1、 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所1工程机械智能化的研究与进展工程机械智能化的研究与进展Research&DevelopmentFor Intellectualization of Engineering Machinery 2019年11月1日专题报告专题报告2022-7-272 Part II Part II工程机械智能化的现状与展望工程机械智能化的现状与展望Situation and Prospectof Engineering Machinery Intelectuallization 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控
2、制研究所3主主 要要 内内 容容引引 言言1 工程机械智能化的发展现状工程机械智能化的发展现状2工程机械智能化的若干问题工程机械智能化的若干问题3工程机械智能化的应用工程机械智能化的应用4结结 语语 与与 展展 望望5 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所41 引引 言言 （1）知识经济的机遇和挑战知识与知识产权 “人类正在步入一个以智力资源的占有、配置，知识的生产、分配、使用(消费)为最重要因素的经济时代”智能化是信息科学技术的发展方向（1）信息化、网络化的根本目的是提高劳动生产率，改善人民生活、推动社会和经济进步。（2）信息化、网络化的核心技术是智能化。（
3、3）智能化是实现信息化、网络化的得力工具。工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所5 智能化是自动化工程的发展方向 自动化工程中应用智能化技术的水平和程度决定了该工程自动化的水平和程度。智能化已经成为各种工程现代化最明显的标志。工程机械智能化 在工程机械中使用智能技术，使得工程机械能够通过各种传感器获取工作过程和环境信息，并借助智能技术自主地或交互地做出决策与控制。智能化工程机械具有自我感知、自主决策、自动控制等功能，实际上是一类智能机器人。1 引引 言言 （2）工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所6 工程机械工程机械智能化智能化
4、2022-7-27智能系统与智能控制研究所72 工工 程程 机机 械械 智智 能能 化化 发发 展展 现现 状状 长期以来，国际市场上工程机械技术产品曾被美国、日本、西欧、俄罗斯等的国际大型企业集团所垄断。我国智能化工程机械技术的研究工作始于20世纪90年代初。1991年在“863计划”自动化领域首席科学家蒋新松的倡导下，在国内首先开展了工程机械机器人化技术的研究工作，先后进行了挖掘机机器人化和推土机机器人化，自动导引车(AGV)的技术开发。另外有些国家重点实验室，如中国科学院，清华大学等单位同国内企业进行了产学研合作。工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所8
5、国外现状（1）美国Sjerrita矿的Cat992C型轮式装载机，装有可视距离内无线电遥控，可在危险地带实施作业。（2）澳大利亚开发的无人驾驶自卸车，实现了在千米以下的坑道施工作业的无人化操纵。（3）德国的利勃海尔公司生产的静液压履带式工业推土机和挖掘机全部实现机电液一体化，通过对发动机转速传感器进行电子控制，最优利用发动机功率，提高了燃油的效率。2.1 单机集成化操作与智能控制技术现状单机集成化操作与智能控制技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所9（4）日本小松制作所于1984年推出的PC-3型挖掘机上装置了微电子计算机控制系统，后来推出的功率845
6、.5kW的超大型工业推土机，装有电子监控系统，不仅提高了生产能力，而且性能稳定、操作灵活方便。（5）日本大成建设株式会社很早就研制出无人驾驶、能独立工作的履带式铲车，可以连续工作24h，安全可靠。2.1 单机集成化操作与智能控制技术现状单机集成化操作与智能控制技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所102.2 网络机群集成控制与智能化管理技术现状网络机群集成控制与智能化管理技术现状 (6)雷卡和特林布尔导航设备有限公司独立提供基于GPS的推土机定位系统，大大提高推土机的作业生产率。雷卡采用GPS技术的Dozer2000导航系统，在无需勘察标桩的情况下，允
7、许司机精确地控制推土机的铲刀板和机器的位置，实现虚拟推土作业。工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所11 国内现状 (三一重工另行介绍)我国也在致力于遥感控制和无人驾驶技术的研究和产品开发，并取得一些成果。2.1 单机集成化操作与智能控制技术现状单机集成化操作与智能控制技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所12 （1）山东科技大学机器人研究中心从1994年开始着手“喷浆机器人”的研制，先后完成了矿井喷浆机器人和大型喷浆机器人。2000年初第一台大型喷浆机器人完成，并在济南高速公路的隧道施工现场投入试运行，运转正常。目前第
8、二台已用于西安合肥的铁路隧道施工。2.1 单机集成化操作与智能控制技术现状单机集成化操作与智能控制技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所13 （2）2019年由国防科技大学与江麓工程机械有限公司联合研制的W1102DZ型压路机器人。该机结合了智能移动机器人技术和振动式压路机的先进技术，采用先进的遥控、自动编程控制两种操作方式，同时还保留了原有的人工驾驶功能，具有施工效率高、压实质量好、操作人员劳动强度低等特点。在2019年初用于湖南省重点防洪工程九华湘江扩口工程工地上。技术性能达到上世纪90年代国际同类系统先进水平。2.1 单机集成化操作与智能控制技术
9、现状单机集成化操作与智能控制技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所14（3）吉林工业大学和徐工集团开发出一种先进、可靠和实用的5t级新型装载机ZL50G型机器人化装载机。该机引入了计算机技术、现代控制技术和微电子技术，主体和主要部件的结构设计及装配采用了集成制造技术，是先进的机电液讯一体化的升级换代型产品。具有全自动电控变速器、计算机控制传动操纵系统、电子快速换挡系统、故障自诊断系统、电子监控系统和三级报警系统。2.1 单机集成化操作与智能控制技术现状单机集成化操作与智能控制技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究
10、所15（4）中南大学于2000年开发了隧道凿岩机器人,是双臂型机器人。它两只巨大的铁臂上各有一个6米长的钻头，可以在任何坚硬的岩石上打出所需要的炮眼。只需操作者在电脑上输入工作界面面积和炮眼数目，机器人便自动设计钻孔的疏密布局并予以执行。其工作界面最大可以达到90平方米。2.1 单机集成化操作与智能控制技术现状单机集成化操作与智能控制技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所16（5）徐工集团研制的RP800型自动摊铺机，采用微电脑恒速控制、数字控制和超声波控制，双振捣及脉冲振动压实和电加热等当今世界上最先进的技术。具有摊铺速度稳定、自动转向、输分料均匀、
11、预压密实度高、摊铺平整度好和操作简单等优点。2.1 单机集成化操作与智能控制技术现状单机集成化操作与智能控制技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所17 （6）中科院合肥智能所和合肥叉车厂研制的WD10型自动多项无轨堆垛机，是我国第一台基于网络控制的高架堆垛叉车。转向、前引、起升、前移、侧移和倾卸等8个自由度，人机交互和系统监控，全部实现了计算机控制。该项技术包括：机群优化配置、智能调度、协同控制及数据通信技术等。2.1 单机集成化操作与智能控制技术现状单机集成化操作与智能控制技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究
12、所18 此外，国内部分企业已着手联合开发智能化工程机械项目:1）徐工集团“九五”期间,与清华大学等单位共同完成了“国家863/CIMS机器人化工程机械现代集成制造应用工程”单极和集群自动化的课题研究。2）2019年1月，柳工以华中科技大学和苏州大学为依托，向国家863/自动化领域申请装载机远程服务专家系统与智能化挖掘机及企业信息化工程立项成功。2.2 网络机群集成控制与智能化管理技术现状网络机群集成控制与智能化管理技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所193）2019年江苏徐工集团承担完成“机群智能化工程机械”项目。包括智能化摊铺机、拌和站、压路机、装
13、载机、铰接式自卸车和全路面汽车起重机等5种产品。可将施工综合效益提高25%以上，施工设备维护成本下降20%。2.2 网络机群集成控制与智能化管理技术现状网络机群集成控制与智能化管理技术现状 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所20 三一重工工程机械智能化开发简况三一重工工程机械智能化开发简况(1)从1994年开始，三一重工对混凝土输送泵机械、液压、电气等关键技术进行攻坚，创造性地把拖泵的新技术应用到泵车等混凝土输送系列产品上，使得三一重工成为国内混凝土机械品种最多、规格最齐全的品牌。(2)从2000年起，三一重工混凝土机械一直占领了国内48%以上的市场，成为国
14、内第一品牌，全球排名在前三甲之列。工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所21(3)2019年9月，在香港国际金融大楼施工现场，三一重工混凝土泵将混凝土送上了406米的施工面，以将近100米的绝对优势，打破了国外老牌企业创造的308米的世界纪录。(4)三一重工国家863计划重大专项“机群智能化工程机械”于2019年全面启动。内容包括沥青混凝土路面施工工艺优化与质量控制，机群智能调度与优化控制，单机智能化技术等。(5)2019年12月25日，中央电视台新闻联播头条将三一的混凝土泵送技术作为“十五”期间中国重大创新成果进行了推介，称誉三一为“中国泵王”。工程机械工程机
15、械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所22（6）2019年初，在全国科技大会上，三一重工“混凝土泵送关键技术研究开发与应用”项目摘取了国家科技进步二等奖。（7）2019年9月20日，由三一重工自主研发的66米长臂泵车正式向世界吉尼斯总部提交“世界第一长臂架”的申请。目前业内公认的世界最长臂架泵车将“周游”全国10大城市，并远赴美国、德国、西班牙、阿联酋等国展示。（8）通过自主创新，三一重工用13年时间开发了25个系列、120多个品种的产品，拥有了330多项专利。工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所23（9）在控制系统方面 成功开发EC-7挖机
16、控制系统，从各方面解决了原系统长期存在的斗杆发抖、行走跑偏等难题。推出的三一SYMT（GPS）已成为促进公司产品销售、服务、品质改善的利器。成功开发的SYMC运动控制器实现了核心控制技术的完全自主开发，有效地防止了技术泄露，彻底摆脱了对原有控制器外协厂商的依赖，并缩短了产品交货周期。研制了出一种类似预存话费式的防盗程序，成功防止拆除或更改挖掘机电气线路行为。工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所243.1 机械工程智能化系统的组成（方案之一）作业计划作业计划工作对象工作对象视觉传感器视觉传感器物理模型物理模型操作与控制操作与控制修正作业计划修正作业计划物理模型知
17、识库物理模型知识库传感器传感器3 工程机械智能化的若干问题工程机械智能化的若干问题 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所253.2 工程机械智能化改造主要方式工程机械智能化改造主要方式 智能化控制系统的主要硬件，如控制器、显示器、传感器等、控制软件均直接采购国外产品，生产厂家只需在整机电控系统上做出适当的变化即可。（可靠，改造速度快，功能较固定、没有特色，短期成本低。无需IT专业技术人才，适用一般工程机械生产厂。）智能化控制系统的主要硬件，如控制器、显示器、传感器等，采购国外成熟产品，由生产厂家自行研制其控制软件。（可靠，需要控制软件研制时间，功能多，灵活，中
18、长期成本低。需要IT专业技术人才，适用具有相当技术实力的工程机械生产厂。）工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所26 智能化控制系统的主要硬件(控制器或显示器)自行研制，并根据整机功能要求自行研制其控制软件，一些配套元件（传感器等）采购国内外成熟产品，同时在整机电器线路上做出适当的变化。（可靠性需要较长考核时间，主要硬件和控制软件均需要研制周期，设计功能更灵活，短期内无法投入批量生产，远期成本低，需要IT专业技术人才。适用具有较强技术实力、雄厚资木实力的工程机械生产厂。）3.2 工程机械智能化改造主要方式工程机械智能化改造主要方式 工程机械工程机械智能化智能化2
19、022-7-27智能系统与智能控制研究所273.3 工工 程程 机机 械械 智智 能能 化化 的的 主主 要要 内内 容容1.作业对象的自动识别主要内容主要内容 2.工作装置的自适应性控制 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所283.3.1 作业对象的自动识别方法及其应用作业对象的自动识别方法及其应用超声波传超声波传感器识别感器识别方法方法利用发射元件发射超声波，通过接收器收到的信号传播速度，测量与对象物之间的距离。激光扫激光扫描方法描方法由于激光的方向性强，衰减小，所以比超声波测距装置的精确度高；但激光易受粉尘的影响产生反射干扰，所以激光测距器在有粉尘的场合
20、，容易产生测量误差，可通过标定的方法排除干扰。图像方法图像方法目前正在大力研制开发图像视觉传感器，这种传感器可在短时间内获取大范围的信息数据，并能根据要求对数据进行识别与分析处理。工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所293.3.1 作业对象的自动识别方法及其应用作业对象的自动识别方法及其应用装载机将砂土自动装卸到自卸车的作业流程图通过安装在装载机上的视觉系统识别作业对象的位置和体积。由车载计算机制定作业计划并确定铲斗铲入的位置和运动轨迹；计算机发出指令通过执行机构控制装载机的行走轨迹。操纵铲斗挖取物料。利用安装在装载机上的视觉系统识别自卸车的位置和状态。由车载
21、计算机确定自卸车移动轨迹，并发出指令，装载机自动沿轨迹移动。当装载机到达预定位置时，自卸车自动完成卸料作业。工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所303.3.1 作业对象的自动识别方法及其应用作业对象的自动识别方法及其应用图像中抽取堆积物的识别堆积物识别的图像处理系统堆积物识别的图像处理系统利用微分计算和面积计算原理将图象采集的数据进行图像处理在计算过程中，需要结合破碎堆积物特有的特征，从复杂的背景中把堆积物提出。该过程的目的不仅是为了计算堆积物的体积，而且是通过对原始图像的识别，制定最佳作业计划，实施作业，以适应施工环境的复杂性 工程机械工程机械智能化智能化2
22、022-7-27智能系统与智能控制研究所313.3.2 工程机械的自适应性技术工程机械的自适应性技术工程机械的导航系统机载传感器激光测距器编码器回转仪外部传感装置内部传感装置相互配合控制加速度计采集的数据对误差进行修正 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所323.3.2 工程机械的自适应性技术工程机械的自适应性技术电磁诱导线法电磁诱导线法光学反射法光学反射法推测航法推测航法超声波法超声波法视觉传感器视觉传感器自适应性施工自适应性施工 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所333.3.2 工程机械的自适应性技术工程机械的自适应性技
23、术电磁诱导线（感应）法电磁诱导线（感应）法 沿工程机械移动的路线，在地下埋设电磁诱导线，诱导线通电时可形成磁场。当机械通过时，安装在机械上的磁场检测器对磁场信号进行检测追踪，并利用机载回转仪和编码器对机械的位置进行修正，控制机械的行驶路线。工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所34光学反射法光学反射法 光学反射线法主要用于地下工程，在隧道的顶部安装光学反射线发射装置，用摄像机拍摄光线，再采用图像处理的方法确定机械的位置，控制机械方向及车速。通常在重要地点的光学反射线发射装置旁设置条码标志，使机械对需要转弯、减速、停车的地点进行识别。3.3.2 工程机械的自适应性
24、技术工程机械的自适应性技术 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所35推测航法（航迹推算法）推测航法（航迹推算法）一种采用回转仪确定机械的行进角度，通过编码器计算机械的移动距离和位置的方法。超声波法超声波法 在机械的两侧安装数个超声波传感器，用来测量两侧障碍物和机械之间的距离，控制机械的转向，避免发生碰撞。该法适用于地下工程的施工机械。机械在隧道、坑道内行驶时，应及旱发现道路的岔口，常用的方法是设立道路标志。但是在地下环境中设立标志的成本比较大，还要维护管理，比较麻烦。所以也有判断坑道形状的图象处理装置。3.3.2 工程机械的自适应性技术工程机械的自适应性技术
25、工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所36视觉传感器视觉传感器 采用两台摄像机构成复式眼。用高性能的图像处理装置实现图像的瞬间处理，确定与对象物之间的距离及对象物的性质，控制机械的行驶轨迹和作业。例如可在装载机上安装CCD摄像机用来确认自卸车的位置。自适应性施工自适应性施工 工程机械自适应技术不仅能够控制机械的行驶路线，更重要的是对工作装置进行自动控制。3.3.2 工程机械的自适应性技术工程机械的自适应性技术 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所37 智能化技术在国内工程机械上的一些应用 履带式凿岩台车履带式凿岩台车 履带式凿岩
26、台车是隧道施土中的专用施工机械，目前，己经实现根据岩质自动控制钻头的钻进速度、回转速度、冲击次数等，还可自动测量转矩和深度，是一种可进行自动钻进的自动化机械。4 工程机械智能化的应用工程机械智能化的应用 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所384 工程机械智能化的应用工程机械智能化的应用 自卸车自卸车 无人驾驶自卸车己获得应用。其行走方式采用是在推测航法的基础上，利用激光传感器和反射板来消除传感器误差的控制方式；现在利用GPS定位可对自卸车的整个作业过程进行全程控制。旋转式扫雪机旋转式扫雪机 为了提高除雪作业的效率，减少人工。过去采用在道路上埋设标记，车载传感
27、器检测，引导车辆自动行驶的方法。目前，己实现利用GPS/GISDUI对车辆定位、行走控制。工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所39 轮式装载机轮式装载机 应用在轮式装载机自动化技术有防侧滑系统、自动铲挖系统、V V字形自控移动等。并针对轮式装载机铰接转向方式的特点，采用特殊的控制模式。自动化盾构自动化盾构 在盾构的切割轮上安装自动控制杆，由PLC对盾构的各种作业进行自动化控制。4 工程机械智能化的应用工程机械智能化的应用 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所40 挖掘机挖掘机 利用车载计算机可对铲斗的位置进行定位，使铲斗沿预定
28、的作业轨迹动作，并对铲斗的挖掘阻力进行分析，对发动机功率进行调节。钢索式挖掘机钢索式挖掘机 由于铲斗由钢丝吊控，所以当吊臂回转时铲斗的摆动控制是自动化的关键。可利用视觉传感器来检测铲斗的摆动，通过改变吊臂的移动速度来控制铲斗的摆动。4 工程机械智能化的应用工程机械智能化的应用 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所41 智能化技术在国外的一些应用 智能推土机 数字地形模型(DTM)将信号直接中继给机器本体，利用GPS实时导引与核实地形坡度，使之能有效的完成任务。使得整个工程花费时间更短，节约大量花销。4 工程机械智能化的应用工程机械智能化的应用 工程机械工程机械
29、智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所42 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所43 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所44 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所45工程机械发展总的趋势工程机械发展总的趋势 发展快，水平高，工程机械产品向着系列化、模块化、大型化和微型化方向发展。电子化、信息化、智能化水平不断提高，而且这几个方而高度交叉融合，彼此间的界限越来越模糊。环保节能新技术得到推广。可靠性、安全性、舒适性、得到高度重视。面向工程机械产品生命周期的系统设计将广泛采用，面向
30、施工工艺的研究将不断加强。5 结结 语语 与与 展展 望望 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所46发展对策发展对策 综合应用计算机、微电子、自动控制及多传感器融合技术，研发工程机械集成化操作与智能控制系统。研究开发工程机械故障诊断技术与系统应用微电子、人工智能、计算机网络通信等技术。研究开发工程机械远程监控与智能维护技术与系统。研究与开发工程机械机群控制及智能化管理系统。研制面向机群拉制的新一代智能原型样机。5 结结 语语 与与 展展 望望 工程机械工程机械智能化智能化2022-7-27智能系统与智能控制研究所47机械工业在智能化中发展机械工业在智能化中发展 选择智能化的精品作为机械企业未来发展的新产品。机械企业的设计、制造和管理要向智能化方向发展。用智能化技术充实、推进、改进和提升企业的信息化与网络化。大力应用计算机科学和人工智能科学的最新成果。注意选拔和培养高素质的科技与管理人才。5 结结 语语 与与 展展 望望专题报告专题报告2022-7-2748
