無(wú)人駕駛壓路機(jī)主動(dòng)防撞系統(tǒng)研究

王 彤 李強(qiáng)明

（1.江蘇東交智控科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210000；2.江蘇省交通運(yùn)輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇南京 210000）

無(wú)人駕駛壓路機(jī)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)路基碾壓的無(wú)人化施工，避免人為因素對(duì)施工質(zhì)量的影響，可以夜間施工，有效縮短工期。無(wú)人駕駛壓路機(jī)遇到緊急情況時(shí)，無(wú)法像人一樣去思考，采取多方面的緊急措施，無(wú)人駕駛壓路機(jī)的施工安全是必須解決的問(wèn)題[1]。壓路機(jī)在碾壓過(guò)程中，施工工作面一般不會(huì)出現(xiàn)固定障礙物，只有可以移動(dòng)的生命體，如施工人員、施工區(qū)域過(guò)往的人員、附近村鎮(zhèn)的牲畜等移動(dòng)障礙物。需要設(shè)置環(huán)境識(shí)別與自動(dòng)防撞系統(tǒng)，對(duì)移動(dòng)障礙物進(jìn)行智能識(shí)別，進(jìn)行避讓。無(wú)人駕駛壓路機(jī)在碾壓過(guò)程中的行駛控制受碾壓工藝影響，碾壓過(guò)程有固定的軌跡和遍數(shù)，遇到移動(dòng)的障礙物時(shí)，不能選擇繞行，否則會(huì)造成其他區(qū)域過(guò)壓或正常施工路線漏壓，造成施工質(zhì)量缺陷[2]。因此無(wú)人駕駛壓路機(jī)需要采取制動(dòng)措施，在移動(dòng)障礙物離開或遠(yuǎn)離后，重新啟動(dòng)，繼續(xù)工作。壓路機(jī)自重較大，在路基工作面上采取緊急制動(dòng)措施時(shí)，會(huì)造成路基填土擁集，導(dǎo)致碾壓路基出現(xiàn)波浪，無(wú)人駕駛壓路機(jī)遇到移動(dòng)障礙物時(shí)應(yīng)設(shè)置反應(yīng)區(qū)域，保證壓路機(jī)平穩(wěn)減速，在障礙物面前一定距離內(nèi)平穩(wěn)制動(dòng)。

1 無(wú)人駕駛壓路機(jī)主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

無(wú)人駕駛壓路機(jī)主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)主要由路域施工環(huán)境監(jiān)測(cè)部分、壓路機(jī)控制決策部分、壓路機(jī)安全行為執(zhí)行部分組成。路域施工環(huán)境檢測(cè)部分對(duì)壓路機(jī)自身狀態(tài)與施工區(qū)域的障礙物進(jìn)行監(jiān)測(cè)感知，將感知的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至壓路機(jī)控制決策部分，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷施工區(qū)域的安全性，最后將判斷信息發(fā)送至壓路機(jī)安全行為執(zhí)行部分，根據(jù)信息內(nèi)容進(jìn)行報(bào)警、減速、剎車等控制。

1.2 路域施工環(huán)境監(jiān)測(cè)

路域施工環(huán)境監(jiān)測(cè)主要通過(guò)目標(biāo)探測(cè)傳感器進(jìn)行，采集壓路機(jī)與施工區(qū)域障礙物的關(guān)系，包括相對(duì)位置、速度、方位等。目標(biāo)探測(cè)傳感器是路域施工環(huán)境監(jiān)測(cè)的核心部分，主要包括毫米波雷達(dá)傳感器、視覺傳感器、超聲波傳感器、激光雷達(dá)傳感器等。

（1）毫米波雷達(dá)傳感器通過(guò)發(fā)射天線裝置向施工區(qū)域發(fā)射電磁波信號(hào)，電磁波信號(hào)遇到障礙物發(fā)生反射，由接受天線接受反射信號(hào)，對(duì)反射信號(hào)的處理、分析，獲得壓路機(jī)與施工區(qū)域障礙物的相對(duì)位置、速度、方位。目前，在無(wú)人車障礙物探測(cè)領(lǐng)域，24 GHz和77 GHz的雷達(dá)傳感器較為常用，障礙物識(shí)別范圍可達(dá)200 m，探測(cè)精度可靠，整體上滿足壓路機(jī)無(wú)人駕駛對(duì)施工區(qū)域障礙物識(shí)別的要求。

（2）視覺傳感器主要有單眼攝像頭和立體攝像頭兩種，均可以對(duì)施工區(qū)域障礙物進(jìn)行識(shí)別，但視覺傳感器受光照影響大，壓路機(jī)碾壓施工產(chǎn)生的揚(yáng)塵會(huì)降低障礙物識(shí)別的精度，在光照不足的情況下，視覺傳感器探測(cè)距離會(huì)極大降低，無(wú)法滿足夜間施工場(chǎng)景。

（3）超聲波傳感器的工作原理類似聲吶，傳感器向施工區(qū)域發(fā)射超聲波，超聲波遇到障礙物發(fā)生反射，對(duì)反超聲波信號(hào)的處理、分析，獲得壓路機(jī)與施工區(qū)域障礙物的相對(duì)位置、速度、方位。但超聲波傳感器存在頻率范圍較小、驅(qū)動(dòng)電壓高、靈敏度小、探測(cè)距離短等缺陷，常用于普通汽車的倒車安全預(yù)警，不適用于無(wú)人駕駛壓路機(jī)的障礙物識(shí)別。

（4）激光雷達(dá)傳感器利用激光作為障礙物探測(cè)介質(zhì)，技術(shù)難度相對(duì)較高，惡劣天氣時(shí)性能下降明顯，其在無(wú)人駕駛壓路機(jī)的障礙物識(shí)別方面的應(yīng)用受到一定限制。

1.3 壓路機(jī)控制決策

壓路機(jī)控制決策部分對(duì)壓路機(jī)及施工區(qū)域的障礙物信息進(jìn)行處理、分析、識(shí)別、判斷，并將識(shí)別的信息傳送至壓路機(jī)安全行為執(zhí)行部分。壓路機(jī)控制決策部分需對(duì)壓路機(jī)所處的施工環(huán)境、壓路機(jī)工作狀態(tài)等危險(xiǎn)性進(jìn)行辨別，并根據(jù)壓路機(jī)設(shè)定安全條件，作出應(yīng)急處置措施的判斷，可以根據(jù)移動(dòng)障礙物靠近壓路機(jī)不同的范圍，將不同程度的報(bào)警信號(hào)及執(zhí)行信號(hào)傳送至壓路機(jī)安全行為執(zhí)行部分。

1.4 壓路機(jī)安全行為執(zhí)行

在壓路機(jī)的施工過(guò)程中，遇到移動(dòng)雜物時(shí)，可以通過(guò)聲光報(bào)警模塊進(jìn)行聲音及閃光報(bào)警提示，提示附近人員注意安全，或?qū)⑸篁?qū)離壓路機(jī)附近。檢測(cè)到移動(dòng)障礙物靠近壓路機(jī)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)執(zhí)行模塊，自行采取減速、制動(dòng)等措施。

2 障礙物避讓控制決策研究

壓路機(jī)獲取施工區(qū)域環(huán)境信息后，如在碾壓路徑上識(shí)別存在障礙物，將觸發(fā)壓路機(jī)制動(dòng)措施，不會(huì)進(jìn)行路徑躲避規(guī)劃。因?yàn)?，壓路機(jī)碾壓施工為了保證壓實(shí)質(zhì)量必須按規(guī)劃路徑行駛，規(guī)避障礙物繞行將無(wú)法保證碾壓效果。當(dāng)行駛路徑上的障礙物為施工人員、施工區(qū)域過(guò)往的人員、附近村鎮(zhèn)的牲畜等移動(dòng)障礙物時(shí)，碾壓設(shè)備必須等障礙物離開后繼續(xù)前進(jìn)。合理地制定安全控制策略，可以提高壓路機(jī)的施工效率、安全性及可靠性。

2.1 壓路機(jī)施工區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

壓路機(jī)施工區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分是避讓控制策略的核心，壓路機(jī)運(yùn)行環(huán)境較為單一，可以將壓路機(jī)的中心點(diǎn)作為施工安全區(qū)域劃分的參考點(diǎn)。本文壓路機(jī)的研究對(duì)象為徐工XS263J單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)，其長(zhǎng)×寬約為6.0 m×2.3 m。

壓路機(jī)施工區(qū)域分析等級(jí)劃分如圖1所示。

圖1 壓路機(jī)施工區(qū)域分析等級(jí)劃分示意圖

距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)小于2 m的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，碾壓路徑上距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)大于2 m且小于10 m區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，碾壓路徑區(qū)域以外距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)大于2 m的且小于10 m的區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)大于10 m區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

2.2 移動(dòng)障礙物避讓控制策略

移動(dòng)障礙物進(jìn)入Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，壓路機(jī)處于安全狀態(tài)，控制執(zhí)行模塊不采取任何報(bào)警措施。

移動(dòng)障礙物進(jìn)入Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，壓路機(jī)處于相對(duì)安全狀態(tài)。環(huán)境感知模塊判定移動(dòng)障礙物正在遠(yuǎn)離壓路機(jī)時(shí)，控制執(zhí)行模塊不采取任何報(bào)警措施；環(huán)境感知模塊判定移動(dòng)障礙物正在接近壓路機(jī)時(shí)，控制執(zhí)行模塊啟動(dòng)警示系統(tǒng)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

移動(dòng)障礙物進(jìn)入Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，壓路機(jī)處于危險(xiǎn)性狀態(tài)，控制執(zhí)行模塊啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，開始減速，警示系統(tǒng)啟動(dòng)聲光報(bào)警。

移動(dòng)障礙物進(jìn)入Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，壓路機(jī)處于極具危險(xiǎn)性狀態(tài)，控制執(zhí)行模塊啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，壓路機(jī)剎車制動(dòng)并停止，警示系統(tǒng)啟動(dòng)聲光報(bào)警且報(bào)警程度加重。

壓路機(jī)障礙物避讓控制決策如表1所示。

表1 壓路機(jī)障礙物避讓控制決策

3 主動(dòng)防撞系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試

3.1 工程簡(jiǎn)介

為了驗(yàn)證主動(dòng)防撞系統(tǒng)的效果，選取420省道金湖段建設(shè)工程作為試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地。試驗(yàn)段落具體為K6+300到K7+500，試驗(yàn)段無(wú)構(gòu)造物施工，路基連續(xù)性。

3.2 系統(tǒng)安裝調(diào)試

在無(wú)人駕駛壓路機(jī)的前后安裝毫米波雷達(dá)、聲光預(yù)警系統(tǒng)、行系統(tǒng)總組成等硬件設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)的無(wú)人駕駛控制，需要在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)安裝定位基站，且基站周圍無(wú)遮擋，基站覆蓋范圍包括整個(gè)測(cè)試區(qū)域，為保證測(cè)試效果，將車輛定位信號(hào)收發(fā)裝置安裝在車輛頂部。

3.3 效果驗(yàn)證

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)人駕駛壓路機(jī)可以對(duì)移動(dòng)障礙物進(jìn)行識(shí)別，并按照移動(dòng)障礙物避讓控制策略采取應(yīng)對(duì)措施。無(wú)人駕駛壓路機(jī)以10 km/h行走時(shí)，可以對(duì)周圍障礙物進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，且自動(dòng)控制車速并避障，避障精度在80 cm內(nèi)，對(duì)人員識(shí)別聲音警示距離為10 m內(nèi)，緊急情況自動(dòng)減速并預(yù)警距離為2～10 m，緊急停車距障礙物安全距離為0.8～1.5 m。

4 結(jié)論

本文對(duì)無(wú)人駕駛壓路機(jī)環(huán)境感知與主動(dòng)防撞的技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)，形成了障礙物避讓控制決策策略。主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛壓路機(jī)對(duì)移動(dòng)障礙物的智能識(shí)別，做到高精度避障，解決壓路機(jī)無(wú)人駕駛技術(shù)的安全問(wèn)題。