挖掘机自动化如何实现厘米级真地面速度测量，有效应对恶劣工况与履带打滑？【工程机械自动化】

1. 挖掘机基本结构与技术要求

挖掘机是一种重型工程机械，主要由工作装置（如动臂、斗杆、铲斗）、转台、行走机构和动力系统组成。其工作过程中，不仅有铲斗的挖装作业，还有整机的移动和转台的旋转。因此，挖掘机的速度测量需求是多方面的：

• 行走速度测量：衡量挖掘机在工地上从一个位置移动到另一个位置的速度。这对于规划施工路线、计算作业效率、控制自动驾驶系统以及避免超速行驶带来的安全隐患至关重要。想象一下，如果挖掘机在施工现场移动，它的行走速度就像是高速公路上汽车的速度，需要精确控制才能安全高效地到达目的地。传统上依赖轮式或履带式车辆的编码器或GPS，但在复杂地形和打滑情况下，这些方法往往无法提供真实的地面速度。

• 作业速度测量：在挖装作业中，铲斗的伸出、收回、提升、下降，以及转台的旋转速度，都会影响作业的效率和精度。例如，在精准平整场地或装载物料时，过快或过慢的动作都可能导致作业质量下降或效率低下。

对速度测量的技术要求主要体现在以下几个方面：

• 高精度：尤其在自动化或半自动化操作中，厘米级甚至毫米级的定位和速度精度能显著提升作业质量和效率。例如，在自动找平作业中，如果速度测量不准，可能导致找平误差，需要返工。

• 实时性：速度数据需要实时更新，以便控制系统能够快速响应挖掘机的动态变化，实现精确的闭环控制。就像开车时需要实时知道当前速度才能及时调整油门或刹车一样。

• 环境适应性：挖掘机常在恶劣环境中工作，如尘土飞扬、泥泞湿滑、极端温度、强振动冲击等。传感器必须能够在这些条件下稳定可靠地工作，不受干扰。

• 非接触性：理想的测量方式应避免与地面或运动部件接触，以减少磨损，同时规避履带打滑、轮胎周长变化或沉陷等因素对测量结果的影响，确保“真地面速度”的测量。

2. 挖掘机相关技术标准简介

针对挖掘机的工作和行走性能，行业内通常会关注一系列监测参数及其评价方法。这些参数的定义和评价有助于确保挖掘机的性能、安全性和效率。

• 行走速度：定义为挖掘机在特定路况下，单位时间内移动的距离。评价方法通常是在平坦、坚硬的地面上，测量挖掘机从启动到稳定行驶一段已知距离所需的时间，或通过车载传感器实时获取速度数据。

• 最大牵引力：衡量挖掘机克服阻力前进的能力。评价方法可能涉及在特定坡度或拖拽负载下的极限速度测试，或通过液压系统压力和行走机构参数计算。

• 坡度爬升能力：定义为挖掘机能够在不打滑或不失去牵引力的情况下，爬上的最大坡度。评价方法通常是进行实际的坡度测试，并记录其能稳定通过的最大倾角。

• 稳定性：评估挖掘机在不同作业姿态和地面条件下的倾覆风险。评价方法会涉及静态倾覆试验和动态作业模拟，以确保其在举升重物或在坡道上工作时的安全性。

• 响应时间：指操作者发出指令（如加速、转向）到挖掘机相应动作发生之间的时间间隔。评价方法通常通过计时器或传感器记录指令信号和实际动作的时间差。

• 作业循环时间：定义为完成一个标准挖装循环（例如从挖土、回转、卸土到回位）所需的时间。评价方法是多次测量并取平均值，以评估作业效率。

这些参数的准确获取和评价，是挖掘机设计、制造、运行和维护的重要依据。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）、市面上各种相关技术方案

在挖掘机速度测量领域，为了满足高精度和环境适应性的要求，业界发展出了多种技术方案，各有侧重和优缺点。

a. 雷达多普勒测速技术

雷达多普勒测速技术，通过发射高频无线电波来探测物体的运动。它利用多普勒效应，当传感器发射的电磁波遇到运动的物体后反射回来时，反射波的频率会发生变化，这个变化量就叫做“多普勒频移”。传感器通过测量这个频移，就能计算出物体的速度。

其物理基础是多普勒效应。当传感器发射频率为 $f_0$ 的电磁波时，如果被测物体以速度 $V$ 相对传感器运动，则反射波的频率 $f_r$ 将与 $f_0$ 不同。多普勒频移 $F_d$ 可表示为：

$F_d = f_r - f_0 = frac{2 cdot V cdot cos( heta)}{lambda}$

其中：* $V$是被测物体的相对速度。* $lambda$ 是发射电磁波的波长。* $ heta$ 是传感器发射方向与物体运动方向之间的夹角。

通过测量 $F_d$，并已知 $lambda$ 和 $ heta$，就可以推导出 $V$。

核心性能参数的典型范围：* 速度范围：从接近静止的速度到高速（可达200 km/h以上）。* 精度：通常在0.1%到1%之间。* 更新率：10 Hz到100 Hz。* 工作距离：几十毫米到几米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式测量：不与被测表面直接接触，避免磨损，特别适用于测量挖掘机底部的真地面速度，不受车轮打滑、履带磨损或地面沉陷等因素的影响。 * 环境适应性强：电磁波穿透能力较强，受恶劣天气和环境因素影响较小。坚固的外壳设计更能抵抗振动和冲击。 * 测量动态范围广：能精确测量从极慢到高速的运动。 * 易于安装：通常只需将传感器与被测物体运动方向平行安装即可。* 缺点： * 方向敏感：测量结果与传感器安装角度和物体运动方向有关，如果角度偏离，需要进行补偿。 * 可能受干扰：在多雷达或复杂电磁环境中，可能会受到其他雷达信号或强电磁辐射的干扰。 * 成本：相对于一些简单的编码器或感应式传感器，雷达多普勒传感器成本通常较高。

b. GNSS/GNSS+INS组合导航技术

这种技术利用卫星信号来定位和测速。通过接收来自GPS、北斗、伽利略等多个卫星系统的信号，传感器可以计算出自身在地球上的精确位置。通过连续的位置变化，就能推算出移动速度。为了提高在卫星信号不稳定区域（如隧道、建筑物密集区或树林下）的可靠性，它常常会结合惯性测量单元（IMU），实时测量加速度和角速度。两者数据融合，即使卫星信号暂时丢失，也能通过惯性导航保持较高的精度和连续性。

核心性能参数的典型范围：* 定位精度：RTK（实时动态）模式下水平可达厘米级，垂直可达厘米级。* 速度精度：通常在0.01米/秒至0.05米/秒 (RMS) 范围内。* 更新率：高动态应用可达50赫兹甚至100赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度绝对速度：提供相对于地球的绝对速度信息，精度极高。 * 大范围适用：可在全球范围内进行定位和测速。 * GNSS-IMU融合：在卫星信号受阻时仍能保持较好的鲁棒性和连续性。* 缺点： * 依赖卫星信号：在隧道、密林、深矿坑等无卫星信号或信号受阻的环境下无法工作或精度大幅下降。 * 初始化时间：RTK等高精度模式需要一定的初始化时间。 * 成本较高：高精度GNSS接收机和IMU融合系统通常价格不菲。

c. 激光多普勒测速技术

激光多普勒测速的原理与雷达多普勒类似，只是将电磁波换成了激光。它通常发射两束高度聚焦的激光束到被测物体表面，这两束激光会在物体表面交汇并形成一个微小的干涉条纹区域。当物体表面移动穿过这个区域时，散射回来的激光会因为多普勒效应发生频移。传感器通过检测这个频移，并结合激光束的已知几何角度，来计算物体的速度。

其物理基础也是多普勒效应，但具体实现方式有所不同。对于双光束系统，当两束激光以 $V$3 角入射到移动表面时，产生的多普勒频移 $F_d$ 与物体速度 $V$ 之间的关系近似为：

$V$6

其中：* $V$是被测物体的速度。* $lambda$ 是激光波长。* $V$9 是单束激光束与被测表面法线之间的夹角。

核心性能参数的典型范围：* 测量速度范围：可覆盖超高速。* 速度分辨率：可达0.001米/秒。* 测量精度：通常小于0.05%。* 工作距离：从几十毫米到几米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度和分辨率：在精确测量方面表现卓越，适合要求非常高的应用。 * 非接触测量：对被测表面无磨损，且不会受其硬度、粗糙度、颜色等影响。 * 快速响应：能够实时捕捉高速动态变化。* 缺点： * 对环境敏感：激光易受灰尘、水雾、油污、振动等环境因素影响，需要保持光路清洁和稳定。 * 视线要求高：需要清晰的视线，不能有遮挡。 * 成本较高：通常是几种方案中成本最高的一种。

d. 感应式传感器测速技术

感应式传感器主要用于检测金属物体，其工作原理是产生一个电磁场。当挖掘机的履带板、链条节距或齿轮齿这些金属部件进入到这个电磁场时，就会在金属内部产生涡流，从而改变传感器本身的电磁振荡状态。传感器通过检测这种状态的变化，结合已知金属部件的尺寸或间距，就能计算出履带或齿轮的转速，进而推算出挖掘机的线速度。

核心性能参数的典型范围：* 检测距离：通常为几毫米到几十毫米。* 最大开关频率：可达几千赫兹。* 防护等级：通常较高，如IP67/IP68/IP69K。

技术方案的优缺点：* 优点： * 坚固耐用：结构简单，抗振动、抗冲击能力强，防护等级高，非常适合恶劣的工业环境。 * 成本低：通常是入门级速度测量方案中成本最低的一种。 * 可靠性高：寿命长，故障率低。* 缺点： * 近距离测量：只能在非常近的距离内检测金属物体。 * 间接速度测量：测得的是通过金属部件的计数，需要结合已知尺寸进行计算，不直接测量地面速度，易受履带磨损、履带松紧度等影响。 * 非真地面速度：无法消除打滑的影响，因此无法测量真实的地面速度。

（2）、市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选了几家国际主流品牌，它们在挖掘机速度测量领域都有各自的明星产品，代表着不同的技术路线。

• 美国天宝 美国天宝在工程机械高精度定位和控制领域处于领先地位。其GNSS+INS组合接收机，例如R12i系列，通过融合多星系GNSS信号和惯性测量单元（IMU）数据，提供了卓越的绝对位置和速度测量能力。它能在大范围动态测量中保持高度的鲁棒性和连续性，即使在卫星信号暂时受阻的复杂环境下也能持续提供可靠数据。其速度精度可达0.007米/秒 (RMS)，更新率最高达50赫兹，适用于需要极高位置和速度精度的自动化挖掘机系统。

• 英国真尚有 英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器是一款专注于提供“真地面速度”的设备。它利用24 GHz雷达多普勒技术，向地面发射电磁波并分析反射波的频率偏移来计算速度。其优势在于非接触式测量，不受挖掘机履带打滑、轮胎周长变化或沉陷的影响，确保速度测量的真实性和精确性。LP-DS200的测速范围为0.8 km/h至200 km/h，更新率为20 Hz，满足实时监测和闭环控制的需求。其工作温度范围为-40°C至+70°C，防护等级达到IP6KX、IPX7、IPX9K，确保在挖掘机恶劣工作环境中的高可靠性和长寿命。

• 德国策尔 德国策尔在激光测量技术方面是全球领导者。其LSV-2000系列激光测速仪采用激光多普勒原理，通过向被测表面发射激光束并分析散射光的频移来计算速度。这种技术以其测量精度和重复性而闻名，速度分辨率可达0.001米/秒，测量精度通常优于0.05%。德国策尔的产品适合需要高精度和快速响应的场景，例如需要精确控制铲斗切削速度，或对材料流速进行高精度监控。但其对环境的洁净度和光路稳定性有较高要求。

• 日本基恩士 日本基恩士的LR-T系列通用激光传感器采用激光飞行时间（TOF）原理。它通过测量激光脉冲从发射到反射回传感器的时间来确定距离，并根据连续的距离变化来推算物体的速度。这款传感器以其安装简便、通用性强和快速响应而受到青睐。它适用于检测挖掘机履带板通过特定区域的速度，或作为辅助传感器检测物料输送速度，具有良好的工业环境适应性和易用性。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择适合挖掘机的速度测量设备，需要综合考虑以下关键技术指标及其对实际应用的影响：

1. 测量精度：这是衡量传感器好坏的核心指标。

   • 实际意义：它决定了速度数据与真实速度之间的偏差。

   • 选型建议：对于高精度自动化控制，应选择高精度的传感器（如雷达多普勒或激光多普勒）。对于一般的速度监控或辅助功能，较低的精度可能已足够。

2. 速度测量范围：传感器能够准确测量到的最低和最高速度。

   • 实际意义：挖掘机既可能在施工现场缓慢蠕动，也可能在转场时快速行驶。传感器必须覆盖这些速度区间。

   • 选型建议：根据挖掘机的实际工作需求来选择。如果需要测量极低速，某些激光多普勒传感器有优势；如果需要覆盖从静止到高速行驶，雷达多普勒或GNSS/INS系统更合适。

3. 信号更新率（响应时间）：传感器输出新速度数据的频率。

   • 实际意义：高更新率意味着传感器能更快地响应速度变化，对于闭环控制系统至关重要。

   • 选型建议：实时控制系统通常要求较高的更新率（如GNSS+INS可达100 Hz，雷达多普勒可达20 Hz及以上）。对于仅需记录和监控的应用，较低的更新率也可接受。

4. 环境适应性（防护等级、工作温度、抗振动冲击）：

   • 实际意义：挖掘机工作环境恶劣，尘土、水、泥浆、高温、低温、剧烈振动都是常态。传感器必须“皮实耐用”。

   • 选型建议：选择具有高防护等级、宽工作温度范围和出色抗振动冲击能力的传感器。

5. 测量原理：

   • 实际意义：不同原理决定了测量的是“真地面速度”还是“车轮/履带速度”，以及对环境的敏感度。

   • 选型建议：若追求真实地面速度且不受打滑影响，雷达多普勒或GNSS/INS是首选。若只是需要履带的相对速度，感应式传感器也可作为低成本方案。

6. 安装便捷性和工作距离：

   • 实际意义：方便安装能减少施工难度和时间，工作距离决定了传感器可以安装的位置灵活性。

   • 选型建议：选择安装简单、对角度要求不苛刻，且工作距离符合实际安装需求的传感器。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在挖掘机的实际速度测量应用中，可能会遇到以下问题：

1. 测量误差受车轮/履带打滑影响

   • 原因：传统通过轮速传感器或履带编码器测量速度时，在泥泞、湿滑或坡道上，车轮或履带可能会打滑，导致传感器测量的“轮速”或“履带转速”高于实际的地面速度。

   • 影响：导致车辆控制系统误判实际速度，影响自动化控制精度，增加燃油消耗，降低作业效率和安全性。

   • 解决建议：采用非接触式、直接测量真地面速度的技术，如雷达多普勒测速传感器或GNSS/INS组合导航系统。这些技术直接测量传感器相对于地面的运动，不受驱动部件打滑的影响。

2. 恶劣环境对传感器性能的影响

   • 原因：挖掘机工作环境通常充满灰尘、泥浆、雨水、极端温度和剧烈振动。这些因素可能导致光学传感器（如激光）的镜头被遮挡、精密部件损坏，或电子元件失效。

   • 影响：传感器读数不稳定、精度下降甚至完全失效，导致系统无法正常工作。

   • 解决建议：

     • 选择高防护等级和宽工作温度范围的传感器，确保其在恶劣条件下仍能可靠运行。

     • 对于光学传感器，考虑加装自清洁或气幕保护装置。

     • 选用结构坚固、抗振动冲击设计的产品，如雷达传感器通常封装在密封外壳中，对物理冲击和污染物有较强的抵抗力。

3. GNSS信号受遮挡或中断

   • 原因：在高楼峡谷、隧道、密林或矿井深处等区域，卫星信号可能被遮挡或完全丢失。

   • 影响：基于GNSS的测速系统将失去定位和测速能力，或精度急剧下降。

   • 解决建议：

     • 采用GNSS+INS组合导航系统，IMU可以在GNSS信号中断时提供短时间内的连续导航和测速。

     • 在GNSS信号长期不可用区域，考虑切换到其他非依赖卫星的测速技术，如雷达多普勒或局部区域的信标定位系统。

4. 多径效应干扰

   • 原因：在复杂地形或多金属结构环境中，雷达或GNSS信号可能通过多条路径到达接收器，形成多个反射信号，相互干扰。

   • 影响：导致测量结果不稳定或出现跳变。

   • 解决建议：

     • 优化传感器的安装位置和角度，避开强反射源。

     • 选择具备多径抑制算法的传感器。

     • 对于雷达，选择波束角较窄的传感器，减少不必要的反射。

4. 应用案例分享

• 挖掘机自动化控制：在无人驾驶或半自动驾驶挖掘机中，高精度的速度测量是实现精准行走、路径跟踪和作业控制的关键。例如，它可以确保挖掘机以恒定速度行驶，减少不必要的停车和启动，从而优化燃油效率和提高作业精度。

• 施工进度和效率管理：通过实时监测挖掘机的行走速度和作业速度，管理人员可以准确评估施工进度、分析设备利用率，并对作业流程进行优化。

• 挖掘机安全辅助系统：在狭窄或危险区域工作时，速度测量可以作为防碰撞预警系统的重要输入。当挖掘机速度过快或接近障碍物时，系统能及时发出警告甚至自动减速，从而有效提升作业安全性。

• 履带磨损及维护预测：通过比较履带的理论转速和实际地面速度，可以估算出履带打滑率，这对于分析履带磨损情况和预测维护周期具有参考价值。 例如，英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器，由于其非接触测量特性，能有效避免因履带打滑带来的误差，为履带磨损评估提供更准确的数据支持。