CN107761701B - 用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机，包括碾压机体、加速度传感器(6)、定位收发装置(7)、数据收发装置(8)以及执行装置机构；所述加速度传感器(6)、定位收发装置(7)以及数据收发装置(8)均设置在碾压机体上；所述无人驾驶智能振动碾压机，还包括振动轮(203)；所述振动轮(203)设置在碾压机体上。与现有技术相比，本发明提供的无人驾驶碾压机具有大幅度减少人工操作，节约劳动力成本，并减小人为因素的不可控性；实现碾压质量检验技术与自动驾驶技术的一体化，在碾压过程中，实时采集碾压质量相关数据及位置信息，根据数据分析结果，对碾压作业各项参数进行修正等优点。

Description

用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机及系统

技术领域

本发明涉及碾压机，具体地，涉及无人驾驶智能振动碾压机及其控制系统，尤其涉及一种用于大规模土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机及系统。

背景技术

在水利水电工程、道路工程、港口工程以及填海工程等大型土木工程建设过程中，土石方碾压是一道非常耗时耗力的工序，每一次铺筑土石方都需要进行碾压，所以碾压贯穿整个施工过程。并且大型土木工程的建设周期较长，一般建设期为3-5年，目前完全靠驾驶员操作振动碾压机进行作业。驾驶振动碾是一项繁重、重复的高强度人工作业，操作枯燥乏味，且碾压质量参差不齐。研究出一台无人驾驶技术与碾压质量监控一体化的智能振动碾压机，并且能真正应用于具体工程中，是水电工程堆石坝碾压施工的紧迫要求。它可以彻底将工人从枯燥、恶劣、繁重的工作环境中解脱出来；并且可以彻底控制碾压机按照设计的碾压参数运行；使大坝建设质量始终处于真实受控状态，提高工作效率，保证工程质量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机及系统。

根据本发明提供的一种用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机，包括碾压机体、加速度传感器、定位收发装置、数据收发装置以及执行装置机构；

所述加速度传感器、定位收发装置以及数据收发装置均设置在碾压机体上；

所述无人驾驶智能振动碾压机，还包括振动轮；

所述振动轮设置在碾压机体上；

优选地，所述振动轮为多个。

优选地，所述执行装置机构包括电动油门、电动制动装置以及电动方向盘；

所述无人驾驶智能振动碾压机，还包括驾驶室；

所述电动油门、电动制动装置以及电动方向盘均设置在驾驶室内；

所述用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机，还包括计算机、路由器以及框架；

所述框架设置在碾压机体的侧部；

所述振动轮设置在框架内；

所述框架构成振动轮的限定位；

所述加速度传感器设置在框架外侧。

本发明还提供了一种上述的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，包括如下任一个或任多个模块；

建模模块：建立施工场地的三维数字模型；

数据处理模块：根据从加速度传感器和定位收发装置得到的数据，得到施工场地上各点的压实度数据；

数据分析模块：获取施工场地上各点的压实度数据并进行分析，获取包括行驶速度和行驶轨迹碾压作业参数；

数据传输模块：将获取的碾压作业参数实时传至驾驶室并控制驾驶室内的电动油门、电动制动装置以及电动方向盘。

优选地，还包括如下任一个或任多个模块；

可视化处理模块：将已获取的施工场地上各点的压实度以云图方式展示在三维数字模型上；

数据库构建模块：获取振动轮的振动参数，根据振动参数，获取压实度和振动轮动力关系，制定施工方案。

优选地，还包括压实度计算步骤；

所述压实度计算步骤包括压实度指标计算步骤：

在压实度指标计算步骤中，

压实度指标由下列公式得到：

CI为压实度指标；

C₀为常数；

A_2f为所述加速度传感器6的基频下的振幅；

A_f为所述加速度传感器6的二阶谐振频率下的振幅。

优选地，所述压实度计算步骤，还包括场地的压实度计算步骤：

在场地的压实度计算步骤中，

所述场地的压实度由下列公式得到：

CD(x,y)＝kCI(x,y)

k为比例系数；

CD为场地土体压实度；

CD(x,y)为场地土体压实度的位置分布函数；

CI(x,y)为压实度指标的位置分布函数；

x为位置分布函数中横向坐标系数；

y为位置分布函数中的纵向坐标系数。

优选地，所述压实度计算步骤，还包括场地的压实度与目标压实度之间差的计算步骤：

在场地土体压实度与目标土体压实度之间差的计算步骤中，

所述场地土体压实度与目标土体压实度之间差由下列公式得到：

DI(x,y)＝CDG-CD(x,y)

DI为场地土体压实度与目标土体压实度之间差；

DI(x,y)为场地土体压实度与目标土体压实度之间差的位置分布函数；

CDG为目标土体压实度；

其中，若DI(x,y)≤0，则表明相应位置土体已经满足压实要求；

若DI(x,y)>0，则说明相应位置土体未达到设定要求。

优选地，数据分析模块：根据施工场地上各点的CD(x,y)和DI(x,y)，分析得到碾压机行驶的预设行驶路径和预设行驶速度；

数据传输模块：将预设行驶路径和预设行驶速度实时传至驾驶室，并控制驾驶室内的电动油门、电动制动装置以及电动方向盘。

优选地，根据权利要求8或9所述的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，将数据分析模块得到的DI(x,y)实时传至驾驶室(201)；

当DI(x,y)≤0时，控制多个无人驾驶智能振动碾压机中的实现相应位置土体满足压实要求的无人驾驶智能振动碾压机的驾驶室内的电动油门、电动制动装置以及电动方向盘，使得该人驾驶智能振动碾压机到达的场地土体压实度的位置分布函数CD(x,y)的相应新的位置上进行重新碾压；

当DI(x,y)>0时，控制多个无人驾驶智能振动碾压机中的任一个无人驾驶智能振动碾压机的驾驶室内的电动油门、电动制动装置以及电动方向盘，使得该无人驾驶智能振动碾压机到达场地土体压实度的位置分布函数CD(x,y)的相应位置上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、与需要驾驶员的碾压机相比，无人驾驶碾压机大大减少了人工操作，节约劳动力成本，并减小人为因素的不可控性。

2、实现碾压质量检验技术与自动驾驶技术的一体化，在碾压过程中，实时采集碾压质量相关数据及位置信息，根据数据分析结果，对碾压作业各项参数进行修正，并自动将各项碾压作业参数传输回正在施工的碾压机，碾压机通过自动驾驶系统执行控制中心指令，由此实现碾压机碾压作业征程的自动化、智能化，提高整体的碾压质量。

3、建立三维模型，实现碾压质量和碾压过程的可视化，可直观观察各台碾压机的实时位置及场地内各点的碾压质量，为碾压机作业过程中的人为干预提供便利；

4、采用无线信号传输技术，将控制系统与碾压机分离，可实现一个控制中心对多台智能碾压机的控制，便于对整个作业区域内的数据进行分析处理，宏观把握碾压过程和碾压质量。

5、无人驾驶碾压机上，保留人工驾驶的执行装置，所以不仅可以实现无人驾驶，还可以通过人工驾驶，且人工驾驶的优先权高于无人驾驶，由此增加了碾压作业的机动性。

6、本发明提供的用于大规模土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统中的数据分析模块用于将施工场地各点的压实度数据分析后得到包括碾压机的行驶速度和行驶轨迹在内的压碾作业参数，并自动将碾压作业参数及时传回至碾压机，实时控制碾压的行驶速度和行驶方向。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的无人驾驶智能振动碾压机控制系统布局的示意图。

图2为本发明提供的无人驾驶智能振动碾压机结构示意图。

图中所示：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机，包括碾压机体、加速度传感器6、定位收发装置7、数据收发装置8以及执行装置机构；所述加速度传感器6、定位收发装置7以及数据收发装置8均设置在碾压机体上；所述无人驾驶智能振动碾压机，还包括振动轮203；所述振动轮203设置在碾压机体上。

所述振动轮203为多个。

所述执行装置机构包括电动油门9、电动制动装置10以及电动方向盘11；所述无人驾驶智能振动碾压机，还包括驾驶室201；所述电动油门9、电动制动装置10以及电动方向盘11均设置在驾驶室201内；所述用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机，还包括计算机4、路由器5以及框架202；所述框架202设置在碾压机体的侧部；所述振动轮203设置在框架202内；所述框架202构成振动轮203的限定位；所述加速度传感器6设置在框架202外侧。

本发明提供了一种上述的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，包括如下任一个或任多个模块；建模模块：建立施工场地的三维数字模型；数据处理模块：根据从加速度传感器6和定位收发装置7得到的数据，得到施工场地上各点的压实度数据；数据分析模块：获取施工场地上各点的压实度数据并进行分析，获取包括行驶速度和行驶轨迹的碾压作业参数；数据传输模块：将获取的碾压作业参数实时传至驾驶室201并控制驾驶室201内的电动油门9、电动制动装置10以及电动方向盘11。

所述的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，还包括如下任一个或任多个模块，可视化处理模块：将已获取的施工场地上各点的压实度以云图方式展示在三维数字模型上；数据库构建模块：获取振动轮203的振动参数，根据振动参数，获取压实度和振动轮动力关系，制定施工方案。

所述压实度与加速度传感器6采集的振动轮203的振动参数有关，通过数据处理模块将振动轮203的时域振动波进行傅利叶变换，得到不同频率下的振动幅值，所述的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，还包括压实度计算步骤；所述压实度计算步骤包括压实度指标计算步骤：在压实度指标计算步骤中，压实度指标由下列公式得到：

CI为压实度指标；

C₀为常数；

A_2f为所述加速度传感器6的基频下的振幅；

A_f为所述加速度传感器6的二阶谐振频率下的振幅。

所述压实度计算步骤，还包括场地的压实度计算步骤：在场地的压实度计算步骤中，所述场地的压实度由下列公式得到：

CD(x,y)＝kCI(x,y)

k为比例系数；

CD为场地土体压实度；

CD(x,y)为场地土体压实度的位置分布函数；

CI(x,y)为压实度指标的位置分布函数；

x为位置分布函数中横向坐标系数；

y为位置分布函数中的纵向坐标系数。

根据定位收发装置7得到不同时刻下碾压机的位置，可得到压实度指标CI的空间分布函数，即压实度指标的位置分布函数CI(x,y),通过比例系数k，可以得到场地土体压实度的位置分布函数，需要说明的是，所述场地土体压实度CD与压实度指标CI呈正比关系。

所述压实度计算步骤，还包括场地的压实度与目标压实度之间差的计算步骤：在场地土体压实度与目标土体压实度之间差的计算步骤中，所述场地土体压实度与目标土体压实度之间差由下列公式得到：

DI(x,y)＝CDG-CD(x,y)

DI为场地土体压实度与目标土体压实度之间差；

DI(x,y)为场地土体压实度与目标土体压实度之间差的位置分布函数；

CDG为目标土体压实度；

其中，若DI(x,y)≤0，则表明相应位置土体已经满足压实要求；

若DI(x,y)>0，则说明相应位置土体未达到设定要求，可根据DI(x,y)的值预测相应位置上需要的碾压次数。

所述数据分析模块：根据施工场地上各点的CD(x,y)和DI(x,y)，分析得到碾压机行驶的预设行驶路径和预设行驶速度；数据传输模块：将预设行驶路径和预设行驶速度实时传至驾驶室201，并控制驾驶室201内的电动油门9、电动制动装置10以及电动方向盘11。

将数据分析模块得到的DI(x,y)实时传至驾驶室201；当DI(x,y)≤0时，控制多个无人驾驶智能振动碾压机中的实现相应位置土体满足压实要求的无人驾驶智能振动碾压机2的驾驶室201内的电动油门9、电动制动装置10以及电动方向盘11，使得该人驾驶智能振动碾压机2到达的场地土体压实度的位置分布函数CD(x,y)的相应新的位置上进行重新碾压；当DI(x,y)>0时，控制多个无人驾驶智能振动碾压机中的任一个无人驾驶智能振动碾压机2的驾驶室201内的电动油门9、电动制动装置10以及电动方向盘11，使得该无人驾驶智能振动碾压机2到达场地土体压实度的位置分布函数CD(x,y)的相应位置上。

所述的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，还包括如下任一个或多个模块；可视化处理模块：将已获取的施工场地上各点的压实度CD(x,y)及DI(x,y)以云图方式展示在三维数字模型上。

具体地，数据分析模块：根据施工场地上各点的土体的压实度的空间分布函数，即，场地土体压实度的位置分布函数CD(x,y)及场地土体压实度与目标土体压实度之间的差，即，DI(x,y)，分析得到碾压机行驶的最优行驶路径和行驶速度，换句话说，分析得到碾压机行驶的预设行驶路径和预设行驶速度。

具体地，数据传输模块：将数据分析模块得出的碾压作业参数，即，预设行驶路径和预设行驶速度实时传至驾驶室201并控制驾驶室201内的电动油门9、电动制动装置10以及电动方向盘11。

数据库构建模块：获取振动轮203的振动参数，根据振动参数，获取压实度和振动轮动力关系，制定施工方案。

下面针对本发明提供的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机及系统的工作原理及步骤进行进一步说明：

首先，根据施工场地1，以下简称场地，的尺寸及预期工期确定所需无人驾驶智能振动碾压机2的数量，在场地的边界位置布设多个(优选的为多于或等于3个)定位系统基站3。在无人驾驶智能振动碾压机2的框架202上安装加速度传感器6，在无人驾驶智能振动碾压机2工作时，加速度传感器6会实时监测振动轮203的振动情况，并将数据通过第一数据线12传送至安装在驾驶室201中的数据收发装置8中。在驾驶室201上部安装有定位收发装置7，所述定位收发装置7将信号发送至各个定位系统基站3中，并得到定位系统基站3返回的反馈信号，通过数据线16将接收到的信号数据传送到数据收发装置8中。

利用路由器5建立可以覆盖整个施工场地1及笔记本电脑的无线局域网络，数据收发装置8将从加速度传感器6和定位收发装置7接收的信号通过路由器5建立的无线网络传送至计算机4，优选的为笔记本电脑。

利用笔记本电脑中的建模程序建立施工场地1的实时三维数字模型，利用笔记本电脑中的数据处理程序处理从加速度传感器6和定位收发装置7测得的数据，通过定位收发装置7的信号数据得到无人驾驶智能振动碾压机2的振动轮203在施工场地1中的位置坐标，再通过加速度传感器6的数据得到无人驾驶智能振动碾压机2的振动轮203所在位置的实时压实度，判断场地是否满足压实要求；利用笔记本电脑中的可视化处理程序，将场地中各点的压实情况通过云图的形式反映在三维数字模型上。利用笔记本电脑中的数据分析程序，分析数据处理程序给出的场地上各点的压实情况，给出包括无人驾驶智能振动碾压机2的行驶速度、行驶路线等参数在内的碾压参数，并自动将碾压参数通过路由器5构建的无线网络传输至无人驾驶智能振动碾压机2的驾驶室201中的数据收发装置8中。

由驾驶室201中的数据收发装置8通过第二数据线13将行驶速度参数传送至电动油门9中，以控制无人驾驶智能振动碾压机2的行驶速度；由驾驶室201中的数据收发装置8通过第四数据线15将行驶路线参数传送至电动方向盘11中，以控制无人驾驶智能振动碾压机2的行驶方向；在遇到紧急情况时，由驾驶室201中的数据收发装置8通过第三数据线14将行驶路线参数传送至电动制动装置10中，以控制无人驾驶智能振动碾压机2的紧急制动。

通过笔记本电脑中具有自学习能力的程序，积累每台无人驾驶智能振动碾压机2传回的加速度传感器6记录的碾压参数，构建碾压参数数据库，从而使笔记本电脑中的分析程序给出更加合理的碾压方案，实现智能碾压。

笔记本电脑可同时对场地上工作的多台无人驾驶智能振动碾压机2的数据进行分析处理，综合给出每台无人驾驶智能振动碾压机2的行驶速度和行驶路线，使各个无人驾驶智能振动碾压机2发挥最大效率，并不会发生碰撞，在安全的前提下，缩短施工工期。

需要说明的是，上述只为本发明的其中一种实施例，所述数据收发装置8可以设置在驾驶室201内或者驾驶室201外部，均在本发明的保护范围内。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，其特征在于，包括如下任一个或任多个模块；

建模模块：建立施工场地的三维数字模型；

数据处理模块：根据从加速度传感器(6)和定位收发装置(7)得到的数据，得到施工场地上各点的压实度数据；

数据分析模块：获取施工场地上各点的压实度数据并进行分析，获取包括行驶速度和行驶轨迹的碾压作业参数；

数据传输模块：将获取的碾压作业参数实时传至驾驶室(201)并控制驾驶室(201)内的电动油门(9)、电动制动装置(10)以及电动方向盘(11)；

还包括如下任一个或任多个模块；

可视化处理模块：将已获取的施工场地上各点的压实度以云图方式展示在三维数字模型上；

数据库构建模块：获取振动轮(203)的振动参数，根据振动参数，获取压实度和振动轮动力关系，制定施工方案；

所述用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机，包括碾压机体、加速度传感器(6)、定位收发装置(7)、数据收发装置(8)以及执行装置机构；

所述加速度传感器(6)、定位收发装置(7)以及数据收发装置(8)均设置在碾压机体上；

所述无人驾驶智能振动碾压机，还包括振动轮(203)；

所述振动轮(203)设置在碾压机体上；

所述振动轮(203)为多个；

所述执行装置机构包括电动油门(9)、电动制动装置(10)以及电动方向盘(11)；

所述无人驾驶智能振动碾压机，还包括驾驶室(201)；

所述电动油门(9)、电动制动装置(10)以及电动方向盘(11)均设置在驾驶室(201)内；

所述用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机，还包括计算机(4)、路由器(5)以及框架(202)；

所述框架(202)设置在碾压机体的侧部；

所述振动轮(203)设置在框架(202)内；

所述框架(202)构成振动轮(203)的限定位；

所述加速度传感器(6)设置在框架(202)外侧；

所述数据分析模块：根据施工场地上各点的CD(x,y)和DI(x,y)，分析得到碾压机行驶的预设行驶路径和预设行驶速度，x为位置分布函数中横向坐标系数，y为位置分布函数中的纵向坐标系数，CD(x,y)为场地土体压实度的位置分布函数，DI(x,y)为场地土体压实度与目标土体压实度之间差的位置分布函数；

所述数据传输模块：将预设行驶路径和预设行驶速度实时传至驾驶室(201)，并控制驾驶室(201)内的电动油门(9)、电动制动装置(10)以及电动方向盘(11)。

2.根据权利要求1所述的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，其特征在于，还包括压实度计算步骤；

所述压实度计算步骤包括压实度指标计算步骤：

在压实度指标计算步骤中，

压实度指标由下列公式得到：

CI为压实度指标；

C₀为常数；

A_2f为所述加速度传感器(6)的基频下的振幅；

A_f为所述加速度传感器(6)的二阶谐振频率下的振幅。

3.根据权利要求2所述的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，其特征在于，所述压实度计算步骤，还包括场地的压实度计算步骤：

在场地的压实度计算步骤中，

所述场地的压实度由下列公式得到：

CD(x,y)＝kCI(x,y)

k为比例系数；CD为场地土体压实度；

CI(x,y)为压实度指标的位置分布函数。

4.根据权利要求3所述的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，其特征在于，所述压实度计算步骤，还包括场地的压实度与目标压实度之间差的计算步骤：

在场地土体压实度与目标土体压实度之间差的计算步骤中，

所述场地土体压实度与目标土体压实度之间差由下列公式得到：

DI(x,y)＝CDG-CD(x,y)

DI为场地土体压实度与目标土体压实度之间差；

CDG为目标土体压实度；

其中，当DI(x,y)≤0时，表明相应位置土体已经满足压实要求；

当DI(x,y)＞0时，说明相应位置土体未达到设定要求。

5.根据权利要求4所述的用于土石方碾压的无人驾驶智能振动碾压机的控制系统，将数据分析模块得到的DI(x,y)实时传至驾驶室(201)；

当DI(x,y)≤0时，控制多个无人驾驶智能振动碾压机中的实现相应位置土体满足压实要求的无人驾驶智能振动碾压机(2)的驾驶室(201)内的电动油门(9)、电动制动装置(10)以及电动方向盘(11)，使得该无人驾驶智能振动碾压机(2)到达的场地土体压实度的位置分布函数CD(x,y)的相应新的位置上进行重新碾压；

当DI(x,y)＞0时，控制多个无人驾驶智能振动碾压机中的任一个无人驾驶智能振动碾压机(2)的驾驶室(201)内的电动油门(9)、电动制动装置(10)以及电动方向盘(11)，使得该无人驾驶智能振动碾压机(2)到达场地土体压实度的位置分布函数CD(x,y)的相应位置上。

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