轮式挖掘机智能控制系统设计

郑 磊，葛瑞彩

（徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏 徐州 221000）

自主驾驶技术利用车载传感器、雷达、GPS以及摄像头等设备来感知车辆周围环境，并根据环境感知获得道路、车辆位置和障碍物信息，实现控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶，实现车辆的自主安全驾驶，安全高效地到达目的地并达到完全消除交通事故的目标。自主驾驶技术是集自动控制、人工智能、视觉计算、模式识别和智能控制技术高度发展的产物。目前，自主驾驶技术的研究进展迅速，在汽车领域的应用已经有了长足的进步。

在工程机械领域，两大矿用卡车提供商卡特彼勒和小松都能提供自主驾驶解决方案。小松很早就进行过车辆自主驾驶方面的研究，其自主驾驶的930E矿用车已在澳大利亚和智利投入使用。

目前，自主驾驶技术通常有3个层次。

1）视距内遥操作 需要在设备上安装无线信号接收设备,在液压回路上并联电控回路，这种方式对技术要求不高，驾驶员在车下通过遥控发射装置进行控制即可，采用这种技术方案的设备在行驶速度和活动范围上受到一定的限制。适用于存在一定危险性的场合。

2）视距外遥操作 相比视距内遥操作进一步提高了安全性，驾驶员只需要坐在办公室里进行操作即可，除了在设备上安装信号接收设备和控制装置，还需要在设备上及工作面附近安装多个摄像头，驾驶员根据回传的画面进行遥操作，通常适用于工况恶劣，对人体危害大的工作环境。

3）自主驾驶 不同于前两种方式需要人员实时进行控制，自主驾驶是由计算机实时采集位置信息、方向信息、车辆状态、路线信息、道路状况、障碍物的信息及装载区、卸料区的地理信息等，轮式挖掘机还需要考虑挖掘、装卸等复杂动作，把这些工作都交给计算机来完成，实现真正意义上的自主驾驶，真正解放劳动力。

1 智能控制系统设计

要实现轮式挖掘机的自主驾驶，需要对电气控制系统进行智能化改造，智能控制系统框图如图1所示。转向系统需要增加电控转向机、方向转角传感器、左/右轮转角传感器，通过CAN3与主控制器进行通信。铲斗角度传感器、斗杆角度传感器、动臂角度传感器、回转编码器、车载控制器和显示器通过CAN2与主控制器进行通信。主控制器通过CAN4与上位机系统进行通信，并且把信息存储到数据记录仪。CAN1作为程序下载及故障诊断接口。

转向系统增加了电控转向机、方向转角传感器、左/右轮转角传感器，组成了闭式转向控制系统，可以对转向角度进行控制并可以实时修正。工作装置上安装铲斗角度传感器、斗杆角度传感器、动臂角度传感，可以实时检测工作装置的角度，可以对挖掘等动作进行精细控制。在中央回转体中安装了回转编码器，检测回转角度，可以判断上车的回转角度，再结合工作装置上的角度传感器，判断工作装置的空间位置。

轮式挖掘机操作复杂，尤其是上车部分，其中工作装置由动臂、斗杆、铲斗组成，不仅可以实现单动作，还可以实现各种复合动作。传统液压挖掘机设计均是通过液控的先导手柄控制多路阀实现液压油缸的动作。上车部分还能通过中央回转接头实现360°回转。要实现无人操作，需要对液压系统进行电控改造，图2是对动臂操作进行的改造。先导手柄并联比例减压阀，通过梭阀后控制多路阀，并且需要检测梭阀出口的压力。动臂油缸既可以通过先导手柄控制，也可以通过控制器控制比例减压阀,并且通过对压力的检测，可以实时反馈动作的快慢。斗杆、铲斗、行走、制动、回转以及支腿和推土铲的操作都要进行同样的电气化改造。

图1 智能控制系统整体框图

图2 液压系统改造示例

图3 常规电气改造示意图

车载控制器需要增加的信号如图3所示，钥匙开关的ACC、BR、C信号分别接入车载控制器，通过ACC信号控制车辆的电源继电器，可以实现车辆远程通电，检测到BR信号时，控制器会输出ECM的上电信号，当需要停车时，会切断控制器此端口的输出。人工操作模式开关、遥操作模式开关、自主驾驶模式开关分别接入控制器，当机器运行在当前的模式时，会点亮相对应的模式指示灯。臂灯、近/远光灯、示廓灯分别通过控制器进行控制,可以提醒参与到此位置工作的其它车辆。动臂上升/下降，斗杆的伸/缩，铲斗的内收/外摆等操作分别通过比例电磁阀进行控制，并加装相应的压力传感器，检测动作的压力。

通过多传感器数据融合技术，实现感知周围环境信息，包括挖机姿态、铲斗实时空间位置、铲斗与矿卡的位置关系，实现装载全区域、矿卡装载局部区域、挖掘作业局部区域、矿卡引导局部区域等多视角数据显示，并通过视觉技术监控实时动作。

铲斗斗齿定位及控制是运用机器人运动学原理实现关节空间、驱动空间与位姿空间之间的坐标变换，并与导航定位系统相结合确定铲斗位置。最后，在建模的基础上，运用合适的控制方法，实现对斗齿位姿的变换控制。

图4 上位机系统框图

2 上位机系统设计

复杂环境感知与障碍物侦测主要涉及雷达侦测和导航定位。在前后两端各装8线激光雷达与毫米波雷达，驾驶室上方安装32线激光雷达，车体右侧与左侧各安装四线激光雷达与毫米波雷达，此外，车体中心附近安装组合导航系统，实现挖掘机全方位环境感知和侦测。

全景影像技术通过安装在车身四周的摄像头，同时采集挖掘机周围的影像，经过图像处理的工控机，进行畸变还原，视角转化，图像拼接，图像增强，最终形成挖掘机周围的360°全景影像。

上体机系统设计框架如图4所示。通过实现上述技术，最终实现挖掘机和无人矿卡的协同控制，根据周围环境信息，进行无人矿卡的停车位置规划。根据挖掘机和无人矿卡配合情况提供车位管理策略，实现无人矿卡的停车智能管理。挖掘机机手确定矿卡的装载点、出场点。当满足入场装载条件时，工控机通过采集挖掘机和矿卡的协同信息完成局部路径规划，引导矿卡到达指定位置，并在挖机显示器上实时显示矿卡的位置信息。实现挖掘机和无人矿卡的联合作业。

3 结 语

轮式挖掘机下车行走部分与矿用卡车相似，上车工作部分不但要进行360°回转还要进行复杂操作。通过对轮式挖掘机自主驾驶技术的研究，下车行走部分可以移植给矿卡，上车工作部分可以移植给履带挖掘机、装载机等类似的工程机械。因此，研究轮式挖掘机自主驾驶技术具有重大的意义，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。随着人工智能技术进一步发展，各个公司不断加大在智能化研究的投入，自主驾驶技术必将迎来飞速的发展。

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