CN112991707A

CN112991707A - 挖掘机通信控制系统

Info

Publication number: CN112991707A
Application number: CN202110190320.8A
Authority: CN
Inventors: 李守明; 王传宇; 涂晓丹
Original assignee: Shanghai Sany Heavy Machinery Co Ltd
Current assignee: Shanghai Sany Heavy Machinery Co Ltd
Priority date: 2021-02-18
Filing date: 2021-02-18
Publication date: 2021-06-18

Abstract

本发明提供一种挖掘机通信控制系统，所述挖掘机通信控制系统包括：远程遥控端，所述远程控制端包括：第一通信装置，所述第一通信装置具有第一PC5接口；挖掘机端，所述挖掘机端包括：第二通信装置、控制器和被控机构，所述控制器与所述第二通信装置电连接，所述第二通信装置具有第二PC5接口，所述第二PC5接口与所述第一PC5接口通过5G通信连接，所述控制器设置为基于所述第二通信装置接收到的所述远程遥控端发送的控制指令，控制所述被控机构工作。本发明提供的挖掘机通信控制系统，将远程遥控端和挖掘机端通过PC5接口实现5G通信连接，能够实现点对点传输，能够规避对通信基站的依赖，能够提升通信效率。

Description

挖掘机通信控制系统

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种挖掘机通信控制系统。

背景技术

挖掘机在建筑工程领域的应用较为普遍，尤其是在抢险救援场景下，对挖掘机的安全性能要求较高，而在这些危险复杂的场景之下，不适合驾驶员坐在驾驶室操作，需要采用远程遥控的方式。

然而，目前无论是近距离手持手柄遥控和移动式遥控舱的遥控方式，还是远程遥控中心遥控方式，开发维护成本较高，网络通信可演进性太差，通信物理链路和通信协议异构性太强，兼容性差。

发明内容

本发明提供一种挖掘机通信控制系统，用以解决现有技术中开发维护成本较高的缺陷，实现规避对通信基站的依赖，能够提升通信效率。

本发明提供一种挖掘机通信控制系统，所述挖掘机通信控制系统包括：远程遥控端，所述远程控制端包括：第一通信装置，所述第一通信装置具有第一PC5接口；挖掘机端，所述挖掘机端包括：第二通信装置、控制器和被控机构，所述控制器与所述第二通信装置电连接，所述第二通信装置具有第二PC5接口，所述第二PC5接口与所述第一PC5接口通过5G通信连接，所述控制器设置为基于所述第二通信装置接收到的所述远程遥控端发送的控制指令，控制所述被控机构工作。

根据本发明提供的一种挖掘机通信控制系统，所述第一通信装置和/或所述第二通信装置包括5G通信模组。

根据本发明提供的一种挖掘机通信控制系统，所述5G通信模组包括：NR-V2X通信控制器。

根据本发明提供的一种挖掘机通信控制系统，所述挖掘机通信控制系统还包括：服务器端，所述服务器端包括：第三通信装置；所述第一通信装置还具有第一Uu接口，所述第一Uu接口与所述第三通信装置通过5G通信连接；所述第二通信装置还具有第二Uu接口，所述第二Uu接口与所述第三通信装置通过5G通信连接。

根据本发明提供的一种挖掘机通信控制系统，所述服务器端包括：MEC、私有云和公有云中的至少一种。

根据本发明提供的一种挖掘机通信控制系统，所述第三通信装置具有第三Uu接口，所述私有云和/或公有云通过GGSN网关与所述第三Uu接口电连接，所述第一Uu接口和所述第二Uu接口均与所述第三Uu接口通过5G通信连接。

根据本发明提供的一种挖掘机通信控制系统，所述被控机构包括：液压执行器，所述液压执行器通过电磁阀与所述控制器电连接；传感器，所述传感器与所述控制器电连接。

根据本发明提供的一种挖掘机通信控制系统，挖掘机端还包括：视频采集装置，所述视频采集装置与所述第二通信装置电连接。

根据本发明提供的一种挖掘机通信控制系统，所述远程遥控端还包括：显示器，所述显示器与所述第一通信装置电连接；遥控器，所述遥控器与所述第一通信装置电连接；开关，所述开关与所述第一通信装置电连接；操控部件，所述操控部件与所述第一通信装置电连接。

根据本发明提供的一种挖掘机通信控制系统，所述显示器与所述第一通信装置通过以太网电连接；所述遥控器与所述第一通信装置通过CAN线电连接；所述开关与所述第一通信装置通过CAN线电连接；所述操控部件与所述第一通信装置通过CAN线电连接。

本发明提供的挖掘机通信控制系统，将远程遥控端和挖掘机端通过PC5接口实现5G通信连接，能够实现点对点传输，能够规避对通信基站的依赖，能够提升通信效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的挖掘机通信控制系统的结构示意图。

附图标记：

10：远程遥控端； 11：第一通信装置； 12：第一PC5接口；

13：第一Uu接口； 14：显示器； 15：遥控器；

16：开关； 17：操控部件； 20：挖掘机端；

21：第二通信装置； 22：第二PC5接口； 23：第二Uu接口；

24：控制器； 25：液压执行器； 26：电磁阀；

27：传感器； 28：视频采集装置； 30：服务器端；

31：第三通信装置； 32：第三Uu接口； 33：MEC；

34：私有云； 35：公有云； 36：GGSN网关。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1描述本发明的挖掘机通信控制系统。

如图1所示，本发明提供一种挖掘机通信控制系统，该挖掘机通信控制系统包括：远程遥控端10和挖掘机端20。

远程遥控端10用于对挖掘机端20进行通信控制，就可以实现无人作业，提高作业安全性。

其中，远程控制端包括：第一通信装置11，第一通信装置11可以包括5G通信模组，也就是可以进行5G通信。

第五代移动通信技术(英语：5th generation mobile networks或5thgeneration wireless systems、5th-Generation，简称5G或5G技术)是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统之后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接

第一通信装置11具有第一PC5接口12。

需要说明的是，PC5是通信接口的一种，能够实现点对点传输。

挖掘机端20包括：第二通信装置21、控制器24和被控机构。

第二通信装置21可以和第一通信装置11通信连接。

第二通信装置21具有第二PC5接口22，第二PC5接口22与第一PC5接口12通过5G通信连接，第二PC5接口22可以和第一PC5接口12实现点对点传输，能够在不需要服务器的情况下实现直连，这样就能够能够提升通信的速度，降低通信成本。

控制器24是挖掘机端20的逻辑控制中心，能够驱动各种被控机构工作，

控制器24与第二通信装置21电连接，控制器24设置为基于第二通信装置21接收到的远程遥控端10发送的控制指令，控制被控机构工作。

也就是说，第二通信装置21能够接收到第一通信装置11发来的控制指令，传递给控制器24，控制器24能够根据该控制指令进行响应，控制被控机构进行作业动作。

值得注意的是，发明人在研发过程中发现，可以采用Wifi、ISM1.4G/43M的频段以及普通5G技术来进行实现挖掘机的远程通信，但是存在天线较多、硬件系统复杂以及传输协议不统一的缺陷。

这些方案，无论硬件还是软件异构性太强，开发维护成本较高；由于缺乏通信方式统一性，网络通信可演进性太差；通信物理链路和通信协议异构性太强，兼容性差；硬件成本较高，软件复杂性较大。

此处，采用PC5接口实现远程控制端和挖掘机端20的点对点传输，其带宽和时延都可以满足遥控的时延要求，而且能够无缝支持其他感知数据的传输要求。

由于采用PC5接口可以实现点对点通信，就可以不需要服务器端30，能够消除对通信基站的依赖，而挖掘机的施工场地常常就是在偏远的地区，这些地区往往缺少通信基站，此处采用PC5接口整好能够规避对通信基站的依赖，能够提升通信效率。

本发明提供的挖掘机通信控制系统，将远程遥控端10和挖掘机端20通过PC5接口实现5G通信连接，能够实现点对点传输，能够规避对通信基站的依赖，能够提升通信效率。

在一些实施例中，第一通信装置11和/或第二通信装置21包括5G通信模组。

也就是说，第一通信装置11可以为5G通信模组，第二通信装置21可以为5G通信模组，第一通信装置11和第二通信装置21也可以均为5G通信模组。

利用5G通信模组进行通信，能够提高远程遥控端10和挖掘机端20的通信速度，降低迟延，提高安全性能。

在一些实施例中，5G通信模组包括：NR-V2X通信控制器24。

NR-V2X通信控制器24的CPU可使用ARM嵌入式芯片，可运行linux和android等操作系统，操作系统支持IP/TCP网络协议栈。

可以理解的是，NR-V2X通信控制器24是基于C-V2X(蜂窝式V2X技术)的通信装置，随着5G Release16标准的冻结，拓展了针对垂直行业的性能特点，车联网5G-V2X部分是重点定义方向，特别是在超低时延、带宽以及传感器27数据共享方面做了优化，以支持各种车辆的智能化和自动驾驶等技术实现需要。

而在挖掘机这一类工程机械，5G-V2X技术并未得到应用，5G-V2X必然具有极大的参考和研究价值。虽然挖掘机作业的绝大部分场景未在标准中具体制定，但给挖掘机的智能化带来了很多的创新发明机会。

本实施例是基于5G-V2X的通信并结合遥控挖掘机的作业特点，对遥控挖掘机通信方案做了优化和简化创新，即可完全承载挖掘机遥控通信需求。

如图1所示，在一些实施例中，挖掘机通信控制系统还包括：服务器端30。

可以理解的是，在远程遥控端10和挖掘机端20设置点对点通信的PC5接口的基础上，还可以设置服务器端30，服务器端30可以设置在距离施工现场较远的办公场所，通过设置服务器端30，可以使得远程遥控端10和挖掘机端20传输的数据能够被服务器端30实时监控和备份，便于及时掌握施工现场的动态，且能够记录好施工日志，便于后期核查。

服务器端30包括：第三通信装置31，第三通信装置31用于和第一通信装置11以及第二通信装置21实现通信传输。

第一通信装置11还具有第一Uu接口13，第一Uu接口13与第三通信装置31通过5G通信连接。远程遥控端10能够通过第一Uu接口13向第三通信装置31发送给挖掘机端20的控制指令。

第二通信装置21还具有第二Uu接口23，第二Uu接口23与第三通信装置31通过5G通信连接。第三通信装置31能够通过第二Uu接口23向挖掘机端20发送控制指令。

换言之，第三通信装置31作为服务器端30的通信设备，能够和远程遥控端10以及挖掘机端20实现通信传输。

Uu接口的主要功能为：广播寻呼以及RRC连接的处理；切换和功率控制的判决执行；处理无线资源的管理和控制信息；处理基带和射频处理信息。

Uu接口协议分为3个协议层：物理层、数据链路层和网络层，其中数据链路层进一步分为媒体接入层(MAC)、无线链路子层(RLC)、广播/多点传送控制层(BMC)和分组数据汇聚协议层(PDCP)。

通过Uu接口实现服务器端30和远程遥控端10以及挖掘机端20进行5G通信，能够进一步提升通信传输的速率。

如图1所示，在一些实施例中，服务器端30包括：MEC33、私有云34和公有云35中的至少一种。

需要说明的是，多接入边缘计算(MEC33)，熟知的叫法是移动边缘计算，是一种网络架构，为网络运营商和服务提供商提供云计算能力以及网络边缘的IT服务环境。

MEC33的基本架构中不同的功能实体可划分为三个层级，网络层(NetworksLevel)、移动边缘主机层(Mobile Edge Host Level)、移动边缘系统层(Mobile EdgeSystem Level)。

移动边缘系统层包括在运营商网络或运营商网络子集内运行移动边缘应用程序所需的移动边缘主机和移动边缘管理。移动边缘管理包括移动边缘系统级管理和移动边缘主机级管理。其中，移动边缘主机级管理包括移动边缘平台管理器和虚拟化基础设施管理器。

移动边缘主机层是一个实体，它包含一个移动边缘平台和一个虚拟化基础设施，后者提供计算、存储和网络资源，用于运行移动边缘应用程序。

私有云34(Private Clouds)是为目标对象单独使用而构建的，因而提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制。该目标对象拥有基础设施，并可以控制在此基础设施上部署应用程序的方式。私有云34可部署在企业数据中心的防火墙内，也可以将它们部署在一个安全的主机托管场所，私有云34的核心属性是专有资源。

公有云35通常指第三方提供商为目标对象提供的能够使用的云，公有云35一般可通过Internet使用，可能是免费或成本低廉的，公有云35的核心属性是共享资源服务。

相对来说，私有云34能够提升服务器端30的安全性，公有云35能够降低服务器端30的使用成本，此处，服务器端30可以只有MEC33、私有云34和公有云35中的一种，也可以由MEC33、私有云34和公有云35中的两种，还可以均有。

如图1所示，在一些实施例中，第三通信装置31具有第三Uu接口32，私有云34和/或公有云35通过GGSN网关36与第三Uu接口32电连接，第一Uu接口13和第二Uu接口23均与第三Uu接口32通过5G通信连接。

可以理解的是，GGSN(Gateway GPRS Support Node)网关GPRS支持节点，GGSN(Gateway GSN，网关GSN)主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN、PSPDN和LAN等。有的文献中，把GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。

GPRS网络与外网的分界线,对内负责Gn网络的传输,对外是一台因特网路由器。其中的BGGSN(Border GGSN)负责连接不同运营商之间的Gn网络，实现网间漫游。GGSN通过基于IP协议的GPRS骨干网与其它GGSN和SGSN相连。

GGSN具有网络控制的信息屏蔽功能,可以选择哪些分组能够进入GPRS网络，以便保证GPRS网络的安全；GGSN具有计费信息收集功能,能够收集每个MS实用外部数据网和GPRS网络资源相关的计费信息G_CDR；GGSN具有维护路由表，实现路由选择和分组的转发功能；GGSN具有存储转发功能,从上一节点接收到的分组数据(PDP PDU)转发给路由中下一个节点的功能；GGSN同时具有对PDP PDU排序的功能。GGSN应保证GGSN与MS之间传送的PDPPDU的最大尺寸为1500字节，对从外部数据网收到的大于上述要求的PDP PDU,GGSN应根据PDP的类型和具体实施对其进行分段、丢弃或拒绝；GGSN具有PDP上下文激活、PDP上下文修改、PDP上下文去激活的功能；GGSN具有地址翻译和映射功能，包括查找DNS,实现域名解析功能；GGSN具有封装和隧道传输功能，可以将来自外部数据网的PDP PDU用GTP字头和TCP/IP或UDP/IP字头进行分装的功能,并以这些字头中的相关地址信息作为标识，在GPRS骨干网中,利用一条点对点的双向隧道来传输封装数据。对于发向外部数据网的PDP PDU，GGSN将去除其封装字头后再转发给外部数据网；GGSN能够存储、修改及删除用户数据，实现对用户分组数据的过滤；GGSN能够配合SGSN实现移动性管理的功能，主要是MS在不同的SGSN登录时的位置管理功能；GGSN具有为MS动态分配IP地址的功能,或则可以通过接入DHCP(动态主机配置协议)服务器来实现动态分配IP的地址的功能；GGSN具有接入RADIUS(远端授权拨入用户服务)服务器等实现用户认证功能。

此处，私有云34和/或公有云35通过GGSN网关36与第三Uu接口32电连接，就能够确保服务器端30中信息传输和保存的安全性，利用第三Uu接口32来与第一Uu接口13以及第二Uu接口23，能够提高通信的标准化，便于提高通信效率。

如图1所示，在一些实施例中，被控机构包括：液压执行器25和传感器27。

液压执行器25是挖掘机中的执行部件，由挖掘机的液压系统来供给动力，比如可以为挖掘机的主臂，液压执行器25通过电磁阀26与控制器24电连接，电磁阀26能够控制液压执行器25的开启和关闭。

传感器27是挖掘机的感知部件，能够感知环境参数，也可以感知挖掘机的物理状态参数，比如可以为角度传感器27，用于检测挖掘机的主臂的角度，传感器27与控制器24电连接。

控制器24能够响应于控制指令，来获取传感器27检测到的参数，控制器24可以响应于控制指令控制液压执行机构的动作。

如图1所示，在一些实施例中，挖掘机通信控制系统还包括：视频采集装置28。

视频采集装置28可以包括至少一个摄像头，摄像头可以设置在挖掘机的车身，可以拍摄到挖掘机的施工环境，也可以拍摄到挖掘机的自身工作状态。

视频采集装置28与第二通信装置21电连接，第二通信装置21能够将视频采集装置28采集到的视频数据发送给服务器端30或者远程遥控端10，供用户对挖掘机端20进行实时监控。

如图1所示，在一些实施例中，远程遥控端10还包括：显示器14、遥控器15、开关16以及操控部件17。

其中，显示器14与第一通信装置11电连接，显示器14可以为触摸显示屏，触摸显示屏上可以具有操作控件，用户可以在触摸显示屏上点按或者拖拽操作控件，从而实现对挖掘机端20的动作控制。

当然，显示屏上还可以显示出上述视频采集模块所采集到的挖掘机端20的视频数据，供用户直观地观察到挖掘机端20的施工状态。

遥控器15与第一通信装置11电连接，遥控器15可以为便携遥控器15，遥控器15可以具有实体按键，用户可以手持便携遥控器15，来实现度挖掘机端20的方便快捷地控制。

开关16与第一通信装置11电连接，开关16可以为和挖掘机上的被控机构所对应的控制开关16，能够控制被控机构的通电和断电。

操控部件17与第一通信装置11电连接。操控部件17可以为固定遥控仓踏板、移动遥控仓踏板或者推杆，能够和挖掘机上的被控机构相对应，能够模拟出挖掘机驾驶室的实际操控部件17，便于工作人员上手控制，提高挖掘机端20的控制效率。

在一些实施例中，显示器14与第一通信装置11通过以太网电连接，控器与第一通信装置11通过CAN线电连接；开关16与第一通信装置11通过CAN线电连接；操控部件17与第一通信装置11通过CAN线电连接。

需要说明的是，以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网(100BASE-T、1000BASE-T标准)为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机来进行网络连接和组织。如此一来，以太网的拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/CollisionDetection，即载波多重访问/碰撞侦测)的总线技术。

CAN即控制器24局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种挖掘机通信控制系统，其特征在于，包括：

远程遥控端，所述远程控制端包括：第一通信装置，所述第一通信装置具有第一PC5接口；

挖掘机端，所述挖掘机端包括：第二通信装置、控制器和被控机构，所述控制器与所述第二通信装置电连接，所述第二通信装置具有第二PC5接口，所述第二PC5接口与所述第一PC5接口通过5G通信连接，所述控制器设置为基于所述第二通信装置接收到的所述远程遥控端发送的控制指令，控制所述被控机构工作。

2.根据权利要求1所述的挖掘机通信控制系统，其特征在于，所述第一通信装置和/或所述第二通信装置包括5G通信模组。

3.根据权利要求2所述的挖掘机通信控制系统，其特征在于，所述5G通信模组包括：NR-V2X通信控制器。

4.根据权利要求1所述的挖掘机通信控制系统，其特征在于，还包括：

服务器端，所述服务器端包括：第三通信装置；

所述第一通信装置还具有第一Uu接口，所述第一Uu接口与所述第三通信装置通过5G通信连接；

所述第二通信装置还具有第二Uu接口，所述第二Uu接口与所述第三通信装置通过5G通信连接。

5.根据权利要求4所述的挖掘机通信控制系统，其特征在于，所述服务器端包括：MEC、私有云和公有云中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的挖掘机通信控制系统，其特征在于，所述第三通信装置具有第三Uu接口，所述私有云和/或公有云通过GGSN网关与所述第三Uu接口电连接，所述第一Uu接口和所述第二Uu接口均与所述第三Uu接口通过5G通信连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的挖掘机通信控制系统，其特征在于，所述被控机构包括：

液压执行器，所述液压执行器通过电磁阀与所述控制器电连接；

传感器，所述传感器与所述控制器电连接。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的挖掘机通信控制系统，其特征在于，所述挖掘机端还包括：

视频采集装置，所述视频采集装置与所述第二通信装置电连接。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的挖掘机通信控制系统，其特征在于，所述远程遥控端还包括：

显示器，所述显示器与所述第一通信装置电连接；

遥控器，所述遥控器与所述第一通信装置电连接；

开关，所述开关与所述第一通信装置电连接；

操控部件，所述操控部件与所述第一通信装置电连接。

10.根据权利要求9所述的挖掘机通信控制系统，其特征在于，所述显示器与所述第一通信装置通过以太网电连接；所述遥控器与所述第一通信装置通过CAN线电连接；所述开关与所述第一通信装置通过CAN线电连接；所述操控部件与所述第一通信装置通过CAN线电连接。