劉 燕，張士聰，侯衍華

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著國家對農(nóng)田、水利、道路、市政等愈加重視，對工程機(jī)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(jī)械的直行控制需求越來越明顯。精準(zhǔn)保證工程機(jī)械平整作業(yè)已經(jīng)成為越來越值得關(guān)注的問題。

目前全液壓推土機(jī)的直行控制方法，普遍采用PID控制，即根據(jù)左右馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器檢測的左右馬達(dá)的實(shí)時速度信息，將左右馬達(dá)的平均速度作為目標(biāo)速度，利用PID控制調(diào)節(jié)左右泵的電流，來調(diào)節(jié)泵的排量，間接調(diào)節(jié)左右馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，達(dá)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(nèi)跑偏保持在一定范圍。當(dāng)?shù)孛娴母叩推鸱鼤r，這種糾偏方法更是作用不大，靜壓驅(qū)動推土機(jī)隨著行程的增大跑偏會隨之加劇，只能靠駕駛員憑經(jīng)驗(yàn)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(qū)動推土機(jī)直行控制方法，是基于絕對物理坐標(biāo)的控制，在推土機(jī)直行的過程中，跑偏現(xiàn)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(yīng)用價(jià)值。

1 靜壓驅(qū)動推土機(jī)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(shè)備，在推土機(jī)車體上放有兩個流動站，其連線保證與履帶側(cè)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(diǎn)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(shù)的直行控制圖

直行開始時，位置信息接收點(diǎn)1與接收點(diǎn)2分別接收到空間3D坐標(biāo)(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)并將位置信息傳輸給整車控制器。因?yàn)橹皇窃谑┕っ孢M(jìn)行直行控制，所以Z軸坐標(biāo)不參與直行控制。整車控制器計(jì)算出由(x1,y1),(x2,y2)構(gòu)成的理論直行路徑，推土機(jī)直行過程中，控制器實(shí)時接收流動站1的實(shí)際位置信息，并通過一定算法與理論行駛路徑進(jìn)行比對，若偏離理論路徑，則通過相應(yīng)算法調(diào)節(jié)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(zhuǎn)、前行右轉(zhuǎn)，原地轉(zhuǎn)向、后退、后退左轉(zhuǎn)、后退右轉(zhuǎn)等狀態(tài)結(jié)束后的整車直線行駛控制。

2 直行控制的具體實(shí)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(shè)備，如GPS-RTK或是全站儀等用于3D定位的設(shè)備。

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

2.2 直行控制策略

直行狀態(tài)有前行與后退兩種情況，對于靜壓驅(qū)動推土機(jī)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(jìn)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(diǎn)為推土機(jī)直行起始位置流動站1的位置點(diǎn)，C點(diǎn)為推土機(jī)直行起始位置流動站2的位置點(diǎn)，B點(diǎn)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(diǎn)與m時刻所在位置B點(diǎn)的直線，g為由A、C兩點(diǎn)計(jì)算出的理論直行路徑，d為B點(diǎn)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(zhuǎn)角度（用來確定推土機(jī)跑偏方向）。

圖2 推土機(jī)直行控制坐標(biāo)圖分析

1）根據(jù)3D定位坐標(biāo)，計(jì)算出(x1,y1)，(x2,y2)構(gòu)成的直行路徑。

2）以流動站1坐標(biāo)位置作為直行控制參考點(diǎn)，假設(shè)流動站1在m時刻的檢測實(shí)際B點(diǎn)位置為(xm,ym),則流動站1起始位置A與m時刻位置B構(gòu)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(diǎn)B位于理論行駛路徑的左側(cè)還是右側(cè)。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(zhuǎn)到與直線h重合時，所旋轉(zhuǎn)的角度為θ，若tanθ＞0,說明基線g以A點(diǎn)為中心逆時針旋轉(zhuǎn)θ才能與直線h重合，整車向左側(cè)跑偏；若tanθ＜0,說明基線g以A點(diǎn)為中心順時針旋轉(zhuǎn)θ才能與直線h重合，整車向右側(cè)跑偏。

4）利用點(diǎn)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(diǎn)B到直線g的距離d大小表示。

5）設(shè)定跑偏調(diào)節(jié)閥值為β(注β＞0），則根據(jù)d與β關(guān)系分以下3種情況：①當(dāng)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(jù)跑偏程度d計(jì)算出左右泵電流變化量Δi(Δi根據(jù)每個程序運(yùn)行周期檢測的跑偏程度不同逐漸調(diào)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(cè)調(diào)整，并計(jì)算下一時刻跑偏程度d，得出最新的泵電流調(diào)節(jié)量Δi，繼續(xù)糾偏控制，直到滿足d＜β，糾偏控制停止；②當(dāng)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(jù)跑偏程度d計(jì)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(cè)調(diào)整，并計(jì)算下一時刻跑偏程度d，得出最新的泵電流調(diào)節(jié)量Δi，進(jìn)行糾偏控制，循環(huán)判斷直到滿足d＞β，糾偏控制停止；③當(dāng)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(nèi)，暫時不做任何糾偏處理。

當(dāng)檢測到行走手柄輸出轉(zhuǎn)向控制信號時，停止糾偏控制?？刂破鞑粩嗟臋z測電控手柄的信號輸出，當(dāng)檢測到手柄轉(zhuǎn)向信號輸出停止時，默認(rèn)整車進(jìn)入直行狀態(tài)，重復(fù)直行步驟1～5。

按照上述步驟，程序進(jìn)行循環(huán)檢測，并根據(jù)跑偏程度進(jìn)行循環(huán)控制，從而保證靜壓驅(qū)動推土機(jī)的直線行走。該系統(tǒng)的直行控制流程圖如圖3所示。

3 結(jié) 論

本論文的關(guān)鍵是利用3D定位技術(shù)，在平行于履帶側(cè)邊或車體中心方向安裝兩個位置定位點(diǎn)，以便確定直行行駛的理論路徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)行走的路徑跟隨控制，其具體的優(yōu)點(diǎn)如下。

1）相比于靜壓驅(qū)動推土機(jī)傳統(tǒng)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(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行直行調(diào)節(jié)的弊端，減少駕駛員的勞動強(qiáng)度。

圖3 推土機(jī)直行控制流程圖

3）解決了在場地造形、道路建設(shè)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(zhǔn)確。

4）本論文所述直行控制方法為一種基于物理坐標(biāo)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。