CN217116115U - 一种挖掘机通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种挖掘机通信系统，系统包括中央控制器、机载智能互联终端、多个分布式网关、至少一个传感器和至少一个执行器；各个分布式网关均匀分布于挖掘机机身四周，各个分布式网关之间通过机载以太网互相通信连接，传感器和执行器与距离最近的分布式网关通信连接；中央控制器与各个分布式网关通过机载以太网通信连接；机载智能互联终端与至少一个分布式网关通过机载以太网通信连接，机载智能互联终端与云计算平台通信连接。本实用新型提供的技术方案，提高了挖掘机内数据传输速度和系统升级速度。

Description

一种挖掘机通信系统

技术领域

本实用新型涉及工程机械领域，具体涉及一种挖掘机通信系统。

背景技术

智能网联时代下，工程机械自动化、数字化、网联化成为趋势，硬件定义工程机械正在转变成软件定义工程机械。智能化的发展带来了更多传感器和控制器，目前挖掘机为了实现自动驾驶技术，在机身上安装了多种传感器，通常一个传感器对应一个控制器，传感器数量多且布线复杂，挖掘机内控制器之间主要通过CAN总线进行通信，还有一些通过LIN和硬件进行通信、挖掘机内通信带宽较小，数据传输较慢，进而导致自动驾驶的响应速度较慢、挖掘机系统升级的速度较慢。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施方式提供了一种挖掘机通信系统，从而提高了挖掘机内数据传输速度和系统升级速度。

根据第一方面，本实用新型提供了一种挖掘机通信系统，所述系统包括中央控制器、机载智能互联终端、多个分布式网关、至少一个传感器和至少一个执行器；各个所述分布式网关均匀分布于挖掘机机身四周，各个所述分布式网关之间通过机载以太网互相通信连接，所述传感器和所述执行器与距离最近的分布式网关通信连接；所述中央控制器与各个所述分布式网关通过机载以太网通信连接；所述机载智能互联终端与至少一个分布式网关通过机载以太网通信连接，所述机载智能互联终端与云计算平台通信连接。

可选地，所述分布式网关中包括：机载以太网交换机、第一处理器和电源管理模块，所述机载以太网交换机与所述第一处理器建立通信连接，所述电源管理模块与所述第一处理器电路连接。

可选地，所述电源管理模块中至少包括负载开关单元和第二处理器，所述第二处理器与所述负载开关单元通信连接，所述负载开关单元连接于所述分布式网关中的供电线路上。

可选地，所述分布式网关中还包括CAN总线收发器、LIN总线收发器，所述CAN总线收发器、LIN总线收发器分别与所述第一处理器连接。

可选地，所述分布式网关中还包括模式选择电路和复位电路，所述模式选择电路和复位电路均与所述第一处理器通信连接。

可选地，所述分布式网关中还包括实时时钟芯片，所述实时时钟芯片与所述第一处理器通信连接。

可选地，所述机载以太网交换机还与端口物理层芯片连接。

可选地，所述机载以太网交换机包含至少一个1000兆带宽接口。

可选地，所述分布式网关还包括拓展接口，所述拓展接口与所述第一处理器通信连接，所述拓展接口至少包括SD卡接口、eMMC存储器接口、串口、USB接口、通用输入输出接口拓展卡中的一种。

可选地，所述机载智能互联终端通过无线通信模块与云计算平台通信连接。

本申请提供的技术方案，具有如下优点：

本申请提供的技术方案，提出一种挖掘机通信系统，支持挖掘机智能驾驶和无人作业相关功能的开发；在挖掘机上引入机载以太网，提升挖掘机内部的通信带宽，可以满足自动驾驶摄像头、激光雷达等传感器的高带宽数据传输要求；通过机载智能互联终端与挖掘机内部机载以太网的配合，实现高速空中下载升级，缩短系统软件升级的时间。挖掘机上只保留一个中央控制器，集成挖掘机的底盘控制、动力控制、无人驾驶控制以及无人作业控制功能。根据实际情况在挖掘机的挖掘机身四周布置分布式网关，分布式网关可以简化挖掘机内部走线。

此外，本实用新型实施例还提供多种标准化接口，可以兼容多种通信接口控制器、传感器、执行器，即插即用，便于实现架构的伸缩和扩展。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制，在附图中：

图1示出了本实用新型一个实施方式中一种挖掘机通信系统的结构示意图；

图2示出了本实用新型一个实施方式中一种挖掘机通信系统的另一个结构示意图；

图3示出了本实用新型一个实施方式中一种分布式网关的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，在一个实施方式中，一种挖掘机通信系统，系统包括中央控制器101、机载智能互联终端103、多个分布式网关102、至少一个传感器和至少一个执行器。各个分布式网关102均匀分布于挖掘机机身四周，各个分布式网关102之间通过机载以太网互相通信连接，传感器和执行器与距离最近的分布式网关102通信连接。中央控制器101与各个分布式网关102通过机载以太网通信连接；机载智能互联终端103与至少一个分布式网关102通过机载以太网通信连接，机载智能互联终端103与云计算平台通信连接。

具体地，面向无人驾驶作业的挖掘机，将挖掘机上的自动驾驶、底盘控制、执行装置控制和动力控制整合在一个中央控制器101(Central Control Module，CCM)上，从而大幅度减少控制器数量和布线的复杂程度，本实用新型以在挖掘机挖掘机身的四周布置4个分布式网关102为例，每个分布式网关102具有交换机和网关路由的功能，分布式网关102之间通过机载以太网连接形成环网；每个分布式网关102和中央控制器101通过机载以太网连接；如图2所示，挖掘机上的传感器(包括但不限于激光雷达、摄像头、毫米波雷达、超声波雷达、5G模组、RTK测量仪和机载自诊断系统)、执行器(包括但不限于线控油门、线控制动、线控档位、线控转向和线控液压力臂控制器)直接连接在分布式网关102上，或通过部分电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)连接在分布式网关102上；分布式网关102具备基本的逻辑功能控制，中央控制器101负责整个挖掘机的控制和推理计算，中央控制器101可采用包括但不限于美国德州仪器TI芯片TDA4VM的CPU、以色列Mobileye公司EyeQ系列芯片的CPU、日本瑞萨R-CAR芯片R-CAR H3的CPU、中国地平线公司征程系列芯片的CPU。挖掘机采集的传感器数据除了在中央控制器101中进行处理之外，在本实施例中还可以通过云计算平台辅助处理，基于智能机载终端(T-BOX模块)与云计算平台建立通信，通过智能机载终端将数据发送到云端处理，从而挖掘机不仅可以在中央控制器101的决策下进行无人驾驶作业，也可以通过云计算平台来实现控制调度和无人驾驶作业。目前挖掘机采用的4G无线通信理论上网速为10-100Mbps，折合下载速度1.5M/s-10M/s，5G的下载速度可以达到1.25Gb/s，软件包下载速度完全满足需求，但是现有技术使得挖掘机采用的CAN通信传输速度最高只能达到1M/s，使得挖掘机的内部信号响应速度慢，自动驾驶动作响应慢，通过云计算平台进行系统升级速度慢。而机载以太网能够大幅度提高数据在挖掘机内部的传输速度，大幅度提高挖掘机自身响应自动驾驶决策指令的速度，特别注意的是，本实用新型实施例通过机载以太网和云计算平台的互相配合，提高了云计算平台辅助进行自动驾驶的决策速度。在挖掘机需要进行软件升级和系统升级时，通过云计算平台进行空中下载升级包，然后通过机载以太网将安装包进行快速传输和安装，从而进一步提高了软件升级速度。

具体地，如图3所示，在一实施例中，分布式网关102中包括机载以太网交换机104、第一处理器105和电源管理模块112，机载以太网交换机104与第一处理器105建立通信连接，电源管理模块112与第一处理器105电路连接。

具体地，分布式网关102中通过部署以太网交换机，保证分布式网关102具有多个以太网数据转发接口，便于分布式网关102和中央控制器101之间、分布式网关102与分布式网关102之间，构成以太环网。分布式网关102内部还包括第一处理器105，从而实现分布式网关102具有基本的逻辑控制功能，能够接收到中央控制器101发送的决策信号，并通过决策信号控制分布式网关102上连接的执行器。电源管理模块112即PMIC(Power ManagementIC)电源管理芯片，可以采用NXP公司的PF5020芯片，主要用于负责监控第一处理器105上的电源电压(或电流)，以确保它们不会过高或过低。通常，电源管理模块112能够进行高电平有效、低电平有效或高电平有效/低电平有效的信号复位。

具体地，在一实施例中，电源管理模块112中至少包括负载开关单元113、第二处理器，第二处理器与负载开关单元113通信连接，负载开关单元113连接于分布式网关102中的供电线路上。具体地，负载开关单元113即负载开关电路，其基本原理是通过控制引脚实现对电源的打开和关断。负载开关可用使用分离式器件搭建，也可以使用集成IC来实现。电源管理模块112中，第二处理器在监控到电源电压或电流出现异常情况时，第二处理器控制负载开关单元113对分布式网关102的电源进行打断，停止为分布式网关102中第一处理器105等元器件供电，提高了分布式网关102的用电安全性。

具体地，在一实施例中，分布式网关102中还包括CAN总线收发器106、LIN总线收发器107，CAN总线收发器106、LIN总线收发器107分别与第一处理器105连接。具体地，由于激光雷达、摄像头、毫米波雷达、超声波雷达等传感器和线控档位等执行器生产厂家品类较多，不同厂家的器件的接口并不统一，部分传感器或执行器并不支持机载以太网的通信协议，因此分布式网关102中还部署有CAN总线收发器106、LIN总线收发器107，例如车灯通过LIN总线连接在分布式网关102上，提高了分布式网关102的兼容性。

具体地，在一实施例中，分布式网关102中还包括模式选择电路114和复位电路115，模式选择电路114和复位电路115均与第一处理器105通信连接。具体地，在本实施例中，模式选择电路114用于选择分布式网关102的启动模式，包括但不限于调式模式、更新模式、正常工作模式等。不同的启动模式用于进行不同的工作，模式之间互不打扰，从而便于分布式网关102调试、升级、正常工作的稳定性和可靠性。本实施例中多种模式选择电路114的具体搭建方式可参考现有技术，在此不再赘述。在本实施例中，复位电路115一方面用于修复系统，实现故障自愈，另一方面用于在整个分布式网关102处于不稳定状态时，通过复位使整个系统处于一种可控状态。复位电路115可采用现有技术中电阻-电容电路实现，例如微分型复位电路115、积分型复位电路115、比较器型复位电路115或看门狗型复位电路115。复位电路115包括但不限于上电自动复位和手动按钮复位，复位电路115的具体搭建方式为现有技术，在此不再赘述。

具体地，在分布式网关102中还包括实时时钟芯片116，即RTC(RealTime Clock)芯片，本实用新型实施例采用NXP公司的PCA85073A，实时时钟芯片116与第一处理器105通信连接。PCA85073A CMOS实时时钟芯片116是一款车规级RTC，优化实现低功耗。一个偏移寄存器可微调时钟。所有地址和数据均通过两线式双向I2C总线串行传输。PCA85073A的最大数据速率高达400kbit/s。每次写入或读取数据字节后，寄存器地址自动增加。主要用于精确计时、各个分布式网关102之间进行时钟同步、与中央控制器101和云计算平台进行时钟同步，保证决策指令快速及时响应。

具体地，在一实施例中，机载以太网交换机104还与端口物理层芯片118连接。本实用新型实施例采用的端口物理层芯片118为博通BCM89881千兆机载以太网转换器，通常激光雷达和摄像头的数据量较大，传统的CAN总线和LIN通信不能满足需求，激光雷达需要用以太网来通信，摄像头需要高清同轴线或者以太网来通信。基于此，本实施例在以太网交换机端口处连接物理层芯片，从而实现与摄像头、激光雷达等设备的数据协议转换，从而保证分布式网关102通过机载以太网，接收摄像头、激光雷达等传感器采集的数据。

具体地，在一实施例中，机载以太网交换机104包含至少一个1000兆带宽接口。通常，中央控制器101擅长处理逻辑计算、信号指令转发等简单的任务，而传感器传输的数据量较大，挖掘机内部的中央控制器101针对传感器数据进行融合、识别、处理等任务需要较大的计算工作，因此很难进行全部的数据融合与决策生成的工作，往往需要借助云计算平台辅助进行数据处理。机载以太网交换机104包含至少一个1000兆带宽接口，从而各个分布式网关102之间通过1000兆的带宽接口互相通信连接，稳定数据在云计算平台与挖掘机内部硬件之间的数据传输速度，保证远程辅助自动驾驶和挖掘机通过空中下载技术进行软件升级的效率。

具体地，在一实施例中，分布式网关102还包括拓展接口，拓展接口与第一处理器105通信连接，拓展接口至少包括SD卡接口110、eMMC存储器接口111、串口108、USB接口109、通用输入输出接口拓展卡117(主要用于拓展分布式网关102中第一处理器105的引脚数量)中的一种。具体地，添加标准的SD卡接口110、eMMC存储器接口111便于研发人员连接SD卡或eMMC存储器进行网关调试，此外考虑到各个厂商生产的传感器、执行器接口存在差异，还添加标准的串口108、USB接口109、通用输入输出接口拓展卡117，实现各类传感器、执行器即插即用的功能。进一步提高了本实施例提供的分布式网关102的兼容性。

具体地，在一实施例中，机载智能互联终端103通过无线通信模块与云计算平台通信连接，进一步提高云计算平台和挖掘机工作时数据传输速度，从而提高协同工作效率。

基于中心域控的挖掘机计算通信架构采用软硬件解耦的形式，软件的开发不依赖于硬件的供应商，商务合作上更加灵活，同时软硬件解耦也可以软件硬件并行开发，缩短整个挖掘机的开发周期。

基于本实用新型实施例提供的挖掘机通信系统，挖掘机可以实现设备监控、软件远程更新等功能，从而降低售后成本；挖掘机先上市后升级，从而缩短开发周期。另外，通过4G/5G等无线通信可以实现车云协同，数据挖掘，有利于产品迭代升级。

通过上述步骤，本申请提供的技术方案，提出一种挖掘机通信系统，支持挖掘机智能驾驶和无人作业相关功能的开发；在挖掘机上引入机载以太网，提升挖掘机内部的通信带宽，可以满足自动驾驶摄像头、激光雷达等传感器的高带宽数据传输要求，的通信；通过机载智能互联终端103与挖掘机内部机载以太网的配合，实现高速空中下载升级，缩短系统软件升级的时间。挖掘机上只保留一个中央控制器，集成挖掘机的底盘控制、动力控制、无人驾驶控制以及无人作业控制功能，然后根据实际情况在挖掘机的挖掘机身四周布置分布式网关，从而可以简化挖掘机内部走线。

此外，本实用新型实施例还提供多种标准化接口，可以兼容多种通信接口控制器、传感器、执行器，即插即用，便于实现架构的伸缩和扩展。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种挖掘机通信系统，其特征在于，所述系统包括中央控制器、机载智能互联终端、多个分布式网关、至少一个传感器和至少一个执行器；

各个所述分布式网关均匀分布于挖掘机机身四周，各个所述分布式网关之间通过机载以太网互相通信连接，所述传感器和所述执行器与距离最近的分布式网关通信连接；

所述中央控制器与各个所述分布式网关通过机载以太网通信连接；

所述机载智能互联终端与至少一个分布式网关通过机载以太网通信连接，所述机载智能互联终端与云计算平台通信连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分布式网关中包括：

机载以太网交换机、第一处理器和电源管理模块，所述机载以太网交换机与所述第一处理器建立通信连接，所述电源管理模块与所述第一处理器电路连接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电源管理模块中至少包括负载开关单元和第二处理器，所述第二处理器与所述负载开关单元通信连接，所述负载开关单元连接于所述分布式网关中的供电线路上。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分布式网关中还包括CAN总线收发器、LIN总线收发器，所述CAN总线收发器、LIN总线收发器分别与所述第一处理器连接。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分布式网关中还包括模式选择电路和复位电路，所述模式选择电路和复位电路均与所述第一处理器通信连接。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分布式网关中还包括实时时钟芯片，所述实时时钟芯片与所述第一处理器通信连接。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述机载以太网交换机还与端口物理层芯片连接。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述机载以太网交换机包含至少一个1000兆带宽接口。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分布式网关还包括拓展接口，所述拓展接口与所述第一处理器通信连接，所述拓展接口至少包括SD卡接口、eMMC存储器接口、串口、USB接口、通用输入输出接口拓展卡中的一种。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机载智能互联终端通过无线通信模块与云计算平台通信连接。

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