基于GPS/GIS的工程机械电子控制器及控制方法

摘要

本发明为基于GPS/GIS的工程机械电子控制器，CAN总线连接主控制器和显示控制器，主控制器有各继电器开关量输出模块和油门电机控制模块实时接收运行信号，控制设备运行。显示控制器有GPS/GIS无线通讯模块及键盘显示屏。控制方法为：主控制器接收各工况参数，显示控制器向管理中心发送GPS/GIS和工况信息。当定位通讯异常报警。宽限时间内设备仍可工作，通讯恢复即解除报警。超期后一级锁车，发动机怠速运行。锁车期限内，与管理中心联系得密码解锁后设备恢复正常。超锁车期限二级锁车，全车断电断油，用户和管理中心联系，确认正常后发送密码，设备解锁恢复工作。本发明管理中心时刻掌握设备位置和工况，有效防止偷盗、破坏。

说明书

技术领域

本发明涉及工程机械控制系统，具体为一种基于GPS/GIS的工程机械电 子控制器及控制方法。

背景技术

当前工程机械广泛应用于土石方工程、市政工程、路面修复、农田改造、 混凝土破碎、管道铺设、园林裁培及河沟清淤等基础建设和生产领域，据统 计，到2015年，我国工程机械行业的销售收入将达到9000亿元左右，年均 递增两位数以上。在出口方面，到2015年我国工程机械产品出口将达到200 亿美元左右，成为世界出口大国。然而，我国工程机械行业整体技术水平仍 相对落后、制造工艺水平不高，特别是电控技术不高，尚未能成为工程机械 的制造强国。

工程机械一般工作条件均比较恶劣，载荷变化大，整机系统能量消耗巨 大，且会产生严重浪费。工程机械功率控制的主要目的是提高功率利用率、 增强作业效率和节能。工程机械电控性能的好坏，直接影响设备的经济性和 可靠性。早期的液压工程机械采用定量泵供油系统，但因功率利用率低，且 控制功能较差，性能不佳，在大、中型工程机械上早已被恒功率变量系统所 取代。不过因定量泵系统制造成本低廉，在部分小型、微型工程机械上还在 应用。20世纪80年代中期，在恒功率变量系统基础上出现了负流量控制、 负荷传感控制等新型液压系统，节能效果明显提高，进而电脑的引入实现了 电子控制，使得工程机械在节能、功率利用率、工作效率等方面的水平显著 提高，并且电子控制便于工程机械的监控、操作和维护。当今的液压工程机 械有无电脑控制功能，已成为区分新旧机型的分界线。

现有的工程机械控制主要包括对工程机械行走及作业状态进行监测和控 制的监测控制器、GPS/GIS(GPS是全球定位系统的简称，英文为Global  Positioning System；GIS是地理信息系统的简称，英文为Geographic  Information System)定位器和无线通讯装置，GPS定位器与监测控制器相 互独立。监测控制器主要由微控制单元和显示器组成。操作者通过驾驶室操 作杆控制工程机械运行，各仪表或传感器采集工程机械的运行状态参数及信 号送到微控制单元，并在显示器上提供给操作者。远程管理中心通过各台工 程机械的独立于监测控制器的GPS/GIS定位器掌握其位置，同时接收微控制 器通过无线通讯装置发送的工程机械的主要运行信息，如发动机转速、水温 等，得知每台工程机械的运行状态。

目前各行业使用的大型工程机械是向专业设备租赁公司租用 的，施工现场大多是在交通不发达的、通讯设施也较少的未开发地 区。设备租赁公司不可能安排大批人力去现场监管，只能依靠工程 机械所配置的远程控制设施监控其工作时间，工作位置及使用运行情况， 作为出租设备的租金回收的根据。同时通过在线监控系统，很多故障可以进 行远程维修或咨询，或为现场维修维护提供技术资料和数据，更方便快捷为 工程机械租赁用户提供服务。

但是现在工程机械的电子控制设施的监测控制器、GPS定位器及无线通 讯装置是分属不同独立系统且分别安装在不同的独立机壳内，各系统只是通 过数据线简单连接，不仅增加成本、占用的安装空间大，而且不法人员很容 易将GPS和无线通讯装置拆除，直接使用监测控制器操纵操纵工程机械。近 几年来，挖掘机械盗窃案件，时常发生。据统计；全国每年盗窃挖掘机案件 超过10万起，平均每天超过300台挖掘机配件被盗。其中挖掘机的电脑板、 显示器占多数，这些是配套产品，一旦被盗，致使价值数十万的挖掘机瘫痪， 无法正常运作，严重影响工程进度，造成无法估算的经济损失。被盗案件主 要发生在空旷偏僻无人看守的工地、采石场等地，破案困难。租赁公司无法 根据其工程机械运行情况收取到合理的租金，甚至可能丢失整台工程机械设 备，造成惨重损失。

所以研制集成GPS/GIS定位与可远程控制的工程机械电子控制器显得尤 为迫切。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于GPS/GIS的工程机械电子控制器，包括主 控制器和显示控制器，二者通过CAN总线连接，主控制器的中心处理器与工 程机械各控制检测模块连接，显示控制器集成了GPS的定位无线通讯模块。

本发明的另一目的是设计上述基于GPS/GIS的工程机械电子控制器的控 制方法，显示控制器接收主控制器发送的工程机械的各项运行参数，在其显 示屏上显示，同时按远程管理中心的要求，显示控制器中的定位通讯模块通 过无线通讯网络定时发送本工程机械所处位置的GPS信息和本机当前重要工 况参数。当GPS被断电或不能正常工作超过规定时间，主控制器对该台工程 机械根据不同情况进行不同级别锁车，只有与管理中心联系，由管理中心给 出解锁密码，被锁工程机械才能解锁、恢复正常工作。

本发明设计的基于GPS/GIS的工程机械电子控制器包括主控制器和显示 控制器，二者通过CAN(控制器局域网络英文为Controller Area Network) 总线连接，主控制器的中心处理器连接主电源模块和看门狗存储模块，中心 处理器的输出端连接继电器开关量输出模块、油门控制电路步进电机控制模 块以及恒流输出电路模块，中心处理器的输入端连接输入检测模块、发动机 转速测试模块和电阻型传感器模块，中心处理器实时接收工程机械行走部件 和液压部件的输入信号，并控制工程机械的行走和运行，同时将工程机械所 有送检参数按设定要求发送到显示控制器，所述显示控制器的主控芯片连接 电源模块、键盘、显示屏、看门狗模块和定位通讯模块。定位通讯模块为 GPS/GIS定位的无线通讯模块，本电子控制器经定位通讯模块与远程管理中 心无线连接。

所述显示控制器的主控芯片还连接备用电池，备用电池电量可满足显示 控制器工作12小时以上。

主控制器的主电源模块为降压稳压器，输出电流3A，输入电压12V或 24V，适用于各种工程机械。

所述主控制器的输入检测模块为20～26路输入检测模块，检测工程机 械的所有的开关信号及模拟信号，即发动机水温、燃油油位、油温、机油压 力、蓄电池充电指示、液压油滤芯堵塞、空气滤清器堵塞、蓄电池低电压指 示以及发动机工作状态等工程机械的工况参数，输入检测模块还有预留的开 关量输入端口。

所述主控制器的电阻型传感器模块为6～10路电阻型传感器模块，输入 工程机械中通过电流和电阻型传感器检测的模拟信号，测试工程机械的发动 机水温、燃油油位、工作时间、液压油温度、系统电压等工况。

恒流输出电路模块为2路恒流输出电路模块，在12V或24V电压下工作， 可控输出0～1200mA的恒定电流，调节分辨率为0.3mA，控制精度为±1mA。

所述键盘配有发光二极管背光源，可为键盘照明。

主控制器的中心处理器还连接1～5路测试模块，提供精度2mV的0～ 5VDC的20mA直流信号输出，扩展的1路或多路模拟量输出可以用于控制本 控制器外接的该工程机械上的其它设施，如驾驶室窗玻璃的升降，空调开关 等，扩展本电子控制器功能。

所述基于GPS/GIS的工程机械电子控制器的控制方法的主要步骤如下：

Ⅰ、开机初始化

显示控制器和主控制器接通各自的电源，显示控制器首先检测定位通讯 模块与管理中心的通讯是否正常，如果正常，完成初始化；如果不正常，则 显示无法操作且报警，此时主控制器只能控制工程机械发动机怠速运行，不 能带负载工作。

Ⅱ、正常开机运行

完成正常初始化后，主控制器接收各检测模块发送的工程机械的工况参 数，发送到显示控制器；

显示控制器接收主控制器发送的工程机械的当前工况参数并在显示屏显 示，其主控芯片经定位通讯模块通过无线通讯网络，定时向管理中心发送本 台工程机械当前的GPS/GIS地理位置和工况信息，管理中心远程监测工程机 械的运行状态及地理位置，工程机械驾驶人员通过驾驶室操作杆控制本台工 程机械运行。

Ⅲ、自我诊断和自我保护

显示控制器的主控芯片存储本设备的温度、压力等模拟量工况参数正常 值和异常报警值，主控芯片接收主控制器采集的本工程机械当前工况参数数 据，进行对比，判别工程机械的工作状态，当其中有相关数据异常、达到报 警值，如水温过高、液位过低等，主控芯片启动报警电路，声光报警。同时 根据报警种类，显示屏自动显示相关的应急处理措施，供现场人员参考，及 时排除相应部件的故障，避免作业过程中的工程机械出现不安全操作或被损 坏。

报警信息同时通过无线通信模块，经无线通讯网络发送至远程的管理中 心。

显示控制器记录并存储工程机械的报警及故障信息，为设备的检修提供 了可靠的故障原始记录，便于快速排查故障和设备各零部件寿命分析及改进。

用户根据报警种类，可在显示器上查阅主控芯片存储的故障维修帮助手 册，以对故障进行应急处理。

主控芯片也可根据报警类别自动发送保护动作指令，如硬件自动检测、 短路保护等，以对相关部件进行相应的保护控制，让工程机械具有一定的自 我诊断和自我保护功能。

Ⅳ、管理中心的远程控制

Ⅳ-1、管理中心监测工程机械的地理位置和工况状态

一旦工程机械正常开机运行，工程机械的显示控制器的主控芯片就通过 定位通讯模块定时向远程的管理中心发送本台设备当前位置GPS/GIS信息和 主要工况信息如发动机转速、水温、油温、累计工作小时等，并按管理中心 指令要求即时回传当前位置信息。管理中心实时接收各台工程机械的回传的 信息，对各设备进行定位和追踪，并监测各台工程机械的工作状态。管理中 心根据每台工程机械唯一的编号存储其位置信息和工况状态记录。

Ⅳ-2、定位通讯异常报警

当某台工程机械显示控制器的定位通讯模块的电源被关断、或出现故障、 或其它原因，定位通讯模块不能与显示控制器的主控芯片正常交换数据时， 主控芯片判断定位通讯模块异常，主控芯片指令报警电路启动、声光报警， 此时工程机械仍可以正常工作。如果是定位通讯模块断电，显示控制器主控 芯片自动切换连接备用电源，当电源模块恢复供电，主控芯片自动切换回连 接电源模块。如果在30～500分钟的设定宽限时间内，显示控制器的主控芯 片收到该工程机械的定位通讯模块GPS/GIS的正常信息，主控芯片指令报警 电路停止报警，显示控制器和主控制器恢复正常工作、该台工程机械正常运 行。

Ⅳ-3、管理中心的远程锁车控制

如果超过30～500分钟的设定宽限时间，显示控制器的主控芯片仍未收 到该工程机械的定位通讯模块的正常信息，主控制器的中心处理器启动预存 的一级锁车程序，中心处理器发送指令到显示控制器的主控芯片，主控芯片 锁定显示屏，只显示提示输入解锁密码，报警电路继续报警。且主控制器中 心处理器指令油门控制电路步进电机控制模块自动控制发动机转速为 1300rpm，即怠速运行。显示控制器的其它操作指令失效，即该工程机械只能 行走，无法进行带负荷运行操作。一级锁车后在管理中心与用户协商设定的 1～15天的锁车期限内，用户与管理中心联系说明现场情况、通讯异常原因， 管理中心根据用户情况，若发生异常的理由正当，且定位通讯模块恢复正常 工作，即给用户预设的解锁密码，解锁后该设备恢复正常运行。

如果超过1～15天的锁车期限，该台设备的用户仍未与管理中心联系， 同时管理中心也无法联系到该用户，例如工程机械被盗或非法操作等情况， 该台设备的主控制器的中心处理器启动预存的二级锁车程序，即发送指令到 各输出继电器，该台设备全车断电断油，该设备无法操作也无法移动，中心 处理器同时发送指令到显示控制器，使其报警电路发出二级声光报警，显示 屏仍锁定于提示输入解锁密码，各数字仪表不再显示任何测试值，即使强行 接通各电路，工程机械也无法行走和带负荷运行。用户只能和管理中心电话 联系，现场工作人员正确回复管理中心的各项查询问题，管理中心确认该台 设备恢复正常后，发送预设解锁密码给用户，由现场工作人员重新启动电子 控制器，再通过显示控制器的键盘输入解锁密码，设备才能恢复正常工作状 态，否则该台设备持续保持二级锁车状态。

Ⅴ、管理中心的维护提醒

管理中心由计算机或人工根据所接收的某台工程机械的工况信息记录 与该设备的工况条件比对，当到了维护保养时间，向该设备的显示控制器发 送维护保养的提示信息，在显示屏显示。如“本次工作时间已到，请及时进 行保养”等。

与现有技术相比，本发明基于GPS/GIS的工程机械电子控制器及控制方 法的优点为：1、GPS/GIS集成在工程机械电子控制器之内，GPS/GIS定位和 无线网络通讯使管理中心确定工程机械的位置，工程机械和管理中心的通讯 保证管理中心时刻掌握设备所处位置和工况，设备所有者和使用者均安心放 心；2、当管理中心不能正常收到设备的GPS/GIS位置信号，在给定宽限时间 内，工程机械可正常运行，当超出给定宽限时间，工程机械没有反馈信息， 主控制器可自动启动锁车程序，控制其显示控制器不能正常发送指令控制设 备运行，甚至可以停电、停油锁车，有效地防止了偷盗，及时发现破坏，便 于跟踪，以防止或减少设备所有者的损失；3、管理中心可以根据设备使用记 录，及时提供维护保养的提示，保证设备处于最佳使用状态，也密切了设备 所有者和使用者的关系；4、显示控制器存储工程机械的报警及故障信息，为 设备的检修提供了可靠的故障原始记录，便于快速排查故障，便于对设备各 零部件寿命进行分析，及对设备的进一步改进。

附图说明

图1为本基于GPS/GIS的工程机械电子控制器实施例结构示意图。

具体实施方式

基于GPS/GIS的工程机械电子控制器实施例

本基于GPS/GIS集成的工程机械电子控制器实施例如图1所示，包括主 控制器和显示控制器，二者通过CAN总线连接。

主控制器的中心处理器连接主电源模块和看门狗存储模块，中心处理器 的输出端连接10路继电器开关量输出模块、油门控制电路步进电机控制模 块、2路恒流输出电路模块以及4路测试模块。中心处理器的输入端连接24 路输入检测模块、发动机转速测试模块和8路电阻型传感器模块。所述显示 控制器的主控芯片连接电源模块、键盘、显示屏、看门狗模块和定位通讯模 块。定位通讯模块为GPS/GIS定位的无线通讯模块，显示控制器经定位通讯 模块与管理中心无线连接。本例显示控制器的主控芯片还连接备用电池，备 用电池电量满足显示控制器工作12小时以上。

本例主电源模块为降压稳压器，输出电流3A，输入电压12V或24V。

本例2路恒流输出电路模块，在12V或24V电压下工作，可控输出0～ 1200mA的恒定电流，调节分辨率为0.3mA，控制精度为±1mA。

本例4路测试模块，提供精度2mV的0～5VDC的20mA直流信号输出， 扩展4路模拟量输出用于控制本设备驾驶室窗玻璃的升降，空调开关。

本例主控制器的24路输入检测模块，检测工程机械的所有的开关及模 拟信号的工程机械的工况参数，本例输入检测模块还有预留4个开关量输入 端口。

本例主控制器的8路电阻型传感器模块，输入工程机械中通过电流和电 阻型传感器输入的模拟信号。

本例键盘配有发光二极管背光源。

本基于GPS/GIS的工程机械电子控制器的控制方法实施例

本基于GPS/GIS集成的工程机械电子控制器的使用方法实施例为上述的 基于GPS/GIS集成的工程机械电子控制器实施例的使用方法，主要控制步骤 如下：

Ⅰ、开机初始化

显示控制器和主控制器接通各自的电源，显示控制器首先检测定位通讯 模块与管理中心的通讯是否正常，如果正常，完成初始化；如果不正常，则 显示无法操作且报警，此时主控制器只能控制工程机械发动机怠速运行，不 能带负载工作。

Ⅱ、正常开机运行

完成初始化后，主控制器接收各检测模块发送的工程机械的工况参数， 发送到显示控制器；

显示控制器接收主控制器发送的工程机械的当前工况参数并在显示屏 显示，其主控芯片经定位通讯模块通过无线通讯网络定时向管理中心发送本 台工程机械的当前GPS/GIS地理位置和工况信息，管理中心远程监测工程机 械的运行状态及地理位置，工程机械驾驶人员通过驾驶室操作杆控制本台工 程机械运行；

Ⅲ、自我诊断和自我保护

显示控制器的主控芯片存储本设备的温度、压力等模拟量工况参数正常 值和异常报警值，主控芯片接收主控制器采集的本工程机械当前工况参数数 据，进行对比，判别工程机械的工作状态，当其中有相关数据异常、达到报 警值，主控芯片启动报警电路，声光报警。同时根据报警种类，显示屏自动 显示相关的应急处理措施，供现场人员参考，及时排除相应部件的故障，避 免作业过程中的工程机械出现不安全操作或被损坏。

报警信息同时通过无线通信模块，经无线通讯网络发送至远程的管理中 心。

显示控制器存储工程机械的报警及故障信息，为设备的检修提供了可靠 的故障原始记录，便于快速排查故障和设备各零部件寿命分析及改进，同时 显示控制器的主控芯片存储有完整的故障维修帮助手册，用户根据报警种类， 可在显示器上查阅，对故障进行应急处理。

主控芯片自动发送保护动作指令，如硬件自动检测、短路保护等，以对 相关部件进行相应的保护控制，即工程机械具有一定的自我诊断和自我保护 功能。

Ⅳ、管理中心的远程控制

Ⅳ-1、管理中心监测工程机械的地理位置和工况状态

一旦工程机械正常开机运行，显示控制器的主控芯片就通过定位通讯模 块定时向远程的管理中心发送本台设备当前位置GPS/GIS信息和主要工况信 息如发动机转速、水温、油温、累计工作小时等，且可按管理中心指令要求 即时回传当前位置信息。管理中心实时接收各台工程机械的回传的信息。对 各设备进行定位和追踪，并监测各台工程机械的工作状态。管理中心根据每 台工程机械唯一的编号存储其位置信息和工况状态记录。

Ⅳ-2、定位通讯异常报警

当某台工程机械显示控制器的定位通讯模块的电源被关断、或出现故障、 或其它原因，定位通讯模块不能与显示控制器的主控芯片正常交换数据时， 主控芯片判断定位通讯模块异常，主控芯片指令报警电路启动、声光报警， 此时工程机械仍可以正常工作。如果是定位通讯模块断电，显示控制器主控 芯片自动切换连接备用电源，当电源模块恢复供电，主控芯片自动切换连接 电源模块。如果在30～500分钟的设定宽限时间内，显示控制器的主控芯片 收到该工程机械的定位通讯模块GPS/GIS的正常信息，主控芯片指令报警电 路停止报警，显示控制器和主控制器恢复正常工作、该台工程机械正常运行。

Ⅳ-3、管理中心的远程锁车控制

如果超出30～500分钟的给定宽限时间，显示控制器的主控芯片仍未收 到该工程机械的定位通讯模块的正常信息，主控制器中心处理器启动预存的 一级锁车程序，中心处理器发送指令到显示控制器的主控芯片，主控芯片锁 定显示屏，只显示提示输入解锁密码，报警电路继续报警。且主控制器中心 处理器指令油门控制电路步进电机控制模块控制发动机转速为1300rpm，即 怠速运行。显示控制器的其它操作指令失效，即该工程机械只能行走，无法 进行带负荷运行操作。

一级锁车后在管理中心与用户协商设定的1～15天的锁车期限内，用户 与管理中心联系说明现场情况、通讯异常原因，管理中心根据用户情况，若 发生异常的理由正当，且定位通讯模块恢复正常工作，即给用户预设的解锁 密码，解锁后该设备恢复正常运行。

如果超过1～15天的锁车期限，该台设备的用户仍未与管理中心联系， 同时管理中心也无法联系到该用户，例如工程机械被盗或非法操作等情况， 该台设备的主控制器的中心处理器启动预存的二级锁车程序，即发送指令到 各输出继电器，该台设备全车断电断油，该设备无法操作也无法移动，中心 处理器同时发送指令到显示控制器，使其报警电路发出二级声光报警，显示 屏仍锁定于提示输入解锁密码，各数字仪表不再显示任何测试值。用户只能 和管理中心电话联系，现场工作人员正确回复管理中心的各项查询问题，管 理中心确认该台设备恢复正常后，发送预设解锁密码给用户，由现场工作人 员重新启动电子控制器，再通过显示控制器的键盘输入解锁密码，设备恢复 正常工作状态。

Ⅴ、管理中心的维护提醒

管理中心由计算机或人工根据所接收的某台工程机械的工况信息记录 与该设备的工况条件比对，当到了维护保养时间，向该设备的显示控制器发 送维护保养的提示信息，在显示屏显示。如“本次工作时间已到，请及时进 行保养”等。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说 明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的 任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。