CN110409530A - 一种推土机自动控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推土机自动控制系统及控制方法，所述系统包括操控系统、定位系统、保护系统、监控装置、三维激光扫描仪及车载控制器；操控系统、定位系统、保护系统、监控装置、三维激光扫描仪分别与车载控制器相连；操控系统采用电动推杆控制，保护系统用于检测推土机状态、环境的实时状态和超声波障碍，监控装置包括远程控制装置和车载显示器，车载控制器包括信号采集及处理单元、逻辑运算单元和输出单元，并以车载显示器作为终端，实现人机交互。本发明实现推土机的自动操作和主动控制，使推土机实现自动、连续、精确铺料作业，施工效率高，可有效减低人工成本。

Description

一种推土机自动控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及推土机控制领域，尤其涉及一种推土机自动控制系统及控制方法，广泛适用于公路路基及大坝土石方填筑、矿山开采等工程领域。

背景技术

推土机作为目前在坝体填筑中应用最广泛的摊铺设备，其具有适用范围广、施工效率高等优点。但在实际工作中，由于受石块现状不规则、岩体强度高、块体尺寸大等因素影响，推土机在铺料过程中不可避免的会出现颠簸现象，且驱动链板在工作中也会产生较大噪音，因此其工作环境相对其它工程机械而言较为恶劣。若操作人员长时间处于持续颠簸、强噪音的环境下工作将可能产生腰椎间盘突出、听力受损等疾病，且也可能因疲劳作业而导致铺料质量难以控制。

当前推土机作业主要采用人工操作，在作业过程中施工质量受人员素质、操作水平及状态等不可控因素影响较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种推土机自动控制系统及控制方法，将推土机操作改为远程遥控或自动操作，不仅能大幅度改善操作工人作业环境，且对改善施工质量、降低人工劳动强度等方面均具有显著的效益。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种推土机自动控制系统，包括操控系统、定位系统、保护系统、监控装置、三维激光扫描仪及车载控制器；所述操控系统、定位系统、保护系统、监控装置、三维激光扫描仪分别与车载控制器相连；

所述操控系统采用电动推杆控制；所述保护系统用于检测推土机状态、环境的实时状态和超声波障碍；所述监控装置包括远程控制装置和车载显示器；

所述车载控制器包括信号采集及处理单元、逻辑运算单元和输出驱动单元，并以车载显示器作为终端，实现人机交互；具体为：

初始化系统参数及执行器位置；

选择远程控制或者自动控制；

在远程控制模式下进行遥控作业；若保护系统触发，则停止作业并制动，当保护解除后，继续遥控作业；

在自动模式下根据输入的自动作业参数进行路径规划并按规划路径自动作业，直至作业完成；若保护系统触发，则停止作业并制动，当保护解除后，继续自动作业。

进一步的，所述保护系统包括布置在推土机上的行程传感器、转速传感器、油压传感器、倾角传感器，这些传感器同时连接到车载控制器。

进一步的，所述保护系统包括布置在推土机上的超声波传感器，所述超声波传感器与车载控制器相连。

进一步的，所述远程控制装置包括无线遥控发射器、无线遥控接收器，所述无线遥控接收器与车载控制器相连。

进一步的，所述定位系统采用动态差分GPS采集仪，其通过RS232接口与车载控制器相连。

一种推土机自动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：人工驾驶推土机至推土作业起点，通过定位信息采集仪、三维激光扫描仪获得推土机位置及工作区域地形信息；

步骤2：通过车载显示器设定系统工作参数，包括作业区域、推平要求高度、铲刀递进高度、接行宽度、作业速度；

步骤3：启动推土机开始推土作业；

步骤4：通过超声波传感器监测作业现场人员及运输车辆的通过情况，自动停止及继续作业；

步骤5：通过定位系统、倾角传感器、行程传感器传输数据，车载控制器进行分析计算，实时补偿调整或维持铲刀高度，使推土机完成平整作业。

与现有技术相比，本发明的有效效益是：

1)推土机自动控制系统可不间断地实现推料作业，在降低操作人员劳动强度的同时，可避免由于受驾驶员熟练程度和疲劳度等影响而造成的坝料推平厚度参差不齐，影响填筑质量；

2)推土机自动控制系统采用GPS进行精准定位，同时安装有倾角传感器对推土机刀片位姿进行实时监测并及时补偿；与人工操作相比，增强了过程中的施工效率，推料均匀性等参数控制精度；

3)推土机自动控制系统可根据不同坝料，测定并调节推土机施工功率参数，完成不同坝料在指定区域的智能化推料，并实时监测如：已推平区域，推平厚度、作业速度等工作状态；与传统的人工操作法相比，系统提高了推平的智能化和标准化程度，实现了过程可控，为提高坝体填筑质量提供了保障；

4)推土机自动驾驶系统可实现一人操作多台推土机进行无人驾驶作业，提高了施工机械化水平及总体效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明中铲刀自动找平控制结构示意图。

图3为本发明中车载监控结构示意图。

图4为本发明中铲刀超载保护结构示意图。

图5为本发明中车载控制器控制过程示意图。

图6为本发明中路径规划示意图一。

图7为本发明中路径规划示意图二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本控制系统包括操控系统、定位系统、保护系统、监控装置、三维激光扫描仪及车载控制器组成；操控系统、定位系统、保护系统、监控装置分别与车载控制器相连；操控系统包括对原设备发动机、变速箱、转向制动和工作装置的操纵装置进行改造，改动方案将原车手柄+拉线控制为电动推杆控制；保护系统用于检测推土机状态、环境的实时状态和超声波障碍；监控装置包括远程控制装置和车载显示器；车载控制器包括信号采集及处理单元、逻辑运算单元和输出驱动单元，并以车载显示器作为终端，实现人机交互。

操控系统采用电动推杆控制实现操纵动作，具体为利用4个具有位置反馈功能的直流推杆电机来推动挡位操纵杆、制动踏板与铲刀操纵杆；此外安装4个步进电机利用丝杠传动分别来实现挡位的进退选择、转向、铲刀倾斜的操作。

远程控制装置分为无线遥控发射器、无线遥控接收器，无线遥控接收器与车载控制器相连，通过无线遥控发射器发射工作信号，然后布置在推土机上的无线遥控接收器接收工作信号开始按指令工作，实现对推土机的下车遥控操作。

定位系统采用动态差分GPS采集仪进行高程、坐标等信息采集，并与车载控制器相连，通过RS232接口输出GPS位置坐标与车身行驶航向，为设备的自动定位与导航提供硬件支持。

如图2所示，保护系统中对推土机状态、环境的实时监测装置主要为布置在推土机上的行程传感器、转速传感器、油压传感器、倾角传感器，同时连接到车载控制器；一方面通过行程传感器、转速传感器、油压传感器、倾角传感器采集到的数据，与设置保护参数对比，在推土机出现如溜坡、超载、临边等紧急情况时能实现自动停机保护；另一方面铲刀油缸上的行程传感器，可用于检测铲刀与底盘之间的高度，结合GPS高差信号，实现对铺料厚度和表面平整度的控制。

保护系统中超声波障碍检测装置通过布置在推土机上的超声波传感器，检测推土机周围是否有物体靠近，当在一定范围内检测到有物体靠近时，推土机能自动停止作业，待物体远离后继续完成作业。

如图3所示，车载控制器是系统的核心控制器，其根据车载显示器和遥控器的指令实现推土机的行驶、转向和工作装置控制，完成GPS和传感器数据的采集及处理，并结合车载显示器设定的工作参数进行作业路径的规划和自动路径跟踪。此外，车载控制器还将处理后的设备状态信息发送给车载显示器以进行实时监控。主要包括信号采集及处理功能、逻辑运算及路径控制功能和输出驱动三大功能。

信号采集及处理功能包括：(1)电动推杆位置控制：根据电动推杆在不同的位置发出的模拟量或数字量值信号，车载控制器采集此反馈信号来进行速度、制动和升降等的位置控制；(2)转速传感和压力传感：铲刀油缸增加压力传感器，发动机转速传感器，用于辅助检测设备是否超载，即碰到大石头等情况；(3)超声波传感：利用超声波传感器检测车身周围是否有物体靠近，当在一定范围内检测到有物体靠近时，设备自动停止作业，待物体远离后继续完成作业；(4)铲刀油缸行程传感：铲刀油缸上增加行程传感器，用于检测铲刀与底盘之间的高度，结合GPS高差信号，实现推土平面的控制；(5)GPS信号采集：在推土机上安装动态差分GPS采集仪，为设备的自动定位与导航提供硬件支持。同时以GPS输出的速度作为反馈，实现推土机作业速度的自动控制，以满足不同工况的作业要求；(6)车辆惯性导航：通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，得到在导航坐标系中的速度和角速度。将速度和角速度积分得到偏航角和位置等信息，可与GPS数据进行相互补偿；(7)车身倾角传感：倾角传感器输出信号通过CAN总线输入到车载控制器。当车身产生倾斜导致GPS定位位置与车身实际位置产生偏移时，增加倾角传感器对GPS坐标进行补偿，得到更准确的GPS定位位置。同时当设备在斜坡上工作时，起到警示作用，防止设备溜坡。

逻辑运算及路径控制功能包括：(1)根据车载显示器和遥控器的信号，实现手动/远程遥控/自动工作模式切换、紧停控制和自动作业启动控制；(2)在远程遥控工作模式下根据遥控器发出的指令，执行前进/后退控制、换挡控制、刹车控制、转向控制和铲刀控制；(3)在自动工作模式下根据车载显示器发出的工作参数，结合GPS数据和传感器数据，进行路径规划，并控制车辆行驶和转向实现自动作业路径跟踪，同时完成推平工作；(4)铲刀自动找平控制。通过GPS对作业高程进行测量，结合倾角传感器对铲刀高度进行补偿。然后通过车载控制器分析计算并控制执行机构，调整并维持铲刀高度，使推土机完成平整作业。

输出驱动功能包括：(1)车载控制器通过开关量输出端口驱动工作指示灯和故障报警灯；(2)车载控制器通过开关量输出端口驱动电动推杆。

1)制动器工作过程

利用带有电位计位置反馈的直流电动推杆推动制动踏板进行制动：根据电位器反馈的位置，预先设定好制动与释放两种状态所对应的推杆长度。控制系统启动初始化后，直流电动推杆初始化至制动器释放位置。制动时，直流电机正传，推杆伸出到预先设定的制动位置，进行制动。未制动时，直流电机反转，推杆返回制动器释放的位置。

2)挡位控制工作过程

利用带有电位计位置反馈的直流电动推杆推动挡位推杆进行空挡、1、2、3挡的切换，同时利用两个限位开关与步进电机驱动挡位推杆实现前进与后退的方向的选择。根据电位器反馈的位置，预先设定好空挡、1、2、3挡所对应的推杆长度。上电初始化后，驱动电动推杆位于前进方向的空挡位置。实际工作时，根据挡位指令，将挡位推杆推到指定的挡位位置。

3)左、右转向工作过程

利用步进电动推杆配合两个极限开关来推动转向推杆，分别实现左、右转向。

如图6和图7所示，路径规划：自动作业以A为起点，AB为作业方向，ABCD为作业区域。此外，区域ACEF为后退换行调整区域。路径控制：推土作业过程中，推土机的位置会与预定的目标产生两个误差，分别是距离误差e_d与航向角误差e_θ。在推土作业程序中分别设定两误差值得最大值e_{d_max}与e_{θ_max}，同时设定两个在调整航向时的极限角度值θ_distance与θ_course，用来限制调整距离时与航向时的航向角度值。自动作业推土中，距离误差e_d为第一控制要素，当距离误差e_d超过e_{d_max}，即根据左偏或右偏，调整航向。当距离误差e_d在误差范围之内时，以航向角误差e_θ为第二控制要素，通过左右转向调整，使abs(e_θ)<θ_course。

本发明的一种推土机自动控制系统的控制方法，包括以下步骤：人工驾驶推土机至推土作业起点，通过定位信息采集仪获得推土机位置信息；通过车载显示器设定好相关系统工作参数，如作业区域、推平要求高度、铲刀递进高度、接行宽度、作业速度等；触屏启动推土机开始推土作业；通过超声波传感器监测作业现场人员及运输车辆的通过情况，自动停止及继续作业；通过定位系统、倾角传感器、行程传感器传输数据，车载控制器进行分析计算，实时补偿调整或维持铲刀高度，使推土机完成平整作业。

本发明还具有实现紧急情况下车辆的远程紧急制动、对推土机的超载保护的功能。在无线遥控发射器上有远程急停按钮，当推土作业过程中遇到紧急状况时，通过按下远程急停按钮，可实现系统停机，达到安全保护的措施。

如图4所示，当推土机在自动作业时，遇到石头等障碍物，若无法继续推进，通过判断发动机转速、铲刀油缸油压信号和GPS距离等综合感知，然后通过降低铲刀高度来防止设备超载或自动停机，由人工介入进行障碍物清除。

本发明以GPS+惯性导航进行定位以及导航，以搭接法实现自动推土作业。具备作业路线规划、自动作业路线跟踪、自动换行、前进与倒退行驶的自动切换、铲刀升降控制和紧急制动控制等功能，有手动、远程遥控及自动三种工作模式。在自动工作模式下能实现自动导航、自动铺料及自动避险，相对实现了推土机的自动化、信息化、智能化一体作业。本发明与传统的人工驾驶推土机进行铺料施工方法相比，提高了施工效率及推料厚度的过程精度，改善了操作人员工作环境和劳动强度，同时可实现一人控制多台推土机进行推料作业，可提高生产效率，利于保证施工质量。

Claims (6)

1.一种推土机自动控制系统，其特征在于，包括操控系统、定位系统、保护系统、监控装置、三维激光扫描仪及车载控制器；所述操控系统、定位系统、保护系统、监控装置、三维激光扫描仪分别与车载控制器相连；

所述操控系统采用电动推杆控制；所述保护系统用于检测推土机状态、环境的实时状态和超声波障碍；所述监控装置包括远程控制装置和车载显示器；

所述车载控制器包括信号采集及处理单元、逻辑运算单元和输出驱动单元，并以车载显示器作为终端，实现人机交互；具体为：

初始化系统参数及执行器位置；

选择远程控制或者自动控制；

在远程控制模式下进行遥控作业；若保护系统触发，则停止作业并制动，当保护解除后，继续遥控作业；

在自动模式下根据输入的自动作业参数进行路径规划并按规划路径自动作业，直至作业完成；若保护系统触发，则停止作业并制动，当保护解除后，继续自动作业。

2.根据权利要求1所述的一种推土机自动控制系统，其特征在于，所述保护系统包括布置在推土机上的行程传感器、转速传感器、油压传感器、倾角传感器，这些传感器同时连接到车载控制器。

3.根据权利要求2所述的一种推土机自动控制系统，其特征在于，所述保护系统包括布置在推土机上的超声波传感器，所述超声波传感器与车载控制器相连。

4.根据权利要求3所述的一种推土机自动控制系统，其特征在于，所述远程控制装置包括无线遥控发射器、无线遥控接收器，所述无线遥控接收器与车载控制器相连。

5.根据权利要求4所述的一种推土机自动控制系统，其特征在于，所述定位系统采用动态差分GPS采集仪，其通过RS232接口与车载控制器相连。

6.根据权利要求5所述推土机自动控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：人工驾驶推土机至推土作业起点，通过定位信息采集仪、三维激光扫描仪获得推土机位置及工作区域地形信息；

步骤2：通过车载显示器设定系统工作参数，包括作业区域、推平要求高度、铲刀递进高度、接行宽度、作业速度；

步骤3：启动推土机开始推土作业；

步骤4：通过超声波传感器监测作业现场人员及运输车辆的通过情况，自动停止及继续作业；

步骤5：通过定位系统、倾角传感器、行程传感器传输数据，车载控制器进行分析计算，实时补偿调整或维持铲刀高度，使推土机完成平整作业。