基于無人化技術的工程機械產品設計研究

0 引言

推土機作為一種重型工程機械設備，在土地平整、填筑和清理等作業中發揮著關鍵作用，其無人化設計的研究與應用，對于提高施工效率、降低人力成本具有重要意義。目前關于推土機無人化的研究已經不少。賈玉柱[]在其研究中，通過優化履帶結構，結合特定的牽引機制，有效減少了履帶與地面障礙物的接觸，從而降低了纏繞風險。唐華林等[2利用RFID技術實現設備身份識別，結合多種傳感器實時采集推土機的運行數據[3]。通過數據分析，系統能夠準確判斷設備狀態，預測并診斷潛在故障。本文結合現有研究成果，基于無人化系統的應用對推土機的設計展開研究。

1基于無人化系統的推土機產品設計1.1無人化系統設計

1.1.1 硬件構成

無人化推土機的硬件系統采用模塊化分級控制架構，旨在實現高效且可靠的控制。設計中，應遵循“統一運算、分散執行”的原則，以有效規避集中化控制可能導致的“單點故障及整機失效”風險。

其硬件構成主要包括三大核心部分：運算系統、數據采集系統和通信系統。運算系統由操控計算機與控制計算機協同工作，負責數據處理和決策制定；數據采集系統則集成了視覺傳感器、激光雷達等模塊，用于實時捕捉環境信息；通信系統則依托CAN總線技術，確保各模塊間信號的高效、穩定傳輸[4]。無人化系統的硬件構成如圖1所示[5]。

圖1無人化系統的硬件構成

無人推土機的計算系統由操縱機與控制機協同工作。控制電腦接收來自各傳感器的機器狀態數據，規劃工作路線并發送執行指令，同時支持PC端實時監控與操作。該系統對采集的數據進行處理，分析計算操作指令，并通過CAN總線調節執行器，將工作狀態反饋至操作電腦。系統集成了圖像采集、激光雷達、GPS等傳感器，可全方位監測環境，并與主控電腦實時通訊。此系統確保了操作系統間的無線通信及各控制模塊的實時信息傳遞，保障了推土機的即時操作與響應能力。

1.1.2軟件程序設計

軟件系統旨在輔助用戶啟用無人化功能，并操控無人化推土機完成作業流程[。其工作流程如圖2所示，通過直觀界面引導用戶操作，實現無人化推土機的智能化控制與作業流程的高效執行。在推土過程中，通過采集被測區土壤的目視、定位等信息，將其傳送給作業電腦。在確定作業目標之后，由作業計算機對資料進行全面的評價，從而確定無人推土機的工作狀態，并據此制訂作業方案。但是，在實際生產過程中，由于一些環境因素，例如土質疏松度等，很難通過傳感器直接獲得，所以需要人工編制或調整作業方案。

圖2無人化系統的軟件程序

在制定了工作方案之后，由運行系統進行工作。在此過程中，計算機通過對數據采集系統所提供的實時信息，持續地發出各種指令，對生產行為進行調整，直到達到生產目的。同時，該安全系統對運行中的設備啟停具有一定的控制能力，按照預先設定的安全參數對整個運行進行監視，一旦發生危險狀況，就會立刻停機，保證操作的安全性。

1.2集成功能設計

1.2.1無人化系統狀態指示燈邏輯結構

本系統所有的外圍功能模塊都配有狀態顯示，使用者可以通過觀察顯示燈的狀況，快速了解整個機器的工作狀況[7]。顯示燈穿透力較強，即使是在能見度很低的情況下，也能有效防止意外[8]。在設計中指示燈的邏輯結構需要能夠準確反映設備的各種狀態，包括正常運行、故障報警等，以此種方式為用戶的操作提供便利。無人化系統狀態指示燈邏輯結構如圖3所示。

圖3無人化系統狀態指示燈邏輯結構

1.2.2故障燈指示等級

自動推土機啟動后，系統自動執行自檢程序，此時所有的狀態指示燈均為綠光。自檢完成后，指示燈的顯示狀態將實時反映系統的運行狀況。故障燈指示等級劃分如表1所示。在系統進入正常運行狀態后，用戶可以根據需要調整指示燈的顏色，用于警示或提示。

表1故障燈指示等級劃分

2無人化推土機產品設計

2.1無人化推土機造型

2.1.1構建三維結構模型

對無人化推土機結構的設計，需深入剖析產品形態的基本構成元素，并據此構建基于“頭腦風暴”理念的無人推土機產品原型。采用幾何設計原理，借助一系列草圖進行初步的探索與展示。

在此基礎上，結合生產加工過程和材料選擇，對初步設計方案進行評價，優選出最合適的成型方案。隨后，對其進行了反復的評價和優化，最后得到最終的外形。

2.1.2 模型渲染

在產品設計的深入階段，無人化推土機的三維結構模型經過二次審查確認無誤后，采用先進的Keyshot軟件進行三維渲染模型的精準繪制。這一過程不僅要求高度的精確性，還需要對光影、材質等細節進行精細的調整，以確保渲染出的模型能夠真實反映產品的外觀與質感。

在色彩搭配上，充分考慮了無人化推土機的應用場景與功能需求，選擇了醒目的工程黃色與工程紅色作為產品主體的主色調。這兩種顏色不僅具有強烈的視覺沖擊力，起到了重要的警示作用，還有效提升了產品的安全性與辨識度。在Photoshop等圖形處理軟件中，顏色通常使用RGB（紅、綠、藍）三原色模型來表示。

渲染過程中，為實現復雜色彩變化，利用式（1）計算不同顏色之間的混合效果。其計算公式為：

C_h=（R₁，G₁，B₁）a+（R₂，G₂，B₂）（1-a）

式中： C_h 代表混合后的顏色， （R₁，G₁，B₁） 和 （R₂，G₂，B₂） 代表2種參與混合的顏色，a代表第1種顏色的混合比例（取值范圍為0到1）。

綜上所述，在無人化推土機的產品設計中，基于無人化系統的三維結構模型渲染是一個復雜而精細的過程，需要綜合運用計算機圖形學、光學原理以及數學優化算法等多個領域的知識與技術。

2.2推土機結構布局

2.2.1內部結構布局設計

采用電氣控制系統與供電電源獨立布局的設計策略，不僅降低了整體布局的復雜度和難度，還便于日常的維護與保養。此外，該設計還降低了電力供應系統故障或火災等意外情況對電氣控制系統造成的潛在安全風險。在設備布局優化中，引入了空間利用率的概念，其計算公式為：

式中： h 代表空間利用率， W_s"代表設備實際占用空間， W_z"代表設備艙總空間。

2.2.2推土機作業中圖像采集增穩設計

為確保在各種工作環境下能夠提供清晰穩定的影像，減輕長期作業導致的視覺疲勞，采用主被動結合的增穩技術。通過將增穩裝置置于透明玻璃罩內，不僅保護了視野，還防止了外界損害。同時，針對惡劣環境如雨天、大霧，設計了電動刮水器清潔玻璃罩，以提升適應性。

系統包含物理緩沖器、雨刮電機固定結構及用于固定鏡頭和電控模塊的影像采集箱。三軸機械自增穩機構由三向馬達、電極臂和電控組件構成，通過物理無源穩定和機械有源穩定結合，以此增強圖像質量。機械增穩器采用三向自增穩機構，不僅實現了圖像獲取裝置在坐標軸上的實時穩像，而且也實現俯仰和旋轉。

三軸機械自增穩利用自動控制原理，通過位姿傳感器實時監控設備姿態，將姿態信息傳送至電控模塊，系統計算偏差后向對應馬達發出指令，調整角度至預設姿態，實現機械增穩。調整后角度計算公式為：

式中： q_adj"代表調整后角度， q_current"代表當前角度，q_preset代表預設角度，V_q代表調整量。

根據當前姿態與預設姿態的偏差，加上調整量，將其代入式（3）即可得到調整后的姿態角度。

3結束語

本文通過無人化系統的硬件與軟件程序設計，實現了對推土機各項功能的智能化控制。進一步設計了無人化推土機的集成功能，包括無人化系統狀態指示燈邏輯結構和故障燈指示等級。針對推土機作業中的圖像采集穩定性問題，提出增穩設計方案，并通過構建無人化推土機三維結構模型并進行渲染，直觀展示了設計成果。

通過集成無人化系統，使推土機實現了對周圍環境的全方位感知和實時障礙物檢測。在實際工地測試中，該無人化推土機能夠自主規劃行進路線，靈活避開障礙物，并保持持續穩定的作業速度和質量。與傳統推土機相比，其作業效率提高了約 30% ，同時避免了人員進入危險區域作業，顯著提升了施工安全性。

推土機無人化系統能夠實時向云端智能施工系統上傳設備運行狀態、場地動態及工程質量數據。依托三維場景重構技術、智能調度算法和多模態監控架構，該系統確保了土方施工的安全高效與可持續性。在實際應用中，施工精度提升了 25% ，為建筑、交通、水利等工程的高質量發展提供了有力支撐。

參考文獻

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