基于GNSS高精度定位技術(shù)的壓路機(jī)無人駕駛控制系統(tǒng)研究

摘要 文章根據(jù)壓路機(jī)自身的特點(diǎn)，結(jié)合碾壓作業(yè)的過程，首先研究了無人駕駛壓路機(jī)控制系統(tǒng)，形成了無人駕駛控制系統(tǒng)框架，開發(fā)了適用于無人駕駛壓路機(jī)的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航補(bǔ)償系統(tǒng)；然后針對施工安全，研發(fā)了壓路機(jī)主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)，并根據(jù)不同情況下的作業(yè)情況，以壓路機(jī)為中心將施工區(qū)域劃分為不同風(fēng)險(xiǎn)等級；最后根據(jù)分析等級，制定了作業(yè)區(qū)內(nèi)移動(dòng)障礙物的避讓控制策略，保障壓路機(jī)無人作業(yè)時(shí)的安全。

關(guān)鍵詞 無人駕駛；自動(dòng)化作業(yè)；高精度定位；壓路機(jī)

中圖分類號 U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0065-03

0 引言

在無人施工機(jī)械領(lǐng)域，歐美發(fā)展較早、技術(shù)較為成熟，國外頂尖廠商有小松、卡特彼勒等[1]。1995年，小松開發(fā)出遙控距離達(dá)1.8 km的推土機(jī)，可通過通信衛(wèi)星進(jìn)行管理控制，編制遠(yuǎn)程土方作業(yè)系統(tǒng)，曾應(yīng)用于清除富根火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山巖[2]。美國卡特彼勒公司在2002年申請了關(guān)于基于示教再現(xiàn)的自動(dòng)裝載技術(shù)專利，利用控制器發(fā)送信號觸發(fā)挖掘機(jī)進(jìn)入示教或再現(xiàn)模式[3]。國內(nèi)對工程機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)的研究起步相對較晚，總體發(fā)展水平也落后于歐美發(fā)達(dá)國家。國內(nèi)的研究單位主要有清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司、三一集團(tuán)有限公司等機(jī)構(gòu)[4]。早在2002年，國內(nèi)就出現(xiàn)了第一款W102DZ型高性能無人駕駛振動(dòng)壓路機(jī)，基本實(shí)現(xiàn)了壓路機(jī)上電、點(diǎn)火、啟動(dòng)和熄火的遠(yuǎn)程控制，以及行駛速度調(diào)節(jié)、倒車和轉(zhuǎn)向的人工遙控。但是，整體上無人駕駛壓路機(jī)的應(yīng)用，還未形成成套的改造流程和施工工藝，施工期的安全問題也一直備受關(guān)注[5]。

1 無人駕駛控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 壓路機(jī)無人駕駛工作原理

無人駕駛壓路機(jī)是綜合利用高精度GNSS定位技術(shù)、障礙物識別技術(shù)，在壓路機(jī)上安裝衛(wèi)星接收機(jī)、微波通信主機(jī)、電臺信號接收天線；在行車/倒車系統(tǒng)上安裝自動(dòng)控制裝置，在油路系統(tǒng)上設(shè)置油路自動(dòng)控制裝置；在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上設(shè)置轉(zhuǎn)向控制電機(jī)和電磁閥裝置等，通過工業(yè)計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置的處理器、程序軟件、交換機(jī)等組件實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)自動(dòng)按照既定的行駛軌跡、轉(zhuǎn)向、變道、速度、遍數(shù)等，完成各類作業(yè)任務(wù)，達(dá)到壓路機(jī)無人施工的效果。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)無人駕駛壓路機(jī)工作原理，無人控制系統(tǒng)包含環(huán)境感知模塊、決策規(guī)劃模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊等三部分，圖1為壓路機(jī)無人駕駛系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖：

環(huán)境感知模塊主要作用是利用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)獲取并處理壓路機(jī)周圍的環(huán)境信息，為無人駕駛系統(tǒng)提供施工環(huán)境的關(guān)鍵信息。

決策規(guī)劃模塊主要作用是綜合施工環(huán)境信息及壓路機(jī)車身信息，對壓路機(jī)的行為進(jìn)行決策，同時(shí)根據(jù)碾壓施工工藝進(jìn)行碾壓路徑規(guī)劃，為運(yùn)動(dòng)控制模塊控制壓路機(jī)提供指導(dǎo)。

運(yùn)動(dòng)控制模塊主要作用是接收決策規(guī)劃模塊的指令并控制車輛響應(yīng)，保證控制精度，對壓路機(jī)目標(biāo)碾壓速度、碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、振頻、振幅等進(jìn)行控制。

2 路徑規(guī)劃與導(dǎo)航補(bǔ)償系統(tǒng)研究

2.1 壓路機(jī)施工路徑規(guī)劃方法

無人駕駛壓路機(jī)在無人碾壓作業(yè)時(shí)的路徑規(guī)劃，是影響整體碾壓作業(yè)質(zhì)量和施工精度的重要因素。一般路基施工段落近似矩形，其邊界相對規(guī)則，將其定義為簡單邊界，采用幾何算法最為有效，通過RTK測量施工區(qū)域四個(gè)轉(zhuǎn)角點(diǎn)的坐標(biāo)，以獲得壓路機(jī)作業(yè)區(qū)的邊界圍欄，并將作業(yè)區(qū)劃分為多個(gè)并行的碾壓道，壓路機(jī)在任一碾壓道的起始端和終止端之間按預(yù)設(shè)的碾壓遍數(shù)行駛，控制壓路機(jī)的施工路徑。

2.2 路徑導(dǎo)航補(bǔ)償系統(tǒng)

壓路機(jī)作業(yè)過程中，工作面狀況惡劣時(shí)將引起車身傾斜、振動(dòng)，導(dǎo)致GNSS定位位置與車身實(shí)際位置存在偏移，影響作業(yè)精度。由于壓路機(jī)為鉸接轉(zhuǎn)向形式，在壓路機(jī)作業(yè)路徑跟蹤控制的過程中，可利用角度編碼器采集鋼輪與車身之間的轉(zhuǎn)角信息，以檢測車身位姿。在振動(dòng)鋼輪一側(cè)安裝傾角傳感器，采集車身傾斜導(dǎo)致的GNSS定位位置與車身實(shí)際位置的偏移。由此，形成壓路機(jī)的行駛矯正信息，從而可根據(jù)矯正信息調(diào)整壓路機(jī)的行駛控制指令。

根據(jù)以上原理，路徑導(dǎo)航補(bǔ)償系統(tǒng)主要由控制器、導(dǎo)航系統(tǒng)、角度編碼器以及傾角傳感器組成。其中，控制器與導(dǎo)航系統(tǒng)、角度編碼器以及傾角傳感器采用通信連接，角度編碼器設(shè)置于壓路機(jī)車身與鋼輪的鉸接點(diǎn)、傾角傳感器設(shè)置于壓路機(jī)鋼輪的一側(cè)。若鋼輪與車身的夾角超過閾值，即夾角差值不滿足預(yù)設(shè)夾角的差值范圍，則表示壓路機(jī)轉(zhuǎn)向角度過大或者過小，則需要對壓路機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)；若傾斜角超過閾值，即傾斜差值不滿足預(yù)設(shè)傾斜的差值范圍時(shí)，則表示壓路機(jī)鋼輪偏離原始預(yù)設(shè)的碾壓軌跡，需要對壓路機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)。

3 環(huán)境感知與主動(dòng)防撞系統(tǒng)研究

無人駕駛壓路機(jī)最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了路基碾壓的無人化施工，避免了人為因素對施工質(zhì)量的影響，可在夜間施工，能夠有效縮短工期。由于壓路機(jī)處于無人控制狀態(tài)，遇到緊急情況無法模仿駕駛?cè)藛T采取多方面的緊急措施，因此無人駕駛壓路機(jī)的施工安全是必須解決的問題。一般情況下壓路機(jī)在碾壓過程中，施工工作面不會出現(xiàn)固定障礙物，只有可以移動(dòng)的生命體障礙物，如施工人員、施工區(qū)域過往的人員、附近村鎮(zhèn)的牲畜等，因此環(huán)境感知與主動(dòng)防撞系統(tǒng)需要對移動(dòng)障礙物進(jìn)行智能識別并進(jìn)行避讓。路基在碾壓過程中的行駛受碾壓工藝的控制，有固定的軌跡和遍數(shù)，遇到移動(dòng)障礙物，不能選擇繞行，否則會造成其他區(qū)域的過壓，或者正常施工路線的漏壓，造成施工質(zhì)量存在缺陷。因此無人駕駛壓路機(jī)只能采取制動(dòng)措施，等到移動(dòng)障礙物離開或遠(yuǎn)離后，才能重新啟動(dòng)，繼續(xù)工作。由于壓路機(jī)自重較大，如果在路基工作面上采取緊急制動(dòng)措施，會造成路基填土擁集，導(dǎo)致碾壓后的路基出現(xiàn)波浪，因此無人駕駛壓路機(jī)在遇到移動(dòng)障礙物時(shí)應(yīng)有反應(yīng)區(qū)域，使壓路機(jī)平穩(wěn)減速，直到在障礙物前方一定距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動(dòng)。

3.1 環(huán)境感知與主動(dòng)防撞系統(tǒng)組成

無人駕駛壓路機(jī)環(huán)境感知與主動(dòng)防撞系統(tǒng)主要有環(huán)境感知模塊、控制參數(shù)模塊、控制執(zhí)行模塊等組成，每個(gè)模塊具有不同功能，各個(gè)模塊共同工作實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)的主動(dòng)防撞。環(huán)境感知模塊對自車及移動(dòng)障礙物進(jìn)行探測，將得到的信息通過CAN總線傳送至控制參數(shù)模塊；控制參數(shù)模塊根據(jù)得到的信息進(jìn)行危險(xiǎn)判斷，并將相應(yīng)的控制指令通過CAN總線傳送至控制執(zhí)行模塊；控制執(zhí)行模塊實(shí)行報(bào)警、制動(dòng)等控制動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)的安全施工。環(huán)境感知與主動(dòng)防撞系統(tǒng)組成部分如圖2所示：

圖2 環(huán)境感知與主動(dòng)防撞系統(tǒng)

（1）環(huán)境感知模塊

環(huán)境感知模塊主要通過目標(biāo)探測傳感器對目標(biāo)進(jìn)行探測，得到壓路機(jī)與障礙物的相對位置、相對速度及相對方位等信息；利用壓路機(jī)的各種傳感器對壓路機(jī)的速度、加速度及轉(zhuǎn)向角進(jìn)行探測，從而為控制參數(shù)模塊提供決策信息。

（2）控制參數(shù)模塊

控制參數(shù)模塊依據(jù)環(huán)境感知模塊采集的信息，進(jìn)行壓路機(jī)行駛危險(xiǎn)性的辨別，根據(jù)設(shè)定的安全距離模型，判斷當(dāng)前壓路機(jī)是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)，并根據(jù)移動(dòng)障礙物靠近壓路機(jī)范圍的不同，將不同程度的報(bào)警信號及執(zhí)行信號傳送至控制執(zhí)行模塊。

（3）控制執(zhí)行模塊

在壓路機(jī)行駛的過程中，如果遇到移動(dòng)障礙物，系統(tǒng)通過聲光報(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，或者將牲畜驅(qū)離壓路機(jī)；當(dāng)檢測到移動(dòng)障礙物靠近壓路機(jī)時(shí)，系統(tǒng)則通過控制執(zhí)行模塊，采取減速、制動(dòng)等措施。

3.2 障礙物避讓控制決策

壓路機(jī)在獲取環(huán)境信息后，如果在行駛路徑上判定存在移動(dòng)障礙物，則將觸發(fā)停車等待，不應(yīng)進(jìn)行障礙物規(guī)避，這是為保證壓實(shí)效果而必須按規(guī)劃路徑行駛，如進(jìn)行避障將無法保證碾壓效果。壓路機(jī)必須等移動(dòng)障礙物離開后，方可繼續(xù)前進(jìn)。因此，合理制定安全控制策略，可以提高壓路機(jī)的施工效率、安全性及可靠性。該文根據(jù)移動(dòng)障礙物與壓路機(jī)的相對速度、位置、方位，制定了相應(yīng)的避讓控制策略。

（1）壓路機(jī)施工區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

壓路機(jī)施工區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級劃分是避讓控制策略的核心，由于壓路機(jī)運(yùn)行環(huán)境較為單一，可將壓路機(jī)的中心點(diǎn)作為施工安全區(qū)域劃分的參考點(diǎn)。將距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)小于2 m的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級設(shè)定為Ⅰ級，將處在碾壓路徑上、距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)在2～10 m之間的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級設(shè)定為Ⅱ級，將碾壓路徑區(qū)域以外、距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)在2～10 m之間的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級設(shè)定為Ⅲ級，將距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)大于10 m的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級設(shè)定為Ⅳ級。

（2）移動(dòng)障礙物避讓控制策略

移動(dòng)障礙物避讓控制策略如表1所示。

當(dāng)移動(dòng)障礙物進(jìn)入Ⅳ級風(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。

當(dāng)移動(dòng)障礙物進(jìn)入Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，壓路機(jī)處于相對安全狀態(tài)。如果環(huán)境感知模塊判定移動(dòng)障礙物遠(yuǎn)離壓路機(jī)，則控制執(zhí)行模塊不采取報(bào)警措施；如果環(huán)境感知模塊判定移動(dòng)障礙物正在接近壓路機(jī)，則控制執(zhí)行模塊啟動(dòng)警示系統(tǒng)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

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

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

4 結(jié)論

該文主要研究了壓路機(jī)無人駕駛控制系統(tǒng)，形成了無人駕駛控制系統(tǒng)框架，開發(fā)了適用于無人駕駛壓路機(jī)的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航補(bǔ)償系統(tǒng)，針對施工安全研發(fā)了壓路機(jī)環(huán)境感知與主動(dòng)防撞系統(tǒng)，得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)路基施工段落平面特征，提出了無人駕駛壓路機(jī)碾壓作業(yè)的路徑規(guī)劃要求，基于壓路機(jī)的往復(fù)碾壓、變道、疊輪等施工特點(diǎn)，形成了全覆蓋的路徑規(guī)劃方法。

（2）針對壓路機(jī)車身傾斜、振動(dòng)導(dǎo)致的作業(yè)精度誤差，利用GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)、角度編碼器、傾角傳感器設(shè)計(jì)了路徑導(dǎo)航補(bǔ)償系統(tǒng)，提高了壓路機(jī)的作業(yè)精度。

（3）針對壓路機(jī)無人駕駛安全問題，將施工區(qū)域劃分為四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級，并開發(fā)了壓路機(jī)環(huán)境感知與主動(dòng)防撞系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)障礙物的智能識別，并根據(jù)障礙物所處風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的不同等級，制定了相應(yīng)的避讓控制策略。

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