YANG Ji-hong,WU Xian-wei,WANG Sheng-bo(山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073)

現(xiàn)在無線遙控技術(shù)已被應(yīng)用于挖掘機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械等行業(yè)[1～3]，國外的卡特、小松已實(shí)現(xiàn)了對(duì)推土機(jī)的遠(yuǎn)程遙控駕駛[4]。國內(nèi)的高校也已對(duì)無線遙控推土機(jī)有所研究[5]，但未進(jìn)行樣機(jī)的試制。本文介紹的遙控推土機(jī)采用靜壓驅(qū)動(dòng)的形式，實(shí)現(xiàn)推土機(jī)遠(yuǎn)距離的智能遙控，把駕駛?cè)藛T從危險(xiǎn)惡劣的工況中解放出來，保護(hù)了駕駛?cè)藛T身心健康的同時(shí)，高效、安全地滿足工況需求，更是開拓了推土機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，為我國無人駕駛推土機(jī)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 靜壓驅(qū)動(dòng)推土機(jī)簡介

推土機(jī)是一種具有較高駕駛性能和靈活作業(yè)要求、多個(gè)控制自由度的工程機(jī)械，且其控制要求實(shí)時(shí)多變，故要實(shí)現(xiàn)推土機(jī)的遙控駕駛，并且要保證足夠的安全距離和高效性，這就要求整個(gè)推土機(jī)從硬件配置到軟件控制各方面都要有全面完善的考慮與設(shè)計(jì)。

1.1 裝機(jī)配置

首先從推土機(jī)整機(jī)配置上看，要實(shí)現(xiàn)推土機(jī)全功能的遙控控制，普通液力傳動(dòng)的推土機(jī)在技術(shù)及可靠性上有諸多不足。例如要實(shí)現(xiàn)從根本上控制電控變速箱，目前推土機(jī)的電控變速箱在國內(nèi)技術(shù)并不成熟，故可靠性不能保證；如果從操作上層進(jìn)行遙控設(shè)計(jì)，需要對(duì)各機(jī)械控制進(jìn)行電控改造，例如增加油門電機(jī)、手柄電機(jī)等，而這種方案在可靠性與實(shí)時(shí)性上都無法滿足遙控要求，故在實(shí)際應(yīng)用中，我們選擇靜壓驅(qū)動(dòng)全車電控的整機(jī)配置方式，即整機(jī)采用全液壓推土機(jī)進(jìn)行遙控推土機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1.2 液壓傳動(dòng)

全液壓推土機(jī)是指行走系統(tǒng)和工作裝置操縱都采用液壓驅(qū)動(dòng)，目前已成為國際主流傳動(dòng)技術(shù)，它能夠適應(yīng)各種工況，從需要精細(xì)作業(yè)的高爾夫球場施工、到高效的市政工程施工乃至需要高強(qiáng)度大負(fù)荷作業(yè)的礦山施工都能從容應(yīng)對(duì)，更重要的是它可通過控制器對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制行走系統(tǒng)和工作裝置完成動(dòng)作的目的。

1.3 行走操縱控制原理

行走手柄發(fā)出控制指令，控制推土機(jī)的前進(jìn)、后退、加減速與左、右轉(zhuǎn)向功能，顯示器同步顯示當(dāng)前擋位與車速，控制器則根據(jù)手柄發(fā)出的指令對(duì)泵、馬達(dá)等進(jìn)行控制，由泵、馬達(dá)構(gòu)成閉式回路，即油液在泵與馬達(dá)間循環(huán)流動(dòng)。泵將發(fā)動(dòng)機(jī)提供的扭矩轉(zhuǎn)換成高壓油流，而高壓油流將能量傳遞給馬達(dá)，然后由馬達(dá)將油流再次轉(zhuǎn)換為扭矩來驅(qū)動(dòng)鏈輪，從而完成對(duì)推土機(jī)行走功能的控制，如圖1所示。電控泵馬達(dá)來調(diào)節(jié)其排量，對(duì)于遙控推土機(jī)的實(shí)現(xiàn)來說，即可靠又快速。

工作液壓系統(tǒng)(圖2）由電控手柄、控制器、泵、閥組成。工作手柄發(fā)出控制指令，控制器根據(jù)手柄控制指令對(duì)閥塊上對(duì)應(yīng)電磁閥進(jìn)行導(dǎo)通控制，控制鏟刀的上升、下降、左右傾斜及對(duì)應(yīng)速度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鏟刀功能的控制。同樣，鏟刀電控操作方式的實(shí)現(xiàn)，讓遙控控制更精準(zhǔn)，實(shí)時(shí)性更高，從而保證了其工作的有效性。

圖1 行走系統(tǒng)電控圖

圖2 工作裝置電控圖

圖3 推土機(jī)遙控系統(tǒng)功能圖

2 遙控推土機(jī)功能及原理

2.1 功能實(shí)現(xiàn)

智能遙控推土機(jī)擁有在機(jī)駕駛和遙控駕駛兩種操作駕駛方式。在遙控作業(yè)模式下，可遙控實(shí)現(xiàn)推土機(jī)整機(jī)的上電、下電；發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停，油門大小控制；推土機(jī)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向、速度控制及制動(dòng)停車控制；鏟刀上升、下降、左右傾斜控制；喇叭、照明等輔助系統(tǒng)控制；遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷方面實(shí)現(xiàn)整車關(guān)鍵參數(shù)及故障信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程掌握整車的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)信息；在安全方面，設(shè)計(jì)了后退遇到障礙物自動(dòng)減速停車的自主防御系統(tǒng)，及車身雙向主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)。

2.2 控制原理

遙控推土機(jī)在靜壓驅(qū)動(dòng)推土機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行全車電控設(shè)計(jì)，同時(shí)增加無線遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)和無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，兩大系統(tǒng)采用2套獨(dú)立的無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸，并采用不同的傳輸頻率，不會(huì)產(chǎn)生相互間的干擾。其控制原理如圖3所示。

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與整車控制系統(tǒng)采用總線的通訊方式，遠(yuǎn)程遙控操作系統(tǒng)將控制信號(hào)下達(dá)到整車控制系統(tǒng)，整車控制系統(tǒng)又將推土機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)及故障系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳給遙控端的人機(jī)界面。

遙控駕駛端采用推土機(jī)仿真駕駛的方式，遙控駕駛?cè)藛T可以輕松對(duì)推土機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程駕駛，通過遙控操作可同樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、行走系統(tǒng)、工作裝置及輔助電氣系統(tǒng)等進(jìn)行控制。

3 遙控推土機(jī)的控制系統(tǒng)原理

遙控推土機(jī)智能控制系統(tǒng)承擔(dān)著推土機(jī)所有動(dòng)作控制、智能匹配控制、參數(shù)監(jiān)控與故障診斷等全部功能實(shí)現(xiàn)，是遙控推土機(jī)的大腦，也是智能遙控推土機(jī)高效施工核心技術(shù)。

遙控推土機(jī)智能控制系統(tǒng)（圖4）按功能分為基礎(chǔ)功能控制、智能匹配控制、遙控系統(tǒng)控制、智能監(jiān)控與診斷系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)組成。各操作元件與檢測傳感元件為輸入信號(hào)，泵、閥、人機(jī)智能界面等為執(zhí)行元件，所有邏輯與策略均在控制器內(nèi)部運(yùn)算執(zhí)行。

圖4 遙控推土機(jī)控結(jié)構(gòu)圖

整機(jī)控制系統(tǒng)有2個(gè)工程機(jī)械專用控制器組成，通過總線與推土機(jī)所有智能元件進(jìn)行信息溝通，同時(shí)與整機(jī)所有的傳感器相連接，以對(duì)推土機(jī)進(jìn)行智能控制與診斷。

控制系統(tǒng)采用自由靈活的Codesys編程。CoDeSys是一種功能強(qiáng)大的PLC編程工具，它支 持 IEC61131-3 標(biāo) 準(zhǔn) IL、ST、FBD、LD、CFC、SFC 6種PLC編程語言，用戶可在同一項(xiàng)目中選擇不同語言編輯子程序、功能模塊等。CoDeSys軟件內(nèi)置豐富的庫函數(shù)，方便用戶的調(diào)用，減少用戶的編程時(shí)間，提高編程的效率。

在遙控狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)在遙控操作臺(tái)上遙控操作推土機(jī)，內(nèi)置控制器將各操作元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換成CAN總線信號(hào)，遠(yuǎn)程遙控發(fā)射器將總線信號(hào)轉(zhuǎn)換成無線信號(hào)發(fā)射，車載端的無線遙控接收器就可以接收各控制指令，并將其轉(zhuǎn)換為CAN總線數(shù)據(jù)與整機(jī)控制器進(jìn)行信息交互，整機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)遙控指令進(jìn)行相應(yīng)的功能控制（圖5）。

圖5 遙控推土機(jī)信號(hào)傳遞框圖

為確保信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，無線遙控?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用時(shí)分多址（time division multiple access，TDMA）技術(shù)，把時(shí)間分割成互不重疊的時(shí)段（幀），再將幀分割成互不重疊的時(shí)隙（信道）與用戶具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，依據(jù)時(shí)隙區(qū)分來自不同地址的用戶信號(hào)，從而完成的多址連接。相比于FDMA，4G/5G等信號(hào)傳輸方式具有通信口號(hào)質(zhì)量高，保密較好，系統(tǒng)容量較大，無額外費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。

4 影像實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

進(jìn)行遙控操作時(shí)，當(dāng)操作距離超過操作者的視距范圍，操作者因不能發(fā)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的各種緊急情況而無法對(duì)推土機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控操作，使推土機(jī)的遙控作業(yè)范圍受到很大限制，所以有必要在遙控推土機(jī)上增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)，從而提高遙控推土機(jī)工作的可靠性和安全性。

影像傳輸負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集推土機(jī)周邊的信息，并將采集的圖像及聲音信號(hào)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換收發(fā)模塊發(fā)出，遠(yuǎn)程端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換收發(fā)模塊接收到車載端數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視頻及聲音信號(hào)，最后由顯示平臺(tái)呈現(xiàn)出清晰的現(xiàn)場畫面及聲音，為進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程控制提供保障。傳輸系統(tǒng)采用先進(jìn)的COFDM技術(shù)，即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，是目前世界最先進(jìn)和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)。其卓越的“繞射”與“穿透”能力，能夠以高概率實(shí)現(xiàn)圖像的穩(wěn)定傳輸，不受環(huán)境影響或受環(huán)境影響小。采用全向天線，不受方向的限制，系統(tǒng)簡單、可靠，應(yīng)用靈活。

5 推土機(jī)自主安全防御系統(tǒng)

由于是遙控操作，臨場感不強(qiáng)，對(duì)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)易出現(xiàn)誤判，造成無法估量的損失，所以有必要對(duì)遙控推土機(jī)增加自主安全防御功能。如通信中斷時(shí)，車載控制器采取緊急停車功能；在推土機(jī)周邊配備距離傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測推土機(jī)和周圍物體的距離，避免出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象；為推土機(jī)增加傳感器，實(shí)時(shí)感知車身狀態(tài)等。自主安全防御系統(tǒng)可讓遙控駕駛更加安全，有保障。

6 結(jié) 語

經(jīng)過測試驗(yàn)證，改造設(shè)計(jì)完成的遙控推土機(jī)，遙控操作距離可達(dá)1000m，可實(shí)現(xiàn)推土機(jī)的全部功能動(dòng)作。配置的多角度同步視頻監(jiān)控及現(xiàn)場聲音同步傳輸系統(tǒng)，讓遙控操作如在機(jī)操作一般簡單靈敏。自主安全防御系統(tǒng)提高了遙控推土機(jī)的安全系數(shù)，為遙控推土機(jī)提供安全保障。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陽 帥，蔣 蘋.履帶式拖拉機(jī)可視遙控駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，42(5)：561-566.

[2]劉榮華.線遙控挖掘機(jī)電液控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2016，44，(16)：124-127.

[3]梅勇兵，朱建新.無線遙控系統(tǒng)在液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用[J].建筑機(jī)械，2007，(6)：92-94.

[4]葉森森.KOMATSUD155AXI-8RC型遠(yuǎn)程遙控推土機(jī)[J].工程機(jī)械，2016，47(9)：64.

[5]王 健.超視距無線遙控推土機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].淄博：山東理工大學(xué)，2013.