远距离智能遥控推土机的研究

YANG Ji-hong,WU Xian-wei,WANG Sheng-bo(山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073)

现在无线遥控技术已被应用于挖掘机、农业机械等行业[1～3]，国外的卡特、小松已实现了对推土机的远程遥控驾驶[4]。国内的高校也已对无线遥控推土机有所研究[5]，但未进行样机的试制。本文介绍的遥控推土机采用静压驱动的形式，实现推土机远距离的智能遥控，把驾驶人员从危险恶劣的工况中解放出来，保护了驾驶人员身心健康的同时，高效、安全地满足工况需求，更是开拓了推土机的应用领域，为我国无人驾驶推土机的实现奠定了基础。

1 静压驱动推土机简介

推土机是一种具有较高驾驶性能和灵活作业要求、多个控制自由度的工程机械，且其控制要求实时多变，故要实现推土机的遥控驾驶，并且要保证足够的安全距离和高效性，这就要求整个推土机从硬件配置到软件控制各方面都要有全面完善的考虑与设计。

1.1 装机配置

首先从推土机整机配置上看，要实现推土机全功能的遥控控制，普通液力传动的推土机在技术及可靠性上有诸多不足。例如要实现从根本上控制电控变速箱，目前推土机的电控变速箱在国内技术并不成熟，故可靠性不能保证；如果从操作上层进行遥控设计，需要对各机械控制进行电控改造，例如增加油门电机、手柄电机等，而这种方案在可靠性与实时性上都无法满足遥控要求，故在实际应用中，我们选择静压驱动全车电控的整机配置方式，即整机采用全液压推土机进行遥控推土机的设计应用。

1.2 液压传动

全液压推土机是指行走系统和工作装置操纵都采用液压驱动，目前已成为国际主流传动技术，它能够适应各种工况，从需要精细作业的高尔夫球场施工、到高效的市政工程施工乃至需要高强度大负荷作业的矿山施工都能从容应对，更重要的是它可通过控制器对电磁阀进行控制，从而达到控制行走系统和工作装置完成动作的目的。

1.3 行走操纵控制原理

行走手柄发出控制指令，控制推土机的前进、后退、加减速与左、右转向功能，显示器同步显示当前挡位与车速，控制器则根据手柄发出的指令对泵、马达等进行控制，由泵、马达构成闭式回路，即油液在泵与马达间循环流动。泵将发动机提供的扭矩转换成高压油流，而高压油流将能量传递给马达，然后由马达将油流再次转换为扭矩来驱动链轮，从而完成对推土机行走功能的控制，如图1所示。电控泵马达来调节其排量，对于遥控推土机的实现来说，即可靠又快速。

工作液压系统(图2）由电控手柄、控制器、泵、阀组成。工作手柄发出控制指令，控制器根据手柄控制指令对阀块上对应电磁阀进行导通控制，控制铲刀的上升、下降、左右倾斜及对应速度，最终实现对铲刀功能的控制。同样，铲刀电控操作方式的实现，让遥控控制更精准，实时性更高，从而保证了其工作的有效性。

图1 行走系统电控图

图2 工作装置电控图

图3 推土机遥控系统功能图

2 遥控推土机功能及原理

2.1 功能实现

智能遥控推土机拥有在机驾驶和遥控驾驶两种操作驾驶方式。在遥控作业模式下，可遥控实现推土机整机的上电、下电；发动机的启停，油门大小控制；推土机前进、后退、转向、原地转向、速度控制及制动停车控制；铲刀上升、下降、左右倾斜控制；喇叭、照明等辅助系统控制；远程监控及故障诊断方面实现整车关键参数及故障信息的实时监控，实时远程掌握整车的运行状态、参数信息；在安全方面，设计了后退遇到障碍物自动减速停车的自主防御系统，及车身双向主动防倾翻控制系统。

2.2 控制原理

遥控推土机在静压驱动推土机控制系统的基础上进行全车电控设计，同时增加无线远程遥控系统和无线视频监控系统两部分，两大系统采用2套独立的无线传输系统进行信号传输，并采用不同的传输频率，不会产生相互间的干扰。其控制原理如图3所示。

无线数据传输系统与整车控制系统采用总线的通讯方式，远程遥控操作系统将控制信号下达到整车控制系统，整车控制系统又将推土机的关键参数及故障系统实时上传给遥控端的人机界面。

遥控驾驶端采用推土机仿真驾驶的方式，遥控驾驶人员可以轻松对推土机进行远程驾驶，通过遥控操作可同样对发动机、行走系统、工作装置及辅助电气系统等进行控制。

3 遥控推土机的控制系统原理

遥控推土机智能控制系统承担着推土机所有动作控制、智能匹配控制、参数监控与故障诊断等全部功能实现，是遥控推土机的大脑，也是智能遥控推土机高效施工核心技术。

遥控推土机智能控制系统（图4）按功能分为基础功能控制、智能匹配控制、遥控系统控制、智能监控与诊断系统、安全防护系统组成。各操作元件与检测传感元件为输入信号，泵、阀、人机智能界面等为执行元件，所有逻辑与策略均在控制器内部运算执行。

图4 遥控推土机控结构图

整机控制系统有2个工程机械专用控制器组成，通过总线与推土机所有智能元件进行信息沟通，同时与整机所有的传感器相连接，以对推土机进行智能控制与诊断。

控制系统采用自由灵活的Codesys编程。CoDeSys是一种功能强大的PLC编程工具，它支 持 IEC61131-3 标 准 IL、ST、FBD、LD、CFC、SFC 6种PLC编程语言，用户可在同一项目中选择不同语言编辑子程序、功能模块等。CoDeSys软件内置丰富的库函数，方便用户的调用，减少用户的编程时间，提高编程的效率。

在遥控状态下实现在遥控操作台上遥控操作推土机，内置控制器将各操作元件的信号转换成CAN总线信号，远程遥控发射器将总线信号转换成无线信号发射，车载端的无线遥控接收器就可以接收各控制指令，并将其转换为CAN总线数据与整机控制器进行信息交互，整机控制系统根据遥控指令进行相应的功能控制（图5）。

图5 遥控推土机信号传递框图

为确保信号传输的实时性和准确性，无线遥控数据传输系统采用时分多址（time division multiple access，TDMA）技术，把时间分割成互不重叠的时段（帧），再将帧分割成互不重叠的时隙（信道）与用户具有一一对应关系，依据时隙区分来自不同地址的用户信号，从而完成的多址连接。相比于FDMA，4G/5G等信号传输方式具有通信口号质量高，保密较好，系统容量较大，无额外费用等优点。

4 影像实时监控系统

进行遥控操作时，当操作距离超过操作者的视距范围，操作者因不能发现作业现场的各种紧急情况而无法对推土机进行实时遥控操作，使推土机的遥控作业范围受到很大限制，所以有必要在遥控推土机上增加视频监控系统，从而提高遥控推土机工作的可靠性和安全性。

影像传输负责实时采集推土机周边的信息，并将采集的图像及声音信号通过数据转换收发模块发出，远程端数据转换收发模块接收到车载端数据并将数据转换为视频及声音信号，最后由显示平台呈现出清晰的现场画面及声音，为进行有效的远程控制提供保障。传输系统采用先进的COFDM技术，即编码正交频分复用的简称，是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。其卓越的“绕射”与“穿透”能力，能够以高概率实现图像的稳定传输，不受环境影响或受环境影响小。采用全向天线，不受方向的限制，系统简单、可靠，应用灵活。

5 推土机自主安全防御系统

由于是遥控操作，临场感不强，对机器的运行状态易出现误判，造成无法估量的损失，所以有必要对遥控推土机增加自主安全防御功能。如通信中断时，车载控制器采取紧急停车功能；在推土机周边配备距离传感器，实时监测推土机和周围物体的距离，避免出现碰撞现象；为推土机增加传感器，实时感知车身状态等。自主安全防御系统可让遥控驾驶更加安全，有保障。

6 结 语

经过测试验证，改造设计完成的遥控推土机，遥控操作距离可达1000m，可实现推土机的全部功能动作。配置的多角度同步视频监控及现场声音同步传输系统，让遥控操作如在机操作一般简单灵敏。自主安全防御系统提高了遥控推土机的安全系数，为遥控推土机提供安全保障。

[参考文献]

[1]阳 帅，蒋 苹.履带式拖拉机可视遥控驾驶系统的设计及试验[J].湖南农业大学学报(自然科学版)，2016，42(5)：561-566.

[2]刘荣华.线遥控挖掘机电液控制系统研究[J].机床与液压，2016，44，(16)：124-127.

[3]梅勇兵，朱建新.无线遥控系统在液压挖掘机上的应用[J].建筑机械，2007，(6)：92-94.

[4]叶森森.KOMATSUD155AXI-8RC型远程遥控推土机[J].工程机械，2016，47(9)：64.

[5]王 健.超视距无线遥控推土机控制系统的研究[D].淄博：山东理工大学，2013.