一種靜壓驅動推土機直行控制方法

劉 燕，張士聰，侯衍華

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272000）

隨著國家對農田、水利、道路、市政等愈加重視，對工程機械的性能要求越來越高，尤其是在公路道路施工過程中，對工程機械的直行控制需求越來越明顯。精準保證工程機械平整作業已經成為越來越值得關注的問題。

目前全液壓推土機的直行控制方法，普遍采用PID控制，即根據左右馬達轉速傳感器檢測的左右馬達的實時速度信息，將左右馬達的平均速度作為目標速度，利用PID控制調節左右泵的電流，來調節泵的排量，間接調節左右馬達的轉速，達到對整車直行的糾偏控制。然而這種直行糾偏控制方法是一種相對的糾偏，直行誤差會逐漸地累積，所以只能保證在一定行程內跑偏保持在一定范圍。當地面的高低起伏時，這種糾偏方法更是作用不大，靜壓驅動推土機隨著行程的增大跑偏會隨之加劇，只能靠駕駛員憑經驗手動控制手柄糾正行走路線。

針對以上問題，本文提出一種靜壓驅動推土機直行控制方法，是基于絕對物理坐標的控制，在推土機直行的過程中，跑偏現象不會累積，適用于高低起伏的施工況，能夠保證較高的施工精度，具有較大應用價值。

1 靜壓驅動推土機直行控制理論分析

如圖1所示，在施工地配備一套GPS-RTK的空間定位設備，在推土機車體上放有兩個流動站，其連線保證與履帶側邊或車體中心平行。車體安裝無線接收裝置及整車控制器，兩個流動站連線與履帶的平行保證了兩個站點的連線延長線方向即為整車直行的理論路徑。

圖1 基于GPS-RTK定位技術的直行控制圖

直行開始時，位置信息接收點1與接收點2分別接收到空間3D坐標(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)并將位置信息傳輸給整車控制器。因為只是在施工面進行直行控制，所以Z軸坐標不參與直行控制。整車控制器計算出由(x1,y1),(x2,y2)構成的理論直行路徑，推土機直行過程中，控制器實時接收流動站1的實際位置信息，并通過一定算法與理論行駛路徑進行比對，若偏離理論路徑，則通過相應算法調節左右泵的電流輸出，直到整車沿理論路徑直線行駛。以此類推，適用于前行左轉、前行右轉，原地轉向、后退、后退左轉、后退右轉等狀態結束后的整車直線行駛控制。

2 直行控制的具體實施方法

2.1 直行控制的硬件需求

1）必須具有用于3D定位的全套設備，如GPS-RTK或是全站儀等用于3D定位的設備。

2）兩個流動站（即兩個位置坐標點）安裝位置盡量在車體縱向的兩端，以保證理論路徑誤差最小；安裝位置中心的連線方向必須與履帶側邊或車體中心方向平行，以保證兩個流動站的平面坐標的連線為直行參考方向。

2.2 直行控制策略

直行狀態有前行與后退兩種情況，對于靜壓驅動推土機而言，前行主要是靠左前泵與右前泵控制，后退主要是左后泵與右后泵控制，以下以前進為例介紹沿理論路徑直行的控制方法，類似方法同樣適用于后退直行控制。

如圖2所示，A點為推土機直行起始位置流動站1的位置點，C點為推土機直行起始位置流動站2的位置點，B點為m時刻流動站1所在的位置，h為流動站1起始位置A點與m時刻所在位置B點的直線，g為由A、C兩點計算出的理論直行路徑，d為B點到直線g的距離（用來表示跑偏程度），θ為直線g到直線h的旋轉角度（用來確定推土機跑偏方向）。

圖2 推土機直行控制坐標圖分析

1）根據3D定位坐標，計算出(x1,y1)，(x2,y2)構成的直行路徑。

2）以流動站1坐標位置作為直行控制參考點，假設流動站1在m時刻的檢測實際B點位置為(xm,ym),則流動站1起始位置A與m時刻位置B構成直線的斜率為Km。

3）利用到角公式判斷m時刻流動站1所在位置點B位于理論行駛路徑的左側還是右側。以理論路徑直線g為基線，通過A、B連線所在的直線為h，直線g旋轉到與直線h重合時，所旋轉的角度為θ，若tanθ＞0,說明基線g以A點為中心逆時針旋轉θ才能與直線h重合，整車向左側跑偏；若tanθ＜0,說明基線g以A點為中心順時針旋轉θ才能與直線h重合，整車向右側跑偏。

4）利用點到直線的距離公式判斷整車跑偏程度，流動站1在m時刻的跑偏程度可以用點B到直線g的距離d大小表示。

5）設定跑偏調節閥值為β(注β＞0），則根據d與β關系分以下3種情況：①當tanθ＜0且d＞β,說明整車右偏程度超過了跑偏閥值，PID算法根據跑偏程度d計算出左右泵電流變化量Δi(Δi根據每個程序運行周期檢測的跑偏程度不同逐漸調整),通過增大右泵的電流IR+Δi，減少左泵電流IL-Δi，使得整車行駛方向逐漸向左側調整，并計算下一時刻跑偏程度d，得出最新的泵電流調節量Δi，繼續糾偏控制，直到滿足d＜β，糾偏控制停止；②當tanθ＞0且d＞β,說明整車左偏程度超過了跑偏閥值，PID算法根據跑偏程度d計算出左右泵電流變化量Δi,通過減少右泵的電流IRΔi，增加左泵電流IL+Δi，使得整車行駛方向逐漸向右側調整，并計算下一時刻跑偏程度d，得出最新的泵電流調節量Δi，進行糾偏控制，循環判斷直到滿足d＞β，糾偏控制停止；③當d＜β,無論tanθ為何值，說明整車近似按理論路線直行，跑偏程度在允許的范圍之內，暫時不做任何糾偏處理。

當檢測到行走手柄輸出轉向控制信號時，停止糾偏控制。控制器不斷的檢測電控手柄的信號輸出，當檢測到手柄轉向信號輸出停止時，默認整車進入直行狀態，重復直行步驟1～5。

按照上述步驟，程序進行循環檢測，并根據跑偏程度進行循環控制，從而保證靜壓驅動推土機的直線行走。該系統的直行控制流程圖如圖3所示。

3 結 論

本論文的關鍵是利用3D定位技術，在平行于履帶側邊或車體中心方向安裝兩個位置定位點，以便確定直行行駛的理論路徑，進而實現行走的路徑跟隨控制，其具體的優點如下。

1）相比于靜壓驅動推土機傳統的直行控制方式，精度高、跑偏誤差不會累積。

2）改變了跑偏較大時駕駛員根據經驗進行直行調節的弊端，減少駕駛員的勞動強度。

圖3 推土機直行控制流程圖

3）解決了在場地造形、道路建設等施工過程中對直行要求較高的問題，使得施工精度更加準確。

4）本論文所述直行控制方法為一種基于物理坐標的絕對直行控制，直行時間以及施工路面平整度對跑偏程度的影響不大，在起伏路段仍能保持較高的精度。