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2020-1-25 16:50:36

工程机械机器人化迈进 — 揭秘无人驾驶摊铺机

工程机械的数字化、智能化直至机器人化迈进,被看作是对竞争对手(传统工程机械技术企业)的降维打击,是近些年国际巨头们投入的热点。多年前,卡特彼勒、小松、沃尔沃等就开始布局,提出Smart Construction的全新理念,国际资本也参与收购兼并。2017年,卡特彼勒正式向市场推出智能辅助挖掘机,一时间引爆工程机械行业。

国内在工程机械智能化发展中,走在前列的当属夏工、三一、徐工、中联、柳工、山推等领头企业,纷纷在2018年的上海宝马展上亮相出一系列无人驾驶工程机械,有业内人士称2018年是工程机械智能化化元年。


数字液压摊铺机

吊装机器人

旋挖机器人

挖掘机器人

装在机器人


机器视觉+ROS控制数字液压摊铺机实现自动巡线无人驾驶



腾讯视频

优酷视频

采用数字液压马达驱动摊铺机,实现超低稳定速度行进,及精确到毫米级重复定位基础上,我们采用机器人操作系统(ROS),配合机器视觉技术,利用廉价的控制硬件系统(树莓派),仅仅1个0基础工程师2个月时间,就实现了摊铺机自动寻线无人驾驶。这是工程机械数字化后,能够采用大量成熟且开源免费机器人技术,推动工程机械迈向智能化和机器人化“换道超车”创新发展的巨大好处。



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比鼠标还小巧,但能运行机器人操作系统(ROS)的低成本控制系统(树莓派),以及毫米级定位精度的数字液压摊铺机






技术路径



▊电控多路阀方案

在现有成熟的多路阀上,将液压先导式控制方式升级为电比例控制方式,然后配合多传感器融合技术(包括:地理位置、姿态、压力、流量、温度等传感器)和高性能计算机(ECU),实现对工程机械各个运动姿态及过程的实时控制,满足自动化和智能化的目标需求。

这是一种建立在成熟基础上的技术升级。这种方式带来的好处不言而喻,就是基于已经成熟可靠的技术并继续完善提升。但不好之处也非常突出,那就是受制于原本液压系统的一些天生不足,诸如:无法实现高精度和高协调性运动控制,无法满足多环节流量精确分配,技术难度大,生产制造调试和维护工作量大,综合成本高。



▊伺服比例阀方案

采用伺服比例阀方案的目的是摆脱电控多路阀方案中的技术制约,通过复杂功率分配软件算法和高性能运动控制计算机,实现对工程机械复杂运动特性的控制。这种技术方案虽然能有效改善由于多路阀自身对技术的限制和制约,但其依然受制于模拟液压控制技术中,多执行单元对速度和位置精确控制技术难度高,功率匹配难以实现精准,从而带来能耗大、系统冲击大、器件和系统寿命低等诸多问题,并额外增加了技术实现难度,大幅增加了综合成本。



▊数字液压方案

数字液压是近些年国际发展趋势,是伺服液压技术的升级。数字液压由于具有数字化特性,并能精确的实现速度和位置控制,加上其具有极强的环境耐受特性,摆脱了多路阀和比例阀诸多特性不足的制约,因而对于工程机械这种多运动环节需要协同精确受控,且要求高效节能的大型装备,体现了极大的技术性能和成本优势。

首先:由于数字液压执行器件(数字缸、数字马达)的运动速度和位移精确受控,因此无论是单独抑或是系统中的所有器件所需要的流量均可以实时掌握,这就对工程机械的功率匹配提供了最佳条件。亿美博推出的DFM(数字流量分配系统)就是在此基础上,结合数字可编程功率敏感泵,可实现精准且高响应高效率的工程机械数字液压解决方案。

其次:由于数字液压执行器件的数字化特性,对多执行单元协同实现精确的运动关系,提供了最佳实现基础。例如一台挖掘机的行走、上装回转,以及动臂、抖杆和铲斗的精准复合动作,才能实现安全和有效的作业。

第三:由于数字液压执行器件的数字化特性和网络远程精准执行能力,使其与信息化、自动化和智能化,最终实现机器人化,具有了天生的优势。






控制方式

▊专用系统

工程机械的控制目前普遍采用专用ECU控制器。有些较早期的系统编程方式基本基于指令逐行编写,近些年一些较先进的操作系统,已经可以采用IEC 61131国际电工委员会制定的可编程逻辑控制器标准进行编程。但无论是逐行指令或是IEC61131的编程,几乎都需要不同产品、不同厂家建立自己专用而非通用的软件基础库,很难实现不同产品和不同厂家的功能通用,这就造成大量基础性工作重复,造成极大的开发和升级成本,这在几乎每一个企业都有深刻的体会。例如:起重机的上装回转控制软件,是无法被用在挖掘机、旋挖钻等类似工况设备上的,甚至早期的产品经过升级后,也无法使用以前的控制软件,造成极大的开发升级负担和成本。



ROS

ROS是用于编写机器人软件程序的一种具有高度灵活性的软件架构。它可以跨平台部署和实施,并包含了大量工具软件、库代码和约定协议,旨在简化跨机器人平台创建复杂、鲁棒的机器人行为这一过程的难度与复杂度。

ROS(Robot Operating System,下文简称“ROS”)是一个适用于机器人的开源的元操作系统。它提供了操作系统应有的服务,包括硬件抽象,底层设备控制,常用函数的实现,进程间消息传递,以及包管理。它也提供用于获取、编译、编写、和跨计算机运行代码所需的工具和库函数。

ROS 的主要目标是为机器人研究和开发提供代码复用的支持。ROS是一个分布式的进程(也就是“节点”)框架,这些进程被封装在易于被分享和发布的程序包和功能包中。ROS也支持一种类似于代码储存库的联合系统,这个系统也可以实现工程的协作及发布。这个设计可以使一个工程的开发和实现从文件系统到用户接口完全独立决策(不受ROS限制)。同时,所有的工程都可以被ROS的基础工具整合在一起。

工程机械之所以没有被人看作是机器人,是由于液压传动环节难以实现精准的速度和位置控制,无法具有有效的精确执行和协调作业能力。但数字化将会改变这一状况。数字液压工程机械由于大大提升了液压执行单元的速度和位置执行精度,保证了多执行环节的协调性,加上功率匹配更加精准和高响应,因而采用ROS控制工程机械实现机器人化变为可能。

采用ROS和相应综合性价比更好的计算机硬件替代升级ECU和控制系统,不仅可以大幅减少重复性的开发工作,享用大量已经开发完成且开源免费的工具包及代码外,还可以跨平台实现类似功能的软件库共享,即便是有升级的需求,也可以很容易的实现功能库替换。让工程机械的创新升级,融入机器人化发展进程。












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