工程机械行业智能化现状和展望课件

工程机械智能化的研究与进展Research&DevelopmentForIntellectualizationofEngineeringMachinery

2019年11月1日2023/8/91智能系统与智能控制研究所工程机械智能化的研究与进展2023/8/81智能系统与智能控PartII

工程机械智能化的现状与展望

SituationandProspect

ofEngineeringMachineryIntelectuallization2023/8/92PartII

主要内容引言1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3工程机械智能化的应用4结语与展望52023/8/93智能系统与智能控制研究所主要内容引言1工1引言（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）智能化是实现信息化、网络化的得力工具。2023/8/94智能系统与智能控制研究所1引言（1）知识经济的机遇和挑战—知识与知识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引言（2）2023/8/95智能系统与智能控制研究所智能化是自动化工程的发展方向1引言（2）22023/8/96智能系统与智能控制研究所2023/8/86智能系统与智能控制研究所2工程机械智能化发展现状

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。

2023/8/97智能系统与智能控制研究所2工程机械智能化发展现状长期以来国外现状（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2023/8/98智能系统与智能控制研究所国外现状2.1单机集成化操作与智能控制技术现状2023/8（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845.5kW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2023/8/99智能系统与智能控制研究所（4）日本小松制作所于1984年推出的PC-3型挖掘机上装置2.2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。

2023/8/910智能系统与智能控制研究所2.2网络机群集成控制与智能化管理技术现状(6)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2023/8/911智能系统与智能控制研究所国内现状2.1单机集成化操作与智能控制技术现状2023/8

（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2023/8/912智能系统与智能控制研究所（1）山东科技大学机器人研究中心从1994年开始着手（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现状2023/8/913智能系统与智能控制研究所（2）2019年由国防科技大学与江麓工程机械有限公司联（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2023/8/914智能系统与智能控制研究所（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（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2023/8/915智能系统与智能控制研究所（4）中南大学于2000年开发了隧道凿岩机器人,是双臂型机器

（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、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2023/8/916智能系统与智能控制研究所（5）徐工集团研制的RP800型自动摊铺机，采用微电脑恒速

（6）中科院合肥智能所和合肥叉车厂研制的WD－10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2023/8/917智能系统与智能控制研究所（6）中科院合肥智能所和合肥叉车厂研制的WD－10型自

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2023/8/918智能系统与智能控制研究所此外，国内部3）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2023/8/919智能系统与智能控制研究所3）2019年江苏徐工集团承担完成“机群智能化工程机械”项目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，成为国内第一品牌，全球排名在前三甲之列。

2023/8/920智能系统与智能控制研究所三一重工工程机械智能化开发简况2023/8/820智能(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”。2023/8/921智能系统与智能控制研究所(3)2019年9月，在香港国际金融大楼施工现场，三一重（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。2023/8/922智能系统与智能控制研究所（6）2019年初，在全国科技大会上，三一重工“混凝土泵送关（9）在控制系统方面成功开发EC-7挖机控制系统，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。2023/8/923智能系统与智能控制研究所（9）在控制系统方面2023/8/823智能系统与智能控制研3.1机械工程智能化系统的组成（方案之一）作业计划工作对象视觉传感器物理模型操作与控制修正作业计划物理模型知识库传感器3工程机械智能化的若干问题2023/8/924智能系统与智能控制研究所3.1机械工程智能化系统的组成（方案之一）作业计划工作对象3.2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。）2023/8/925智能系统与智能控制研究所3.2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，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2023/8/926智能系统与智能控制研究所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3.3工程机械智能化的主要内容1.作业对象的自动识别主要内容2.工作装置的自适应性控制2023/8/927智能系统与智能控制研究所3.3工程机械智能化的主要内容1.3.3.1作业对象的自动识别方法及其应用超声波传感器识别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，容易产生测量误差，可通过标定的方法排除干扰。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。2023/8/928智能系统与智能控制研究所3.3.1作业对象的自动识别方法及其应用超声波传感器识3.3.1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①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。②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。③操纵铲斗挖取物料。④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。⑤由车载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。⑥当装载机到达预定位置时，自卸车自动完成卸料作业。2023/8/929智能系统与智能控制研究所3.3.1作业对象的自动识别方法及其应用装载机将砂土自3.3.1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2023/8/930智能系统与智能控制研究所3.3.1作业对象的自动识别方法及其应用图像中抽取堆积3.3.2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2023/8/931智能系统与智能控制研究所3.3.2工程机械的自适应性技术工程机械的导航系统机载3.3.2工程机械的自适应性技术电磁诱导线法光学反射法推测航法超声波法视觉传感器自适应性施工2023/8/932智能系统与智能控制研究所3.3.2工程机械的自适应性技术电磁诱导线法2023/3.3.2工程机械的自适应性技术电磁诱导线（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。2023/8/933智能系统与智能控制研究所3.3.2工程机械的自适应性技术电磁诱导线（感应）法2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技术2023/8/934智能系统与智能控制研究所光学反射法3.3.2工程机械的自适应性技术2023/8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

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2023/8/935智能系统与智能控制研究所推测航法（航迹推算法）3.3.2工程机械的自适应性技术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2023/8/936智能系统与智能控制研究所视觉传感器3.3.2工程机械的自适应性技术2023/8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2023/8/937智能系统与智能控制研究所智能化技术在国内工程机械上的一些应用4工程4工程机械智能化的应用自卸车

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

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。2023/8/938智能系统与智能控制研究所4工程机械智能化的应用自卸车2023/8/838智能系轮式装载机

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

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2023/8/939智能系统与智能控制研究所轮式装载机4工程机械智能化的应用2023/8/839智挖掘机

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

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2023/8/940智能系统与智能控制研究所挖掘机4工程机械智能化的应用2023/8/840智能系

智能化技术在国外的一些应用