邵德君

（龍建路橋第六工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

電子技術(shù)和靜液壓技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域，使其發(fā)生了巨大變化，在推土機(jī)上采用微電腦控制的智能化電子監(jiān)測系統(tǒng)及故障診斷系統(tǒng)、GPS/GIS系統(tǒng)、CAN總線、靜液壓傳動已成為未來推土機(jī)發(fā)展的方向。

1 智能化推土機(jī)的概念

智能化工程機(jī)械通過安裝各種復(fù)雜的傳感器來獲取工作環(huán)境的信息，具有自我感知、自主決策、自動控制的功能。智能化工程機(jī)械是智能機(jī)器人的一類。目前，推土機(jī)的智能化主要體現(xiàn)在三個方面，即單機(jī)集成化操作與智能控制技術(shù)；推土機(jī)的智能監(jiān)控、檢測、預(yù)報、遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)技術(shù)以及基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)群集成控制與智能化管理技術(shù)。它具有如下特點(diǎn)：程序化作業(yè)；智能化作業(yè)；智能診斷與報警。

2 智能推土機(jī)國外發(fā)展研究情況

近年來，國外推土機(jī)產(chǎn)品以電子信息技術(shù)為先導(dǎo)，在計算機(jī)故障診斷與監(jiān)控、精確定位與作業(yè)、發(fā)動機(jī)電子控制和人機(jī)工程學(xué)等方面，進(jìn)行了大量的研究應(yīng)用，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

2.1GPS在推土機(jī)的應(yīng)用

GPS(GlobalPositionSystem)衛(wèi)星系統(tǒng)是由美國開發(fā)的通過衛(wèi)星向全球用戶提供連續(xù)實時三維位置(經(jīng)度、緯度、高度)、三維速度和時間信息的全球定位系統(tǒng)。GPS包括空間部分--GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分--地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分--GPS信號接收機(jī)，是用戶設(shè)備的核心。近幾年GPS在推土機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，主要用來確定和控制作業(yè)時工程機(jī)械的位置和移動路徑，確定和控制作業(yè)裝置的位置和姿態(tài)，如刀板的位置和傾角、鏟斗斗尖的切削軌跡等。在GPS定位和導(dǎo)向的指引下，在施工成形要求、確定和控制機(jī)械運(yùn)動的方向和移動距離以及確定和控制作業(yè)裝置的動作和運(yùn)動軌跡時，可以不用人工操縱或簡化人工操縱，實現(xiàn)推土機(jī)的自動化和無人駕駛。三維GPS推土機(jī)控制系統(tǒng)?；窘M成有筆記本電腦、駕駛室內(nèi)控制微機(jī)和顯示屏幕、固定GPS基準(zhǔn)站和移動GPS接收機(jī)。筆記本電腦通過閃存盤將設(shè)計數(shù)據(jù)輸給控制微機(jī),控制微機(jī)將GPS測量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換,在顯示屏幕上顯示推土機(jī)刀板位置和設(shè)計數(shù)據(jù)，同時微機(jī)發(fā)出控制信號(高度和傾角)。利用GPS接收器確定推土機(jī)當(dāng)前位置和刀板標(biāo)高，并與預(yù)先輸入在控制微機(jī)里的數(shù)字地形模型進(jìn)行比較。彩色顯示屏真實直觀地把刮板位置和路的橫截面圖顯示出來。GPS3D使用于推土機(jī)進(jìn)行土地粗平，其高程控制精度為2～3cm，克服了激光、木樁、線繩等限制，可減少測量和工程造價,廣泛用于公路、鐵路、堤壩等大型土方工程建設(shè),該系統(tǒng)尤其適用于立體交叉高速公路的復(fù)雜曲面形狀路面的推土施工。

目前，利用GPS(全球定位系統(tǒng))、GIS和GSM技術(shù)，卡特彼勒公司、模塊采礦系統(tǒng)公司、MMS、Leica和Trimble導(dǎo)航設(shè)備有限公司均開發(fā)了基于GPS的推土機(jī)定位系統(tǒng)，大大提高推土機(jī)的作業(yè)生產(chǎn)率，如卡特彼勒的采礦鏟土運(yùn)輸技術(shù)系統(tǒng)(METS)。METS包括多種多樣的技術(shù)產(chǎn)品，如無線電數(shù)據(jù)通信、機(jī)器監(jiān)測、診斷、工作與業(yè)務(wù)管理軟件和機(jī)器控制等裝置。METTS由計算機(jī)輔助鏟土運(yùn)輸系統(tǒng)(CAES)、關(guān)鍵信息管理系統(tǒng)(VIMS)和CAESoffice軟件3部分組成；以及Leica公司的Dozer2000導(dǎo)航系統(tǒng)。其結(jié)合全球定位系統(tǒng)(GPS)并有計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的接收器，實時地對車輛的位置做精確的判斷。車內(nèi)的顯示屏可以清楚地顯示出機(jī)器與要得到的表面有關(guān)的位置，使操作者能夠向左或向右移動，并且相應(yīng)的切削和填充。

2.2 計算機(jī)故障診斷系統(tǒng)

機(jī)載計算機(jī)可根據(jù)各種傳感器的檢測信號，結(jié)合專家知識庫對機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估，預(yù)測可能出現(xiàn)的故障，在出現(xiàn)故障時發(fā)出故障信息或指導(dǎo)駕駛員查找和排除故障。

2.3 關(guān)鍵信息顯示管理系統(tǒng)

采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，在辦公室的控制中心實時監(jiān)控推土機(jī)的作業(yè)狀態(tài)，據(jù)此向司機(jī)提供基于文字提示的精確的故障診斷信息。如：由歐盟資助的CIRC(ComputerIntegratedRoadContraction)新一代路面施工工程機(jī)械的控制和監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在施工機(jī)械之間以及施工機(jī)械與控制中心之間建立數(shù)據(jù)通信聯(lián)系，實現(xiàn)機(jī)群的協(xié)調(diào)作業(yè)。

2.4 柴油發(fā)動機(jī)控制管理系統(tǒng)

根據(jù)靜壓傳動裝置及推土機(jī)的工作狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速，以滿足不同作業(yè)工況的需要，提高燃料的經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)是一個基于單片機(jī)和CAN總線的燃油噴射控制與發(fā)動機(jī)最佳性能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其主要功能有循環(huán)供油、噴油定時、總體控制和故障診斷等等。一般還可通過CAN總線與其他設(shè)備進(jìn)行通信，使整臺機(jī)器構(gòu)成一個完整的管理系統(tǒng)。CAT3408E柴油發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)ECM(ELECTRONIC CONTROLMODULE)是一種電子綜合控制裝置。

2.6 自動換擋控制系統(tǒng)

根據(jù)機(jī)器的行駛速度與負(fù)載狀態(tài)自動換擋，并使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與運(yùn)行工兄相匹配，達(dá)到節(jié)能的目的。

2.7 人機(jī)工程學(xué)的普遍應(yīng)用

國外工程機(jī)械特別注重駕駛員與操作界面的協(xié)調(diào)，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(yīng)用普遍，操作面分布合理。

2.8 CAN總線技術(shù)和CANopen協(xié)議在推土機(jī)上的應(yīng)用

CAN是一種標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議(ISO11898)配以主計算機(jī)的協(xié)調(diào),用串行網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與"智能"傳感器之間的通訊。在機(jī)械設(shè)備中,信息網(wǎng)與每種單元 (每單元均有獨(dú)立的微控制器)實現(xiàn)互連,從而與主機(jī)之間建立起常規(guī)的通訊通道。CAN總線數(shù)據(jù)段長度最長8個字節(jié),通訊速率可達(dá)1Mbps,保證了通訊的實時性,同時受干擾的概率低,可滿足工程機(jī)械控制的需要；多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問；無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁；具有良好的抗干擾性與糾錯功能,每幀數(shù)據(jù)都含有CRC校驗及其它校驗措施,總線節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯誤情況下可自動切斷與總線的聯(lián)系,以使總線上的其它操作不受影響。

在CAN的基礎(chǔ)上,目前在應(yīng)用層比較常用的協(xié)議，其中CANopen廣泛用于工程機(jī)械。CANopen是基于CAN(ContNllerAreaNetwork)開發(fā)的應(yīng)用層協(xié)議，是單主站(Master)系統(tǒng)，系統(tǒng)的運(yùn)行由主站控制。CANopen是基于CAN串行通訊的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),它假定硬件設(shè)備的收發(fā)器和控制器完全遵循ISO1198標(biāo)準(zhǔn)。圖7是CANopen的參考模型。

目前國外著名推土機(jī)廠家John Deer、LIBBHERR等已在推土機(jī)控制系統(tǒng)中采用CANopen協(xié)議的現(xiàn)場總線技術(shù)。

2.9 推土機(jī)工作裝置自動控制技術(shù)

除了前面提及的利用GPS(全球定位系統(tǒng))、GIS和GSM技術(shù)開發(fā)的基于GPS的推土機(jī)定位系統(tǒng)外，國外某些推土機(jī)也采用無線電遙按、激光、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、微機(jī)控制等先進(jìn)技術(shù)，使推土機(jī)的工作裝置實現(xiàn)了自動控制，如日本新卡特彼勒-三菱公司的推土機(jī)作業(yè)激光自動調(diào)平裝置。日本小松公司的D555A推土機(jī)的自動切土控制系統(tǒng).利用傳感技術(shù)和電子計算機(jī)技術(shù)，使推土機(jī)實現(xiàn)了自動推土作業(yè).

3 國內(nèi)智能推土機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀和智能化發(fā)展趨勢

我國推土機(jī)行業(yè)發(fā)展于20世紀(jì)70～80年代，以引進(jìn)小松、卡特和利勃海爾技術(shù)為主，經(jīng)過近20年的消化吸收，目前形成了以20世紀(jì)80年代末小松技術(shù)產(chǎn)品為主導(dǎo)的格局，從59kW(80馬力)到235kW(320馬力)規(guī)格齊全的產(chǎn)品系列。但我國推土機(jī)技術(shù)仍處于較低水平，在運(yùn)用集成電路技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，實現(xiàn)了節(jié)能化和智能化，我國仍處于起步階段。目前國內(nèi)主要有徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司、三一重工股份有限公司、天津工程機(jī)械研究院、長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院在從事這方面研發(fā)工作，已經(jīng)完成了道路施工機(jī)械中的裝載機(jī)、材料拌和站、自卸車、攤鋪機(jī)和壓路機(jī)等單機(jī)的智能化改造，初步掌握機(jī)群智能化工程機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計和制造技術(shù)，但是在智能推土機(jī)研究方面，國內(nèi)還只是在涉及推土機(jī)某些局部裝置，如三一重工的TQ230全液壓推土機(jī)。推土機(jī)單機(jī)集成化操作與智能控制技術(shù)；智能監(jiān)控、檢測、預(yù)報、遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)技術(shù)；基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)群集成控制與智能化管理技術(shù)等方面；CAN總線技術(shù)；自動找平技術(shù)；行走控制技術(shù)；GPS/GIS、LED液晶顯示器和計算機(jī)控制的發(fā)動機(jī)管理技術(shù)已成為智能化推土機(jī)的發(fā)展方向。

結(jié)語

隨著微電子技術(shù)與信息技術(shù)發(fā)展，智能化、集成化推土機(jī)必將成為21世紀(jì)推土機(jī)的重要發(fā)展方向。

[1]焦生杰，龍水根，劉正富，易小剛.全液壓推土機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2006年6期.