一种静压驱动推土机直行控制方法

刘 燕，张士聪，侯衍华

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272000）

随着国家对农田、水利、道路、市政等愈加重视，对工程机械的性能要求越来越高，尤其是在公路道路施工过程中，对工程机械的直行控制需求越来越明显。精准保证工程机械平整作业已经成为越来越值得关注的问题。

目前全液压推土机的直行控制方法，普遍采用PID控制，即根据左右马达转速传感器检测的左右马达的实时速度信息，将左右马达的平均速度作为目标速度，利用PID控制调节左右泵的电流，来调节泵的排量，间接调节左右马达的转速，达到对整车直行的纠偏控制。然而这种直行纠偏控制方法是一种相对的纠偏，直行误差会逐渐地累积，所以只能保证在一定行程内跑偏保持在一定范围。当地面的高低起伏时，这种纠偏方法更是作用不大，静压驱动推土机随着行程的增大跑偏会随之加剧，只能靠驾驶员凭经验手动控制手柄纠正行走路线。

针对以上问题，本文提出一种静压驱动推土机直行控制方法，是基于绝对物理坐标的控制，在推土机直行的过程中，跑偏现象不会累积，适用于高低起伏的施工况，能够保证较高的施工精度，具有较大应用价值。

1 静压驱动推土机直行控制理论分析

如图1所示，在施工地配备一套GPS-RTK的空间定位设备，在推土机车体上放有两个流动站，其连线保证与履带侧边或车体中心平行。车体安装无线接收装置及整车控制器，两个流动站连线与履带的平行保证了两个站点的连线延长线方向即为整车直行的理论路径。

图1 基于GPS-RTK定位技术的直行控制图

直行开始时，位置信息接收点1与接收点2分别接收到空间3D坐标(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)并将位置信息传输给整车控制器。因为只是在施工面进行直行控制，所以Z轴坐标不参与直行控制。整车控制器计算出由(x1,y1),(x2,y2)构成的理论直行路径，推土机直行过程中，控制器实时接收流动站1的实际位置信息，并通过一定算法与理论行驶路径进行比对，若偏离理论路径，则通过相应算法调节左右泵的电流输出，直到整车沿理论路径直线行驶。以此类推，适用于前行左转、前行右转，原地转向、后退、后退左转、后退右转等状态结束后的整车直线行驶控制。

2 直行控制的具体实施方法

2.1 直行控制的硬件需求

1）必须具有用于3D定位的全套设备，如GPS-RTK或是全站仪等用于3D定位的设备。

2）两个流动站（即两个位置坐标点）安装位置尽量在车体纵向的两端，以保证理论路径误差最小；安装位置中心的连线方向必须与履带侧边或车体中心方向平行，以保证两个流动站的平面坐标的连线为直行参考方向。

2.2 直行控制策略

直行状态有前行与后退两种情况，对于静压驱动推土机而言，前行主要是靠左前泵与右前泵控制，后退主要是左后泵与右后泵控制，以下以前进为例介绍沿理论路径直行的控制方法，类似方法同样适用于后退直行控制。

如图2所示，A点为推土机直行起始位置流动站1的位置点，C点为推土机直行起始位置流动站2的位置点，B点为m时刻流动站1所在的位置，h为流动站1起始位置A点与m时刻所在位置B点的直线，g为由A、C两点计算出的理论直行路径，d为B点到直线g的距离（用来表示跑偏程度），θ为直线g到直线h的旋转角度（用来确定推土机跑偏方向）。

图2 推土机直行控制坐标图分析

1）根据3D定位坐标，计算出(x1,y1)，(x2,y2)构成的直行路径。

2）以流动站1坐标位置作为直行控制参考点，假设流动站1在m时刻的检测实际B点位置为(xm,ym),则流动站1起始位置A与m时刻位置B构成直线的斜率为Km。

3）利用到角公式判断m时刻流动站1所在位置点B位于理论行驶路径的左侧还是右侧。以理论路径直线g为基线，通过A、B连线所在的直线为h，直线g旋转到与直线h重合时，所旋转的角度为θ，若tanθ＞0,说明基线g以A点为中心逆时针旋转θ才能与直线h重合，整车向左侧跑偏；若tanθ＜0,说明基线g以A点为中心顺时针旋转θ才能与直线h重合，整车向右侧跑偏。

4）利用点到直线的距离公式判断整车跑偏程度，流动站1在m时刻的跑偏程度可以用点B到直线g的距离d大小表示。

5）设定跑偏调节阀值为β(注β＞0），则根据d与β关系分以下3种情况：①当tanθ＜0且d＞β,说明整车右偏程度超过了跑偏阀值，PID算法根据跑偏程度d计算出左右泵电流变化量Δi(Δi根据每个程序运行周期检测的跑偏程度不同逐渐调整),通过增大右泵的电流IR+Δi，减少左泵电流IL-Δi，使得整车行驶方向逐渐向左侧调整，并计算下一时刻跑偏程度d，得出最新的泵电流调节量Δi，继续纠偏控制，直到满足d＜β，纠偏控制停止；②当tanθ＞0且d＞β,说明整车左偏程度超过了跑偏阀值，PID算法根据跑偏程度d计算出左右泵电流变化量Δi,通过减少右泵的电流IRΔi，增加左泵电流IL+Δi，使得整车行驶方向逐渐向右侧调整，并计算下一时刻跑偏程度d，得出最新的泵电流调节量Δi，进行纠偏控制，循环判断直到满足d＞β，纠偏控制停止；③当d＜β,无论tanθ为何值，说明整车近似按理论路线直行，跑偏程度在允许的范围之内，暂时不做任何纠偏处理。

当检测到行走手柄输出转向控制信号时，停止纠偏控制。控制器不断的检测电控手柄的信号输出，当检测到手柄转向信号输出停止时，默认整车进入直行状态，重复直行步骤1～5。

按照上述步骤，程序进行循环检测，并根据跑偏程度进行循环控制，从而保证静压驱动推土机的直线行走。该系统的直行控制流程图如图3所示。

3 结 论

本论文的关键是利用3D定位技术，在平行于履带侧边或车体中心方向安装两个位置定位点，以便确定直行行驶的理论路径，进而实现行走的路径跟随控制，其具体的优点如下。

1）相比于静压驱动推土机传统的直行控制方式，精度高、跑偏误差不会累积。

2）改变了跑偏较大时驾驶员根据经验进行直行调节的弊端，减少驾驶员的劳动强度。

图3 推土机直行控制流程图

3）解决了在场地造形、道路建设等施工过程中对直行要求较高的问题，使得施工精度更加准确。

4）本论文所述直行控制方法为一种基于物理坐标的绝对直行控制，直行时间以及施工路面平整度对跑偏程度的影响不大，在起伏路段仍能保持较高的精度。