智能化推土機的發展現狀和趨勢-工程機械動態-中國路麵機械網

2007-08-17 03:35:45

長安大學工程機械學院王永奇/WANG Yongqi
洛陽市政工程管理處房立文/FANG Liwen
克拉瑪依城市建設投資發展有限責任公司陶偉/TAO Wei

摘要：本文介紹和分析了國內外智能化推土機發展慨況和主要技術應用，指出智能化推土機必將成為21世紀推土機的重要發展方向。

關鍵詞：GPS 智能化推土機 CAN總線

電子技術和靜液壓技術應用於工程機械領域，使其發生了巨大變化，在推土機上采用微電腦控製的智能化電子監測係統及故障診斷係統、GPS/GIS係統、CAN總線、靜液壓傳動已成為未來推土機發展的方向。

1 智能化推土機的概念
智能化工程機械通過安裝各種複雜的傳感器來獲取工作環境的信息，具有自我感知、自主決策、自動控製的功能。智能化工程機械是智能機器人的一類。目前，推土機的智能化主要體現在三個方麵，即單機集成化操作與智能控製技術；推土機的智能監控、檢測、預報、遠程故障診斷與維護技術以及基於網絡的機群集成控製與智能化管理技術。它具有如下特點：程序化作業；智能化作業；智能診斷與報警。

2 智能推土機國外發展研究情況
近年來，國外推土機產品以電子信息技術為先導，在計算機故障診斷與監控、精確定位與作業、發動機電子控製和人機工程學等方麵，進行了大量的研究應用，主要表現在以下幾方麵：
2.1 GPS在推土機的應用
GPS ( Global Position System) 衛星係統是由美國開發的通過衛星向全球用戶提供連續實時三維位置(經度、緯度、高度)、三維速度和時間信息的全球定位係統。GPS包括空間部分——GPS衛星星座；地麵控製部分——地麵監控係統；用戶設備部分——GPS信號接收機，是用戶設備的核心。近幾年GPS在推土機應用越來越廣泛，主要用來確定和控製作業時工程機械的位置和移動路徑，確定和控製作業裝置的位置和姿態，如刀板的位置和傾角、鏟鬥鬥尖的切削軌跡等。在GPS定位和導向的指引下，在施工成形要求、確定和控製機械運動的方向和移動距離以及確定和控製作業裝置的動作和運動軌跡時，可以不用人工操縱或簡化人工操縱，實現推土機的自動化和無人駕駛。如圖1：三維GPS推土機控製係統。基本組成有筆記本電腦、駕駛室內控製微機和顯示屏幕、固定GPS基準站和移動GPS接收機。筆記本電腦通過閃存盤將設計數據輸給控製微機,控製微機將GPS測量數據進行坐標變換,在顯示屏幕上顯示推土機刀板位置和設計數據，同時微機發出控製信號(高度和傾角)。利用GPS接收器確定推土機當前位置和刀板標高，並與預先輸入在控製微機裏的數字地形模型進行比較。彩色顯示屏真實直觀地把刮板位置和路的橫截麵圖顯示出來。GPS 3D使用於推土機進行土地粗平，其高程控製精度為2～3cm，克服了激光、木樁、線繩等限製，可減少測量和工程造價,廣泛用於公路、鐵路、堤壩等大型土方工程建設,該係統尤其適用於立體交叉高速公路的複雜曲麵形狀路麵的推土施工。
目前，利用GPS(全球定位係統)、GIS和GSM技術，卡特彼勒公司、模塊采礦係統公司、MMS、Leica和Trimble導航設備有限公司均開發了基於GPS的推土機定位係統，大大提高推土機的作業生產率，如卡特彼勒的采礦鏟土運輸技術係統(METS)。METS包括多種多樣的技術產品，如無線電數據通信、機器監測、診斷、工作與業務管理軟件和機器控製等裝置。METTS由計算機輔助鏟土運輸係統(CAES)、關鍵信息管理係統(VIMS)和CAESoffice軟件3部分組成，如圖2和圖3；以及Leica公司的Dozer2000導航係統。其結合全球定位係統(GPS)並有計算機輔助設計軟件的接收器，實時地對車輛的位置做精確的判斷。車內的顯示屏可以清楚地顯示出機器與要得到的表麵有關的位置，使操作者能夠向左或向右移動，並且相應的切削和填充。
2.2 計算機故障診斷係統
機載計算機可根據各種傳感器的檢測信號，結合專家知識庫對機器的運行狀態進行評估，預測可能出現的故障，在出現故障時發出故障信息或指導駕駛員查找和排除故障。
2.3 關鍵信息顯示管理係統
如圖4,采用網絡通訊技術，在辦公室的控製中心實時監控推土機的作業狀態，據此向司機提供基於文字提示的精確的故障診斷信息。如：由歐盟資助的CIRC(Computer Integrated Road Contraction)新一代路麵施工工程機械的控製和監測係統，該係統可以在施工機械之間以及施工機械與控製中心之間建立數據通信聯係，實現機群的協調作業。
2.4 柴油發動機控製管理係統
根據靜壓傳動裝置及推土機的工作狀態，自動調節發動機輸出功率與轉速，以滿足不同作業工況的需要，提高燃料的經濟性。係統是一個基於單片機和CAN總線的燃油噴射控製與發動機最佳性能調節係統，其主要功能有循環供油、噴油定時、總體控製和故障診斷等等。一般還可通過CAN總線與其他設備進行通信，使整台機器構成一個完整的管理係統。如圖5，CAT 3408E柴油發動機電子控製係統ECM(ELECTRONIC CONTROL MODULE)是一種電子綜合控製裝置。
2.6 自動換擋控製係統
根據機器的行駛速度與負載狀態自動換擋，並使發動機轉速與運行工兄相匹配，達到節能的目的。
2.7 人機工程學的普遍應用
國外工程機械特別注重駕駛員與操作界麵的協調，講求操作的舒適性。文本圖形顯示器LCD/LED、無線遙控器，多功能操作手柄應用普遍，操作麵分布合理。
2.8 CAN總線技術和CANopen協議在推土機上的應用
CAN是一種標準通訊協議( ISO 11898)配以主計算機的協調,用串行網絡方式實現執行機構與“智能”傳感器之間的通訊。在機械設備中,信息網與每種單元(每單元均有獨立的微控製器)實現互連,從而與主機之間建立起常規的通訊通道。CAN總線數據段長度最長8個字節,通訊速率可達1Mbps,保證了通訊的實時性,同時受幹擾的概率低,可滿足工程機械控製的需要；多主站依據優先權進行總線訪問；無破壞性的基於優先權的仲裁；具有良好的抗幹擾性與糾錯功能,每幀數據都含有CRC校驗及其它校驗措施,總線節點在嚴重錯誤情況下可自動切斷與總線的聯係,以使總線上的其它操作不受影響。
在CAN的基礎上,目前在應用層比較常用的協議，其中CANopen廣泛用於工程機械。CANopen是基於CAN(ContNller Area Network)開發的應用層協議，是單主站(Master)係統，係統的運行由主站控製，如圖6。CANopen 是基於CAN串行通訊的網絡係統,它假定硬件設備的收發器和控製器完全遵循ISO 1198標準。圖7 是CANopen 的參考模型。
目前國外著名推土機廠家John Deer、LIBBHERR等已在推土機控製係統中采用CANopen協議的現場總線技術。
2.9 推土機工作裝置自動控製技術
除了前麵提及的利用GPS(全球定位係統)、GIS和GSM技術開發的基於GPS的推土機定位係統外，國外某些推土機也采用無線電遙按、激光、電子技術、傳感技術、微機控製等先進技術，使推土機的工作裝置實現了自動控製，如日本新卡特彼勒-三菱公司的推土機作業激光自動調平裝置。日本小鬆公司的D555A推土機的自動切土控製係統．利用傳感技術和電子計算機技術，使推土機實現了自動推土作業．

3 國內智能推土機技術現狀和智能化發展趨勢
我國推土機行業發展於20世紀70~80年代，以引進小鬆、卡特和利勃海爾技術為主，經過近20年的消化吸收，目前形成了以20世紀80年代末小鬆技術產品為主導的格局，從59kW(80馬力)到235kW(320馬力)規格齊全的產品係列。但我國推土機技術仍處於較低水平，在運用集成電路技術、微電子技術、傳感技術、信息技術和自動控製技術，實現了節能化和智能化，我國仍處於起步階段。目前國內主要有徐州工程機械集團有限公司、三一重工股份有限公司、天津工程機械研究院、長安大學工程機械學院在從事這方麵研發工作，已經完成了道路施工機械中的裝載機、材料拌和站、自卸車、攤鋪機和壓路機等單機的智能化改造，初步掌握機群智能化工程機械係統的設計和製造技術，但是在智能推土機研究方麵，國內還隻是在涉及推土機某些局部裝置，如三一重工的TQ230全液壓推土機。推土機單機集成化操作與智能控製技術；智能監控、檢測、預報、遠程故障診斷與維護技術；基於網絡的機群集成控製與智能化管理技術等方麵；CAN總線技術；自動找平技術；行走控製技術；GPS/GIS、LED液晶顯示器和計算機控製的發動機管理技術已成為智能化推土機的發展方向。

4 結語
隨著微電子技術與信息技術發展，智能化、集成化推土機必將成為21世紀推土機的重要發展方向。

參考文獻
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