小松智能挖掘機先鋒PC210LCi—10

只需要將合有設計圖紙文件的USB存儲器插入控制器，或者遠程下載就可以進行施工了，這對承包商來說也是個不小的誘惑。可以預見，未來挖掘機的智能化水平會越來越高，人的因素將越來越弱，無人化或者自主駕駛也許并不遙遠。

2014年的ConExpo上，小松展示了其智能機器控制技術的新成員——PC210LCi-10，并于當年11月正式將其推向市場。小松稱其為世界上首款具有智能機器控制技術的挖掘機，而業界普遍認為這是一種半自動的智能挖掘機，具有小松革命性的機器控制和制導系統。那么，這款機器到底有多智能，怎樣實現半自動的呢？

近年來，隨著機器控制技術帶來的好處越來越多地被用戶所認識，機器控制技術的應用也越來越廣泛，在數字化施工中發揮了重要作用，大幅提高了工作效率。目前在挖掘機上應用的機器控制技術常見的多為由激光引導的2D形式和GNSS（全球導航衛星系統）引導的3D形式。而多數機器控制系統為出廠后根據需要安裝，廠商往往只預留接口以方便安裝。

更重要的是，目前常見的機器控制系統為挖掘機操作者提供的只是引導功能，通過測量得出挖掘機的位置坐標，同時測量各液壓缸的行程，根據已輸入的幾何尺寸計算出鏟斗刃板的位置，并與設定的目標位置一起以圖像或數字的方式提供給操作者，使操作者隨時掌握鏟斗與設計邊界的關系，控制鏟斗沿邊界進行挖掘。雖然提供了引導，但挖掘的精度仍然依賴于操作者的技能，而且操作者總盯著屏幕看也影響了速度。

PC210LCi-10則主要通過集成和智能化控制來解決上述問題，出廠時就全面內置了各種組件，并通過智能控制系統自行控制機器，使得挖掘的精度與操作者的技能無關。

智能機器控制系統組成可以分為兩部分，首先是和各種出廠后加裝的機器控制系統相同或類似的部分：

GNSS天線

用于確定機器的坐標和高程，和出廠后加裝的GNSS天線不同，PC210LCi-10的主、輔兩個天線安裝在駕駛室后方的扶手上，而不是用長長的專用桿安裝在配重上，這樣就減少了碰撞的風險。

行程傳感器

動臂、斗桿和鏟斗液壓缸都內置了行程傳感器，可以精確地測量液壓缸行程（活塞桿長度）和速度，用于工作裝置的控制和工作裝置的位置計算。行程傳感器還具有檢測和修正因活塞桿膨脹和收縮引起的缸筒旋轉和滑動功能。同時，該傳感器動態響應優異，不會造成顯示器上的邊緣的擺動。

慣性測量單元（IMU）

IMU安裝在機器主體框架內，可以檢測機器的姿勢，包括方向和角度，這保證了機器在坡道上工作時的精度。

大屏幕控制面板

12.1英寸的大屏幕觸摸面板顯示器像平板電腦一樣可以顯示各種信息，包括設計圖紙、邊界位置、機器3D鳥瞰圖、指南針等，3D顯示的視角和放大倍率可以改變，操作者可以選擇工作的最佳視圖，可以在“粗略”的整體視圖或放大的“精細”視圖中突出鏟斗位置之間進行切換。操作者可以在屏幕上啟動或終止機器控制功能。

上述部分可實現的功能與各種出廠后加裝的機器控制系統相同，操作者可以直觀地掌握設計邊界和機器的距離并接受指導。下面是真正的機器控制部分：

電控工作閥

操作者的手柄操作通過控制液壓先導閥來控制主閥，這在操作感覺上與普通機器相同。所不同的是，先導閥和主閥之間增加了電子壓力控制（EPC）閥，EPC閥以電子方式控制先導壓力以控制主閥。每個控制閥都安裝有傳感器，以精確地檢測閥芯，確保控制流量的精確。

電子控制器

各組件的電信號被連接到控制器，并輸出控制命令。通過通信網絡可以連接到其他控制器，以獲得所需的信息。

檢測校準

工作設備的尺寸和各種傳感器的精密檢測校準都已在制造工廠完成。因此在一個工地，需要將使用的鏟斗尺寸作為一個單獨文件輸入供智能機器控制系統使用。對于設計文件和鏟斗文件，都可以使用USB存儲器設備寫入。如果有互聯網接入，數據傳輸也可以更方便。

PC210LCi-10智能控制的原理并不復雜。在常規的機器控制操作中，操作者手動地進行操作，同時在屏幕上檢查設計邊界和鏟斗刃板之間的位置關系。而在這款機器上，由于有電子控制器控制EPC閥的參與，在接近設計邊界時，電子控制器會接管操作，操作者不用擔心超挖。

自動停止控制

當進行動臂或鏟斗操作時，控制器會根據傳感器的信號持續計算鏟斗刃板的位置、速度和方向，算出設計邊界和鏟斗刃板之間的距離。它根據先導壓力來計算出鏟斗刃板的速度，并計算出可允許速度與設計邊界的距離關系。如果它判斷控制干預是必要的，就會把目標速度通過幾何學換算成每個液壓缸的目標速度，并通過控制EPC閥來控制先導壓力，控制液壓缸使得鏟斗刃板速度降低到允許速度，并最終停在設計邊界上。自動停止控制功能在挖掘開始時確定邊界或用于測量時是非常有用的。

自動坡度協助

就像自動停止控制一樣，當進行斗桿操作時，如果控制器判斷需要干預，會自動輸出動臂提升的命令來調整鏟斗高度以貼合設計邊界，同時也會降低斗桿的速度。自動坡度協助會根據操作者的斗桿操作量進行優化控制，涵蓋了從對精度沒有什么要求的粗挖到需要邊行走邊操作的精度，例如用鏟斗底部進行平整的作業。

最短距離控制和面向角羅盤

當設計的邊界是一個斜面，而機器又不能以正確的角度面對該斜面時，向下挖掘會影響開挖的質量，除非參照最接近設計邊界的鏟斗刃板激活控制干預。通過選擇“最短距離”，控制干預介入，受到控制區域不僅包括刃板，還包括鏟斗底部和輪廓。在挖掘一個斜面的情況下，面向角羅盤功能會在屏幕上顯示機器和設計邊界之間的相對狀態，這有助于改善可用性。

液壓挖掘機通常會根據挖掘的物料更換鏟斗，如果使用可傾斜鏟斗，只需要增加一個傾角傳感器就可以使用智能控制功能。如果鏟斗重量發生變化，可以在控制面板上更改鏟斗設置即可。如果不需要智能控制，只需要簡單地切換一下，就可以只使用引導的功能。

顯然，智能機器控制極大地提高了工作效率，不僅比未安裝普通機器控制系統的機器效率高得多，相比那些出廠后安裝機器控制系統的機器，由于操作時無須擔心超挖而反復檢查監視器，操作者可以集中精力有效地進行挖掘，效率得到了提高，而精度也不受操作技能影響。按照小松的說法，根據工作內容和條件的不同，使用智能機器控制的機器相比常規機器的工作時間可縮短20%～63%。

此外，由于該系統是小松與拓普康共同開發的，因此，該系統也很容易與拓普康的設備管理軟件整合，方便地上傳設計圖紙，下載工作數據，發送消息，以及使用設備監控和遠程診斷等功能。

盡管還沒有具體數據，但小松期望PC210LCi-10給用戶帶來的投資回報率是18個月。目前，小松已經有了5個機型的智能控制推土機，智能控制挖掘機也會形成系列，比PC210LCi-10更大的智能控制挖掘機有望在1年以后出現。

當然，無論用機器控制來引導還是真正控制機器，都是針對那些需要精確控制邊界的場合，大方量挖掘或裝車等工況并不需要。但是如果機器內置了這些強大的功能，在需要的時候就可以隨時拿來用，不需要太多的準備，只需要將含有設計圖紙文件的USB存儲器插入控制器，或者遠程下載一下就可以進行施工了，這對承包商來說也是個不小的誘惑。可以預見，未來挖掘機的智能化水平會越來越高，人的因素將越來越弱，無人化或者自主駕駛也許并不遙遠。