陸 亮， 吳軍凱， 孫 寧， 朱敏言

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 201804；2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310027)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，第四次工業(yè)革命帶來了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、信息物理系統(tǒng)等信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動(dòng)傳統(tǒng)建筑業(yè)向“智能建造”的方向發(fā)展[1-2]。智能建造目前尚未形成被廣泛認(rèn)可的定義，總體上可以認(rèn)為是“一種基于智能科學(xué)技術(shù)和組織管理技術(shù)的新型建造模式，通過改變建筑物建造時(shí)全生命周期過程的組織方式、生產(chǎn)工具，使建造系統(tǒng)有類似于人類智能的各種能力，從而實(shí)現(xiàn)更安全、更高效、更優(yōu)質(zhì)、更快速、更綠色的建造過程”[1-3]。

如上所述，智能建造包含兩方面，一方面是以智能科學(xué)技術(shù)為主導(dǎo)的各種生產(chǎn)工具的智能化，包括生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、裝配，以及裝修、檢測、安防等，另一方面則是生產(chǎn)組織方式的提升，通過管理方式的智能化，實(shí)現(xiàn)對建筑全生命周期建造過程中的設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量控制、人員設(shè)備管理等全面的監(jiān)控與優(yōu)化，從而提高建造過程的組織管理水平以及決策能力。

1 智能建造

1.1 智能管理技術(shù)

智能管理技術(shù)以建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)為代表，BIM是一種借助多維數(shù)據(jù)對項(xiàng)目全生命周期階段信息進(jìn)行整合的數(shù)字化工具，可為建筑工程預(yù)測項(xiàng)目進(jìn)度、信息交互、精細(xì)化管理提供數(shù)據(jù)支持。BIM技術(shù)自2003年于美國開始應(yīng)用，后續(xù)在日本、歐洲、韓國均得到推行，我國自2003年引進(jìn)BIM技術(shù)，納入國家“十一五”、“十二五”、“十三五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃當(dāng)中，BIM技術(shù)已成為全球趨勢[4]。使用BIM進(jìn)行現(xiàn)場施工的模擬圖，如圖1所示。

圖1 使用BIM進(jìn)行現(xiàn)場施工模擬Fig.1 Use BIM for on-site construction simulation

1.2 智能科學(xué)技術(shù)

智能建造的科學(xué)技術(shù)包括生產(chǎn)、施工(土建)、裝配、裝修、檢測和安防等。生產(chǎn)技術(shù)包括預(yù)制化生產(chǎn)房屋、橋梁等，通過智能管理技術(shù)的配合，實(shí)現(xiàn)高效的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，并且支持特別的定制生產(chǎn)。

土建一般指建筑、構(gòu)筑物等的一次建設(shè)，如降水、挖土方、打地基、澆筑柱梁板墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的澆筑與砌筑工程及其配套的鋼筋、簡單裝飾等。土建施工的智能化，一方面要優(yōu)化工作模式，包括改進(jìn)建造模式以及優(yōu)化管理技術(shù)，另一方面要提高生產(chǎn)工具的技術(shù)水平，應(yīng)用工程機(jī)械智能化技術(shù)。

裝修是指對建筑物的內(nèi)、外進(jìn)行改造、修理、整復(fù)等工程活動(dòng)[6]。采用智能設(shè)備進(jìn)行建筑裝修的主要手段和內(nèi)容包括：建筑物內(nèi)部的瓷磚鋪設(shè)、噴涂、抹灰等工作；增加建筑物外部的幕墻等維護(hù)結(jié)構(gòu)等。2014年新加坡ETH中心發(fā)布了其研制的瓷磚自動(dòng)鋪貼機(jī)器人，通過機(jī)械手臂，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)涂膠、精準(zhǔn)自動(dòng)鋪貼、振搗壓實(shí)等工作[7]。南洋理工大學(xué)研發(fā)的內(nèi)墻噴涂機(jī)器人Pictobot提高了25%以上的噴涂效率，降低了對噴涂人員的要求[8]。

智能檢測是指在建筑施工完成后或施工進(jìn)行過程中進(jìn)行的，利用機(jī)器人、傳感設(shè)備等對生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)施與環(huán)境以及施工效果和質(zhì)量等進(jìn)行檢測的過程，包括作業(yè)場所危害因素檢測、設(shè)備狀態(tài)檢測、生產(chǎn)成品探傷等，如斜拉大橋使用纜索爬升機(jī)器人自動(dòng)檢測纜索的內(nèi)部與表面病害[9]，使用探測機(jī)器人進(jìn)行瀝青路面養(yǎng)護(hù)智能檢測與決策[10]，使用多種定位方式進(jìn)行塔機(jī)狀態(tài)檢測等[11]。

安防的智能化是指借助于儀器、傳感器、探測設(shè)備等迅速而準(zhǔn)確地了解生產(chǎn)系統(tǒng)與作業(yè)環(huán)境中的危險(xiǎn)因素，并通過具有一定決策能力的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行處理的過程，包括對生產(chǎn)設(shè)備的安全情況進(jìn)行檢測與報(bào)警，對生產(chǎn)過程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全情況分析與報(bào)警[12]，減少或避免因設(shè)備損壞、人員誤操作、無關(guān)人員破壞等造成的損失。

本研究主要針對智能建造中的智能土建工具，即工程機(jī)械智能化技術(shù)進(jìn)行簡要的敘述。

2 工程機(jī)械智能化

工程機(jī)械智能化將信息技術(shù)、智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等集合在機(jī)械設(shè)備中，融合了多信息感知、故障診斷、高精度定位導(dǎo)航等技術(shù)的新型施工機(jī)械[13]。我國于20世紀(jì)末，在科學(xué)家蔣新松的倡導(dǎo)下，從工程機(jī)械機(jī)器人化、挖掘機(jī)智能化、推土機(jī)智能化和自動(dòng)牽引車技術(shù)4個(gè)方面開始研究。按智能對象數(shù)量劃分，包括單機(jī)智能化與機(jī)群智能化2個(gè)層面。單機(jī)智能主要包括無人駕駛技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、人工智能技術(shù)、智能自動(dòng)控制技術(shù)等。機(jī)群智能則交叉運(yùn)用統(tǒng)計(jì)、運(yùn)籌、計(jì)算機(jī)、人工智能等多學(xué)科技術(shù)，從整體上優(yōu)化機(jī)群作業(yè)管理方式，從而達(dá)到節(jié)約、高效、優(yōu)質(zhì)的作業(yè)效果[4]。近年來的先進(jìn)產(chǎn)品有結(jié)合了計(jì)算機(jī)視覺、人工智能等技術(shù)的百度無人挖掘機(jī)及AES系統(tǒng)[14](如圖2所示)，Built Robotics公司的無人自主挖掘機(jī)器人等[15]。

本研究以工程機(jī)械典型代表挖掘機(jī)為例，從智能化分級的定義開始，引入現(xiàn)階段各科研單位和公司研究應(yīng)用的進(jìn)展，并從液壓技術(shù)和定位技術(shù)2個(gè)層面，介紹支撐工程機(jī)械智能化的技術(shù)進(jìn)展。

2.1 智能技術(shù)分級

工程機(jī)械自主作業(yè)的研究一直是近年來的研究熱點(diǎn)，但對于不同級別的自主作業(yè)的定義卻沒有一個(gè)準(zhǔn)確的說法。工程機(jī)械包含的種類繁多，挖掘機(jī)、裝載機(jī)、吊機(jī)等這些常見的種類其作業(yè)方式和移動(dòng)特性也大不相同，因此概括地對工程機(jī)械進(jìn)行自主作業(yè)級別的定義是困難的。以建筑施工中很重要的土方作業(yè)為例，多位研究者對土方作業(yè)中主要使用的挖掘機(jī)的自動(dòng)化升級進(jìn)行了研究，并對其自主作業(yè)級別做相應(yīng)的定義。DADHICH等[16]對土方作業(yè)機(jī)械自動(dòng)化升級的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，將遠(yuǎn)程控制視為一種自動(dòng)作業(yè)的階段，并且在附近遙控和控制室控制是不同的。提出了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)作業(yè)的5個(gè)階段：

圖2 百度無人挖掘機(jī)作業(yè)系統(tǒng)Fig.2 Autonomous Excavator System (AES) from Baidu

(1) 手動(dòng)操作：駕駛員在機(jī)艙內(nèi)手動(dòng)完成所有操作；

(2) 近距離遙控操作：駕駛員在挖掘機(jī)附近通過遙控手柄目視完成所有操作；

(3) 遠(yuǎn)程離遙控操作：駕駛員在遠(yuǎn)處的控制室通過視頻監(jiān)控完成所有操作；

(4) 遠(yuǎn)程輔助操作：駕駛員通過輔助功能遠(yuǎn)程完成大多數(shù)操作，重要的任務(wù)需要駕駛員手動(dòng)介入；

(5) 全自動(dòng)操作：自主作業(yè)系統(tǒng)完成所有操作，駕駛員只提供高層次指令以及錯(cuò)誤和緊急情況的處理。

HASHIMOTO等[18]在此基礎(chǔ)之上與一些項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、建筑工人和工程師合作，提出了土方作業(yè)系統(tǒng)分解圖和土方作業(yè)機(jī)器的自動(dòng)作業(yè)級別，如表1所示，以美國汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)發(fā)表的汽車自動(dòng)駕駛級別標(biāo)準(zhǔn)SAE J3016為參考，將其中的條目替換為相應(yīng)工程作業(yè)機(jī)械，形成了挖掘機(jī)的自主作業(yè)級別。

SAE J3016標(biāo)準(zhǔn)中，自動(dòng)駕駛的級別從4個(gè)方面衡量：車輛運(yùn)動(dòng)控制，物體和事件檢測(ODER)，動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)處理(DDT fallback)，可操作區(qū)域(ODD)。這4個(gè)方面是從由駕駛員還是系統(tǒng)完成，或者是否有限制，來確定其對應(yīng)的自動(dòng)駕駛級別。

類比挖掘機(jī)，相應(yīng)的概念則是：機(jī)器控制，高效施工的檢測和判斷，作業(yè)失敗的響應(yīng)和施工場景的條件限制。挖掘機(jī)自主作業(yè)分級如表1所示，單個(gè)作業(yè)動(dòng)作，如移動(dòng)、挖掘、回轉(zhuǎn)的自動(dòng)化則達(dá)到1級自主作業(yè)，但這些動(dòng)作的控制點(diǎn)、時(shí)間、完成條件等需要駕駛員輸入；多個(gè)連續(xù)動(dòng)作的自動(dòng)完成達(dá)到2級自主作業(yè)，如土方作業(yè)的典型工作循環(huán)：挖掘-抬起回轉(zhuǎn)-卸載-返回；當(dāng)系統(tǒng)能夠自主計(jì)算動(dòng)作，決定最優(yōu)的作業(yè)方式時(shí)，駕駛員便不再關(guān)心是否高效，達(dá)到3級自主作業(yè)；4級自主作業(yè)限定某種場景，對施工條件有一定要求，如地形、天氣等，能對突發(fā)事件進(jìn)行自主處理；而5級自主作業(yè)則面向開放場景。遠(yuǎn)程操作不被視為一個(gè)階段，因?yàn)檫h(yuǎn)程可以附加在任何一個(gè)需要駕駛員的級別之上，駕駛員的工作條件會(huì)變好但所做的事情并沒有改變。類比挖掘機(jī)自主作業(yè)級別的定義，可以將該定義推廣到各類工程機(jī)械。

綜上所述，挖掘機(jī)從現(xiàn)在的純?nèi)斯げ僮鳈C(jī)械化作業(yè)到實(shí)現(xiàn)完全智能的自主作業(yè)，首先會(huì)經(jīng)歷輔助階段，系統(tǒng)為駕駛員提供機(jī)器作業(yè)的輔助信息助其準(zhǔn)確高效地操作，進(jìn)而能夠自動(dòng)控制一些簡單重復(fù)的動(dòng)作，如固定深度挖掘、固定高度距離卸載、固定斜率切削等；其次是半自主作業(yè)，由操作員設(shè)定高階的指令之后可以完成一系列復(fù)雜的動(dòng)作，如挖掘-抬起回轉(zhuǎn)-卸載-返回，駕駛員不必關(guān)注具體的高度、距離等參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)為作業(yè)規(guī)劃最優(yōu)的方式，但是有任何程序以外的情況發(fā)生還是必須駕駛員介入；自主作業(yè)則意味著完全脫離駕駛員， 當(dāng)系統(tǒng)遇到任何意外情況均能從中斷恢復(fù)作業(yè)。自主作業(yè)從有限場景到開放場景，需要更加智能的系統(tǒng)的支持，面臨巨大的挑戰(zhàn)。單機(jī)的自主作業(yè)通過互相的聯(lián)通可以形成整個(gè)施工現(xiàn)場的集群自主作業(yè)，各機(jī)器之間互相配合，由系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行規(guī)劃調(diào)度，這能極大提升整體的作業(yè)效率。

表1 挖掘機(jī)自主作業(yè)分級Tab.1 Levels of automation for excavator

對各類工程機(jī)械自主作業(yè)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究是目前的一個(gè)熱點(diǎn)，主要集中在半自主向部分自主作業(yè)邁進(jìn)的階段。HALBACH等[19]對裝載機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造，使用GNSS、IMU和輪速傳感器進(jìn)行機(jī)器的定位，用2D激光雷達(dá)來獲得施工場地表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；在無障礙和短距離的施工場景中，裝載機(jī)被手動(dòng)駕駛到此處并面向瓦礫堆，在圖形操作面板手動(dòng)指定裝載和卸載的區(qū)域之后，剩下的工作將自動(dòng)規(guī)劃完成；實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基本的自主作業(yè)測試系統(tǒng)，主要針對自主駕駛進(jìn)行了研究，在裝載策略等自主作業(yè)方面還存在一些問題，鏟斗動(dòng)作的定位和控制也有不足。HASHIMOTO等[18]對挖掘機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造，使用IMU測量動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的姿態(tài)，旋轉(zhuǎn)編碼器測量履帶角度，GNSS對機(jī)器的全局坐標(biāo)進(jìn)行定位；安裝激光輪廓曲線測定儀和立體視覺相機(jī)為自主作業(yè)系統(tǒng)的安全監(jiān)測和路徑規(guī)劃提供信息；此外，還使用MATLAB聯(lián)合VREP對挖掘機(jī)的控制、路徑規(guī)劃、環(huán)境感知等算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，為自主作業(yè)挖掘機(jī)的研究提供軟件與硬件相結(jié)合的平臺(tái)。

百度研究院和馬里蘭大學(xué)合作研究的AES系統(tǒng)[14]是首個(gè)能夠在真實(shí)世界長時(shí)間處理多種作業(yè)任務(wù)的挖掘機(jī)自主作業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的感知模塊能融合多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，還包括先進(jìn)的物體檢測和紋理檢測算法，結(jié)合基于學(xué)習(xí)和優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)，在長時(shí)間的廢料處理測試中，該系統(tǒng)的作業(yè)效率達(dá)到了熟練駕駛員的水平。

ETH Zurich和Moog公司共同研究的自主作業(yè)輪式挖掘機(jī)HEAP[20](如圖3所示)裝備GNSS定位設(shè)備，并使用RTK技術(shù)校準(zhǔn)GNSS的結(jié)果；安裝在各個(gè)機(jī)械臂上的IMU和執(zhí)行器上的拉線傳感器結(jié)合，用來估計(jì)末端鏟斗的姿態(tài)；2個(gè)激光雷達(dá)為系統(tǒng)感知模塊提供信息；此外，還將該挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)改為電驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)級伺服液壓系統(tǒng)，該自主作業(yè)挖掘機(jī)在實(shí)際的斜坡構(gòu)建、石墻堆砌等作業(yè)中的測試展現(xiàn)出很高的精度和控制性能。

而在實(shí)際商用的系統(tǒng)中，自主作業(yè)仍停留在輔助駕駛員的階段?？ㄌ乇死誄at Grade[21]挖掘機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)可以根據(jù)駕駛員定義的深度和斜度參數(shù)輔助控制機(jī)械臂， 駕駛員只需要使用1個(gè)操縱桿即可控制整機(jī)精挖掘，減少操作的錯(cuò)誤，提升45%的操作效率，其鏟斗輔助功能可以自動(dòng)保持鏟斗的設(shè)定角度。Novatron的輔助作業(yè)系統(tǒng)Xsite[22]提供可定制的功能，可以很方便將現(xiàn)有挖掘機(jī)升級，如控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)和速度、運(yùn)動(dòng)邊界。BuiltRobotics同樣推出了可供現(xiàn)有挖掘機(jī)升級的輔助系統(tǒng)(如圖4所示)[15]，通過設(shè)定參數(shù)即可控制挖掘機(jī)自動(dòng)按照路徑進(jìn)行動(dòng)作，但只適用于挖溝這類簡單重復(fù)動(dòng)作。

圖3 輪式自動(dòng)挖掘機(jī)-HEAPFig.3 Autonomous walking excavator-HEAP

圖4 BuiltRobotics自主作業(yè)系統(tǒng)Fig.4 BuiltRobotics autonomous operating system

2.2 智能挖機(jī)液壓技術(shù)

目前工程機(jī)械所使用的液壓系統(tǒng)主要是手柄控制的先導(dǎo)比例液壓系統(tǒng)，駕駛員通過手柄控制閥口開度進(jìn)而控制輸出流量，改變執(zhí)行器的速度。挖掘機(jī)通常采用正流量、負(fù)流量、負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)調(diào)節(jié)變量泵的輸出，使其與負(fù)載所需的流量匹配，減少系統(tǒng)的溢流損失進(jìn)而提高能量利用效率[23-26]。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以手動(dòng)控制為目的，使用的控制閥以液控比例閥為主，存在滯后和死區(qū)，響應(yīng)性能較差，在快速的自動(dòng)控制中不能較好的跟蹤輸入信號，控制效果較差。比如卡特彼勒某挖機(jī)在自動(dòng)平整作業(yè)中曾出現(xiàn)抖動(dòng)的問題，是因?yàn)楸壤簤合到y(tǒng)頻響不足。

對于大型機(jī)器還會(huì)使用安裝電動(dòng)先導(dǎo)閥[27-30]的方法，這樣可以利用現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)的主閥等元件。CANNON等[31]研究的25 t自動(dòng)裝載系統(tǒng)(ALS)正是用這種方式設(shè)計(jì)的自動(dòng)裝載的挖掘機(jī)。有越來越多的公司開始在產(chǎn)品上安裝電動(dòng)先導(dǎo)級的閥組，原因是除了可以直接在現(xiàn)有液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝以外，這些升級也可以為產(chǎn)品提供更多的功能。三一重機(jī)在其全電控挖機(jī)中也采用同樣的電控主閥設(shè)計(jì)，同時(shí)使閥芯的設(shè)計(jì)通用化，在保證系統(tǒng)成本大幅降低的同時(shí)也能賦予挖掘機(jī)產(chǎn)品自身性能極大的靈活性。

再者，提升液壓系統(tǒng)控制性能最直接的方式就是選擇伺服液壓系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)有更高的響應(yīng)速度和控制精度，其動(dòng)態(tài)性能可以滿足非常復(fù)雜且高速的運(yùn)動(dòng)控制。波士頓動(dòng)力公司的人形機(jī)器人Atlas即由伺服液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，在先進(jìn)的控制算法的控制下可以完成后空翻和跑酷等高難度動(dòng)作[32]。HEAP[20]自主作業(yè)挖掘機(jī)使用基于電機(jī)直驅(qū)伺服閥開發(fā)的集成控制模塊，在油缸上集成了微控制器、壓力傳感器和伺服閥，在響應(yīng)時(shí)間和控制精度上都達(dá)到很高的性能。但是將伺服液壓系統(tǒng)運(yùn)用到工程機(jī)械中也存在許多問題：伺服閥價(jià)格昂貴，大型設(shè)備所需的伺服閥更是如此；同時(shí)其對使用環(huán)境要求嚴(yán)格，而工程機(jī)械正是在惡劣的環(huán)境中工作，這對整個(gè)液壓系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)計(jì)又提出很高的要求。在這樣的技術(shù)背景下，在比例閥技術(shù)和伺服閥技術(shù)之外，又出現(xiàn)了吸收兩者優(yōu)勢的電液伺服比例閥技術(shù)。由比例閥發(fā)展而來的伺服比例閥，利用比例電磁鐵或電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)，閥芯的實(shí)際位移通過高分辨率的位移或轉(zhuǎn)角傳感器反饋到集成控制器中，通過調(diào)節(jié)電流使閥芯的位移偏差不斷校正。該伺服比例閥無零位死區(qū)，頻響較一般比例閥高，可靠性比普通伺服閥高[33-34]，相比一般的伺服閥平衡了性能和使用成本。

除了對液壓系統(tǒng)本身進(jìn)行更多的研究，在現(xiàn)有元件的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制算法的研究也是一個(gè)重要的研究方向。廣泛使用的PID控制雖然具有算法簡單、魯棒性好的特點(diǎn)，但在實(shí)際的使用中，由于比例電磁閥的非線性特性[35]，參數(shù)固定不變的PID控制器無法很好的跟蹤輸入，控制效果并不理想。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將模糊控制等智能控制算法與PID控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整[36-38]。對于比例電磁閥的死區(qū)建模，利用速度和控制電流的關(guān)系進(jìn)行前饋控制也是一種常用的方法。周翔等[39]對比例電磁閥的死區(qū)特性建立線性模型，在調(diào)速控制時(shí)前饋控制模塊根據(jù)目標(biāo)速度換算為控制電流，使得速度控制誤差縮小，提高了系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)性能。建立速度-電流的非線性模型采用手動(dòng)識別的方式非常耗時(shí)且容易出錯(cuò)，NURMI等[40]提出速度前饋學(xué)習(xí)方法，根據(jù)速度和位置反饋?zhàn)詣?dòng)學(xué)習(xí)死區(qū)模型，同時(shí)使用了多段死區(qū)模型，可以更好的表示非線性特性。三一重機(jī)在進(jìn)行傳統(tǒng)液控主閥的電控化升級過程中，將主閥設(shè)計(jì)極簡化、通用化，而電磁比例閥的相應(yīng)算法開發(fā)則成為重要的開發(fā)方向，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)所簡化的功能以及由高加工工藝支撐的控制特性要求全部轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖惴ㄌ娲?，降低硬件成本的同時(shí)還能夠滿足客戶的定制需求，而不是傳統(tǒng)液控主閥通過閥口設(shè)計(jì)等硬件的改變來定制挖掘機(jī)性能。這些方式與提升液壓元件性能的方式相比，對元件的性能要求降低，減輕了成本壓力，但需要大量的數(shù)據(jù)采集、模型識別等工作，結(jié)合現(xiàn)在快速發(fā)展的機(jī)器學(xué)習(xí)等方法可以取得更好的效果。

2.3 智能挖機(jī)定位技術(shù)

無人駕駛的挖掘機(jī)要使用合適的技術(shù)方案替代駕駛員的作用，完成整個(gè)作業(yè)流程中的視覺定位工作，包括整機(jī)的自主駕駛和自主挖掘。自主駕駛是在整個(gè)施工環(huán)境中，根據(jù)作業(yè)任務(wù)規(guī)劃自主移動(dòng)到目標(biāo)任務(wù)區(qū)域，需要掌握周圍的環(huán)境信息以及自身所處的位置，也就是同步定位與建圖技術(shù)。環(huán)境信息主要包括地形數(shù)據(jù)和障礙物數(shù)據(jù)，目前主要使用的環(huán)境信息收集技術(shù)是攝像頭和激光雷達(dá)的多傳感器融合技術(shù)[41]，攝像頭低成本且信息量大，但容易受光照、塵霧等的影響，而激光雷達(dá)相比相機(jī)不容易受環(huán)境影響，將兩種傳感器的數(shù)據(jù)融合處理，可以得到更優(yōu)的效果。環(huán)境信息實(shí)時(shí)在視覺處理系統(tǒng)中進(jìn)行識別，得到的地形數(shù)據(jù)和障礙物數(shù)據(jù)等作為路徑規(guī)劃條件，為機(jī)體規(guī)劃一條到目標(biāo)位置的合理的移動(dòng)路徑，再控制執(zhí)行器進(jìn)行移動(dòng)。但環(huán)境信息不只能為路徑規(guī)劃提供信息，結(jié)合不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)，還可以計(jì)算當(dāng)前機(jī)體相對于環(huán)境的姿態(tài)，同時(shí)融合多種傳感器的定位數(shù)據(jù)，能夠做到相當(dāng)精確的定位。常用于測量姿態(tài)的傳感器主要有慣性測量單元，其通過內(nèi)部加速度計(jì)和陀螺儀的測量，能夠精確感知機(jī)身的姿態(tài)[42]；基于載波相位差分技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)提供站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，能夠達(dá)到厘米級精度。

無人挖掘機(jī)的傳感器配置，如圖5所示。自主挖掘的過程為：機(jī)體移動(dòng)到目標(biāo)位置，底盤保持不動(dòng)而工作裝置自動(dòng)完成作業(yè)任務(wù)。該過程以環(huán)境感知為基礎(chǔ)，進(jìn)行任務(wù)計(jì)劃、軌跡規(guī)劃，并通過控制系統(tǒng)和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)任務(wù)[14]。作業(yè)過程中各執(zhí)行器和末端機(jī)構(gòu)的精確定位保證任務(wù)的順利實(shí)施，挖掘機(jī)的工作裝置是一個(gè)四自由度的機(jī)械臂，各個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，因此測量出每個(gè)連桿當(dāng)前的角度并結(jié)合已知的連桿長度可以計(jì)算出末端的位姿[43]。常用的角度測量傳感器為傾角傳感器和角度編碼器。

圖5 無人挖掘機(jī)的傳感器配置Fig.5 Sensor configuration for automation excavators

在作業(yè)過程中對障礙物和目標(biāo)物紋理的識別，主流的技術(shù)是基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別技術(shù)，用大規(guī)模數(shù)據(jù)集對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練之后，對采集的數(shù)據(jù)在線進(jìn)行識別。此外，有的研究團(tuán)隊(duì)也會(huì)使用基于深度學(xué)習(xí)的視覺方法估計(jì)挖掘機(jī)工作裝置的姿態(tài)[44-45]。

3 結(jié)論

建筑業(yè)的智能化升級是大趨勢，智能建造包括生成組織方式和管理方式的智能化，以及生產(chǎn)工具的智能化。工程機(jī)械作為土建環(huán)節(jié)的重要工具在手動(dòng)到全自主作業(yè)的升級過程中，會(huì)經(jīng)歷輔助、半自主和自主作業(yè)(駕駛)等階段，每個(gè)階段人類駕駛員的參與都會(huì)減少，乃至最終完全消失。

實(shí)現(xiàn)完全自主的集群化作業(yè)，將大大減少對于人力的需求，并達(dá)到最優(yōu)的作業(yè)效率。液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械的核心模塊，必須提高數(shù)字化水平和控制性能以應(yīng)對無人和自動(dòng)化的要求。電控先導(dǎo)級是一種可以在現(xiàn)有液壓系統(tǒng)上直接應(yīng)用的改進(jìn)方法，但比例閥自身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并不能滿足自動(dòng)控制的要求。伺服閥動(dòng)態(tài)性能高，但價(jià)格昂貴，電液伺服比例閥技術(shù)吸收兩者的優(yōu)勢，平衡了性能和使用成本。除了液壓元件性能的提升，還可以應(yīng)用更先進(jìn)的智能控制算法以及通過算法補(bǔ)償比例閥的缺陷等。

工程機(jī)械自主作業(yè)不可缺少定位模塊，保證系統(tǒng)時(shí)刻知道機(jī)器在現(xiàn)場的位置以及自身各機(jī)構(gòu)的姿態(tài)。攝像頭、激光雷達(dá)、慣性測量單元和載波相位差分等技術(shù)是目前主流的定位技術(shù)，相應(yīng)的設(shè)備配合計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)等軟件技術(shù)，可以精確測量機(jī)器當(dāng)前的位置。機(jī)器各機(jī)構(gòu)決定末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的姿態(tài)和軌跡，挖掘機(jī)機(jī)械臂的姿態(tài)測量主要采用傾角傳感器，對各個(gè)機(jī)械臂的姿態(tài)進(jìn)行解算并結(jié)合機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算末端運(yùn)動(dòng)。