GPS智能化推土机的发展现状和趋势分析

作者：长安大学工程机械学院王永奇/WANG Yongqi

洛阳市政工程管理处房立文/FANG Liwen

克拉玛依城市建设投资发展有限责任公司陶伟/TAO Wei

电子技术和静液压技术应用于工程机械领域，使其发生了巨大变化，在推土机上采用微电脑控制的智能化电子监测系统及故障诊断系统、GPS/GIS系统、CAN总线、静液压传动已成为未来推土机发展的方向。

1、智能化推土机的概念

智能化工程机械通过安装各种复杂的传感器来获取工作环境的信息，具有自我感知、自主决策、自动控制的功能。智能化工程机械是智能机器人的一类。目前，推土机的智能化主要体现在三个方面，即单机集成化操作与智能控制技术；推土机的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术以及基于网络的机群集成控制与智能化管理技术。它具有如下特点：程序化作业；智能化作业；智能诊断与报警。2、智能推土机国外发展研究情况近年来，国外推土机产品以电子信息技术为先导，在计算机故障诊断与监控、精确定位与作业、发动机电子控制和人机工程学等方面，进行了大量的研究应用，主要表现在以下几方面：2.1 GPS在推土机的应用GPS ( Global Position System) 卫星系统是由美国开发的通过卫星向全球用户提供连续实时三维位置(经度、纬度、高度)、三维速度和时间信息的全球定位系统。GPS包括空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机，是用户设备的核心。近几年GPS在推土机应用越来越广泛，主要用来确定和控制作业时工程机械的位置和移动路径，确定和控制作业装置的位置和姿态，如刀板的位置和倾角、铲斗斗尖的切削轨迹等。在GPS定位和导向的指引下，在施工成形要求、确定和控制机械运动的方向和移动距离以及确定和控制作业装置的动作和运动轨迹时，可以不用人工操纵或简化人工操纵，实现推土机的自动化和无人驾驶。如图1：三维GPS推土机控制系统。基本组成有笔记本电脑、驾驶室内控制微机和显示屏幕、固定GPS基准站和移动GPS接收机。笔记本电脑通过闪存盘将设计数据输给控制微机,控制微机将GPS测量数据进行坐标变换,在显示屏幕上显示推土机刀板位置和设计数据，同时微机发出控制信号(高度和倾角)。利用GPS接收器确定推土机当前位置和刀板标高，并与预先输入在控制微机里的数字地形模型进行比较。彩色显示屏真实直观地把刮板位置和路的横截面图显示出来。GPS 3D使用于推土机进行土地粗平，其高程控制精度为2～3cm，克服了激光、木桩、线绳等限制，可减少测量和工程造价,广泛用于公路、铁路、堤坝等大型土方工程建设,该系统尤其适用于立体交叉高速公路的复杂曲面形状路面的推土施工。目前，利用GPS(全球定位系统)、GIS和GSM技术，卡特彼勒公司、模块采矿系统公司、MMS、Leica和Trimble导航设备有限公司均开发了基于GPS的推土机定位系统，大大提高推土机的作业生产率，如卡特彼勒的采矿铲土运输技术系统(METS)。METS包括多种多样的技术产品，如无线电数据通信、机器监测、诊断、工作与业务管理软件和机器控制等装置。METTS由计算机辅助铲土运输系统(CAES)、关键信息管理系统(VIMS)和CAESoffice软件3部分组成；以及Leica公司的Dozer2000导航系统。其结合全球定位系统(GPS)并有计算机辅助设计软件的接收器，实时地对车辆的位置做精确的判断。车内的显示屏可以清楚地显示出机器与要得到的表面有关的位置，使操作者能够向左或向右移动，并且相应的切削和填充。2.2 计算机故障诊断系统机载计算机可根据各种传感器的检测信号，结合专家知识库对机器的运行状态进行评估，预测可能出现的故障，在出现故障时发出故障信息或指导驾驶员查找和排除故障。2.3 关键信息显示管理系统采用网络通讯技术，在办公室的控制中心实时监控推土机的作业状态，据此向司机提供基于文字提示的精确的故障诊断信息。如：由欧盟资助的CIRC(Computer Integrated Road Contraction)新一代路面施工工程机械的控制和监测系统，该系统可以在施工机械之间以及施工机械与控制中心之间建立数据通信联系，实现机群的协调作业。2.4 柴油发动机控制管理系统根据静压传动装置及推土机的工作状态，自动调节发动机输出功率与转速，以满足不同作业工况的需要，提高燃料的经济性。系统是一个基于单片机和CAN总线的燃油喷射控制与发动机最佳性能调节系统，其主要功能有循环供油、喷油定时、总体控制和故障诊断等等。一般还可通过CAN总线与其他设备进行通信，使整台机器构成一个完整的管理系统。如CAT 3408E柴油发动机电子控制系统ECM(ELECTRONIC CONTROL MODULE)是一种电子综合控制装置。2.5 自动换挡控制系统根据机器的行驶速度与负载状态自动换挡，并使发动机转速与运行工兄相匹配，达到节能的目的。2.6 人机工程学的普遍应用国外工程机械特别注重驾驶员与操作界面的协调，讲求操作的舒适性。文本图形显示器LCD/LED、无线遥控器，多功能操作手柄应用普遍，操作面分布合理。2.7 CAN总线技术和CANopen协议在推土机上的应用CAN是一种标准通讯协议( ISO 11898)配以主计算机的协调,用串行网络方式实现执行机构与“智能”传感器之间的通讯。在机械设备中,信息网与每种单元(每单元均有独立的微控制器)实现互连,从而与主机之间建立起常规的通讯通道。CAN总线数据段长度最长8个字节,通讯速率可达1Mbps,保证了通讯的实时性,同时受干扰的概率低,可满足工程机械控制的需要；多主站依据优先权进行总线访问；无破坏性的基于优先权的仲裁；具有良好的抗干扰性与纠错功能,每帧数据都含有CRC校验及其它校验措施,总线节点在严重错误情况下可自动切断与总线的联系,以使总线上的其它操作不受影响。在CAN的基础上,目前在应用层比较常用的协议，其中CANopen广泛用于工程机械。CANopen是基于CAN(ContNller Area Network)开发的应用层协议，是单主站(Master)系统，系统的运行由主站控制。CANopen 是基于CAN串行通讯的网络系统,它假定硬件设备的收发器和控制器完全遵循ISO 1198标准。目前国外著名推土机厂家John Deer、LIBBHERR等已在推土机控制系统中采用CANopen协议的现场总线技术。2.8 推土机工作装置自动控制技术除了前面提及的利用GPS(全球定位系统)、GIS和GSM技术开发的基于GPS的推土机定位系统外，国外某些推土机也采用无线电遥按、激光、电子技术、传感技术、微机控制等先进技术，使推土机的工作装置实现了自动控制，如日本新卡特彼勒-三菱公司的推土机作业激光自动调平装置。日本小松公司的D555A推土机的自动切土控制系统．利用传感技术和电子计算机技术，使推土机实现了自动推土作业．3、国内智能推土机技术现状和智能化发展趋势我国推土机行业发展于20世纪70~80年代，以引进小松、卡特和利勃海尔技术为主，经过近20年的消化吸收，目前形成了以20世纪80年代末小松技术产品为主导的格局，从59kW(80马力)到235kW(320马力)规格齐全的产品系列。但我国推土机技术仍处于较低水平，在运用集成电路技术、微电子技术、传感技术、信息技术和自动控制技术，实现了节能化和智能化，我国仍处于起步阶段。目前国内主要有徐州工程机械集团有限公司、三一重工股份有限公司、天津工程机械研究院、长安大学工程机械学院在从事这方面研发工作，已经完成了道路施工机械中的装载机、材料拌和站、自卸车、摊铺机和压路机等单机的智能化改造，初步掌握机群智能化工程机械系统的设计和制造技术，但是在智能推土机研究方面，国内还只是在涉及推土机某些局部装置，如三一重工的TQ230全液压推土机。推土机单机集成化操作与智能控制技术；智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术；基于网络的机群集成控制与智能化管理技术等方面；CAN总线技术；自动找平技术；行走控制技术；GPS/GIS、LED液晶显示器和计算机控制的发动机管理技术已成为智能化推土机的发展方向。4、结语随着微电子技术与信息技术发展，智能化、集成化推土机必将成为21世纪推土机的重要发展方向。