輪式挖掘機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計

鄭 磊，葛瑞彩

（徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000）

自主駕駛技術(shù)利用車載傳感器、雷達(dá)、GPS以及攝像頭等設(shè)備來感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境感知獲得道路、車輛位置和障礙物信息，實現(xiàn)控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛，實現(xiàn)車輛的自主安全駕駛，安全高效地到達(dá)目的地并達(dá)到完全消除交通事故的目標(biāo)。自主駕駛技術(shù)是集自動控制、人工智能、視覺計算、模式識別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。目前，自主駕駛技術(shù)的研究進(jìn)展迅速，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了長足的進(jìn)步。

在工程機(jī)械領(lǐng)域，兩大礦用卡車提供商卡特彼勒和小松都能提供自主駕駛解決方案。小松很早就進(jìn)行過車輛自主駕駛方面的研究，其自主駕駛的930E礦用車已在澳大利亞和智利投入使用。

目前，自主駕駛技術(shù)通常有3個層次。

1）視距內(nèi)遙操作 需要在設(shè)備上安裝無線信號接收設(shè)備,在液壓回路上并聯(lián)電控回路，這種方式對技術(shù)要求不高，駕駛員在車下通過遙控發(fā)射裝置進(jìn)行控制即可，采用這種技術(shù)方案的設(shè)備在行駛速度和活動范圍上受到一定的限制。適用于存在一定危險性的場合。

2）視距外遙操作 相比視距內(nèi)遙操作進(jìn)一步提高了安全性，駕駛員只需要坐在辦公室里進(jìn)行操作即可，除了在設(shè)備上安裝信號接收設(shè)備和控制裝置，還需要在設(shè)備上及工作面附近安裝多個攝像頭，駕駛員根據(jù)回傳的畫面進(jìn)行遙操作，通常適用于工況惡劣，對人體危害大的工作環(huán)境。

3）自主駕駛 不同于前兩種方式需要人員實時進(jìn)行控制，自主駕駛是由計算機(jī)實時采集位置信息、方向信息、車輛狀態(tài)、路線信息、道路狀況、障礙物的信息及裝載區(qū)、卸料區(qū)的地理信息等，輪式挖掘機(jī)還需要考慮挖掘、裝卸等復(fù)雜動作，把這些工作都交給計算機(jī)來完成，實現(xiàn)真正意義上的自主駕駛，真正解放勞動力。

1 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

要實現(xiàn)輪式挖掘機(jī)的自主駕駛，需要對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，智能控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要增加電控轉(zhuǎn)向機(jī)、方向轉(zhuǎn)角傳感器、左/右輪轉(zhuǎn)角傳感器，通過CAN3與主控制器進(jìn)行通信。鏟斗角度傳感器、斗桿角度傳感器、動臂角度傳感器、回轉(zhuǎn)編碼器、車載控制器和顯示器通過CAN2與主控制器進(jìn)行通信。主控制器通過CAN4與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，并且把信息存儲到數(shù)據(jù)記錄儀。CAN1作為程序下載及故障診斷接口。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加了電控轉(zhuǎn)向機(jī)、方向轉(zhuǎn)角傳感器、左/右輪轉(zhuǎn)角傳感器，組成了閉式轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，可以對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行控制并可以實時修正。工作裝置上安裝鏟斗角度傳感器、斗桿角度傳感器、動臂角度傳感，可以實時檢測工作裝置的角度，可以對挖掘等動作進(jìn)行精細(xì)控制。在中央回轉(zhuǎn)體中安裝了回轉(zhuǎn)編碼器，檢測回轉(zhuǎn)角度，可以判斷上車的回轉(zhuǎn)角度，再結(jié)合工作裝置上的角度傳感器，判斷工作裝置的空間位置。

輪式挖掘機(jī)操作復(fù)雜，尤其是上車部分，其中工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗組成，不僅可以實現(xiàn)單動作，還可以實現(xiàn)各種復(fù)合動作。傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)設(shè)計均是通過液控的先導(dǎo)手柄控制多路閥實現(xiàn)液壓油缸的動作。上車部分還能通過中央回轉(zhuǎn)接頭實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)。要實現(xiàn)無人操作，需要對液壓系統(tǒng)進(jìn)行電控改造，圖2是對動臂操作進(jìn)行的改造。先導(dǎo)手柄并聯(lián)比例減壓閥，通過梭閥后控制多路閥，并且需要檢測梭閥出口的壓力。動臂油缸既可以通過先導(dǎo)手柄控制，也可以通過控制器控制比例減壓閥,并且通過對壓力的檢測，可以實時反饋動作的快慢。斗桿、鏟斗、行走、制動、回轉(zhuǎn)以及支腿和推土鏟的操作都要進(jìn)行同樣的電氣化改造。

圖1 智能控制系統(tǒng)整體框圖

圖2 液壓系統(tǒng)改造示例

圖3 常規(guī)電氣改造示意圖

車載控制器需要增加的信號如圖3所示，鑰匙開關(guān)的ACC、BR、C信號分別接入車載控制器，通過ACC信號控制車輛的電源繼電器，可以實現(xiàn)車輛遠(yuǎn)程通電，檢測到BR信號時，控制器會輸出ECM的上電信號，當(dāng)需要停車時，會切斷控制器此端口的輸出。人工操作模式開關(guān)、遙操作模式開關(guān)、自主駕駛模式開關(guān)分別接入控制器，當(dāng)機(jī)器運(yùn)行在當(dāng)前的模式時，會點亮相對應(yīng)的模式指示燈。臂燈、近/遠(yuǎn)光燈、示廓燈分別通過控制器進(jìn)行控制,可以提醒參與到此位置工作的其它車輛。動臂上升/下降，斗桿的伸/縮，鏟斗的內(nèi)收/外擺等操作分別通過比例電磁閥進(jìn)行控制，并加裝相應(yīng)的壓力傳感器，檢測動作的壓力。

通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實現(xiàn)感知周圍環(huán)境信息，包括挖機(jī)姿態(tài)、鏟斗實時空間位置、鏟斗與礦卡的位置關(guān)系，實現(xiàn)裝載全區(qū)域、礦卡裝載局部區(qū)域、挖掘作業(yè)局部區(qū)域、礦卡引導(dǎo)局部區(qū)域等多視角數(shù)據(jù)顯示，并通過視覺技術(shù)監(jiān)控實時動作。

鏟斗斗齒定位及控制是運(yùn)用機(jī)器人運(yùn)動學(xué)原理實現(xiàn)關(guān)節(jié)空間、驅(qū)動空間與位姿空間之間的坐標(biāo)變換，并與導(dǎo)航定位系統(tǒng)相結(jié)合確定鏟斗位置。最后，在建模的基礎(chǔ)上，運(yùn)用合適的控制方法，實現(xiàn)對斗齒位姿的變換控制。

圖4 上位機(jī)系統(tǒng)框圖

2 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

復(fù)雜環(huán)境感知與障礙物偵測主要涉及雷達(dá)偵測和導(dǎo)航定位。在前后兩端各裝8線激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)，駕駛室上方安裝32線激光雷達(dá)，車體右側(cè)與左側(cè)各安裝四線激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)，此外，車體中心附近安裝組合導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)挖掘機(jī)全方位環(huán)境感知和偵測。

全景影像技術(shù)通過安裝在車身四周的攝像頭，同時采集挖掘機(jī)周圍的影像，經(jīng)過圖像處理的工控機(jī)，進(jìn)行畸變還原，視角轉(zhuǎn)化，圖像拼接，圖像增強(qiáng)，最終形成挖掘機(jī)周圍的360°全景影像。

上體機(jī)系統(tǒng)設(shè)計框架如圖4所示。通過實現(xiàn)上述技術(shù)，最終實現(xiàn)挖掘機(jī)和無人礦卡的協(xié)同控制，根據(jù)周圍環(huán)境信息，進(jìn)行無人礦卡的停車位置規(guī)劃。根據(jù)挖掘機(jī)和無人礦卡配合情況提供車位管理策略，實現(xiàn)無人礦卡的停車智能管理。挖掘機(jī)機(jī)手確定礦卡的裝載點、出場點。當(dāng)滿足入場裝載條件時，工控機(jī)通過采集挖掘機(jī)和礦卡的協(xié)同信息完成局部路徑規(guī)劃，引導(dǎo)礦卡到達(dá)指定位置，并在挖機(jī)顯示器上實時顯示礦卡的位置信息。實現(xiàn)挖掘機(jī)和無人礦卡的聯(lián)合作業(yè)。

3 結(jié) 語

輪式挖掘機(jī)下車行走部分與礦用卡車相似，上車工作部分不但要進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)還要進(jìn)行復(fù)雜操作。通過對輪式挖掘機(jī)自主駕駛技術(shù)的研究，下車行走部分可以移植給礦卡，上車工作部分可以移植給履帶挖掘機(jī)、裝載機(jī)等類似的工程機(jī)械。因此，研究輪式挖掘機(jī)自主駕駛技術(shù)具有重大的意義，在國防和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著人工智能技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，各個公司不斷加大在智能化研究的投入，自主駕駛技術(shù)必將迎來飛速的發(fā)展。

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