摘 要： 介紹了工程挖掘機引導系統（ENS），并對該系統所采用的軟硬件及算法等進行了研究。實地測試結果表明，該引導系統操作直觀性強，能有效減少施工失誤并且更容易引導挖掘區域施工，基本滿足挖掘機工程使用要求。
關鍵詞： 引導；GPS/GPRS；數字挖掘機
對于高精度定位挖掘，數字挖掘機在工程機械上具有很重要的作用[1]。使用數字技術的挖掘機，施工人員可以及時監控挖掘機各項性能指標并進行高效的施工作業。然而如何遠程獲取挖掘信息以及如何安全智能引導挖掘機施工，在目前的數字化挖掘機研發中是一個難點[2]。現有的研究結果雖已較好地解決了挖掘機遠程數據監控管理的問題，但引導挖掘系統仍有待研究。
一些挖掘機的機載數據，如電氣參數、運動參數和挖掘負載等數據，可以通過無線網絡等實時捕獲并發送到總控室。因此，基于這種無線傳輸的遠程挖掘決策（如挖掘機車輛管理系統、遠程監控系統等）已經得到部分實現[3]。
可是在許多挖掘地區，地下管道或者其他潛在的地下設施卻常在施工時被施工人員無意破壞。這些隱形的地下設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也帶來相當的難度。因此，本文提出一種挖掘機引導系統來解決這個問題，該系統遠程監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行挖掘引導。
1 系統架構
挖掘機引導系統包括GPS系統、GSM/GPRS系統、天線系統、微處理器、服務器以及相關運行程序。圖1所示為挖掘機引導系統的總體架構及原理圖。
NS嵌入式系統記錄GPS信息和挖掘機機載數據，同時將檢測這些數據是否完整并對其進行優化，并通過Web網絡發送給服務器。在服務器端，挖掘機管理系統從ENS嵌入式系統接收車載數據以及城市管道圖數據。這些數據將以數據包的形式存放在SQL服務器里，地下設備顯像、挖掘區域重現、挖掘機機載實時監控、挖掘任務制定等都可以一并調用處理。與此同時，這些數據也將由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、可挖掘區域、禁止挖掘區域、挖掘機機載情況等動態信息。如圖2所示。
ENS嵌入式系統主要由4大硬件模塊組成：GPS系統、GPRS系統、天線系統及微處理器系統。
（1）GPS系統。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狀態指示燈。
（2）GPRS系統。其中包括一個GSM/GPRS接收機，信號匹配電路和一張SIM卡。GSM/GPRS負責與服務器進行雙邊通信，上傳挖掘機機載數據和下載決策指令與數據。
（3）天線系統。GPS和GSM/GPRS使用PATCH型內置天線和SMD型內置天線，這能保證在惡劣環境施工下挖掘機仍能接收可靠的數據信號。相比外置型天線，內置型天線有利于降低SAR及更不容易被惡意破壞。
（4）微處理器系統。負責邊界處理算法和定位算法的實現。除此之外，該系統還負責與挖掘機各電氣子系統的數據通信。本系統使用MSP430低功耗處理器。
2.2 ENS遠程服務器的挖掘機管理系統開發
ENS挖掘機管理系統用于管理ENS嵌入式系統、與挖掘機數據交換、圖像顯示挖掘信息并提供挖掘決策指令等。
管理系統由Windows Server 2008（IIS）、C#.NET、Silverlight和MySQL共同設計完成。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網站實時觀察指定挖掘機的各種施工情況。
3 引導的關鍵問題
挖掘機的工作環境通常是較為惡劣而且沒有固定的行駛軌跡，因此普通車載導航儀上的地圖算法并不適用。挖掘機引導問題還應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的監控系統，危險挖掘區域引導和命令控制管理也聯合起來一同避免挖掘事故。挖掘機操作人員能從相關的政府部門網站和他們的GIS系統里找到掩埋在地下的各種管道及設施數據[6]。得到危險挖掘區域的數據后，ENS遠程服務器將把該地理位置數據及地圖發送給ENS嵌入式系統，同時嵌入式系統也將根據現場泥土情況、挖掘機機載數據和邊界檢測等動態修改引導數據。
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）。為了能改進引導效果，ENS嵌入式系統應實現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，這種情況將導致挖掘機將使用失效的定位數據進行引導以及將其上傳至遠程服務器從而導致遠程決策失誤。
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用。卡爾曼濾波法應用得比較廣泛，其只需當前的一個測量值和前一個采樣周期的預測值就能進行狀態估計，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系進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方程，并在實際運算時采用線性的動態方程和測量方程。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粒子來表達其分布。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值時，將強制鎖定其輸出位置，使其處于靜止顯示。
本文根據以上幾種定位算法，并結合挖掘機特有的運動屬性，設計了一種自適應速度約束卡爾曼濾波算法。不考慮速度數值，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，將速度方向對載體的運動軌跡進行約束，使其在迭代運算中不允許出現跳躍變化。這樣，不僅整體運算速度更快，而且精度更準確。
3.2 邊界問題
挖掘區域的標定可以由幾個關鍵的定位點來確定。但一些邊界算法需要大量的計算機耗時導致不能在實際中使用。區域建模法、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備或者人力，使得在工程使用中變得較難實現。本文采用由挖掘區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域內，這種方法可以有效避免誤差擴大導致的引導失誤。其方案為從挖掘機的GPS中讀取當前挖掘機位置，配合有衛星圖片所觀測到的挖掘區域地圖坐標信息，從幾何運算可推算出挖掘機與挖掘區域的位置關系，然后判斷挖掘區域的中心位置分別到挖掘機與其對應的邊界的垂直距離。當挖掘機與挖掘區域中心位置的數值大于邊界與挖掘區域中心位置的數值，則可判斷挖掘機處在挖掘區域外，反之，則在挖掘區域內。
4 可靠性分析
從圖4可以看出挖掘區域關鍵點的標定對整個精密挖掘引導的影響是很大的。在這個實驗里，挖掘機使用ENS在挖掘區域內行駛。地底管道信息由當地通信公司與水利局公司GIS平臺提供，這些禁止挖掘區域由紅色的標記點標記在服務器里。在此實驗中，挖掘機以較低速度行駛到這些區域而不進行任何挖掘動作。挖掘路線也同樣由各種不同顏色進行標定。
所在的地圖信息來源于Google Earth程序的支持，通過這種預先下載機制把地圖信息通過服務器下載到ENS儀表盤里，可以避免因導航時出現瞬時大量下載數據包的情況，從而導致顯示異常。不同的引導顏色與引導報警聲可以時刻提示挖掘機操作人員當前所處的挖掘情況。在施工時，操作人員不僅可以清楚地知道當前所在挖掘區域和挖掘任務，遠程服務器也可以實時監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系統（ENS）。挖掘機操作人員可以通過網絡遠程監控挖掘機并實施挖掘計劃，使用邊界算法用于挖掘機引導可以得到更精確、更有效的引導方案。ENS同時也可適用于挖掘機管理與普通監控。今后，使用多衛星數據融合方案可以更進一步提高引導精度并用于更精密的智能挖掘。
參考文獻
[1] JOON Y S， LEE K W， KWON S W. Building an digital model of an earthwork site for autonomous excavator operation[C]. ICCAS-SICE 2009-ICROS-SICE International Joint Conference 2009.
[2] 張宏，張箭.國內外小型挖掘機發展綜述[J].工程機械， 2007，38（4）：48-51.
[3] 何清華，吳燁，紀云鋒.液壓挖掘機的電子監控系統[J]，機電工程技術，2003，32（5）：92-94.
[4] 王理停，劉強，工程機械圖形儀表信息系統設計與研究[J].微型機與應用，2011，30（4）86-88.
[5] 孫育春.Google Maps API開發大全[M].北京：機械工業出版社，2010.
[6] Tian Yu， Ma Liya， Lei Xiaohui. Construction of water supply pipe network based on GIS and EPANET model in Fangcun District of Guangzhou[C]. 2010 2nd IITA International Conference on Geoscience and Remote Sensing， 2010.