輔助挖掘控制系統(tǒng)在液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用

李亞東，孟凡建

（徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械中最主要的工程設(shè)備，其移動靈活，挖掘及裝載效率高，可搭載多種類型的機(jī)具，工程適應(yīng)性強(qiáng)，已被廣泛應(yīng)用于水利工程、交通運(yùn)輸以及礦產(chǎn)開發(fā)等多種工程領(lǐng)域中。

液壓挖掘機(jī)電子控制系統(tǒng)的自動化程度是衡量液壓挖掘機(jī)控制技術(shù)的一個重要指標(biāo)，如何提升挖掘機(jī)電子控制系統(tǒng)的自動化程度成為了重要研究發(fā)展方向之一。近年來隨著電子控制技術(shù)的快速發(fā)展，各種新型傳感器及電磁閥被引入到挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)中。結(jié)合現(xiàn)代控制理論及全新的控制策略，挖掘機(jī)控制技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

1 輔助挖掘系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

由于發(fā)達(dá)國家人工成本較高，輔助挖掘控制系統(tǒng)率先由歐美等發(fā)達(dá)國家開發(fā)并得到廣泛應(yīng)用，目前市面上具有代表性的輔助挖掘控制系統(tǒng)供應(yīng)商主要有美國Trimble、德國MOBA、瑞士Leica、日本Topcon等，他們均可以為客戶提供整套系統(tǒng)解決方案。輔助挖掘控制系統(tǒng)的引入可以大大提升施工效率，并且施工工程質(zhì)量可以得到有效保證。由于該系統(tǒng)在多種施工領(lǐng)域中所表現(xiàn)出的優(yōu)越性，受到了越來越多的液壓挖掘機(jī)用戶的歡迎。隨著中國經(jīng)濟(jì)近年來的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和礦產(chǎn)開發(fā)等工程量也越來越大，人工成本逐年攀升，對于輔助挖掘控制系統(tǒng)的需求也逐漸迫切。目前國內(nèi)施工領(lǐng)域也在開啟輔助挖掘控制系統(tǒng)的應(yīng)用之路，尤其是在一些大型施工項(xiàng)目上，該系統(tǒng)的應(yīng)用案例更是層出不窮。輔助挖掘控制系統(tǒng)這一技術(shù)的應(yīng)用將徹底改變傳統(tǒng)的施工技術(shù)，提供一種效率更好、工程質(zhì)量更高的全新工程施工方案。

2 輔助挖掘控制技術(shù)的定義及分類

2.1 定義

輔助挖掘控制系統(tǒng)是集合傳感技術(shù)、定位技術(shù)、電液控制技術(shù)、數(shù)字化施工技術(shù)等現(xiàn)代控制技術(shù)于一體的新型控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測挖掘機(jī)的位置姿態(tài)，并通過儀表上顯示的鏟斗齒尖位置與施工目標(biāo)位置對比（見圖1），來達(dá)到引導(dǎo)挖掘的目的。

圖1 輔助挖掘系統(tǒng)示意圖

2.2 分類及功能介紹

隨著電液技術(shù)的發(fā)展，輔助挖掘控制系統(tǒng)正沿著從最初的引導(dǎo)式挖掘，到半自動輔助挖掘，再到全自動輔助挖掘這樣一條進(jìn)化路徑快速發(fā)展。

輔助挖掘控制系統(tǒng)根據(jù)其系統(tǒng)特點(diǎn)可以按照自動化程度及施工維度進(jìn)行劃分。

按自動化程度可以分為：電子標(biāo)線引導(dǎo)式、半自動挖掘機(jī)式、全自動挖掘式3種。

（1）電子標(biāo)線引導(dǎo)式系統(tǒng)。簡單可靠，成本較低，在一些小型工程上較受歡迎。操作機(jī)手需要手動操作挖掘機(jī)的工作裝置，安裝在駕駛室的監(jiān)控儀表實(shí)時(shí)的顯示挖掘機(jī)的斗齒位置和實(shí)際目標(biāo)工作位置，通過目標(biāo)位置和實(shí)際的斗齒位置的對比來達(dá)到引導(dǎo)挖掘，從而達(dá)到輔助挖掘的目的。

（2）半自動以及全自動輔助挖掘控制。系統(tǒng)需要對電液控制系統(tǒng)做出許多適應(yīng)性改進(jìn)，通常要加裝多個工作裝置的先導(dǎo)傳感器及控制電磁閥，從而達(dá)到自動控制挖掘機(jī)動臂、斗桿、鏟斗等工作裝置的目的，故系統(tǒng)組成復(fù)雜、成本較高，且控制策略及控制算法開發(fā)難度大。目前半自動輔助挖掘控制技術(shù)已被美國天寶成功開發(fā)，德國MOBA的半自動輔助挖掘也即將面世。全自動輔助挖掘控制系統(tǒng)尚處于開發(fā)研究階段。半自動挖掘機(jī)相比全自動挖掘不需要同步控制動臂、斗桿及鏟斗等工作裝置進(jìn)行復(fù)合動作，需要人工干預(yù)斗桿（或者其他工作裝置）動作，故系統(tǒng)較全自動輔助挖掘系統(tǒng)相對簡化許多，這一系統(tǒng)現(xiàn)已處于應(yīng)用階段。

按施工維度主要分為2D系統(tǒng)和3D系統(tǒng)。電子標(biāo)線引導(dǎo)式就是典型的2D系統(tǒng)，而半自動輔助挖掘系統(tǒng)和全自動輔助挖掘機(jī)系統(tǒng)都屬于典型的3D系統(tǒng)

（1）2D輔助挖掘系統(tǒng)分為普通2D系統(tǒng)和進(jìn)化型2D系統(tǒng)。普通2D系統(tǒng)僅裝有一些角度傳感器用于測算挖掘機(jī)工作姿態(tài)，因此需要工程人員對施工地點(diǎn)進(jìn)行專業(yè)的基準(zhǔn)定位及工程放樣等輔助施工工作，施工較繁瑣，但是成本較低，在一些小型施工工程上應(yīng)用較多。進(jìn)化型2D系統(tǒng)通過加裝激光接收裝置或者聲納接收裝置和車輛外部的激光儀或者聲納發(fā)射基站進(jìn)行位置信息校準(zhǔn)（見圖2）。由于聲納是基于相對面的計(jì)算，施工面的平整度會隨相對面產(chǎn)生變化，因此聲納2D系統(tǒng)更適合道路路面的施工；激光2D系統(tǒng)是通過安裝在車輛外的激光發(fā)送裝置和車輛上面的激光接收器來實(shí)現(xiàn)車輛位置計(jì)算，激光定位是絕對平面定位，故更適合修坡和溝渠施工。

圖2 2D激光輔助挖掘機(jī)系統(tǒng)

（2）23D輔助挖掘控制系統(tǒng)在2D系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)化而來。3D系統(tǒng)根據(jù)定位源分為衛(wèi)星定位系統(tǒng)及激光（或者可見光束）定位系統(tǒng)，衛(wèi)星定位系統(tǒng)（見圖3）適合用在較開闊的施工區(qū)域，要求該區(qū)域定位衛(wèi)星信號強(qiáng)度能滿足定位要求。此系統(tǒng)根據(jù)挖掘機(jī)上衛(wèi)星信號GNSS接收器和外部基站上的GNSS衛(wèi)星接收器接受衛(wèi)星定位信息，從而獲取位置信息。同時(shí)系統(tǒng)通過加裝在挖掘機(jī)上車兩個不同位置的多個衛(wèi)星定位器利用RTK（Realtime kinematic）實(shí)時(shí)動態(tài)載波相位技術(shù)實(shí)現(xiàn)差分位置計(jì)算，可實(shí)時(shí)計(jì)算出車輛在施工區(qū)域的位置坐標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)合挖掘機(jī)的位置姿態(tài)，根據(jù)預(yù)先導(dǎo)入系統(tǒng)的工程圖，可以實(shí)時(shí)動態(tài)的確定施工目標(biāo)位置，從而達(dá)到高效的施工目的。

3 徐工在該技術(shù)領(lǐng)域的研究

徐工通過和美國天寶以及大連摩巴（德國MOBA獨(dú)資子公司）進(jìn)行了多輪技術(shù)研究，目前在3D輔助控制技術(shù)上已進(jìn)行合作開發(fā)。通過以徐工硬件平臺為基礎(chǔ)，以天寶與摩巴軟件技術(shù)為依托，新型的輔助挖掘控制系統(tǒng)在開發(fā)成本上有了大幅度的降低。新開發(fā)的系統(tǒng)將控制程序移植到了徐工自主的控制器中，顯示界面也融合到了徐工自主的電子監(jiān)控器中。通過系統(tǒng)融合化開發(fā)，減少了多余的硬件成本，提升了產(chǎn)品的競爭力，對于推廣輔助挖掘控制系統(tǒng)進(jìn)一步市場化提供了技術(shù)支撐。

圖3 3D輔助挖掘衛(wèi)星定位系統(tǒng)

圖4 徐工新型輔助挖掘機(jī)控制系統(tǒng)

目前徐工已經(jīng)開始在3D輔助挖掘系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，積極開發(fā)半自動3D輔助挖掘控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過融入電液控制，可以實(shí)現(xiàn)大臂和鏟斗的自動挖掘，操作手只要拉動斗桿，系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動軌跡要求自動調(diào)整大臂和鏟斗的動作，進(jìn)一步簡化了輔助挖掘控制系統(tǒng)的操作。

4 輔助挖掘控制技術(shù)的發(fā)展展望

在當(dāng)今這個競爭激烈的施工領(lǐng)域，輔助挖掘控制系統(tǒng)可以提供一種更智能化、更快捷的創(chuàng)新施工方案，將幫助工程承包者以最快的速度，最高的工程產(chǎn)品質(zhì)量完成施工作業(yè)，液壓挖掘機(jī)搭載此系統(tǒng)后將達(dá)到事半功倍的施工效果。但是由于目前能夠掌握輔助挖掘控制核心技術(shù)的廠家很少，因此系統(tǒng)價(jià)格較高，目前在國內(nèi)市場上還不能被大范圍推廣。

現(xiàn)階段輔助挖掘機(jī)系統(tǒng)主要依靠在后端市場進(jìn)行改裝，主機(jī)廠商由于市場尚不成熟且系統(tǒng)成本較高均未提供此系統(tǒng)的配置。要實(shí)現(xiàn)輔助挖掘控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，必須突破技術(shù)及成本的束縛。徐工作為國內(nèi)領(lǐng)先的挖掘機(jī)制造商已率先尋求于美國天寶、德國MOBA等業(yè)界領(lǐng)先的廠家進(jìn)行了技術(shù)合作，通過技術(shù)引進(jìn)及二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品技術(shù)的轉(zhuǎn)化。新合作開發(fā)的輔助挖掘系統(tǒng)由于節(jié)省了額外的控制器和顯示器，因而實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)成本的優(yōu)化，這一舉措將對大力推廣輔助挖掘系統(tǒng)提供有力的支持。

目前3D輔助挖掘系統(tǒng)的半自動系統(tǒng)已成功開發(fā)和應(yīng)用，全自動的3D輔助挖掘控制系統(tǒng)也在緊鑼密鼓的研究當(dāng)中，相信不久的將來隨著國內(nèi)外各大主機(jī)廠及配套廠的介入輔助挖掘機(jī)系統(tǒng)將會得到較快的發(fā)展。這一技術(shù)的開發(fā)將大大提升挖掘機(jī)的智能化程度，另外通過融合大數(shù)據(jù)管理該系統(tǒng)將會對實(shí)現(xiàn)機(jī)群智控施工管理提供更好的保證。