信號的 處理裝置，以統(tǒng)一的接口完成輸入、輸出信號的映射，從而提高了手柄信號處理裝置的使用 效率及應(yīng)用的正確性，同時大大減少了軟件的維護(hù)成本。在此基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還提供 具有該裝置的工程機(jī)械。本實(shí)用新型提供的操縱手柄輸出信號的處理裝置，包括存儲單元、采集單元、比較 單元、轉(zhuǎn)換單元和映射單元，所述存儲單元用于儲存定義的表征操縱手柄類型的特征參數(shù); 所述采集單元用于獲取反映操縱手柄實(shí)際位置的操縱手柄輸入電信號，并輸出至比較單 元；所述比較單元用于根據(jù)操縱手柄輸入電信號輸出比較結(jié)果信號至轉(zhuǎn)換單元；所述轉(zhuǎn)換 單元用于根據(jù)比較結(jié)果信號輸出對應(yīng)于兩方向傳感器型操縱手柄特征參數(shù)的電信號至映 射單元；所述映射單元用于將轉(zhuǎn)換單元輸出的電信號映射為輸出控制信號。本實(shí)用新型提供的工程機(jī)械，包括操縱手柄，還包括如前所述的操縱手柄輸出信 號的處理裝置。本實(shí)用新型提供的操縱手柄通用的信號處理裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益 效果首先，本實(shí)用新型采用了面向?qū)ο蟮姆治龇椒?，將手柄的信號處理裝置抽象出來， 用若干個統(tǒng)一定義的特征參數(shù)表征操縱手柄的類型，裝置內(nèi)部通過比較單元和轉(zhuǎn)換單元自 動判斷和轉(zhuǎn)換，使輸出的控制信號統(tǒng)一為兩方向傳感器型；這樣，由于提供給使用者統(tǒng)一的 應(yīng)用接口，因而有效提高了裝置的使用效率及應(yīng)用的正確性。其次，由于裝置內(nèi)部的轉(zhuǎn)換單元可以對輸入電信號自動轉(zhuǎn)換，因此該裝置無論是 裝配兩方向傳感器型還是四方向傳感器型手柄，其輸出的控制信號是相同的，因此具有較 好的通用性，從而可簡化下一環(huán)節(jié)程序設(shè)計人員的設(shè)計。再次，應(yīng)用在不同產(chǎn)品上只須一個模塊，也就是說，只須對應(yīng)一個軟件版本，因此， 降低了軟件的維護(hù)成本，提高了開發(fā)效率。

圖1是現(xiàn)有兩方向傳感器型手柄信號處理模塊的輸入信號形態(tài)示意圖；圖2是現(xiàn)有四方向傳感器型手柄信號處理模塊的輸入信號形態(tài)示意圖；圖3是現(xiàn)有兩方向傳感器型手柄信號處理模塊的輸出信號形態(tài)示意圖；圖4是現(xiàn)有四方向傳感器型手柄信號處理模塊的輸出信號形態(tài)示意圖；圖5是現(xiàn)有不同手柄信號處理模塊應(yīng)用在不同產(chǎn)品上的配置圖；圖6是具體實(shí)施方式
中所述信號處理方法流程圖；圖7是具體實(shí)施方式
中所述信號映射關(guān)系的原理圖；[0025]圖8是具體實(shí)施方式
中所述信號處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是具體實(shí)施方式
中所述信號處理裝置的接口示意圖；圖10是具體實(shí)施方式
中所述信號處理裝置應(yīng)用在不同產(chǎn)品上的配置圖。
具體實(shí)施方式
基于現(xiàn)有操縱手柄輸出信號的處理方法，本實(shí)用新型提出了改進(jìn)設(shè)計，以提高操 縱手柄的信號處理模塊的通用性，從而降低維護(hù)成本。下面結(jié)合說明書附圖具體說明本實(shí)施方式。請參見圖6，該圖是本實(shí)施方式所述操縱手柄輸出信號的處理方法的流程圖。該方法包括以下步驟A10、定義表征操縱手柄類型的特征參數(shù)。實(shí)際使用時，可根據(jù)實(shí)際需要輸入手柄 的特征值，在模塊控制程序運(yùn)行時，依據(jù)這些特征值，手柄處理模塊可以判斷出手柄是何種 類型，進(jìn)而對不同的手柄分別進(jìn)行信號處理。所述特征參數(shù)至少包括X_Middle、X_Left_ max、X_Right_Max 以及 Y_Middle、Y_Left_max、Y_Right_Max，其中，X_Middle 表征操縱手 柄位于X方向中位時的輸入電信號數(shù)值，X_Left_max表征操縱手柄位于X方向最左端時 的輸入電信號數(shù)值，X_Right_Max表征操縱手柄位于X方向最右端時的輸入電信號數(shù)值；Y_ Middle表征操縱手柄位于Y方向中位時的輸入電信號數(shù)值，Y_Left_max表征操縱手柄位于 Y方向最前端時的輸入電信號數(shù)值，Y_Right_Max表征操縱手柄位于Y方向最后端時的輸入 電信號數(shù)值；當(dāng)X_Left_max大于X_Middle或Y_Left_max大于Y_Middle時，表明該操縱手 柄為四方向傳感器型。通過上述這些特征參數(shù)，即可以實(shí)現(xiàn)操縱手柄類型的自動判斷。操縱手柄的類型還可以采用一位標(biāo)志位來表征，在表征操縱手柄類型的特征參數(shù) 中設(shè)定一個標(biāo)志位參數(shù)Type，其取值為1或0，取值為1表明操縱手柄為四方向傳感器型， 取值為0表明操縱手柄為兩方向傳感器型。A20、實(shí)時獲取操縱手柄的輸入電信號。A30、以表征操縱手柄類型的特征參數(shù)為判斷條件，獲得實(shí)際操縱手柄類型的判斷結(jié)果。由于可以有兩種方式來表征操縱手柄的類型，因此，對應(yīng)于標(biāo)志位來表征的方式， 所述判斷條件為Type是否等于1或者等于0 ；而對于另一種方式，所述判斷條件為X_Left_ max 是否大于 X_Middle 或 Y_Left_max 是否大于 Y_Middle。A40、當(dāng)判斷結(jié)果表征實(shí)際操縱手柄為四方向傳感器型時，即Type等于l、X_Left_ max大于X_Middle或Y_Left_maX大于Y_Middle時，則根據(jù)轉(zhuǎn)換公式將該操縱手柄的輸入 電信號轉(zhuǎn)換為四方向傳感器型手柄的輸入電信號，再映射輸出控制信號；當(dāng)判斷結(jié)果表征 實(shí)際操縱手柄為兩方向傳感器型時，即Type等于0、X_Left_maX小于X_Middle或Y_Left_ max小于Y_Middle時，則依據(jù)該操縱手柄的輸入電信號映射輸出控制信號。所述轉(zhuǎn)換公式 如下f(x) = (b+x)/2;式中，x為操縱手柄的實(shí)際輸入電信號，f(x)為轉(zhuǎn)換后的輸入電 信號，b為X的最大值。根據(jù)上式可知^位于最左端時4 = -13 400 =0; X位于中位時， X = 0, f(x) = b/2 ；x 位于最右端時，x = b, f(x) = b。步驟A40中的信號映射由映射單元來完成，設(shè)置映射單元是基于以下目的考慮
5的，由于信號處理裝置的輸入電信號是傳感器采集到的反應(yīng)操縱手柄實(shí)際位置的電信號， 而信號處理裝置輸出的電信號的作用是驅(qū)動執(zhí)行元件，具體為油缸、液壓泵或者電磁閥等 執(zhí)行元件；因此，相對于信號處理裝置而言，輸入電信號與輸出電信號的大小不可能一致， 也就是說，如果直接將輸入電信號輸出，則無法與執(zhí)行元件的驅(qū)動控制信號相匹配。具體請 參見圖7，該圖示出了信號映射關(guān)系的基本原理。映射單元的實(shí)質(zhì)就是對輸入電信號進(jìn)行實(shí) 時的放大或縮小，使之與執(zhí)行元件的需求相匹配，匹配的依據(jù)是輸入?yún)?shù)值與期望輸出值 之間的比值。在實(shí)際工作中，操縱手柄在中位附近一般稱為死區(qū)，也就是說，操縱手柄在死區(qū)內(nèi) 擺動時，執(zhí)行元件不應(yīng)產(chǎn)生動作，這就要求信號處理模塊此時的輸出信號應(yīng)小于啟動執(zhí)行 元件的啟動信號值。當(dāng)然，也可以將該輸出信號設(shè)為0。為了表征操縱手柄的死區(qū)位置，步 驟A10 中的特征參數(shù)還包括X_Death_Left、X_Death_Right、Y_Death_Up 和 Y_Death_Down， 其中，X_Death_Left和X_Death_Right用于表征操縱手柄X方向的死區(qū)范圍，Y_Death_Up 和Y_Death_D0Wn用于表征操縱手柄Y方向的死區(qū)范圍；當(dāng)獲取到的操縱手柄的輸入電信號 落入X或Y方向的死區(qū)范圍內(nèi)時，映射輸出的控制信號值小于用于啟動執(zhí)行元件的啟動信 號值。另外，為了保證操縱手柄的正常工作，信號處理模塊的輸出信號必須滿足一定的 條件，既不能太大而對控制目標(biāo)產(chǎn)生沖擊，也不能太小而使控制目標(biāo)無法工作。為此，特 征參數(shù)還包括以下參數(shù)X_Left_MinCurrent、X_Left_MaxCurrent、X_Right_MinCurrent、 X_Right_MaxCurrent 以及 Y_Up_MinCurrent、Y_Up_MaxCurrent、Y_Down_MinCurrent > Y_ Down_MaxCurrent，其中，X_Left_MinCurrent 和 X_Right_MinCurrent 用于表征操縱手柄 X 方向左、右允許輸出的最小電流值，X_Left_MaxCurrent和X_Right_MaxCurrent用于表征 操作手柄X方向左、右允許輸出的最大電流值，Y_Up_MinCurrent和Y_Down_MinCurrent 用于表征操作手柄Y方向前、后允許輸出的最小電流值，Y_Up_MaxCurrent和Y_D0wn_ MaxCurrent用于表征操作手柄Y方向前、后允許輸出的最大電流值。只有輸入電信號落在 上述參數(shù)范圍內(nèi)時，信號處理模塊才開始執(zhí)行步驟A30和A40。此外，為了提高本方法的準(zhǔn)確性，特征參數(shù)中還增加了以下幾個參數(shù)，X_Left_ Used、X_Right_Used、Y_Up_Used 和 Y_Down_Used，其中 X_Left_Used 用于表征手柄 X 左方向 輸入是否有效，X_Right_Used用于表征手柄X右方向輸入是否有效，Y_Up_Used用于表征手 柄Y前方向輸入是否有效，Y_Down_Used用于表征手柄Y后方向輸入是否有效，在步驟A30 之前，首先判斷上述參數(shù)是否有效，在上述參數(shù)有效的情況下，才執(zhí)行步驟A30。在上述方法中，輸入電信號在進(jìn)行比較判斷之前首先應(yīng)進(jìn)行濾波處理，濾波電路 和方法可采用現(xiàn)有技術(shù)完成，在此不再贅述。本實(shí)施方式還提供了操縱手柄輸出信號的處理裝置，如圖8所示，包括存儲單元 1、采集單元2、比較單元3、轉(zhuǎn)換單元4和映射單元5，所述存儲單元1用于儲存定義的表征 操縱手柄類型的特征參數(shù)；所述采集單元2用于獲取操縱手柄的輸入電信號，該輸入電信 號實(shí)時地反映了操縱手柄的實(shí)際位置；所述比較單元3以表征操縱手柄類型中的特征參數(shù) 為判斷條件，獲得操縱手柄類型的判斷結(jié)果；當(dāng)比較單元3的判斷結(jié)果表明實(shí)際操縱手柄 為四方向傳感器型時，則轉(zhuǎn)換單元4根據(jù)轉(zhuǎn)換公式將其轉(zhuǎn)換為兩方向傳感器型手柄的輸入 電信號后輸出；當(dāng)判斷結(jié)果表明實(shí)際操縱手柄為兩方向傳感器型時，則轉(zhuǎn)換單元4將此輸入電信號直接輸出；所述映射單元5根據(jù)預(yù)設(shè)的輸入?yún)?shù)值與期望輸出值之間的比值，將 轉(zhuǎn)換單元5輸出的電信號映射為輸出控制信號。作為上述方案的具體化，存儲單元中表征操縱手柄類型的特征參數(shù)還包括X_ Middle、X_Left_max、X_Right_Max 以及 Y_Middle、Y_Left_max、Y_Right_Max,其中，X_ Middle表征操縱手柄位于X方向中位時的輸入電信號數(shù)值，X_Left_max表征操縱手柄位于 X方向最左端時的輸入電信號數(shù)值，X_Right_Max表征操縱手柄位于X方向最右端時的輸入 電信號數(shù)值；Y_Middle表征操縱手柄位于Y方向中位時的輸入電信號數(shù)值，Y_Left_max表 征操縱手柄位于Y方向最前端時的輸入電信號數(shù)值，Y_Right_Max表征操縱手柄位于Y方向 最后端時的輸入電信號數(shù)值；所述比較單元所依據(jù)的判斷條件為X_Left_maX是否大于X_ Middle 或 Y_Left_max 是否大于 Y_Middle。存儲單元中表征操縱手柄類型的特征參數(shù)也可以設(shè)置一位標(biāo)志位Type，其取值為 1或0，取值為1表明操縱手柄為四方向傳感器型；取值為0表明操縱手柄為兩方向傳感器 型，此時比較單元所依據(jù)的判斷條件為Type是否等于1。設(shè)置一位標(biāo)志位的方案原理簡單， 但是，這樣就需要分為兩種情況分別處理，因此，該裝置的通用性和效率大為降低。上述裝置中，比較單元所使用的轉(zhuǎn)換公式如下f (x) = (b+x) /2 ；式中，x為操縱手柄的實(shí)際輸入電信號，f(x)為轉(zhuǎn)換后的輸入電信號，b為x的最 大值。本實(shí)用新型提供的操縱手柄通用的信號處理裝置中，存儲單元中還包括用于表征 操縱手柄死區(qū)的參數(shù) X_Death_Left、X_Death_Right、Y_Death_Up 和 Y_Death_Down，以及用 于表征操縱手柄允許輸出最小、最大電流的參數(shù)X_Left_MinCurrent、X_Left_MaxCurrent、 X_Right_MinCurrent、X_Right_MaxCurrent 以及 Y_Up_MinCurrent、Y_Up_MaxCurrent、Y_ Down_MinCurrent、Y_Down_MaxCurrent,這些參數(shù)的作用與前述輸出信號的處理方法中介 紹的相同。近年來，隨著CAN總線技術(shù)的日趨成熟，基于CAN總線設(shè)計的操縱手柄在工程機(jī)械 領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了應(yīng)用于具有CAN總線設(shè)計的設(shè)備上，可以在本實(shí)用新型提供 的方法和裝置的基礎(chǔ)上增加CAN控制器，CAN控制器接收映射單元的輸出電信號并將其轉(zhuǎn) 換成符合CAN總線協(xié)議的格式后輸出即可。本實(shí)用新型操縱手柄的信號處理方法及裝置中用于表征操縱手柄類型的特征參 數(shù)(信號處理模塊的接口)如圖9所示，圖中，左側(cè)為是輸入信號參數(shù)，右側(cè)為輸出信號。綜上，應(yīng)用在不同產(chǎn)品上只須一個模塊，如圖10所示，一個產(chǎn)品只須對應(yīng)一個軟 件版本，因此，降低了軟件的維護(hù)成本。本實(shí)施方式還提供工程機(jī)械，包括操縱手柄，還包括如前所述的操縱手柄輸出信 號的處理裝置。需要說明的是，該工程機(jī)械的其他功能部件與現(xiàn)有技術(shù)完全相同，本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員基于現(xiàn)有技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)，故本文不再贅述。以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和 潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求操縱手柄輸出信號的處理裝置，其特征在于包括存儲單元，用于儲存定義的表征操縱手柄類型的特征參數(shù)；采集單元，用于獲取反映操縱手柄的實(shí)際位置的操縱手柄輸入電信號，并輸出至采集單元；比較單元，用于根據(jù)操縱手柄輸入電信號輸出比較結(jié)果信號至轉(zhuǎn)換單元；轉(zhuǎn)換單元，用于根據(jù)比較結(jié)果信號輸出對應(yīng)于兩方向傳感器型操縱手柄特征參數(shù)的電信號至映射單元；映射單元，用于將所述轉(zhuǎn)換單元輸出的電信號映射為輸出控制信號。
2.工程機(jī)械，包括操縱手柄，其特征在于，還包括如權(quán)利要求1所述的操縱手柄輸出信 號的處理裝置。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種操縱手柄輸出信號的處理裝置，其存儲單元用于儲存定義的表征操縱手柄類型的特征參數(shù)；其采集單元用于獲取反映操縱手柄的實(shí)際位置的操縱手柄輸入電信號，并輸出至比較單元；其比較單元用于根據(jù)操縱手柄輸入電信號輸出比較結(jié)果信號至轉(zhuǎn)換單元；其轉(zhuǎn)換單元用于根據(jù)比較結(jié)果信號輸出對應(yīng)于兩方向傳感器型操縱手柄特征參數(shù)的電信號至映射單元；其映射單元用于將轉(zhuǎn)換單元輸出的電信號映射為輸出控制信號。在此基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還提供一種具有該裝置的工程機(jī)械。
文檔編號G05G9/04GK201654592SQ20092027358
公開日2010年11月24日 申請日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者史先信, 柴君飛, 胡金萍 申請人:徐州重型機(jī)械有限公司