摘  要： 介紹了工程挖掘機引導(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，能有效減少施工失誤并且更容易引導(dǎo)挖掘區(qū)域施工，基本滿足挖掘機工程使用要求。
關(guān)鍵詞： 引導(dǎo)；GPS/GPRS；數(shù)字挖掘機

　對于高精度定位挖掘，數(shù)字挖掘機在工程機械上具有很重要的作用[1]。使用數(shù)字技術(shù)的挖掘機，施工人員可以及時監(jiān)控挖掘機各項性能指標(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)挖掘機施工，在目前的數(shù)字化挖掘機研發(fā)中是一個難點[2]。現(xiàn)有的研究結(jié)果雖已較好地解決了挖掘機遠(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。
　一些挖掘機的機載數(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的各項機載信息，而邊界算法和定位算法將輔助挖掘機進(jìn)行挖掘引導(dǎo)。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
　挖掘機引導(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信息和挖掘機機載數(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)、挖掘機機載實時監(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總線傳送到挖掘機的機載儀表盤上，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、挖掘機機載情況等動態(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、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，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，上傳挖掘機機載數(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)器的挖掘機管理系統(tǒng)開發(fā)
　ENS挖掘機管理系統(tǒng)用于管理ENS嵌入式系統(tǒng)、與挖掘機數(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的各種施工情況。
3 引導(dǎo)的關(guān)鍵問題
　挖掘機的工作環(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。挖掘機引導(dǎo)問題還應(yīng)考慮最大化挖掘機效率及減少挖掘機停機時間。
　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、挖掘機機載數(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接收機能夠輸出比較好的定位軌跡，但仍不適用于工程機械，特別是挖掘機。零點漂移問題在GPS接收機中很普遍，這種情況將導(dǎo)致挖掘機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運動速度小于某個數(shù)值時，將強制鎖定其輸出位置，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是否在挖掘區(qū)域內(nèi)，這種方法可以有效避免誤差擴大導(dǎo)致的引導(dǎo)失誤。其方案為從挖掘機的GPS中讀取當(dāng)前挖掘機位置，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與其對應(yīng)的邊界的垂直距離。當(dāng)挖掘機與挖掘區(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)控挖掘機的施工情況及機載情況。
　本文提出了一個新的挖掘機引導(dǎo)系統(tǒng)（ENS）。挖掘機操作人員可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控挖掘機并實施挖掘計劃，使用邊界算法用于挖掘機引導(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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