CN108691309A - 一种碾压机自动驾驶系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碾压机自动驾驶系统，包括：碾压机，所述碾压机是无人驾驶系统的载体，所述碾压机上设置有信息感知单元、车载驾驶脑及执行装置、和无线通讯单元，信息感知单元用于获取碾压机的工作状态信息；车载驾驶脑及执行装置一方面对信息感知单元的信息进行处理并发送至远端控制器，一方面车载驾驶脑及执行装置用于实时接收远端控制器发送的指令，控制碾压机完成期望的作业；无线通讯单元用于实现碾压机机载智能控制单元和远端控制器的信息互通；现场施工人员通过远端控制器发送指令控制碾压机进行自动化作业。本发明可以对复杂的多元传感器信息进行融合，解决碾压机信息精确感知的技术难题。

Description

一种碾压机自动驾驶系统

技术领域

本发明涉及土石坝自动化施工领域，尤其涉及一种碾压机自动驾驶系统。

背景技术

在土石坝填筑过程中，坝料碾压密实过程直接影响到大坝的施工质量。土石坝的碾压主要是通过人工驾驶振动碾压机在摊铺好的坝料上以一定施工参数进行碾压来实现。当前对压实过程的控制主要经历了传统控制、数字化控制和智能控制三个阶段。

1、传统压实控制方法：在土石坝碾压施工过程中，首先通过现场的碾压实验来确定碾压参数(如：铺料厚度，碾压遍数，行车速度和碾轮激振力等)，然后通过现场施工组织人员与碾压机驾驶员的配合来对指定碾压面进行施工作业。

2、数字化控制方法：通过现场的碾压实验来确定碾压参数(与传统压实控制方法相同)，然后通过RTK基站、卫星、总控中心和架设在碾压机上的GPS定位设备等实现对碾压机运行参数的实时监控。

3、智能控制方法是目前压实控制领域研究的热点。当前智能压实控制的研究思路主要是在碾压机碾轮上安装加速度传感器、在碾压机上安装GPS等设备，通过对加速度信号的实时分析，得到碾压轨迹上的压实度值。之后将实时压实度值与GPS信息进行集成，生成可视化的碾压仓面的实时压实度云图来指导现场施工人员进行压实作业。

近年来，随着人工智能技术、传感器技术、GPS技术等的快速发展，无人驾驶已经应用到了各行各业，并发挥了巨大作用：在交通领域，无人驾驶技术将提高道路行车安全性，减少交通事故的发生；在矿山开采领域研发了无人驾驶地下铲，提高开采效率，减少井下巷道人工作业的潜在安全风险；在军事领域基于无人驾驶技术的战车在减少士兵伤亡风险的同时极大提高了作战能力。

在水利行业，大型水利工程的相继开工对大坝的施工建设水平提出了更高的要求。传统人工驾驶碾压机容易出现错距不规范、碾压机行车超速、机械利用率不高等无法避免的缺陷。传统控制、数字化控制和智能控制等方法在对压实过程进行控制时都存在一定的滞后。无人驾驶技术用无人驾驶系统替代驾驶员人工操控，可以将碾压机驾驶员从繁重的重复性劳动中解放出来，消除了施工过程中人为因素对大坝施工质量的干扰，有效规范碾压机施工参数，提高施工效率等是一种实时控制方法。

然而在水利行业，由于水利工程存在碾压施工质量要求高、碾压作业精度要求高、碾压作业工况恶劣等特点，业内对无人驾驶技术的研究还比较少，且目前仍处于科研探索阶段。

发明内容

本发明提供了一种碾压机自动驾驶系统，本发明对复杂的多元传感器信息进行融合，解决碾压机信息精确感知的技术难题，详见下文描述：

一种碾压机自动驾驶系统，所述系统包括：碾压机，

所述碾压机是无人驾驶系统的载体，所述碾压机上设置有信息感知单元、车载驾驶脑及执行装置、以及无线通讯单元，

信息感知单元用于获取碾压机的工作状态信息；

车载驾驶脑及执行装置用于对信息感知单元的信息进行处理并发送至远端控制器，还用于实时接收远端控制器发送的指令，控制碾压机完成期望的作业；

无线通讯单元用于实现碾压机的机载智能控制单元和远端控制器的信息互通；现场施工人员通过远端控制器发送指令控制碾压机进行自动化作业。

进一步地，所述工作状态信息包括：碾压机定位坐标、碾压机行驶速度、碾压机振动频率、周围障碍物位置、以及车辆的行驶方向。

其中，所述信息感知单元包括：高精度卫星定位模块、振动频率监测装置、障碍物检测雷达装置、惯性导航、激光测距仪、以及工业相机。

进一步地，所述车载驾驶脑及执行装置对信息感知单元的信息进行处理具体为：

采用多传感器融合技术对信息感知单元的多传感器数据进行融合。

其中，所述多传感器融合技术具体为：

1)测定碾压机行驶速度时，在碾压机的顶部安装高精度三星定位设备，车载驾驶脑及执行装置实时接收碾压机定位坐标并计算得到行驶速度；

2)测定碾压机行驶方向及姿态时，在碾压机的顶部安装惯性导航，车载驾驶脑及执行装置接收碾压机惯性导航数据并计算得到碾压机行驶方向及姿态；

3)测定碾压机周边障碍物时，在碾压机四周分别安装毫米波雷达、激光测距仪、超声波雷达和工业相机，对周围的障碍物进行360°感知，车载驾驶脑及执行装置融合多传感器信息，判断出障碍物的距离、相对速度，并模拟出碾压机工作环境，为碾压机下一步指令提供依据。

具体实现时，所述激光测距仪布置于碾压机前后保险杠上，并向下倾斜20°来感知前方坑洞，一旦发现坑洞及采取停车或绕行的避障措施。

进一步地，所述车载驾驶脑及执行装置用于实时接收远端控制器发来或者人工现场设置的自动导航指令、遥控驾驶信息，与信息感知单元检测的位置、速度、转向角度信息比较，偏差经算法调整后传送至电控方向盘、纵向控制器，控制碾压机完成期望的作业。

其中，控制碾压机完成期望的碾压作业具体为：

1)在原车方向盘的转向柱上加装带有电机驱动的电控方向盘，车载驾驶脑及执行装置计算出方向盘转角，通过CAN总线将控制指令传给电控方向盘实现碾压机的转向；

2)在原车速度控制手柄上加装直流电机和位置传感器，根据位置传感器的AD值判断手柄当前位置，车载驾驶脑及执行装置根据碾压机当前行驶速度计算出所需的手柄位移量，通过纵向控制器控制手柄的前进后退，实现碾压机的速度控制。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明对复杂的多元传感器信息进行融合，解决碾压机信息精确感知的技术难题，提高系统的可靠性和控制精度；

2、本发明可以根据仓面现时碾压情况和仓面环境情况智能决策控制碾压机作业，解决碾压作业过程中碾压机精确控制的难题；

3、本发明可以实现人工驾驶、自动驾驶和远程遥控驾驶的自由切换，提高系统稳定性和安全性；

4、本发明将现场碾压机驾驶员从繁重的重复性劳动中解放出来，节省大量人力；克服人为操作碾压机作业对大坝施工质量的干扰；

5、本发明有助于全面提高土石坝压实作业的施工质量水平，提高了施工效率、加快施工进度；在水利工程施工领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的一种碾压机自动驾驶系统的结构示意图；

图2为本发明提供的信息感知单元的结构示意图；

图3为本发明提供的车载驾驶脑及执行装置的结构示意图；

图4为本发明提供的高精度卫星定位模块的结构示意图；

图5为本发明提供的障碍物检测雷达装置的结构示意图；

图6为本发明提供的控制执行装置的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：碾压机； 2：信息感知单元；

3：车载驾驶脑及执行装置； 4：无线通讯单元；

5：远端控制器； 21：高精度卫星定位模块；

22：振动频率监测装置； 23：障碍物检测雷达装置；

24：惯性导航； 25：激光测距仪；

26：工业相机； 31：智能控制器；

32：控制执行装置；

211：接收机； 212：卫星天线；

213：RTK差分基站； 231：超声波雷达；

232：前后方的毫米波雷达； 233：前后工业相机；

234：激光测距仪； 321：电控方向盘；

322：纵向控制器； 323：碾轮频率控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种碾压机自动驾驶系统，参见图1，该自动驾驶系统包括：碾压机1、信息感知单元2、车载驾驶脑及执行装置3、无线通讯单元4以及远端控制器5。

碾压机1是无人驾驶系统的载体，信息感知单元2、车载驾驶脑及执行装置3、以及无线通讯单元4的数据发送端搭载于碾压机1上；信息感知单元2用于获取碾压机1的工作状态信息；车载驾驶脑及执行装置3一方面对信息感知单元2的信息进行处理并发送至远端控制器5，一方面车载驾驶脑及执行装置3用于实时接收远端控制器5发送的指令，控制碾压机1完成期望的作业；无线通讯单元4用于实现碾压机机载智能控制单元3和远端控制器5的信息互通；现场施工人员可通过远端控制器5发送指令控制整个碾压机自动驾驶系统进行自动化作业。

参见图2，信息感知单元2设置于碾压机1上，包括：高精度卫星定位模块21、振动频率监测装置22、障碍物检测雷达装置23、惯性导航24、激光测距仪25、以及工业相机26。

信息感知单元2的作用是获取碾压机1的工作状态信息。工作状态信息包括：碾压机定位坐标、碾压机行驶速度、碾压机振动频率、周围障碍物位置、以及车辆的行驶方向等。

其中，参见图3，高精度卫星定位模块21主要包括：华测P80接收机211、卫星天线212和现场的RTK差分基站213。

华测P80接收机211通过卫星天线212实时接收卫星所发送的定位数据，与通过RTK差分基站213接收的差分数据进行联合解算，得到厘米级的碾压机高精度定位数据。

其中，振动频率监测装置22由安装在碾轮上的加速度传感器组成，该加速度传感器采集信号的频率大于100HZ，可以捕捉到碾轮的振动信号的二次谐波，用于感知土体的压密实状态。

进一步地，参见图4，障碍物监测雷达装置23包括：布置在碾压机1侧向的超声波雷达231、前后方的毫米波雷达232、布置于碾压机顶的前后工业相机233、以及布置于前后保险杠的激光测距仪234。

超声波雷达231布置于碾压机侧向，用于感知碾压机侧向障碍物；毫米波雷达232用于碾压机前后向的障碍物感知；机顶的前后工业相机233用于识别障碍物类型。

具体实现时，惯性导航24布置于碾压机1的顶部，用于感知碾压机1的行车方向和机身姿态。

参见图5，车载驾驶脑及执行装置3包括：智能控制器31和控制执行装置32，参见图6，控制执行装置32包括：电控方向盘321、纵向控制器322和碾轮频率控制器323。

车载驾驶脑及执行装置3的作用是实时接收远端控制器5发来或者人工现场设置的自动导航指令、遥控驾驶信息，通过电控方向盘321、纵向控制器322和碾轮频率控制器323控制碾压机1完成期望的碾压作业。

车载驾驶脑及执行装置5对信息感知单元2的信息进行处理具体为：采用多传感器融合技术对信息感知单元2的多传感器数据进行融合，即：

1)测定碾压机1的行驶速度时，在碾压机1的顶部安装高精度三星定位设备21，车载驾驶脑及执行装置3实时接收碾压机1的定位坐标并计算得到行驶速度；

2)测定碾压机1的行驶方向及姿态时，在碾压机1的顶部安装惯性导航24，车载驾驶脑及执行装置3接收碾压机1的惯性导航数据并计算得到碾压机1的行驶方向及姿态；

3)测定碾压机1的周边障碍物时，在碾压机1的四周分别安装毫米波雷达232、激光测距仪25和、超声波雷达231和工业相机26，对周围的障碍物进行360°感知，车载驾驶脑及执行装置3融合多传感器信息，判断出障碍物的距离、相对速度等，并模拟出碾压机1的工作环境，为碾压机1的下一步指令提供依据。

特别的，激光测距仪25布置于碾压机1的前后保险杠上，并向下倾斜20°来感知前方坑洞，一旦发现测距数值异常增大即判定发现坑洞，车载驾驶脑及执行装置3控制碾压机1采取停车或绕行等避障措施。

车载驾驶脑及执行装置3控制碾压机1完成期望的作业其采用的技术具体为：

1)在碾压机1的原车方向盘的转向柱上加装带有电机驱动的电控方向盘，车载驾驶脑及执行装置3计算出方向盘转角，通过CAN总线将控制指令传给电控方向盘321实现碾压机1的转向；

2)在原车速度控制手柄上加装直流电机和位置传感器，根据位置传感器的AD值判断手柄当前位置，车载驾驶脑及执行装置3根据碾压机1的当前行驶速度计算出所需的手柄位移量，通过纵向控制器322控制手柄的前进后退，实现碾压机1的速度控制。

参见图1，远端控制器5为设置在施工后方的服务器，依据建设工程三维模型人机交互规划作业区域、导航路线，通过无线通讯单元4接收碾压机1的位置、速度、转向等数据并依据算法处理及储存，向车载驾驶脑及执行装置3发送自动导航数据与指令。

其中，上述指令包括：打火、碾压机运行速度、碾压机振动频率、停车、熄火、前进、以及后退。

参见图1，无线通讯单元4通过无线电通讯的方式实现车载驾驶脑及执行装置3和远端控制器5的双向通讯。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种碾压机自动驾驶系统，所述系统包括：碾压机，其特征在于，

所述碾压机是无人驾驶系统的载体，所述碾压机上设置有信息感知单元、车载驾驶脑及执行装置、以及无线通讯单元，

信息感知单元用于获取碾压机的工作状态信息；

车载驾驶脑及执行装置用于对信息感知单元的信息进行处理并发送至远端控制器，还用于实时接收远端控制器发送的指令，控制碾压机完成期望的作业；

无线通讯单元用于实现碾压机的机载智能控制单元和远端控制器的信息互通；现场施工人员通过远端控制器发送指令控制碾压机进行自动化作业。

2.根据权利要求1所述的一种碾压机自动驾驶系统，其特征在于，所述工作状态信息包括：碾压机定位坐标、碾压机行驶速度、碾压机振动频率、周围障碍物位置、以及车辆的行驶方向。

3.根据权利要求1所述的一种碾压机自动驾驶系统，其特征在于，所述信息感知单元包括：高精度卫星定位模块、振动频率监测装置、障碍物检测雷达装置、惯性导航、激光测距仪、以及工业相机。

4.根据权利要求1所述的一种碾压机自动驾驶系统，其特征在于，所述车载驾驶脑及执行装置对信息感知单元的信息进行处理具体为：

采用多传感器融合技术对信息感知单元的多传感器数据进行融合。

5.根据权利要求4所述的一种碾压机自动驾驶系统，其特征在于，所述多传感器融合技术具体为：

1)测定碾压机行驶速度时，在碾压机的顶部安装高精度三星定位设备，车载驾驶脑及执行装置实时接收碾压机定位坐标并计算得到行驶速度；

2)测定碾压机行驶方向及姿态时，在碾压机的顶部安装惯性导航，车载驾驶脑及执行装置接收碾压机惯性导航数据并计算得到碾压机行驶方向及姿态；

3)测定碾压机周边障碍物时，在碾压机四周分别安装毫米波雷达、激光测距仪、超声波雷达和工业相机，对周围的障碍物进行360°感知，车载驾驶脑及执行装置融合多传感器信息，判断出障碍物的距离、相对速度，并模拟出碾压机工作环境，为碾压机下一步指令提供依据。

6.根据权利要求5所述的一种碾压机自动驾驶系统，其特征在于，

所述激光测距仪布置于碾压机前后保险杠上，并向下倾斜20°来感知前方坑洞，一旦发现坑洞及采取停车或绕行的避障措施。

7.根据权利要求1所述的一种碾压机自动驾驶系统，其特征在于，

所述车载驾驶脑及执行装置用于实时接收远端控制器发来或者人工现场设置的自动导航指令、遥控驾驶信息，与信息感知单元检测的位置、速度、转向角度信息比较，偏差经算法调整后传送至电控方向盘、纵向控制器，控制碾压机完成期望的作业。

8.根据权利要求1或7所述的一种碾压机自动驾驶系统，其特征在于，控制碾压机完成期望的碾压作业具体为：

1)在原车方向盘的转向柱上加装带有电机驱动的电控方向盘，车载驾驶脑及执行装置计算出方向盘转角，通过CAN总线将控制指令传给电控方向盘实现碾压机的转向；

2)在原车速度控制手柄上加装直流电机和位置传感器，根据位置传感器的AD值判断手柄当前位置，车载驾驶脑及执行装置根据碾压机当前行驶速度计算出所需的手柄位移量，通过纵向控制器控制手柄的前进后退，实现碾压机的速度控制。