工程機械智能化的研究與進展Research&DevelopmentForIntellectualizationofEngineeringMachinery

2019年11月1日2023/8/91智能系統與智能控制研究所工程機械智能化的研究與進展2023/8/81智能系統與智能控PartII

工程機械智能化的現狀與展望

SituationandProspect

ofEngineeringMachineryIntelectuallization2023/8/92PartII

主要內容引言1工程機械智能化的發展現狀2工程機械智能化的若干問題3工程機械智能化的應用4結語與展望52023/8/93智能系統與智能控制研究所主要內容引言1工1引言（1）知識經濟的機遇和挑戰—知識與知識產權“人類正在步入一個以智力資源的占有、配置，知識的生產、分配、使用(消費)為最重要因素的經濟時代”智能化是信息科學技術的發展方向（1）信息化、網絡化的根本目的是提高勞動生產率，改善人民生活、推動社會和經濟進步。（2）信息化、網絡化的核心技術是智能化。（3）智能化是實現信息化、網絡化的得力工具。2023/8/94智能系統與智能控制研究所1引言（1）知識經濟的機遇和挑戰—知識與知識智能化是自動化工程的發展方向自動化工程中應用智能化技術的水平和程度決定了該工程自動化的水平和程度。智能化已經成為各種工程現代化最明顯的標志。工程機械智能化在工程機械中使用智能技術，使得工程機械能夠通過各種傳感器獲取工作過程和環境信息，并借助智能技術自主地或交互地做出決策與控制。智能化工程機械具有自我感知、自主決策、自動控制等功能，實際上是一類智能機器人。1引言（2）2023/8/95智能系統與智能控制研究所智能化是自動化工程的發展方向1引言（2）22023/8/96智能系統與智能控制研究所2023/8/86智能系統與智能控制研究所2工程機械智能化發展現狀

長期以來，國際市場上工程機械技術產品曾被美國、日本、西歐、俄羅斯等的國際大型企業集團所壟斷。我國智能化工程機械技術的研究工作始于20世紀90年代初。1991年在“863計劃”自動化領域首席科學家蔣新松的倡導下，在國內首先開展了工程機械機器人化技術的研究工作，先后進行了挖掘機機器人化和推土機機器人化，自動導引車(AGV)的技術開發。另外有些國家重點實驗室，如中國科學院，清華大學等單位同國內企業進行了產學研合作。

2023/8/97智能系統與智能控制研究所2工程機械智能化發展現狀長期以來國外現狀（1）美國Sjerrita礦的Cat992C型輪式裝載機，裝有可視距離內無線電遙控，可在危險地帶實施作業。（2）澳大利亞開發的無人駕駛自卸車，實現了在千米以下的坑道施工作業的無人化操縱。（3）德國的利勃海爾公司生產的靜液壓履帶式工業推土機和挖掘機全部實現機電液一體化，通過對發動機轉速傳感器進行電子控制，最優利用發動機功率，提高了燃油的效率。2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8/98智能系統與智能控制研究所國外現狀2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8（4）日本小松制作所于1984年推出的PC-3型挖掘機上裝置了微電子計算機控制系統，后來推出的功率845.5kW的超大型工業推土機，裝有電子監控系統，不僅提高了生產能力，而且性能穩定、操作靈活方便。（5）日本大成建設株式會社很早就研制出無人駕駛、能獨立工作的履帶式鏟車，可以連續工作24h，安全可靠。2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8/99智能系統與智能控制研究所（4）日本小松制作所于1984年推出的PC-3型挖掘機上裝置2.2網絡機群集成控制與智能化管理技術現狀(6)雷卡和特林布爾導航設備有限公司獨立提供基于GPS的推土機定位系統，大大提高推土機的作業生產率。雷卡采用GPS技術的Dozer2000導航系統，在無需勘察標樁的情況下，允許司機精確地控制推土機的鏟刀板和機器的位置，實現虛擬推土作業。

2023/8/910智能系統與智能控制研究所2.2網絡機群集成控制與智能化管理技術現狀(6)國內現狀(三一重工另行介紹)

我國也在致力于遙感控制和無人駕駛技術的研究和產品開發，并取得一些成果。2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8/911智能系統與智能控制研究所國內現狀2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8

（1）山東科技大學機器人研究中心從1994年開始著手“噴漿機器人”的研制，先后完成了礦井噴漿機器人和大型噴漿機器人。2000年初第一臺大型噴漿機器人完成，并在濟南高速公路的隧道施工現場投入試運行，運轉正常。目前第二臺已用于西安—合肥的鐵路隧道施工。

2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8/912智能系統與智能控制研究所（1）山東科技大學機器人研究中心從1994年開始著手（2）2019年由國防科技大學與江麓工程機械有限公司聯合研制的W1102DZ型壓路機器人。該機結合了智能移動機器人技術和振動式壓路機的先進技術，采用先進的遙控、自動編程控制兩種操作方式，同時還保留了原有的人工駕駛功能，具有施工效率高、壓實質量好、操作人員勞動強度低等特點。在2019年初用于湖南省重點防洪工程—九華湘江擴口工程工地上。技術性能達到上世紀90年代國際同類系統先進水平。2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8/913智能系統與智能控制研究所（2）2019年由國防科技大學與江麓工程機械有限公司聯（3）吉林工業大學和徐工集團開發出一種先進、可靠和實用的5t級新型裝載機—ZL50G型機器人化裝載機。該機引入了計算機技術、現代控制技術和微電子技術，主體和主要部件的結構設計及裝配采用了集成制造技術，是先進的機電液訊一體化的升級換代型產品。具有全自動電控變速器、計算機控制傳動操縱系統、電子快速換擋系統、故障自診斷系統、電子監控系統和三級報警系統。2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8/914智能系統與智能控制研究所（3）吉林工業大學和徐工集團開發出一種先進、可靠和實用的5t（4）中南大學于2000年開發了隧道鑿巖機器人,是雙臂型機器人。它兩只巨大的鐵臂上各有一個6米長的鉆頭，可以在任何堅硬的巖石上打出所需要的炮眼。只需操作者在電腦上輸入工作界面面積和炮眼數目，機器人便自動設計鉆孔的疏密布局并予以執行。其工作界面最大可以達到90平方米。2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8/915智能系統與智能控制研究所（4）中南大學于2000年開發了隧道鑿巖機器人,是雙臂型機器

（5）徐工集團研制的RP800型自動攤鋪機，采用微電腦恒速控制、數字控制和超聲波控制，雙振搗及脈沖振動壓實和電加熱等當今世界上最先進的技術。具有攤鋪速度穩定、自動轉向、輸分料均勻、預壓密實度高、攤鋪平整度好和操作簡單等優點。2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8/916智能系統與智能控制研究所（5）徐工集團研制的RP800型自動攤鋪機，采用微電腦恒速

（6）中科院合肥智能所和合肥叉車廠研制的WD－10型自動多項無軌堆垛機，是我國第一臺基于網絡控制的高架堆垛叉車。轉向、前引、起升、前移、側移和傾卸等8個自由度，人機交互和系統監控，全部實現了計算機控制。該項技術包括：機群優化配置、智能調度、協同控制及數據通信技術等。2.1單機集成化操作與智能控制技術現狀2023/8/917智能系統與智能控制研究所（6）中科院合肥智能所和合肥叉車廠研制的WD－10型自

此外，國內部分企業已著手聯合開發智能化工程機械項目:1）徐工集團“九五”期間,與清華大學等單位共同完成了“國家863/CIMS機器人化工程機械現代集成制造應用工程”單極和集群自動化的課題研究。2）2019年1月，柳工以華中科技大學和蘇州大學為依托，向國家863/自動化領域申請裝載機遠程服務專家系統與智能化挖掘機及企業信息化工程立項成功。2.2網絡機群集成控制與智能化管理技術現狀2023/8/918智能系統與智能控制研究所此外，國內部3）2019年江蘇徐工集團承擔完成“機群智能化工程機械”項目。包括智能化攤鋪機、拌和站、壓路機、裝載機、鉸接式自卸車和全路面汽車起重機等5種產品。可將施工綜合效益提高25%以上，施工設備維護成本下降20%。2.2網絡機群集成控制與智能化管理技術現狀2023/8/919智能系統與智能控制研究所3）2019年江蘇徐工集團承擔完成“機群智能化工程機械”項目三一重工工程機械智能化開發簡況(1)從1994年開始，三一重工對混凝土輸送泵機械、液壓、電氣等關鍵技術進行攻堅，創造性地把拖泵的新技術應用到泵車等混凝土輸送系列產品上，使得三一重工成為國內混凝土機械品種最多、規格最齊全的品牌。(2)從2000年起，三一重工混凝土機械一直占領了國內48%以上的市場，成為國內第一品牌，全球排名在前三甲之列。

2023/8/920智能系統與智能控制研究所三一重工工程機械智能化開發簡況2023/8/820智能(3)2019年9月，在香港國際金融大樓施工現場，三一重工混凝土泵將混凝土送上了406米的施工面，以將近100米的絕對優勢，打破了國外老牌企業創造的308米的世界紀錄。(4)三一重工國家863計劃重大專項“機群智能化工程機械”于2019年全面啟動。內容包括瀝青混凝土路面施工工藝優化與質量控制，機群智能調度與優化控制，單機智能化技術等。

(5)2019年12月25日，中央電視臺新聞聯播頭條將三一的混凝土泵送技術作為“十五”期間中國重大創新成果進行了推介，稱譽三一為“中國泵王”。2023/8/921智能系統與智能控制研究所(3)2019年9月，在香港國際金融大樓施工現場，三一重（6）2019年初，在全國科技大會上，三一重工“混凝土泵送關鍵技術研究開發與應用”項目摘取了國家科技進步二等獎。（7）2019年9月20日，由三一重工自主研發的66米長臂泵車正式向世界吉尼斯總部提交“世界第一長臂架”的申請。目前業內公認的世界最長臂架泵車將“周游”全國10大城市，并遠赴美國、德國、西班牙、阿聯酋等國展示。（8）通過自主創新，三一重工用13年時間開發了25個系列、120多個品種的產品，擁有了330多項專利。2023/8/922智能系統與智能控制研究所（6）2019年初，在全國科技大會上，三一重工“混凝土泵送關（9）在控制系統方面成功開發EC-7挖機控制系統，從各方面解決了原系統長期存在的斗桿發抖、行走跑偏等難題。推出的三一SYMT（GPS）已成為促進公司產品銷售、服務、品質改善的利器。成功開發的SYMC運動控制器實現了核心控制技術的完全自主開發，有效地防止了技術泄露，徹底擺脫了對原有控制器外協廠商的依賴，并縮短了產品交貨周期。研制了出一種類似預存話費式的防盜程序，成功防止拆除或更改挖掘機電氣線路行為。2023/8/923智能系統與智能控制研究所（9）在控制系統方面2023/8/823智能系統與智能控制研3.1機械工程智能化系統的組成（方案之一）作業計劃工作對象視覺傳感器物理模型操作與控制修正作業計劃物理模型知識庫傳感器3工程機械智能化的若干問題2023/8/924智能系統與智能控制研究所3.1機械工程智能化系統的組成（方案之一）作業計劃工作對象3.2工程機械智能化改造主要方式智能化控制系統的主要硬件，如控制器、顯示器、傳感器等、控制軟件均直接采購國外產品，生產廠家只需在整機電控系統上做出適當的變化即可。（可靠，改造速度快，功能較固定、沒有特色，短期成本低。無需IT專業技術人才，適用一般工程機械生產廠。）智能化控制系統的主要硬件，如控制器、顯示器、傳感器等，采購國外成熟產品，由生產廠家自行研制其控制軟件。（可靠，需要控制軟件研制時間，功能多，靈活，中長期成本低。需要IT專業技術人才，適用具有相當技術實力的工程機械生產廠。）2023/8/925智能系統與智能控制研究所3.2工程機械智能化改造主要方式智能化控制系統的主要硬件，智能化控制系統的主要硬件(控制器或顯示器)自行研制，并根據整機功能要求自行研制其控制軟件，一些配套元件（傳感器等）采購國內外成熟產品，同時在整機電器線路上做出適當的變化。（可靠性需要較長考核時間，主要硬件和控制軟件均需要研制周期，設計功能更靈活，短期內無法投入批量生產，遠期成本低，需要IT專業技術人才。適用具有較強技術實力、雄厚資木實力的工程機械生產廠。）3.2工程機械智能化改造主要方式2023/8/926智能系統與智能控制研究所智能化控制系統的主要硬件(控制器或顯示器)自行研制，并根據整3.3工程機械智能化的主要內容1.作業對象的自動識別主要內容2.工作裝置的自適應性控制2023/8/927智能系統與智能控制研究所3.3工程機械智能化的主要內容1.3.3.1作業對象的自動識別方法及其應用超聲波傳感器識別方法利用發射元件發射超聲波，通過接收器收到的信號傳播速度，測量與對象物之間的距離。激光掃描方法由于激光的方向性強，衰減小，所以比超聲波測距裝置的精確度高；但激光易受粉塵的影響產生反射干擾，所以激光測距器在有粉塵的場合，容易產生測量誤差，可通過標定的方法排除干擾。圖像方法目前正在大力研制開發圖像視覺傳感器，這種傳感器可在短時間內獲取大范圍的信息數據，并能根據要求對數據進行識別與分析處理。2023/8/928智能系統與智能控制研究所3.3.1作業對象的自動識別方法及其應用超聲波傳感器識3.3.1作業對象的自動識別方法及其應用裝載機將砂土自動裝卸到自卸車的作業流程圖①通過安裝在裝載機上的視覺系統識別作業對象的位置和體積。②由車載計算機制定作業計劃并確定鏟斗鏟入的位置和運動軌跡；計算機發出指令通過執行機構控制裝載機的行走軌跡。③操縱鏟斗挖取物料。④利用安裝在裝載機上的視覺系統識別自卸車的位置和狀態。⑤由車載計算機確定自卸車移動軌跡，并發出指令，裝載機自動沿軌跡移動。⑥當裝載機到達預定位置時，自卸車自動完成卸料作業。2023/8/929智能系統與智能控制研究所3.3.1作業對象的自動識別方法及其應用裝載機將砂土自3.3.1作業對象的自動識別方法及其應用圖像中抽取堆積物的識別堆積物識別的圖像處理系統利用微分計算和面積計算原理將圖象采集的數據進行圖像處理在計算過程中，需要結合破碎堆積物特有的特征，從復雜的背景中把堆積物提出。該過程的目的不僅是為了計算堆積物的體積，而且是通過對原始圖像的識別，制定最佳作業計劃，實施作業，以適應施工環境的復雜性2023/8/930智能系統與智能控制研究所3.3.1作業對象的自動識別方法及其應用圖像中抽取堆積3.3.2工程機械的自適應性技術工程機械的導航系統機載傳感器激光測距器編碼器回轉儀外部傳感裝置內部傳感裝置相互配合控制加速度計采集的數據對誤差進行修正2023/8/931智能系統與智能控制研究所3.3.2工程機械的自適應性技術工程機械的導航系統機載3.3.2工程機械的自適應性技術電磁誘導線法光學反射法推測航法超聲波法視覺傳感器自適應性施工2023/8/932智能系統與智能控制研究所3.3.2工程機械的自適應性技術電磁誘導線法2023/3.3.2工程機械的自適應性技術電磁誘導線（感應）法沿工程機械移動的路線，在地下埋設電磁誘導線，誘導線通電時可形成磁場。當機械通過時，安裝在機械上的磁場檢測器對磁場信號進行檢測追蹤，并利用機載回轉儀和編碼器對機械的位置進行修正，控制機械的行駛路線。2023/8/933智能系統與智能控制研究所3.3.2工程機械的自適應性技術電磁誘導線（感應）法2光學反射法光學反射線法主要用于地下工程，在隧道的頂部安裝光學反射線發射裝置，用攝像機拍攝光線，再采用圖像處理的方法確定機械的位置，控制機械方向及車速。通常在重要地點的光學反射線發射裝置旁設置條碼標志，使機械對需要轉彎、減速、停車的地點進行識別。3.3.2工程機械的自適應性技術2023/8/934智能系統與智能控制研究所光學反射法3.3.2工程機械的自適應性技術2023/8推測航法（航跡推算法）一種采用回轉儀確定機械的行進角度，通過編碼器計算機械的移動距離和位置的方法。超聲波法

在機械的兩側安裝數個超聲波傳感器，用來測量兩側障礙物和機械之間的距離，控制機械的轉向，避免發生碰撞。該法適用于地下工程的施工機械。機械在隧道、坑道內行駛時，應及旱發現道路的岔口，常用的方法是設立道路標志。但是在地下環境中設立標志的成本比較大，還要維護管理，比較麻煩。所以也有判斷坑道形狀的圖象處理裝置。3.3.2工程機械的自適應性技術2023/8/935智能系統與智能控制研究所推測航法（航跡推算法）3.3.2工程機械的自適應性技術視覺傳感器采用兩臺攝像機構成復式眼。用高性能的圖像處理裝置實現圖像的瞬間處理，確定與對象物之間的距離及對象物的性質，控制機械的行駛軌跡和作業。例如可在裝載機上安裝CCD攝像機用來確認自卸車的位置。自適應性施工工程機械自適應技術不僅能夠控制機械的行駛路線，更重要的是對工作裝置進行自動控制。3.3.2工程機械的自適應性技術2023/8/936智能系統與智能控制研究所視覺傳感器3.3.2工程機械的自適應性技術2023/8智能化技術在國內工程機械上的一些應用履帶式鑿巖臺車

履帶式鑿巖臺車是隧道施土中的專用施工機械，目前，己經實現根據巖質自動控制鉆頭的鉆進速度、回轉速度、沖擊次數等，還可自動測量轉矩和深度，是一種可進行自動鉆進的自動化機械。4工程機械智能化的應用2023/8/937智能系統與智能控制研究所智能化技術在國內工程機械上的一些應用4工程4工程機械智能化的應用自卸車

無人駕駛自卸車己獲得應用。其行走方式采用是在推測航法的基礎上，利用激光傳感器和反射板來消除傳感器誤差的控制方式；現在利用GPS定位可對自卸車的整個作業過程進行全程控制。旋轉式掃雪機

為了提高除雪作業的效率，減少人工。過去采用在道路上埋設標記，車載傳感器檢測，引導車輛自動行駛的方法。目前，己實現利用GPS/GISDUI對車輛定位、行走控制。2023/8/938智能系統與智能控制研究所4工程機械智能化的應用自卸車2023/8/838智能系輪式裝載機

應用在輪式裝載機自動化技術有防側滑系統、自動鏟挖系統、V字形自控移動等。并針對輪式裝載機鉸接轉向方式的特點，采用特殊的控制模式。自動化盾構

在盾構的切割輪上安裝自動控制桿，由PLC對盾構的各種作業進行自動化控制。4工程機械智能化的應用2023/8/939智能系統與智能控制研究所輪式裝載機4工程機械智能化的應用2023/8/839智挖掘機

利用車載計算機可對鏟斗的位置進行定位，使鏟斗沿預定的作業軌跡動作，并對鏟斗的挖掘阻力進行分析，對發動機功率進行調節。鋼索式挖掘機

由于鏟斗由鋼絲吊控，所以當吊臂回轉時鏟斗的擺動控制是自動化的關鍵。可利用視覺傳感器來檢測鏟斗的擺動，通過改變吊臂的移動速度來控制鏟斗的擺動。4工程機械智能化的應用2023/8/940智能系統與智能控制研究所挖掘機4工程機械智能化的應用2023/8/840智能系

智能化技術在國外的一些應用