遠(yuǎn)距離智能遙控推土機的研究

YANG Ji-hong,WU Xian-wei,WANG Sheng-bo(山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073)

現(xiàn)在無線遙控技術(shù)已被應(yīng)用于挖掘機、農(nóng)業(yè)機械等行業(yè)[1～3]，國外的卡特、小松已實現(xiàn)了對推土機的遠(yuǎn)程遙控駕駛[4]。國內(nèi)的高校也已對無線遙控推土機有所研究[5]，但未進行樣機的試制。本文介紹的遙控推土機采用靜壓驅(qū)動的形式，實現(xiàn)推土機遠(yuǎn)距離的智能遙控，把駕駛?cè)藛T從危險惡劣的工況中解放出來，保護了駕駛?cè)藛T身心健康的同時，高效、安全地滿足工況需求，更是開拓了推土機的應(yīng)用領(lǐng)域，為我國無人駕駛推土機的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 靜壓驅(qū)動推土機簡介

推土機是一種具有較高駕駛性能和靈活作業(yè)要求、多個控制自由度的工程機械，且其控制要求實時多變，故要實現(xiàn)推土機的遙控駕駛，并且要保證足夠的安全距離和高效性，這就要求整個推土機從硬件配置到軟件控制各方面都要有全面完善的考慮與設(shè)計。

1.1 裝機配置

首先從推土機整機配置上看，要實現(xiàn)推土機全功能的遙控控制，普通液力傳動的推土機在技術(shù)及可靠性上有諸多不足。例如要實現(xiàn)從根本上控制電控變速箱，目前推土機的電控變速箱在國內(nèi)技術(shù)并不成熟，故可靠性不能保證；如果從操作上層進行遙控設(shè)計，需要對各機械控制進行電控改造，例如增加油門電機、手柄電機等，而這種方案在可靠性與實時性上都無法滿足遙控要求，故在實際應(yīng)用中，我們選擇靜壓驅(qū)動全車電控的整機配置方式，即整機采用全液壓推土機進行遙控推土機的設(shè)計應(yīng)用。

1.2 液壓傳動

全液壓推土機是指行走系統(tǒng)和工作裝置操縱都采用液壓驅(qū)動，目前已成為國際主流傳動技術(shù)，它能夠適應(yīng)各種工況，從需要精細(xì)作業(yè)的高爾夫球場施工、到高效的市政工程施工乃至需要高強度大負(fù)荷作業(yè)的礦山施工都能從容應(yīng)對，更重要的是它可通過控制器對電磁閥進行控制，從而達(dá)到控制行走系統(tǒng)和工作裝置完成動作的目的。

1.3 行走操縱控制原理

行走手柄發(fā)出控制指令，控制推土機的前進、后退、加減速與左、右轉(zhuǎn)向功能，顯示器同步顯示當(dāng)前擋位與車速，控制器則根據(jù)手柄發(fā)出的指令對泵、馬達(dá)等進行控制，由泵、馬達(dá)構(gòu)成閉式回路，即油液在泵與馬達(dá)間循環(huán)流動。泵將發(fā)動機提供的扭矩轉(zhuǎn)換成高壓油流，而高壓油流將能量傳遞給馬達(dá)，然后由馬達(dá)將油流再次轉(zhuǎn)換為扭矩來驅(qū)動鏈輪，從而完成對推土機行走功能的控制，如圖1所示。電控泵馬達(dá)來調(diào)節(jié)其排量，對于遙控推土機的實現(xiàn)來說，即可靠又快速。

工作液壓系統(tǒng)(圖2）由電控手柄、控制器、泵、閥組成。工作手柄發(fā)出控制指令，控制器根據(jù)手柄控制指令對閥塊上對應(yīng)電磁閥進行導(dǎo)通控制，控制鏟刀的上升、下降、左右傾斜及對應(yīng)速度，最終實現(xiàn)對鏟刀功能的控制。同樣，鏟刀電控操作方式的實現(xiàn)，讓遙控控制更精準(zhǔn)，實時性更高，從而保證了其工作的有效性。

圖1 行走系統(tǒng)電控圖

圖2 工作裝置電控圖

圖3 推土機遙控系統(tǒng)功能圖

2 遙控推土機功能及原理

2.1 功能實現(xiàn)

智能遙控推土機擁有在機駕駛和遙控駕駛兩種操作駕駛方式。在遙控作業(yè)模式下，可遙控實現(xiàn)推土機整機的上電、下電；發(fā)動機的啟停，油門大小控制；推土機前進、后退、轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向、速度控制及制動停車控制；鏟刀上升、下降、左右傾斜控制；喇叭、照明等輔助系統(tǒng)控制；遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷方面實現(xiàn)整車關(guān)鍵參數(shù)及故障信息的實時監(jiān)控，實時遠(yuǎn)程掌握整車的運行狀態(tài)、參數(shù)信息；在安全方面，設(shè)計了后退遇到障礙物自動減速停車的自主防御系統(tǒng)，及車身雙向主動防傾翻控制系統(tǒng)。

2.2 控制原理

遙控推土機在靜壓驅(qū)動推土機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行全車電控設(shè)計，同時增加無線遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)和無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，兩大系統(tǒng)采用2套獨立的無線傳輸系統(tǒng)進行信號傳輸，并采用不同的傳輸頻率，不會產(chǎn)生相互間的干擾。其控制原理如圖3所示。

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與整車控制系統(tǒng)采用總線的通訊方式，遠(yuǎn)程遙控操作系統(tǒng)將控制信號下達(dá)到整車控制系統(tǒng)，整車控制系統(tǒng)又將推土機的關(guān)鍵參數(shù)及故障系統(tǒng)實時上傳給遙控端的人機界面。

遙控駕駛端采用推土機仿真駕駛的方式，遙控駕駛?cè)藛T可以輕松對推土機進行遠(yuǎn)程駕駛，通過遙控操作可同樣對發(fā)動機、行走系統(tǒng)、工作裝置及輔助電氣系統(tǒng)等進行控制。

3 遙控推土機的控制系統(tǒng)原理

遙控推土機智能控制系統(tǒng)承擔(dān)著推土機所有動作控制、智能匹配控制、參數(shù)監(jiān)控與故障診斷等全部功能實現(xiàn)，是遙控推土機的大腦，也是智能遙控推土機高效施工核心技術(shù)。

遙控推土機智能控制系統(tǒng)（圖4）按功能分為基礎(chǔ)功能控制、智能匹配控制、遙控系統(tǒng)控制、智能監(jiān)控與診斷系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)組成。各操作元件與檢測傳感元件為輸入信號，泵、閥、人機智能界面等為執(zhí)行元件，所有邏輯與策略均在控制器內(nèi)部運算執(zhí)行。

圖4 遙控推土機控結(jié)構(gòu)圖

整機控制系統(tǒng)有2個工程機械專用控制器組成，通過總線與推土機所有智能元件進行信息溝通，同時與整機所有的傳感器相連接，以對推土機進行智能控制與診斷。

控制系統(tǒng)采用自由靈活的Codesys編程。CoDeSys是一種功能強大的PLC編程工具，它支 持 IEC61131-3 標(biāo) 準(zhǔn) IL、ST、FBD、LD、CFC、SFC 6種PLC編程語言，用戶可在同一項目中選擇不同語言編輯子程序、功能模塊等。CoDeSys軟件內(nèi)置豐富的庫函數(shù)，方便用戶的調(diào)用，減少用戶的編程時間，提高編程的效率。

在遙控狀態(tài)下實現(xiàn)在遙控操作臺上遙控操作推土機，內(nèi)置控制器將各操作元件的信號轉(zhuǎn)換成CAN總線信號，遠(yuǎn)程遙控發(fā)射器將總線信號轉(zhuǎn)換成無線信號發(fā)射，車載端的無線遙控接收器就可以接收各控制指令，并將其轉(zhuǎn)換為CAN總線數(shù)據(jù)與整機控制器進行信息交互，整機控制系統(tǒng)根據(jù)遙控指令進行相應(yīng)的功能控制（圖5）。

圖5 遙控推土機信號傳遞框圖

為確保信號傳輸?shù)膶崟r性和準(zhǔn)確性，無線遙控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用時分多址（time division multiple access，TDMA）技術(shù)，把時間分割成互不重疊的時段（幀），再將幀分割成互不重疊的時隙（信道）與用戶具有一一對應(yīng)關(guān)系，依據(jù)時隙區(qū)分來自不同地址的用戶信號，從而完成的多址連接。相比于FDMA，4G/5G等信號傳輸方式具有通信口號質(zhì)量高，保密較好，系統(tǒng)容量較大，無額外費用等優(yōu)點。

4 影像實時監(jiān)控系統(tǒng)

進行遙控操作時，當(dāng)操作距離超過操作者的視距范圍，操作者因不能發(fā)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的各種緊急情況而無法對推土機進行實時遙控操作，使推土機的遙控作業(yè)范圍受到很大限制，所以有必要在遙控推土機上增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)，從而提高遙控推土機工作的可靠性和安全性。

影像傳輸負(fù)責(zé)實時采集推土機周邊的信息，并將采集的圖像及聲音信號通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換收發(fā)模塊發(fā)出，遠(yuǎn)程端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換收發(fā)模塊接收到車載端數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視頻及聲音信號，最后由顯示平臺呈現(xiàn)出清晰的現(xiàn)場畫面及聲音，為進行有效的遠(yuǎn)程控制提供保障。傳輸系統(tǒng)采用先進的COFDM技術(shù)，即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，是目前世界最先進和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)。其卓越的“繞射”與“穿透”能力，能夠以高概率實現(xiàn)圖像的穩(wěn)定傳輸，不受環(huán)境影響或受環(huán)境影響小。采用全向天線，不受方向的限制，系統(tǒng)簡單、可靠，應(yīng)用靈活。

5 推土機自主安全防御系統(tǒng)

由于是遙控操作，臨場感不強，對機器的運行狀態(tài)易出現(xiàn)誤判，造成無法估量的損失，所以有必要對遙控推土機增加自主安全防御功能。如通信中斷時，車載控制器采取緊急停車功能；在推土機周邊配備距離傳感器，實時監(jiān)測推土機和周圍物體的距離，避免出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象；為推土機增加傳感器，實時感知車身狀態(tài)等。自主安全防御系統(tǒng)可讓遙控駕駛更加安全，有保障。

6 結(jié) 語

經(jīng)過測試驗證，改造設(shè)計完成的遙控推土機，遙控操作距離可達(dá)1000m，可實現(xiàn)推土機的全部功能動作。配置的多角度同步視頻監(jiān)控及現(xiàn)場聲音同步傳輸系統(tǒng)，讓遙控操作如在機操作一般簡單靈敏。自主安全防御系統(tǒng)提高了遙控推土機的安全系數(shù)，為遙控推土機提供安全保障。

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