無人駕駛壓路機(jī)在路基施工中的應(yīng)用

周春風(fēng) 王彤

摘要：壓路機(jī)的施工水平是路基質(zhì)量的重要保障，但是目前壓路機(jī)施工面臨著漏壓、欠壓、過壓等問題，同時(shí)壓路機(jī)強(qiáng)烈的振動(dòng)環(huán)境，對(duì)操作人員的身心健康造成極大損壞。基于此，本文結(jié)合高精度衛(wèi)星定位技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、傳感技術(shù)，開發(fā)無人駕駛壓路機(jī)，實(shí)現(xiàn)了壓路機(jī)的無人駕駛精準(zhǔn)作業(yè)。為路基的無人施工奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：路基施工;壓路機(jī);無人駕駛;精準(zhǔn)作業(yè)

中圖分類號(hào)：U415? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）07-0000-00

0前言

國(guó)內(nèi)對(duì)工程機(jī)械無人駕駛技術(shù)的研究起步相對(duì)國(guó)外較晚，總體發(fā)展水平也落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)的研究單位主要有哈爾濱工程大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等高等院校和中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等科研機(jī)構(gòu)。2002年，國(guó)內(nèi)首次成功研制W102DZ型高性能無人駕駛振動(dòng)壓路機(jī)[1]。隨后相繼開發(fā)了“高性能無人駕駛壓路機(jī)”系統(tǒng)[2]，并在此基礎(chǔ)之上，討論了無人駕駛壓路機(jī)中的串口通信。近年來隨著技術(shù)的不斷積累，無人駕駛壓路機(jī)已慢慢走向施工現(xiàn)場(chǎng)。

1無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)

壓路機(jī)無人駕駛的目標(biāo)是：在無人干預(yù)的情況下，壓路機(jī)通過預(yù)先設(shè)定的軌跡路線對(duì)地面進(jìn)行壓實(shí)，當(dāng)行駛途中遇到障礙物，根據(jù)障礙物相對(duì)車輛距離、速度等狀態(tài)自行判斷行為方式，包括繼續(xù)行駛、降低速度和緊急制動(dòng)等。實(shí)現(xiàn)無人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)模塊包括傳感器技術(shù)、定位技術(shù)、車輛控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制單元模塊。

1.1 車輛控制技術(shù)

車輛控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的硬件基礎(chǔ)，這里的控制技術(shù)指車輛通過上層發(fā)出的某些數(shù)字或者模擬的信號(hào)來控制車輛的某些行為，上層通常代表電腦一類的控制單元。車輛控制行為又可分為以下幾個(gè)模塊：

（1）縱向控制：車輛的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制，常見接口有控制車輛的速度、加速度、發(fā)動(dòng)機(jī)或者輪端的扭矩;

（2）橫向控制：控制車輛的轉(zhuǎn)向，常見接口一般有兩種，一種是通過控制方向盤的扭矩對(duì)方向盤進(jìn)行操控，另外一種直接控制方向盤的角度和轉(zhuǎn)速度;

（3）功能性控制：區(qū)別于車輛的線控系統(tǒng)（橫向控制和縱向控制）之外，功能性控制包括檔位控制、轉(zhuǎn)向燈控制、雙閃燈控制等，這些控制與線性控制的區(qū)別是前者為定量控制、功能性控制為定性控制;

（4）信號(hào)反饋模塊：在控制系統(tǒng)對(duì)車輛作出相關(guān)操控指示后，車輛自身需要對(duì)這些操作指令作出相應(yīng)的反饋，幫助開發(fā)人員確定車輛是否處于正常工作狀態(tài)。反饋模塊包括但不限于車輛行駛狀態(tài)提醒，車輛接管提醒，車速、輪速、擺角控制提醒，車門狀態(tài)、燈光狀態(tài)提醒，報(bào)錯(cuò)提醒等;

（5）通訊接口：目前大部分車輛都是以CAN總線作為通訊接口，個(gè)別車輛采用車載以太網(wǎng)作為控制接口。

1.2 傳感器模塊

傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛硬件系統(tǒng)的必要組成部分之一，車輛本體可以看做自動(dòng)駕駛的一個(gè)最基本的傳感器，其提供了車輛的基本信息。對(duì)于車輛以外的環(huán)境信息則需要通過布置在車身上的傳感器進(jìn)行捕獲。常用傳感器包括：攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)以及慣導(dǎo)組合技術(shù)。

1.3 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊也是車輛的決策模塊，目前比較成熟的方案是使用工控機(jī)，這種方法比較方便，適合自動(dòng)駕駛初期的算法開發(fā)與驗(yàn)證，但是難以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn);使用第三方提供的研發(fā)平臺(tái)，例如NVIDIA提供的Drive PX2，但是從經(jīng)驗(yàn)上看其定制化不足，容易造成資源浪費(fèi)或者資源不足等問題;自研研發(fā)平臺(tái)，可完全滿足自主化定制需求。

2無人駕駛系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

無人駕駛壓路機(jī)系統(tǒng)包括傳感器模塊、電源動(dòng)力模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械執(zhí)行模塊，使壓路機(jī)在作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)路徑保持功能、自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能、自動(dòng)避障功能、自動(dòng)緊急制動(dòng)功能、自動(dòng)啟停功能等。

2.2 路徑規(guī)劃

利用邊界收縮的方法取得路基施工段落內(nèi)的最大內(nèi)接四邊形，再對(duì)該四邊形進(jìn)行幾何法規(guī)劃，如圖1所示，已知作業(yè)區(qū)域的長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為B、碾壓軌跡寬度為D，將a點(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，ab方向?yàn)閴郝窓C(jī)施工初始航向，da為壓路機(jī)駛?cè)牍ぷ鲄^(qū)域邊界和后退方向施工邊界，壓路機(jī)寬度的一半且da方向上靠近a點(diǎn)處的位置為施工初始位置，記為頂點(diǎn)的坐標(biāo)O'（x0，y0），bc為前進(jìn)方向施工邊界，cd為駛離施工區(qū)域外側(cè)邊界，利用編碼器獲取壓路機(jī)鉸鏈的轉(zhuǎn)角φ，完成變道轉(zhuǎn)角的計(jì)算。根據(jù)壓實(shí)遍數(shù)、疊輪要求，實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)在abcd所構(gòu)成區(qū)域完成往復(fù)式壓實(shí)作業(yè)。

無人駕駛壓路機(jī)施工路徑規(guī)劃是以施工區(qū)域的坐標(biāo)為基礎(chǔ)的，由于路基任意施工段落可作為一個(gè)近似的長(zhǎng)方形，且以隨機(jī)的角度處在平面坐標(biāo)中，如果直接用長(zhǎng)方形內(nèi)的坐標(biāo)規(guī)劃路徑較為復(fù)雜，需要將實(shí)際位置的長(zhǎng)方形進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即以O(shè)'為坐標(biāo)原點(diǎn)，L邊轉(zhuǎn)換為y軸，B邊轉(zhuǎn)換為x軸形成標(biāo)準(zhǔn)平面坐標(biāo)系。即由x'O'y'坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為xOy坐標(biāo)，如圖2所示。由于已知路基施工段落尺寸數(shù)據(jù)，壓路機(jī)每道要求疊輪1/2，可以求得在該路基施工段落進(jìn)行的碾壓道數(shù)k：

k=|（B-D）/（D?2）|

如圖2所示，由幾何關(guān)系可得圖中所標(biāo)各點(diǎn)的坐標(biāo)：Ak（kD/2，0），Bk（kD/2，L）。即得到了該施工段落區(qū)域的關(guān)鍵點(diǎn)信息，碾壓路徑直線段為（A_1 B_1 ） ?，（A_2 B_2 ） ?，（A_3 B_3 ） ?，…，（A_k B_k ） ?。壓路機(jī)變道路徑弧線段為（A_1 C_1 ） ?，（A_2 C_2 ） ?，（A_3 C_3 ） ?，…，（A_（k-1） C_（k-1） ） ?。壓路機(jī)按照（A_1 B_1 ） ?→（B_1 A_1 ） ?→（A_1 C_1 ） ?→（C_1 A_2 ） ?→（A_2 B_2 ） ?→（B_2 A_2 ） ?→（A_2 C_2 ） ?→（C_2 A_3 ） ?…→（A_（k-1） C_（k-1） ） ?→（C_（k-1） A_k ） ?→（A_k B_k ） ?→（B_k A_k ） ?的順序依次行走即可完成路基施工段落區(qū)域的路徑全覆蓋。

一般情況下，路基施工前需要進(jìn)行試驗(yàn)段，確定碾壓遍數(shù)n，且往復(fù)一次算為一遍，因此壓路機(jī)的實(shí)際碾壓路徑為（（A_1 B_1 ） ?→（B_1 A_1 ） ?）×n→（A_1 C_1 ） ?→（C_1 A_2 ） ?→（（A_2 B_2 ） ?→（B_2 A_2 ） ?）×n→（A_2 C_2 ） ?→（C_2 A_3 ） ?…→（A_（k-1） C_（k-1） ） ?→（C_（k-1） A_k ） ?→（（A_k B_k ） ?→（B_k A_k ） ?）×n。在路徑規(guī)劃中每道碾壓軌跡都是由起終點(diǎn)坐標(biāo)控制的，如A1B1就是由A1（D/2，0），B1（D/2，L）控制，由于無人駕駛壓路機(jī)的行駛軌跡是由GNSS高精度定位技術(shù)控制，為了增加行駛軌跡的控制精度，需要在A1B1上加密控制點(diǎn)，使路線中的每一個(gè)控制點(diǎn)都對(duì)碾壓過程產(chǎn)生糾偏信號(hào)，進(jìn)行行駛軌跡的調(diào)整，因此本項(xiàng)目在碾壓路徑中，每間隔1m增加一個(gè)控制點(diǎn)，即AkBk生成的控制路徑點(diǎn)為（kD/2，0）→（kD/2，1）→（kD/2，2）→（kD/2，3）→…→（kD/2，L-1）→Bk（kD/2，L）。BkAk生成的控制路徑點(diǎn)為（kD/2，L）→（kD/2，L-1）→（kD/2，L-2）→…→（kD/2，2）→（kD/2，1）→（kD/2，0）。

3無人駕駛壓路機(jī)場(chǎng)內(nèi)試驗(yàn)

3.1 安裝定位系統(tǒng)

（1）在場(chǎng)內(nèi)選擇合適位置安裝定位基站、要求基站周圍無遮擋，基站覆蓋范圍包括整個(gè)測(cè)試區(qū)域。

（2）車輛安裝定位信號(hào)收發(fā)裝置，為保證測(cè)試效果，選擇安裝在車輛頂部。

3.2 測(cè)試結(jié)果

本次測(cè)試分為直線測(cè)試和往返跑測(cè)試兩種，測(cè)試相關(guān)結(jié)果如圖3所示，其中直線工作過程中，橫向偏差不大于1cm，往返測(cè)試重復(fù)定位精度小于2cm，完全滿足施工要求。

4結(jié)論

無人駕駛壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)了路基碾壓施工的速度、碾壓遍數(shù)、振頻、振幅、搭接寬度等施工參數(shù)的精確與標(biāo)準(zhǔn)控制，保證施工質(zhì)量的均勻性，避免了返工，也避免了強(qiáng)烈振動(dòng)環(huán)境對(duì)操作人員的傷害，保護(hù)了操作人員的健康，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳羅星.W1102DZ型高性能無人駕駛振動(dòng)壓路機(jī)[J].工程機(jī)械，2017（7）：12-13.

[2] 王學(xué)寧.基于模糊理論的參數(shù)自適應(yīng)PID智能控制系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2019，41（5）：39-44.

收稿日期：2020-06-08

作者簡(jiǎn)介：周春風(fēng)（1983—），男，江蘇徐州人，本科，工程師，研究方向：新材料、新工藝、智慧工地建設(shè)。

Application of Unmanned Road Roller in Roadbed Construction

ZHOU Chunfeng，WANG Tong

（Jiangsu Dongjiao Intelligent Control Technology Group Co.， Ltd.， Nanjing Jiangsu? 210000）

Abstract： The construction level of the road roller is an important guarantee for the quality of the roadbed. However， the current road roller construction is facing problems such as leakage， undervoltage， and overpressure. At the same time， the strong vibration environment of the road roller causes great damage to the physical and mental health of the operators.Based on this， this article combines high-precision satellite positioning technology， computing technology， and sensing technology to develop unmanned road rollers， and realizes the precise operation of unmanned road rollers.Lay the foundation for unmanned construction of roadbed.

Keywords： roadbed construction; road roller; unmanned driving; precision operation