装载机在泥泞、重载等恶劣工况下，如何实现厘米级速度测量精度，提升防滑与自动化作业效率？【工程机械传感器】

1. 装载机速度测量的基本结构与技术要求

装载机，作为工程机械大家族中的重要一员，其主要任务是铲装、运输、卸载散状物料。您可以把它想象成一个力大无穷的“搬运工”，在建筑工地、矿山、港口等地方忙碌。要让这个“搬运工”高效、安全地工作，精确知道它的行驶速度至关重要。

然而，测量装载机的速度可不像测量普通家用轿车那么简单。它工作环境恶劣，比如地面可能泥泞、崎岖不平，或是碎石遍布。这就导致了几个棘手的问题：

• 车轮打滑： 当装载机在湿滑或松软的地面上行驶时，车轮可能会空转，实际转速很高，但车辆实际移动的速度却很慢，甚至停滞不前。这就像您在冰面上跑步，腿蹬得飞快，身体却没怎么往前挪。传统依靠车轮转速来计算速度的方法，在这里就会出现巨大的误差。

• 轮胎周长变化： 装载机的轮胎承受的载荷非常大。当它铲起重物时，轮胎会因为受压而变形，有效周长随之减小；卸载后，周长又会恢复。同时，轮胎的磨损也会导致周长逐渐变小。这些细微的周长变化，累积起来就会对速度计算产生影响。就像测量一个圆圈的长度，如果圆圈本身的大小在不断变化，测量结果自然就不准了。

• 行驶姿态影响： 在崎岖不平的路面上，装载机车身会晃动、倾斜。如果速度传感器是固定在车身上，并以某个角度与地面接触，这种姿态变化也会影响到测量精度。

因此，对装载机进行速度测量时，我们需要的不仅仅是“能测量”，更要“精确测量”，并且要能有效规避上述环境和机械特性带来的误差。

2. 装载机速度监测的相关技术标准简介

为了确保装载机在作业过程中的安全性和效率，行业内对包括速度在内的多种运行参数都有明确的监测要求。对于速度监测，主要关注以下几个方面：

• 速度定义： 通常指装载机相对于地面的瞬时移动速度。这与车轮的旋转速度不同，因为后者可能受到打滑、空转等因素的影响。

• 速度精度： 指测量值与真实值之间的差异程度。在装载机应用中，高精度速度数据对于防滑控制、燃油效率优化和作业循环时间计算都非常关键。例如，在自动驾驶或辅助驾驶系统中，厘米级甚至毫米级的速度精度可能意味着能否精确停靠或避障。

• 响应时间： 指传感器从检测到速度变化到输出相应信号所需的时间。对于需要实时控制或快速响应紧急情况的应用，比如防止急刹车时的打滑，短响应时间是不可或缺的。

• 重复性： 指在相同条件下，多次测量同一速度时，结果的一致性。良好的重复性保证了测量的稳定性，减少了随机误差。

• 输出接口： 考虑到装载机上通常有各种控制器和显示设备，速度传感器需要提供标准化的数据输出接口，以便于与其他系统集成，如CAN总线、RS232或脉冲输出等。

这些参数的评估，通常会通过在已知真实速度的试验场地进行测试，或者通过比对高精度参考设备的数据来进行。目标是确保传感器在各种工况下都能提供可靠、稳定的速度信息。

3. 实时监测/检测技术方法

装载机速度的精确测量是其智能化和高效运行的基础。市面上存在多种技术方案，各有侧重和优缺点。

（1）市面上各种相关技术方案

雷达多普勒测速技术

想象一下，你站在铁轨旁边，一列火车呼啸而来，汽笛声听起来越来越尖锐；当它驶过你之后，汽笛声又变得低沉。这就是“多普勒效应”在声音上的体现：声源与观察者之间存在相对运动时，声音的频率会发生变化。

雷达多普勒测速技术正是利用了同样的原理，只不过它使用的不是声波，而是电磁波（也就是我们常说的雷达波）。传感器会持续向地面发射高频电磁波，这些电磁波遇到地面后会反射回来。如果装载机在移动，那么反射回来的电磁波频率就会发生变化，这个变化量被称为“多普勒频移”。传感器通过精确测量这个频移，就能计算出装载机相对于地面的真实速度。

工作原理和物理基础：

雷达多普勒测速传感器发射频率为 f 的电磁波。当传感器以速度 Vt 沿着与雷达波束方向成 theta 角的方向运动时，反射波的频率 fr 会与发射波的频率 ft 产生一个频差 Fd，即多普勒频移。

多普勒频移的公式可以表示为： Fd = fr - ft = (2 * Vt * cos(theta)) / lambda

其中： * Fd 是多普勒频移（赫兹，Hz） * Vt 是物体相对于传感器的速度（米/秒，m/s） * theta 是传感器运动方向与雷达波束方向之间的夹角（弧度或度） * lambda 是电磁波的波长（米，m），且 lambda = c / f，其中 c 是光速（约 3 x 10^8 m/s），f 是发射电磁波的频率。

通过测量 Fd，并已知 c、f 和 theta，传感器就能反推出真实的地面速度 Vt。由于这种测量是直接对着地面进行的，它完全不受车轮打滑、轮胎周长变化或轮胎下陷等因素的影响，因为它测量的是车辆的实际位移速度，而不是通过车轮转动间接推算。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 通常可以覆盖从极低速（如 0.5 km/h）到高速（如 200 km/h 甚至更高）。

• 测量精度： 典型精度可达速度读数的 0.1% 至 0.5% 左右。

• 响应时间/更新率： 几毫秒到几十毫秒，通常更新率在 20 Hz 到 100 Hz。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 高精度： 直接测量真实地面速度，不受车轮打滑、轮胎变形、负载变化等影响。

  • 非接触式： 没有机械磨损，维护成本低。

  • 环境适应性强： 雷达波穿透性好，对灰尘、泥浆、雨雪等恶劣环境不敏感。

  • 适用范围广： 适用于各种路面材质，无论是柏油路、泥地还是砾石路。

• 缺点：

  • 成本相对较高： 相较于简单的轮速传感器，雷达多普勒传感器通常价格更高。

  • 安装要求： 需要安装在车身底部，确保波束能有效照射到地面，且安装角度需准确。

  • 易受遮挡影响： 如果传感器波束被障碍物（如大型杂物、凸起地形）完全遮挡，可能导致测量中断。

GNSS/IMU 组合导航技术

这种技术就像给装载机装上了一个超级导航系统，它不仅知道自己在哪里，还知道自己是怎么动的。GNSS（全球导航卫星系统，包括GPS、北斗等）可以提供精确的全球位置信息，通过连续的位置变化就能计算出速度。但是，GNSS信号有时会被遮挡，比如在隧道里、建筑物旁边或者深山老林里。这时候，IMU（惯性测量单元，包含陀螺仪和加速度计）就派上用场了。IMU可以测量车辆的角速度和加速度，即使没有GNSS信号，也能在短时间内推算出车辆的姿态和相对位移，从而估算出速度。

工作原理和物理基础：

GNSS接收机通过接收至少四颗卫星的信号，解算出自身的三维位置信息。连续的位置信息 (X1, Y1, Z1) 和 (X2, Y2, Z2) 在时间间隔 delta_t 内的变化，可以计算出平均速度： V = sqrt(((X2-X1)/delta_t)^2 + ((Y2-Y1)/delta_t)^2 + ((Z2-Z1)/delta_t)^2)

IMU则通过测量物体的角速度和线性加速度来推算运动。加速度计直接测量车辆的线性加速度 a，对其进行积分可以得到速度 V = ∫ a dt；陀螺仪测量角速度，用于姿态解算，辅助将加速度从传感器坐标系转换到地理坐标系。

GNSS和IMU结合的强大之处在于“融合算法”（例如卡尔曼滤波），它能将两者的优势互补。GNSS提供长期的高精度位置和速度基准，而IMU则提供短期的、高更新率的、平滑的运动信息。当GNSS信号不良时，IMU可以“填补空缺”，保持速度测量的连续性和精度。

核心性能参数的典型范围：

• 速度精度： 高精度系统在GNSS辅助下，可达 0.02 m/s 到 0.1 m/s (RMS)。

• 定位精度： 厘米级到分米级，通过RTK/PPP服务可达更高精度。

• 更新率： 通常可达 50 Hz 到 200 Hz，满足高动态应用需求。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 绝对速度测量： 提供的是绝对地理速度，而非相对地面速度。

  • 高精度、高动态： 融合算法可在GNSS信号不佳时保持高精度和连续性。

  • 全面信息： 除了速度，还能提供高精度的位置、姿态信息。

  • 不受地面条件影响： 与地面接触无关，不受车轮打滑或地面特性影响。

• 缺点：

  • 成本昂贵： 高精度GNSS/IMU组合导航系统通常是所有方案中成本最高的。

  • GNSS依赖性： 尽管有IMU辅助，但在长时间完全无GNSS信号的环境下，精度仍会漂移。

  • 启动时间： 冷启动后可能需要一定时间才能达到最佳精度。

基于车轮转速的测量技术

这种方法最简单直接，就像数汽车轮胎转了多少圈一样。在装载机的车轮或传动轴上安装一个传感器，每次车轮转动一圈，传感器就输出一个信号（比如一个电脉冲）。通过计算单位时间内收到的信号数量，就能知道车轮的转速。再结合预设的轮胎周长，就可以计算出车辆的速度。常用的传感器有霍尔效应传感器（感应磁场变化）和增量式编码器（感应机械刻度）。

工作原理和物理基础：

无论是霍尔效应传感器还是增量式编码器，其基本原理都是将旋转运动转换为可计数的电脉冲。

对于轮速传感器，如果车轮每转一圈产生 N 个脉冲，那么在时间 delta_t 内接收到 P 个脉冲，则车轮的转速 omega 可以表示为： omega = (P / N) / delta_t (转/秒)

假设车轮的有效周长为 C (米)，则线速度 Vt 为： Vt = omega * C = ((P / N) / delta_t) * C (米/秒)

其中，C = pi * D，D 为车轮直径。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 取决于车轮转速和传感器分辨率，通常能满足车辆常用速度范围。

• 测量精度： 在理想无打滑、周长不变的情况下，精度可达 0.1% 至 1%。

• 响应时间： 毫秒级，实时性好。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 成本低： 传感器结构简单，制造成本低，是传统车辆最常用的速度测量方法。

  • 技术成熟： 应用广泛，可靠性高。

  • 安装方便： 通常直接安装在车轮轴附近。

• 缺点：

  • 受车轮打滑影响： 这是最主要的缺点，在装载机恶劣工况下误差巨大。

  • 受轮胎周长变化影响： 轮胎磨损、载荷变化、胎压都会改变有效周长，引入误差。

  • 非真实地面速度： 测量的是车轮转速，而不是车辆相对于地面的实际速度。

激光飞行时间测距技术推导速度

这种方法有点像用“光尺子”来测量距离，然后通过距离的变化来推算速度。激光测距传感器向地面发射一束激光，然后测量激光从发出到被地面反射回来所需的时间（“飞行时间”）。由于光速是恒定的，通过这个时间就能精确计算出传感器与地面之间的距离。当装载机移动时，传感器会连续测量这个距离，然后通过计算距离随时间的变化率 (d(距离)/d(时间))，就能间接得到车辆的速度。

工作原理和物理基础：

激光测距传感器发射激光脉冲，并测量脉冲从发射到接收其反射回波的时间 t。由于光速 c 是已知常数，传感器到目标物的距离 D 可以通过以下公式计算： D = (c * t) / 2

为了推导速度，传感器需要进行连续的距离测量。假设在时间 t1 测得距离 D1，在 t2 测得距离 D2，则车辆在 delta_t = t2 - t1 时间内的平均速度 Vt 可以近似为： Vt = (D2 - D1) / delta_t (如果传感器安装方向与运动方向一致，否则需要考虑角度，但通常用于垂直或固定角度测量相对地面的垂直距离变化，进而推导水平速度)。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 距离测量范围可从几厘米到几十米，速度范围则需通过计算，通常能满足低速到中高速的测量。

• 距离精度： 典型可达毫米级甚至亚毫米级。

• 响应时间： 距离测量响应时间通常在毫秒级。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 非接触式： 无机械磨损。

  • 高分辨率： 激光测距本身分辨率高。

  • 不受车轮打滑影响： 直接测量与地面距离的变化。

  • 对部分恶劣环境适应性好： 对目标表面颜色、纹理不敏感。

• 缺点：

  • 对烟雾、灰尘和强光敏感： 激光束易受空气中悬浮物干扰，或被强光背景淹没。

  • 计算复杂： 速度是通过距离变化率推导的，需要外部控制器进行二次开发和滤波处理，可能引入额外延迟。

  • 可能受地面起伏影响： 如果传感器安装角度不合适，地面的微小起伏可能被误判为速度变化。

  • 成本较高： 相较于轮速传感器。

（2）市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市面上几个主流品牌在装载机速度测量方案上的具体产品和特点。

• 德国西克 德国西克在工业传感器领域拥有深厚的技术积累。其雷达传感器，例如DRS6100系列，采用雷达多普勒效应测量原理。它发射24 GHz的高频电磁波，通过分析反射波的多普勒频移来精确计算物体相对于传感器的径向速度。这种非接触式测量方式对装载机面临的灰尘、湿度和温度变化等恶劣环境具有很强的鲁棒性。其核心性能参数包括0.15 m/s至10 m/s的测量范围，并提供工业以太网、CAN总线、RS-485等多种接口，防护等级达到IP67，工作温度范围在-40 °C至+75 °C。德国西克的产品以技术成熟、稳定性高和抗干扰能力强著称，非常适合需要可靠速度测量的工程机械应用。

• 英国真尚有 英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器同样基于雷达多普勒技术，专为移动物体设计。它通过平面天线发射24 GHz电磁波，并分析物体运动引起的回波频率偏移来计算速度。LP-DS200的突出优势在于它不受车轮打滑、轮胎周长变化和轮胎下沉的影响，能够精确测量真实地面速度。其速度测量范围为0.8 km/h至200 km/h，信号更新率高达20 Hz，适用于高动态监测和闭环控制。该传感器具有强大的环境适应性，工作温度范围为-40°C至+70°C，防护等级达到IP6KX、IPX7、IPX9K。它易于平行安装，安装距离可在100 mm至700 mm之间调整。输出信号符合DIN 9684 / ISO 11786标准，并提供脉冲、RS232和CAN总线输出选项。坚固的完全密封外壳和小于200 mA的低功耗设计保证了其在严苛环境中的高可靠性和长时间运行能力。

• 加拿大诺瓦泰 加拿大诺瓦泰是高精度GNSS和GNSS/IMU组合导航领域的全球领导者。其PwrPak7系列产品集成了高精度GNSS接收机和MEMS惯性测量单元。GNSS模块提供绝对位置和速度信息，IMU则测量角速度和线性加速度。通过先进的卡尔曼滤波算法将GNSS和IMU数据融合，即使在GNSS信号短暂丢失或遮挡的情况下，也能提供连续、高精度的速度和位置估计。其速度精度可达0.03 m/s (RMS，GNSS辅助)，更新率最高可达200 Hz，防护等级IP67，工作温度范围-40 °C至+75 °C。加拿大诺瓦泰的产品适用于需要高精度绝对速度信息，并对路径规划和作业效率有极高要求的装载机应用。

• 日本基恩士 日本基恩士以其创新和高精度的工业自动化产品闻名。其LR-T5000系列激光测距传感器采用飞行时间（ToF）原理，发射激光并测量激光从发射到反射回传感器所需的时间，从而精确计算到物体的距离。在装载机速度测量应用中，通过连续测量与地面之间的距离，并计算距离变化率，可以间接推算出装载机相对于地面的速度。虽然其核心是距离测量，但结合控制器进行二次开发，可以提供非接触、高分辨率的相对地面速度监测。传感器具有紧凑、坚固耐用的特点，防护等级IP65/IP67，工作温度范围-10 °C至+50 °C。

• 瑞士堡盟 瑞士堡盟是知名的传感器和编码器制造商。其HOG 10系列重载增量式编码器通过将旋转运动转换为电脉冲信号来工作。编码器内部的码盘随车轮或传动轴旋转，光电接收器将光信号转换为电信号，产生方波脉冲。通过计算单位时间内的脉冲数量，可以精确计算旋转速度，结合车轮直径转换为线速度。HOG 10系列的分辨率为1024脉冲/转，最大转速2000 RPM，输出信号支持HTL/TTL，防护等级IP66/IP67，工作温度范围-40 °C至+85 °C。这款编码器专为恶劣工业环境设计，具有极高的机械强度和抗振动冲击能力，为装载机提供可靠的轮速测量方案。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为装载机选择速度测量设备时，您不能只看单一参数，而是要综合考虑以下几个关键指标及其对实际应用的影响：

• 测量原理： 这是最核心的考量。

  • 实际意义： 不同的原理决定了传感器对车轮打滑、轮胎周长变化等误差的免疫能力。例如，雷达多普勒或GNSS/IMU测量的是车辆的真实地面速度或绝对速度，而轮速传感器测量的是车轮转速。

  • 选型建议： 如果您的应用对速度精度要求极高，且工作环境易发生车轮打滑（如泥泞、坡道、重载启动），那么雷达多普勒或GNSS/IMU组合导航是更优的选择，它们能提供更真实的地面速度。如果对成本敏感，且作业环境较好，打滑情况不频繁，轮速传感器仍是经济实惠的选择。

• 测量范围：

  • 实际意义： 传感器能测量的最低速度和最高速度。装载机可能需要从静止启动到高速行驶。

  • 选型建议： 确保传感器能覆盖装载机的所有运行速度，包括缓慢精确作业和快速转场。例如，有些雷达传感器在极低速时性能可能略有波动，需留意其最小可测速度。

• 测量精度和重复性：

  • 实际意义： 精度决定了测量结果的可靠程度，重复性则保证了测量的一致性。

  • 选型建议： 对于需要精确控制（如自动铲装、速度保持）或进行作业效率分析的应用，应选择具有高精度和高重复性的传感器。通常，精度达到速度读数的0.1%至0.5%是较好的水平。

• 信号更新率（响应时间）：

  • 实际意义： 传感器每秒能输出多少个速度数据，或从速度变化到输出信号所需的时间。更新率越高，响应越快，越能捕捉到速度的快速变化。

  • 选型建议： 闭环控制系统（如防滑控制、定速巡航）对实时性要求很高，建议选择更新率20 Hz以上，甚至50-200 Hz的传感器。如果只是进行简单的速度显示或数据记录，较低的更新率也足够。

• 环境适应性：

  • 实际意义： 传感器能否在装载机的恶劣工作环境中稳定运行，包括温度、振动、冲击、灰尘、防水等。

  • 选型建议： 务必关注传感器的防护等级（如IP67、IP69K）、工作温度范围和抗振动冲击能力。装载机经常在户外和多尘泥泞环境中工作，传感器必须坚固耐用，能承受-40°C到+70°C甚至更高的温度变化。

• 输出接口：

  • 实际意义： 传感器如何与装载机的控制系统（ECU）、显示器或数据记录仪进行通信。

  • 选型建议： 常见的工业接口有CAN总线、RS232/RS485、脉冲输出、模拟量输出。选择与您现有系统兼容或易于集成的接口类型，CAN总线是工程机械领域常用的标准化接口。

• 安装方式与尺寸：

  • 实际意义： 传感器能否方便、稳固地安装在装载机上，且不影响其他部件工作。

  • 选型建议： 考虑传感器尺寸是否紧凑，安装支架是否牢固，以及是否对安装角度有严格要求。非接触式传感器通常安装在车身底部，需要避免被铲斗或车轮遮挡。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了合适的传感器，在装载机的实际应用中，还是可能遇到一些问题。

• 问题：环境干扰导致测量不稳定。

  • 原因与影响： 雷达传感器可能受到路面凹凸不平、大型碎石或车底泥浆堆积的暂时性遮挡影响；激光传感器可能因强光、浓烟或厚重灰尘而失灵；GNSS信号在隧道、高楼或矿区深处可能被遮挡或减弱。这些都会导致速度数据出现瞬间跳变、丢失或精度下降。

  • 解决建议：

    • 多传感器融合： 采用两种或多种不同原理的传感器进行数据融合。例如，雷达与IMU结合，或GNSS/IMU与轮速传感器结合。当一种传感器受干扰时，其他传感器仍能提供有效数据，通过算法（如卡尔曼滤波）互相校正和补充，提高整体系统的鲁棒性。

    • 优化安装位置： 确保传感器安装位置远离车轮溅起的泥浆，避免波束路径被机械结构或其他部件长期遮挡。

    • 数据滤波： 在软件层面加入中值滤波、卡尔曼滤波等算法，平滑数据，剔除异常值，提高数据稳定性。

• 问题：传感器校准困难或漂移。

  • 原因与影响： 传感器的安装角度、参数设置不准确，或长期使用后性能发生轻微漂移，可能导致测量误差。例如，雷达传感器的安装角度 theta 不准确会直接影响 cos(theta)，进而影响速度计算。

  • 解决建议：

    • 出厂预校准和现场验证： 选择出厂经过严格校准的传感器，并在安装后进行现场测试，与GPS或参考速度计进行比对，验证其精度。

    • 定期维护和检查： 定期检查传感器安装是否牢固，是否有物理损伤，连接线缆是否完好。对于需要角度输入的传感器，检查角度设置是否正确。

    • 自适应校准： 部分高级系统具备自学习或自适应校准功能，可以在特定工况下自动调整参数以优化精度。

• 问题：电源不稳或电磁兼容性问题。

  • 原因与影响： 装载机电气系统复杂，启动、熄火或高负载运行时可能出现电压波动；大功率电机、电磁阀等设备产生的电磁干扰（EMI）可能影响传感器信号，导致数据不准确或通信中断。

  • 解决建议：

    • 宽电压输入范围： 选择支持宽电压输入范围（如9V-28V DC）的传感器，以适应装载机电源的波动。

    • 电源滤波： 在传感器供电线路上增加滤波器，如共模扼流圈和电容，平稳供电电压，抑制噪声。

    • 良好接地和屏蔽： 确保传感器外壳和线缆有良好的接地，使用屏蔽线缆连接传感器和控制器，有效抵御电磁干扰。

4. 应用案例分享

精确的速度测量技术在装载机及类似工业车辆中有着广泛的应用：

• 防滑控制系统： 通过实时监测车轮转速与真实地面速度的差异，自动调节发动机扭矩或制动力，防止车轮打滑或抱死，提高车辆在恶劣路况下的牵引力和安全性。雷达多普勒传感器，如英国真尚有的LP-DS200，能够直接测量地面速度，为防滑控制提供可靠的数据基础。

• 燃油效率优化： 精确的速度数据可用于优化驾驶行为和动力输出，减少不必要的加速和减速，从而降低燃油消耗，提升运营经济性。

• 自动铲装和定速巡航： 在半自动或全自动驾驶的装载机中，速度传感器提供关键反馈，使车辆能够精确控制速度，实现定速巡航、自动铲装作业和路径规划，提高作业一致性和效率。

• 作业循环时间分析： 准确记录每一次装载作业的行驶速度、距离和时间，帮助管理者分析作业效率瓶颈，优化流程，提升整体生产力。

• 车辆安全管理： 实时速度数据可用于超速报警、区域限速控制，确保车辆在特定作业区域内以安全速度行驶，减少事故风险。