遠距離智能遙控推土機的研究

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

現在無線遙控技術已被應用于挖掘機、農業機械等行業[1～3]，國外的卡特、小松已實現了對推土機的遠程遙控駕駛[4]。國內的高校也已對無線遙控推土機有所研究[5]，但未進行樣機的試制。本文介紹的遙控推土機采用靜壓驅動的形式，實現推土機遠距離的智能遙控，把駕駛人員從危險惡劣的工況中解放出來，保護了駕駛人員身心健康的同時，高效、安全地滿足工況需求，更是開拓了推土機的應用領域，為我國無人駕駛推土機的實現奠定了基礎。

1 靜壓驅動推土機簡介

推土機是一種具有較高駕駛性能和靈活作業要求、多個控制自由度的工程機械，且其控制要求實時多變，故要實現推土機的遙控駕駛，并且要保證足夠的安全距離和高效性，這就要求整個推土機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計。

1.1 裝機配置

首先從推土機整機配置上看，要實現推土機全功能的遙控控制，普通液力傳動的推土機在技術及可靠性上有諸多不足。例如要實現從根本上控制電控變速箱，目前推土機的電控變速箱在國內技術并不成熟，故可靠性不能保證；如果從操作上層進行遙控設計，需要對各機械控制進行電控改造，例如增加油門電機、手柄電機等，而這種方案在可靠性與實時性上都無法滿足遙控要求，故在實際應用中，我們選擇靜壓驅動全車電控的整機配置方式，即整機采用全液壓推土機進行遙控推土機的設計應用。

1.2 液壓傳動

全液壓推土機是指行走系統和工作裝置操縱都采用液壓驅動，目前已成為國際主流傳動技術，它能夠適應各種工況，從需要精細作業的高爾夫球場施工、到高效的市政工程施工乃至需要高強度大負荷作業的礦山施工都能從容應對，更重要的是它可通過控制器對電磁閥進行控制，從而達到控制行走系統和工作裝置完成動作的目的。

1.3 行走操縱控制原理

行走手柄發出控制指令，控制推土機的前進、后退、加減速與左、右轉向功能，顯示器同步顯示當前擋位與車速，控制器則根據手柄發出的指令對泵、馬達等進行控制，由泵、馬達構成閉式回路，即油液在泵與馬達間循環流動。泵將發動機提供的扭矩轉換成高壓油流，而高壓油流將能量傳遞給馬達，然后由馬達將油流再次轉換為扭矩來驅動鏈輪，從而完成對推土機行走功能的控制，如圖1所示。電控泵馬達來調節其排量，對于遙控推土機的實現來說，即可靠又快速。

工作液壓系統(圖2）由電控手柄、控制器、泵、閥組成。工作手柄發出控制指令，控制器根據手柄控制指令對閥塊上對應電磁閥進行導通控制，控制鏟刀的上升、下降、左右傾斜及對應速度，最終實現對鏟刀功能的控制。同樣，鏟刀電控操作方式的實現，讓遙控控制更精準，實時性更高，從而保證了其工作的有效性。

圖1 行走系統電控圖

圖2 工作裝置電控圖

圖3 推土機遙控系統功能圖

2 遙控推土機功能及原理

2.1 功能實現

智能遙控推土機擁有在機駕駛和遙控駕駛兩種操作駕駛方式。在遙控作業模式下，可遙控實現推土機整機的上電、下電；發動機的啟停，油門大小控制；推土機前進、后退、轉向、原地轉向、速度控制及制動停車控制；鏟刀上升、下降、左右傾斜控制；喇叭、照明等輔助系統控制；遠程監控及故障診斷方面實現整車關鍵參數及故障信息的實時監控，實時遠程掌握整車的運行狀態、參數信息；在安全方面，設計了后退遇到障礙物自動減速停車的自主防御系統，及車身雙向主動防傾翻控制系統。

2.2 控制原理

遙控推土機在靜壓驅動推土機控制系統的基礎上進行全車電控設計，同時增加無線遠程遙控系統和無線視頻監控系統兩部分，兩大系統采用2套獨立的無線傳輸系統進行信號傳輸，并采用不同的傳輸頻率，不會產生相互間的干擾。其控制原理如圖3所示。

無線數據傳輸系統與整車控制系統采用總線的通訊方式，遠程遙控操作系統將控制信號下達到整車控制系統，整車控制系統又將推土機的關鍵參數及故障系統實時上傳給遙控端的人機界面。

遙控駕駛端采用推土機仿真駕駛的方式，遙控駕駛人員可以輕松對推土機進行遠程駕駛，通過遙控操作可同樣對發動機、行走系統、工作裝置及輔助電氣系統等進行控制。

3 遙控推土機的控制系統原理

遙控推土機智能控制系統承擔著推土機所有動作控制、智能匹配控制、參數監控與故障診斷等全部功能實現，是遙控推土機的大腦，也是智能遙控推土機高效施工核心技術。

遙控推土機智能控制系統（圖4）按功能分為基礎功能控制、智能匹配控制、遙控系統控制、智能監控與診斷系統、安全防護系統組成。各操作元件與檢測傳感元件為輸入信號，泵、閥、人機智能界面等為執行元件，所有邏輯與策略均在控制器內部運算執行。

圖4 遙控推土機控結構圖

整機控制系統有2個工程機械專用控制器組成，通過總線與推土機所有智能元件進行信息溝通，同時與整機所有的傳感器相連接，以對推土機進行智能控制與診斷。

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

在遙控狀態下實現在遙控操作臺上遙控操作推土機，內置控制器將各操作元件的信號轉換成CAN總線信號，遠程遙控發射器將總線信號轉換成無線信號發射，車載端的無線遙控接收器就可以接收各控制指令，并將其轉換為CAN總線數據與整機控制器進行信息交互，整機控制系統根據遙控指令進行相應的功能控制（圖5）。

圖5 遙控推土機信號傳遞框圖

為確保信號傳輸的實時性和準確性，無線遙控數據傳輸系統采用時分多址（time division multiple access，TDMA）技術，把時間分割成互不重疊的時段（幀），再將幀分割成互不重疊的時隙（信道）與用戶具有一一對應關系，依據時隙區分來自不同地址的用戶信號，從而完成的多址連接。相比于FDMA，4G/5G等信號傳輸方式具有通信口號質量高，保密較好，系統容量較大，無額外費用等優點。

4 影像實時監控系統

進行遙控操作時，當操作距離超過操作者的視距范圍，操作者因不能發現作業現場的各種緊急情況而無法對推土機進行實時遙控操作，使推土機的遙控作業范圍受到很大限制，所以有必要在遙控推土機上增加視頻監控系統，從而提高遙控推土機工作的可靠性和安全性。

影像傳輸負責實時采集推土機周邊的信息，并將采集的圖像及聲音信號通過數據轉換收發模塊發出，遠程端數據轉換收發模塊接收到車載端數據并將數據轉換為視頻及聲音信號，最后由顯示平臺呈現出清晰的現場畫面及聲音，為進行有效的遠程控制提供保障。傳輸系統采用先進的COFDM技術，即編碼正交頻分復用的簡稱，是目前世界最先進和最具發展潛力的調制技術。其卓越的“繞射”與“穿透”能力，能夠以高概率實現圖像的穩定傳輸，不受環境影響或受環境影響小。采用全向天線，不受方向的限制，系統簡單、可靠，應用靈活。

5 推土機自主安全防御系統

由于是遙控操作，臨場感不強，對機器的運行狀態易出現誤判，造成無法估量的損失，所以有必要對遙控推土機增加自主安全防御功能。如通信中斷時，車載控制器采取緊急停車功能；在推土機周邊配備距離傳感器，實時監測推土機和周圍物體的距離，避免出現碰撞現象；為推土機增加傳感器，實時感知車身狀態等。自主安全防御系統可讓遙控駕駛更加安全，有保障。

6 結 語

經過測試驗證，改造設計完成的遙控推土機，遙控操作距離可達1000m，可實現推土機的全部功能動作。配置的多角度同步視頻監控及現場聲音同步傳輸系統，讓遙控操作如在機操作一般簡單靈敏。自主安全防御系統提高了遙控推土機的安全系數，為遙控推土機提供安全保障。

[參考文獻]

[1]陽 帥，蔣 蘋.履帶式拖拉機可視遙控駕駛系統的設計及試驗[J].湖南農業大學學報(自然科學版)，2016，42(5)：561-566.

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[3]梅勇兵，朱建新.無線遙控系統在液壓挖掘機上的應用[J].建筑機械，2007，(6)：92-94.

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

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