摘  要： 介紹了工程挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)（ENS），并對該系統(tǒng)所采用的軟硬件及算法等進(jìn)行了研究。實地測試結(jié)果表明，該引導(dǎo)系統(tǒng)操作直觀性強(qiáng)，能有效減少施工失誤并且更容易引導(dǎo)挖掘區(qū)域施工，基本滿足挖掘機(jī)工程使用要求。
關(guān)鍵詞： 引導(dǎo)；GPS/GPRS；數(shù)字挖掘機(jī)

　對于高精度定位挖掘，數(shù)字挖掘機(jī)在工程機(jī)械上具有很重要的作用[1]。使用數(shù)字技術(shù)的挖掘機(jī)，施工人員可以及時監(jiān)控挖掘機(jī)各項性能指標(biāo)并進(jìn)行高效的施工作業(yè)。然而如何遠(yuǎn)程獲取挖掘信息以及如何安全智能引導(dǎo)挖掘機(jī)施工，在目前的數(shù)字化挖掘機(jī)研發(fā)中是一個難點[2]?，F(xiàn)有的研究結(jié)果雖已較好地解決了挖掘機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控管理的問題，但引導(dǎo)挖掘系統(tǒng)仍有待研究。
　一些挖掘機(jī)的機(jī)載數(shù)據(jù)，如電氣參數(shù)、運動參數(shù)和挖掘負(fù)載等數(shù)據(jù)，可以通過無線網(wǎng)絡(luò)等實時捕獲并發(fā)送到總控室。因此，基于這種無線傳輸?shù)倪h(yuǎn)程挖掘決策（如挖掘機(jī)車輛管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等）已經(jīng)得到部分實現(xiàn)[3]。
　可是在許多挖掘地區(qū)，地下管道或者其他潛在的地下設(shè)施卻常在施工時被施工人員無意破壞。這些隱形的地下設(shè)備將對地面施工人員造成很大程度的困難。同樣，這種情況對于精密挖掘及引導(dǎo)也帶來相當(dāng)?shù)碾y度。因此，本文提出一種挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)來解決這個問題，該系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理將用于記錄挖掘機(jī)的各項機(jī)載信息，而邊界算法和定位算法將輔助挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘引導(dǎo)。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
　挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)包括GPS系統(tǒng)、GSM/GPRS系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、微處理器、服務(wù)器以及相關(guān)運行程序。圖1所示為挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)的總體架構(gòu)及原理圖。

　NS嵌入式系統(tǒng)記錄GPS信息和挖掘機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)，同時將檢測這些數(shù)據(jù)是否完整并對其進(jìn)行優(yōu)化，并通過Web網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器。在服務(wù)器端，挖掘機(jī)管理系統(tǒng)從ENS嵌入式系統(tǒng)接收車載數(shù)據(jù)以及城市管道圖數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將以數(shù)據(jù)包的形式存放在SQL服務(wù)器里，地下設(shè)備顯像、挖掘區(qū)域重現(xiàn)、挖掘機(jī)機(jī)載實時監(jiān)控、挖掘任務(wù)制定等都可以一并調(diào)用處理。與此同時，這些數(shù)據(jù)也將由CAN總線傳送到挖掘機(jī)的機(jī)載儀表盤上，由儀表盤顯示[4]挖掘任務(wù)、可挖掘區(qū)域、禁止挖掘區(qū)域、挖掘機(jī)機(jī)載情況等動態(tài)信息。如圖2所示。

　ENS嵌入式系統(tǒng)主要由4大硬件模塊組成：GPS系統(tǒng)、GPRS系統(tǒng)、天線系統(tǒng)及微處理器系統(tǒng)。
?。?）GPS系統(tǒng)。其中包括GPS接收機(jī)、信號匹配電路、RF Front-End等。信號匹配電路使用50 Ω與天線信號相接，最大化信號的傳輸質(zhì)量。RF Front-End可以改善CMRR值并且降低輸入信號噪聲。GPS接收機(jī)使用3.3 V電壓供電，同時配備LED狀態(tài)指示燈。
?。?）GPRS系統(tǒng)。其中包括一個GSM/GPRS接收機(jī)，信號匹配電路和一張SIM卡。GSM/GPRS負(fù)責(zé)與服務(wù)器進(jìn)行雙邊通信，上傳挖掘機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)和下載決策指令與數(shù)據(jù)。
?。?）天線系統(tǒng)。GPS和GSM/GPRS使用PATCH型內(nèi)置天線和SMD型內(nèi)置天線，這能保證在惡劣環(huán)境施工下挖掘機(jī)仍能接收可靠的數(shù)據(jù)信號。相比外置型天線，內(nèi)置型天線有利于降低SAR及更不容易被惡意破壞。
?。?）微處理器系統(tǒng)。負(fù)責(zé)邊界處理算法和定位算法的實現(xiàn)。除此之外，該系統(tǒng)還負(fù)責(zé)與挖掘機(jī)各電氣子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)使用MSP430低功耗處理器。
2.2 ENS遠(yuǎn)程服務(wù)器的挖掘機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)
　ENS挖掘機(jī)管理系統(tǒng)用于管理ENS嵌入式系統(tǒng)、與挖掘機(jī)數(shù)據(jù)交換、圖像顯示挖掘信息并提供挖掘決策指令等。
　管理系統(tǒng)由Windows Server 2008（IIS）、C#.NET、Silverlight和MySQL共同設(shè)計完成。同時還集成有支持GIS功能的Google earth API[5]。挖掘機(jī)操作人員與工程師們能夠登錄該管理系統(tǒng)網(wǎng)站實時觀察指定挖掘機(jī)的各種施工情況。
3 引導(dǎo)的關(guān)鍵問題
　挖掘機(jī)的工作環(huán)境通常是較為惡劣而且沒有固定的行駛軌跡，因此普通車載導(dǎo)航儀上的地圖算法并不適用。挖掘機(jī)引導(dǎo)問題還應(yīng)考慮最大化挖掘機(jī)效率及減少挖掘機(jī)停機(jī)時間。
　除了基于GPS/GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)，危險挖掘區(qū)域引導(dǎo)和命令控制管理也聯(lián)合起來一同避免挖掘事故。挖掘機(jī)操作人員能從相關(guān)的政府部門網(wǎng)站和他們的GIS系統(tǒng)里找到掩埋在地下的各種管道及設(shè)施數(shù)據(jù)[6]。得到危險挖掘區(qū)域的數(shù)據(jù)后，ENS遠(yuǎn)程服務(wù)器將把該地理位置數(shù)據(jù)及地圖發(fā)送給ENS嵌入式系統(tǒng)，同時嵌入式系統(tǒng)也將根據(jù)現(xiàn)場泥土情況、挖掘機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)和邊界檢測等動態(tài)修改引導(dǎo)數(shù)據(jù)。
　通常情況下，挖掘機(jī)工作處在兩種工作姿勢的其中一種（行走或相對路面靜止）。為了能改進(jìn)引導(dǎo)效果，ENS嵌入式系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)定位算法和邊界算法。
3.1 定位問題
　盡管一般的GPS接收機(jī)能夠輸出比較好的定位軌跡，但仍不適用于工程機(jī)械，特別是挖掘機(jī)。零點漂移問題在GPS接收機(jī)中很普遍，這種情況將導(dǎo)致挖掘機(jī)將使用失效的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行引導(dǎo)以及將其上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器從而導(dǎo)致遠(yuǎn)程決策失誤。
　卡爾曼濾波（Kalman Filter）、擴(kuò)展卡爾曼濾波、粒子濾波（Particle filter）、簡易定位法等都可在一定程度上提高定位的精度以及在工程機(jī)械中有一定的應(yīng)用?？柭鼮V波法應(yīng)用得比較廣泛，其只需當(dāng)前的一個測量值和前一個采樣周期的預(yù)測值就能進(jìn)行狀態(tài)估計，主要用來解決航跡的最佳估計問題。擴(kuò)展卡爾曼濾波器采用混合坐標(biāo)系進(jìn)行濾波和殘差計算的卡爾曼濾波器，能比較好地處理非線性的狀態(tài)方程，并在實際運算時采用線性的動態(tài)方程和測量方程。粒子濾波的思想是基于蒙特卡洛（Monte Carlo）的方法，利用通過從后驗概率中抽取的隨機(jī)狀態(tài)粒子來表達(dá)其分布。簡易定位法則基于一旦檢測到挖掘機(jī)運動速度小于某個數(shù)值時，將強(qiáng)制鎖定其輸出位置，使其處于靜止顯示。
　本文根據(jù)以上幾種定位算法，并結(jié)合挖掘機(jī)特有的運動屬性，設(shè)計了一種自適應(yīng)速度約束卡爾曼濾波算法。不考慮速度數(shù)值，只利用速度方向避免瞬時速度與平均速度不同所帶來的誤差，即在普通卡爾曼濾波算法中，將速度方向?qū)d體的運動軌跡進(jìn)行約束，使其在迭代運算中不允許出現(xiàn)跳躍變化。這樣，不僅整體運算速度更快，而且精度更準(zhǔn)確。
3.2 邊界問題
　挖掘區(qū)域的標(biāo)定可以由幾個關(guān)鍵的定位點來確定。但一些邊界算法需要大量的計算機(jī)耗時導(dǎo)致不能在實際中使用。區(qū)域建模法、人工測量法、圖片拍攝法等是比較常用的方法，但這些方案都將耗費大量的設(shè)備或者人力，使得在工程使用中變得較難實現(xiàn)。本文采用由挖掘區(qū)域的中心點和其邊界的垂直距離可以判斷出挖掘機(jī)是否在挖掘區(qū)域內(nèi)，這種方法可以有效避免誤差擴(kuò)大導(dǎo)致的引導(dǎo)失誤。其方案為從挖掘機(jī)的GPS中讀取當(dāng)前挖掘機(jī)位置，配合有衛(wèi)星圖片所觀測到的挖掘區(qū)域地圖坐標(biāo)信息，從幾何運算可推算出挖掘機(jī)與挖掘區(qū)域的位置關(guān)系，然后判斷挖掘區(qū)域的中心位置分別到挖掘機(jī)與其對應(yīng)的邊界的垂直距離。當(dāng)挖掘機(jī)與挖掘區(qū)域中心位置的數(shù)值大于邊界與挖掘區(qū)域中心位置的數(shù)值，則可判斷挖掘機(jī)處在挖掘區(qū)域外，反之，則在挖掘區(qū)域內(nèi)。
4 可靠性分析
　從圖4可以看出挖掘區(qū)域關(guān)鍵點的標(biāo)定對整個精密挖掘引導(dǎo)的影響是很大的。在這個實驗里，挖掘機(jī)使用ENS在挖掘區(qū)域內(nèi)行駛。地底管道信息由當(dāng)?shù)赝ㄐ殴九c水利局公司GIS平臺提供，這些禁止挖掘區(qū)域由紅色的標(biāo)記點標(biāo)記在服務(wù)器里。在此實驗中，挖掘機(jī)以較低速度行駛到這些區(qū)域而不進(jìn)行任何挖掘動作。挖掘路線也同樣由各種不同顏色進(jìn)行標(biāo)定。

　所在的地圖信息來源于Google Earth程序的支持，通過這種預(yù)先下載機(jī)制把地圖信息通過服務(wù)器下載到ENS儀表盤里，可以避免因?qū)Ш綍r出現(xiàn)瞬時大量下載數(shù)據(jù)包的情況，從而導(dǎo)致顯示異常。不同的引導(dǎo)顏色與引導(dǎo)報警聲可以時刻提示挖掘機(jī)操作人員當(dāng)前所處的挖掘情況。在施工時，操作人員不僅可以清楚地知道當(dāng)前所在挖掘區(qū)域和挖掘任務(wù)，遠(yuǎn)程服務(wù)器也可以實時監(jiān)控挖掘機(jī)的施工情況及機(jī)載情況。
　本文提出了一個新的挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)（ENS）。挖掘機(jī)操作人員可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控挖掘機(jī)并實施挖掘計劃，使用邊界算法用于挖掘機(jī)引導(dǎo)可以得到更精確、更有效的引導(dǎo)方案。ENS同時也可適用于挖掘機(jī)管理與普通監(jiān)控。今后，使用多衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合方案可以更進(jìn)一步提高引導(dǎo)精度并用于更精密的智能挖掘。
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