CN108897311A - 一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，采用集中式架构实现碾压机单机之间的信息共享与协同作业，包括碾压机集群、机载馈控装置、远端控制装置、基站、应用服务器装置、数据库服务器装置；所述碾压机集群包含若干台碾压机，搭载于碾压机单机上的机载馈控装置通过基站和应用服务器装置向远端控制装置发送碾压机单机信息。实现碾压机集群协同自动化流水化作业，提供遍数控制和压实度控制两种作业模式；实现压实度的高精度预测，通过定位补偿算法实现碾压机的高精度定位，通过图像识别技术和雷达避障技术对障碍物协同避障，实现施工作业信息的三维模型和增强现实展示提高系统交互性，可以实现自动驾驶和远程遥控驾驶自由切换。
Description
技术领域
本发明属于土石坝自动化施工机械设备领域，具体涉及一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统。
背景技术
在土石坝施工过程中，压实度是衡量施工质量的重要标准。土石坝的压实过程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压实控制、数字化压实控制和智能压实控制三个阶段。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。数字化压实控制方法：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)，然后通过在碾压机上架设GPS定位设备，RTK基站、卫星、总控中心等实现对碾压机运行参数的实时监控。智能压实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面压实度云图来指导现场施工人员进行压实作业。
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。上述压实过程控制方法只能在人工碾压之后对压实过程产生的质量问题进行事后补救，没有从源头上对压实过程进行控制。
近年来，随着科学技术的快速发展，无人驾驶技术已成为当前研究的热点。目前对无人驾驶应用场景的研究主要集中在车辆在道路环境下的无人驾驶。然而由于道路条件复杂，且一旦出现故障会对人民财产损失造成重大伤害，目前的道路交通领域的无人驾驶技术仍处于实验阶段，还没有大规模投入使用。在一些其他领域，列入农机的无人驾驶，由于农机的行车环境没有道路那么复杂，且发生故障也不会对人民生命财产造成巨大伤害，因此应用于农机的无人驾驶技术正在蓬勃发展且已有一些研究投入了实际使用。
受此启发，在水利行业中，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。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。而且水利工程施工作业仓面行车区域更为开阔且人流量较少，使得无人驾驶技术在短期内替代人工驾驶碾压机自动作业成为可能。然而国外目前还没有对水利工程施工中的碾压机无人驾驶技术的相关研究，国内对于碾压机无人驾驶技术的研究也刚刚起步。当前的研究只是针对于单仓面的实验性研究，没有考虑施工过程连续性的特点，很多仍处于科研试验阶段，目前还没有针对于水利工程施工的应用级成熟无人驾驶筑坝技术。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种适用于土石坝碾压作业施工的碾压机集群无人驾驶筑坝系统。该系统实现碾压机集群协同自动化流水化作业，提供遍数控制和压实度控制两种作业模式，实现压实度的高精度预测，通过定位补偿算法实现碾压机的高精度定位，通过图像识别技术和雷达避障技术对障碍物协同避障，实现施工作业信息的三维模型和增强现实展示提高系统交互性，实现自动驾驶和远程遥控驾驶自由切换。
本发明提供的技术方案如下：一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，采用集中式架构实现碾压机单机之间的信息共享与协同作业，包括碾压机集群、机载馈控装置、远端控制装置、基站、应用服务器装置、数据库服务器装置；所述碾压机集群包含若干台碾压机，搭载于碾压机单机上的机载馈控装置通过基站和应用服务器装置向远端控制装置发送碾压机单机信息；
所述远端控制装置对多台碾压机单机信息进行集中处理并由系统操作人员操作向碾压机单机上的机载馈控装置发送控制指令；碾压机单机上的机载馈控装置按照接收到的指令控制碾压机单机进行自动化施工作业；
所述机载馈控装置用于对碾压机单机的位姿信息、仓面施工作业信息和周围障碍物探测信息的采集和处理、通过数据传输装置向外界发送信息和接收控制指令、控制碾压机单机按控制指令进行碾压作业，包含：感知类装置、控制类装置、数据处理装置、数据传输装置和机载设备运行情况检测装置；
所述感知类装置包括：RTK-GPS、惯性导航传感器、毫米波雷达、64线激光雷达、前后摄像头、加速度传感器；
所述控制类装置包括：自动打火装置、航向控制装置、纵向控制装置、碾轮振动频率控制装置；
所述数据处理装置是内嵌包括坐标补偿算法、快速傅里叶变换算法FFT、图像识别算法和避障信息融合算法和机载设备运行情况检测系统高性能工控机；
所述数据传输装置为DTU无线数传用于实现碾压机单机与基站之间的数据通信；
所述基站由差分基准站、电台和DTU无线数传组成，用于向碾压机上的GPS发送差分信号，基站同时用于接收碾压机单机发送的单机信息并发送应用服务器装置；
所述应用服务器装置由服务器主机和内置的控制系统服务端组成，用于通过网络接收基站接收的各碾压机单机信息进行集成，一份发送远端控制装置一份发送数据库服务器装置备存；
所述数据库服务器装置由服务器主机和内置的数据库系统组成，用于数据存取；
所述远端控制装置由高清摄像机、三轴陀螺仪、PC机和运行在PC上的控制系统客户端组成；
所述运行在PC上的控制系统客户端是碾压机集群无人驾驶筑坝系统功能的表现层，同时允许多个系统操作人员通过操作控制系统客户端实现整套系统的无人驾驶自动化作业。
所述碾压机单机的位姿信息具体为：碾压机位置信息、碾压机速度信息、碾压机姿态信息，碾压机位姿信息由布置于碾压机顶的RTK-GPS、惯性导航传感器得到；其中RTK-GPS通过卫星信号与差分信号联合解算可得到碾压机顶的位置信息和碾压机的速度信息；惯性导航传感器可以得到碾压机姿态信息，包括碾压机航向和碾压机机身倾斜角度。
所述发送的单机信息包括：碾轮底部坐标、碾压机碾轮处的CV值、障碍物类型、距离和轮廓信息和机载设备运行情况信息。
所述碾压机单机接收到的控制指令包括：打火、碾压机行车规划路径、碾压机运行速度、碾压机振动频率、停车、熄火、前进、后退。
所述碾压机单机运行仓面施工作业信息具体为：碾轮振动信号，碾轮振动信号由布置于碾压机碾轮中轴上的加速度传感器来获得，该信号的具体形式为碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列。
所述碾压机单机周围障碍物探测信息具体为：前后实时视频画面、64线激光雷达扫描信息、毫米波雷达探测信息；前后实时视频画面由布置于碾压机前后方的两个高清摄像机得到；64线激光雷达扫描信息由布置于碾压机顶中心位置的64线激光雷达得到；毫米波雷达探测信息由布置于碾压机前后方的多个毫米波雷达传感器得到。
所述数据处理装置对碾压机单机的位姿信息、碾压机单机运行仓面施工作业信息和碾压机单机周围障碍物探测信息进行数据处理得到碾压机的碾轮底部坐标、碾压机碾轮处的CV值、障碍物类型、距离和轮廓信息：
所述碾压机的碾轮底部坐标是由碾压机顶的位置信息、碾压机机身倾斜角度和碾压机几何尺寸通过坐标补偿算法计算得到，坐标补偿算法为：通过已知碾压机尺寸和横向纵向倾斜角度，由三角函数计算得到GPS定位的横向和纵向补偿误差，通过GPS定位值减去补偿误差得到碾轮底部与压实土石料接触面的厘米级高精度定位坐标；
所述碾压机碾轮处的CV值计算方法为：由加速度传感器所得到的碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列以1S为时间窗通过快速傅里叶变换算法(FFT)得到加速度信号的频谱分析图，由二阶幅值与基幅之比乘以一个固定值500作为CV值；
所述障碍物类型、位置和轮廓信息的解析方法为：图像识别算法对前后实时视频画面进行处理，将识别结果与64线激光雷达扫描信息和毫米波雷达探测信息输入避障信息融合算法，得到障碍物的类型、位置信息，机载控制器根据障碍物信息触发停车避障指令。
所述数据处理装置通过机载设备运行情况检测系统检测各机载设备发送数据格式是否异常和碾压机运行情况与控制指令的偏差实现对机载设备运行情况的监测，得到碾压机单机包括油量信息的机载设备运行情况信息。
所述控制系统客户端给系统控制人员提供四种权限：
一级权限：用户实现包括仓面边界测量数据及碾压参数录入、加油点测量数据录入及修改、转场道路测量数据录入、碾压机派遣、碾压遍数控制和压实度控制两种模式选择、自动路径规划、开仓关仓、实时生成图形报告、实时三维场景漫游、虚拟现实漫游、系统紧急暂停；
二级权限：用户实现包括生成图形报告、实时三维场景漫游、虚拟现实漫游；
三级权限：用户实现包括实时三维场景漫游、虚拟现实漫游；
特殊权限：用户实现单台碾压机的：人工修正规划路径、碾压参数调整、无人碾压机单机遥控。
所述自动打火装置：用于接收自动打火、自动熄火指令，装置内置的控制器将指令转化为电信号控制舵机带动钥匙旋转，实现碾压机单机的自动打火、自动熄火；
所述航向控制装置：用于接收碾压机行车规划路径，计算规划路径与当前碾压机位置的差值通过内置的PID控制器将偏差转化为电信号，通过机械结构控制碾压机方向盘旋转调姿，实现碾压机单机自动转向，保证碾压机单机沿着规划路径行进；
所述纵向控制装置：用于接收碾压机运行速度、前进、后退、停车指令，计算当前碾压机速度与指令的偏差通过内置的PID控制器将偏差转化为电信号，通过该装置的机械臂推拉碾压机档杆，实现碾压机单机的纵向控制，执行相应指令；
所述碾轮振动频率控制装置：用于接收碾压机振动频率指令，内置控制器将指令转化为电信号，控制碾压机单机碾轮内带动偏心轮旋转的电机的转速，实现碾压机单机碾轮振动频率的自由调节。
有益效果：
1、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，从而能够节省大量人力。
2、通过无人振动碾压机自动化作业克服人为操作碾压机作业人为因素对大坝施工质量的干扰，全面提高水利工程施工中碾压作业的施工质量水平。
3、本发明能够通过自动化施工作业提高施工效率加快施工进度。
4、本发明提出的振动碾压机无人驾驶系统通过机械控制模块模拟人工驾驶的操作过程，通过机械装置对碾压机进行控制，该方式不直接破坏碾压机原有机械及电路是的系统稳定性更强且不受碾压机型号限制。
5、本发明能够进行压实度预测，能够对作业仓面的压实度进行实时分析，有利于现场人员实时准确把控仓面施工情况。
6、本发明可以根据仓面实时压实度动态调整碾压机作业路径，作业路径的压实度控制相较于传统的固定遍数控制避免不必要的碾压作业，极大提高了振动碾压机无人驾驶系统碾压作业的施工效率。
7、本发明通过定位补偿算法可以实现碾压机的高精度定位，进而提高碾压机路径追踪精度。
8、该系统可实现碾压机集群协同自动化流水化作业，提高施工效率。
9、施工作业信息的三维模型和增强现实展示提高系统交互性。
10、图像识别技术和雷达避障技术对障碍物协同避障安全性更高。
11、自动驾驶、遥控驾驶人工驾驶自由切换，提高了振动碾压机无人驾驶系统的灵活性。
附图说明
图1为碾压机集群无人驾驶筑坝系统构架图；
图2为三维模型下的碾压机集群无人驾驶筑坝系统控制客户端界面图；
图3为增强现实模式下的碾压机集群无人驾驶筑坝系统控制客户端界面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，碾压机集群无人驾驶筑坝系统包括：碾压机集群1、机载馈控装置2、远端控制装置3、基站4、应用服务器装置5、数据库服务器装置6。
碾压机集群无人驾驶筑坝系统采用集中式架构实现碾压机单机之间的信息共享与协同作业。具体的：碾压机单机上的机载馈控装置2通过基站4和应用服务器装置5向远端控制装置3发送单机信息；远端控制装置3对多台单机信息进行集中处理并由系统操作人员操作向单机机载馈控装置2发送控制指令；单机上的机载馈控装置2按照接收到的指令控制碾压机单机进行自动化施工作业。
碾压机集群1包含3台无人碾压机，碾压机单机上各搭载一套机载馈控装置2。机载馈控装置2包含：感知类装置、控制类装置、数据处理装置、数据传输装置和机载设备运行情况检测装置。机载馈控装置用于对碾压机单机的位姿信息、仓面施工作业信息和周围障碍物探测信息的采集和处理、通过数据传输装置向外界发送信息和接收控制指令、控制碾压机单机按控制指令进行碾压作业。
感知类装置包括：RTK-GPS、惯性导航传感器、毫米波雷达、64线激光雷达、前后摄像头、加速度传感器。碾压机单机的位姿信息具体为：碾压机位置信息、碾压机速度信息、碾压机姿态信息。碾压机位姿信息由布置于碾压机顶的RTK-GPS、惯性导航传感器得到。其中RTK-GPS通过卫星信号与差分信号联合解算可得到碾压机顶的位置信息和碾压机的速度信息。惯性导航传感器可以得到碾压机姿态信息，包括碾压机航向和碾压机机身倾斜角度。碾压机单机运行仓面施工作业信息具体为：碾轮振动信号。碾轮振动信号由布置于碾压机碾轮中轴上的加速度传感器来获得。该信号的具体形式为碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列。碾压机单机周围障碍物探测信息具体为：前后实时视频画面、64线激光雷达扫描信息、毫米波雷达探测信息。前后实时视频画面由布置于碾压机前后方的两个高清摄像机得到；64线激光雷达扫描信息由布置于碾压机顶中心位置的64线激光雷达得到；毫米波雷达探测信息由布置于碾压机前后方的多个毫米波雷达传感器得到。
数据处理装置是是内嵌了：坐标补偿算法、快速傅里叶变换算法(FFT)、图像识别算法和避障信息融合算法和机载设备运行情况检测系统高性能工控机。数据处理装置可对碾压机单机的位姿信息、碾压机单机运行仓面施工作业信息和碾压机单机周围障碍物探测信息进行数据处理得到碾压机的碾轮底部坐标、碾压机碾轮处的CV值、障碍物类型、距离和轮廓信息。还可以通过机载设备运行情况检测系统检测各机载设备发送数据格式是否异常和碾压机运行情况与控制指令的偏差实现对机载设备运行情况的监测，得到碾压机单机包括油量信息的机载设备运行情况信息。一旦发现设备运行异常，机载设备运行情况检测系统触发停车指令，待异常处理闭合后，碾压机才能正常运行。碾压机的碾轮底部坐标是由碾压机顶的位置信息、碾压机机身倾斜角度和碾压机几何尺寸通过坐标补偿算法计算得到。坐标补偿算法为：通过已知碾压机尺寸和横向纵向倾斜角度，由三角函数计算得到GPS定位的横向和纵向补偿误差，通过GPS定位值减去补偿误差得到碾轮底部与压实土石料接触面的厘米级高精度定位坐标。碾压机碾轮处的CV值计算方法为：由加速度传感器所得到的碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列以1S为时间窗通过快速傅里叶变换算法(FFT)得到加速度信号的频谱分析图，由二阶幅值与基幅之比乘以一个固定值500作为CV值。障碍物类型、位置和轮廓信息的解析方法为：图像识别算法对前后实时视频画面进行处理，将识别结果与64线激光雷达扫描信息和毫米波雷达探测信息输入避障信息融合算法，得到障碍物的类型、位置信息。机载控制器根据障碍物信息触发停车避障指令。
数据传输装置为DTU无线数传用于实现碾压机单机与基站之间的数据通信。碾压机单机发送的单机信息包括：碾轮底部坐标、碾压机碾轮处的CV值、障碍物类型、距离和轮廓信息和机载设备运行情况信息。碾压机单机接收到的控制指令包括：打火、碾压机行车规划路径、碾压机运行速度、碾压机振动频率、停车、熄火、前进、后退。
控制类装置包括：自动打火装置、航向控制装置、纵向控制装置、碾轮振动频率控制装置。自动打火装置：用于接收自动打火、自动熄火指令，装置内置的控制器将指令转化为电信号控制舵机带动钥匙旋转，实现碾压机单机的自动打火、自动熄火。航向控制装置：用于接收碾压机行车规划路径，计算规划路径与当前碾压机位置的差值通过内置的PID控制器将偏差转化为电信号，通过机械结构控制碾压机方向盘旋转调姿，实现碾压机单机自动转向，保证碾压机单机沿着规划路径行进。纵向控制装置：用于接收碾压机运行速度、前进、后退、停车指令，计算当前碾压机速度与指令的偏差通过内置的PID控制器将偏差转化为电信号，通过该装置的机械臂推拉碾压机档杆，实现碾压机单机的纵向控制，执行相应指令。碾轮振动频率控制装置：用于接收碾压机振动频率指令，内置控制器将指令转化为电信号，控制碾压机单机碾轮内带动偏心轮旋转的电机的转速，实现碾压机单机碾轮振动频率的自由调节。
基站4由差分基准站、电台和DTU无线数传组成。用于向碾压机上的GPS发送差分信号，提高碾压机的定位精度，基站同时用于接收碾压机单机发送的单机信息并发送应用服务器装置。
应用服务器装置5由服务器主机和内置的控制系统服务端组成。用于通过网络接收基站接收的各碾压机单机信息进行集成，一份发送远端控制装置一份发送数据库服务器装置备存。
数据库服务器装置6由服务器主机和内置的数据库系统组成，用于数据存取。数据库服务器装置额外存储了大坝填筑材料的料源及对应空间位置的数据。
远端控制装置3由高清摄像机、三轴陀螺仪、PC机和运行在PC上的控制系统客户端组成。运行在PC上的控制系统客户端是碾压机集群无人驾驶筑坝系统功能的表现层，同时允许多个系统操作人员通过操作控制系统客户端实现整套系统的无人驾驶自动化作业。
控制系统客户端给系统控制人员提供四种权限：
一级权限：用户可以实现：仓面边界测量数据及碾压参数录入、加油点测量数据录入及修改、转场道路(钢板)测量数据录入、碾压机派遣、碾压遍数控制和压实度控制两种模式选择、自动路径规划、开仓关仓、实时生成图形报告(铺料厚度云图、遍数云图、运行轨迹图、压实度云图)、实时三维场景漫游、虚拟现实漫游、系统紧急暂停。
二级权限：用户可以实现：生成图形报告、实时三维场景漫游、虚拟现实漫游。
三级权限：用户可以实现：实时三维场景漫游、虚拟现实漫游。
特殊权限：用户可以实现单台碾压机的：人工修正规划路径、碾压参数调整、无人碾压机单机遥控。
其中：一级权限只提供一个账号。二级三级权限账号数量不限。特殊权限只对一、二级权限用户开放，正在施工的某台碾压机同时只允许1个用户获得特殊权限，欲获得特殊权限需向一级权限用户提交电子申请单。
碾压机集群运行实时轨迹图、作业仓面铺料厚度云图、作业仓面实时压实度云图生成方法为：通过连接碾压机历史位置坐标点可获得碾压机运行的实时轨迹图；通过对轨迹按照碾轮宽度进行拓宽，可得到整个仓面的碾压遍数云图；通过计算仓面任一点和下一层仓面的高程差，可以得到整个仓面的铺料厚度TH，可得到整个仓面的铺料厚度云图。通过计算任一点实时被碾遍数，可到到仓面任一点的碾压遍数N。通过仓面任一点位置的坐标，在数据库服务器中查询该位置的料源信息，可得到该位置对应的料源参数(料的类型TS、含水率W、级配S)。在仓面施工过程中质检人员会在碾压作业仓面随机抽样质检点通过坑检法对该点的压实度P进行试验测量，通过把质检的位置信息(X,Y,Z)作为标签，可以将多源数据进行融合，得到质检点(X,Y,Z)的(TH，N,V,TS,W,S,TCV,P)数据。将该数据分为输入数据(TH，N,V,TS,W,S,TCV)和输出数据(P)，输入支持向量机模型(取支持向量机为一个例子，回归预测类算法及其改进算法都可以进行替换)进行训练，通过训练就可以得到可以预测仓面任意一点压实度P的预测模型。需要注意的是，该模型的训练样本并不是一成不变的，随着大坝施工的进行，更多的质检点数据被定期加入训练集，模型通过定期更新训练集，来实现对压实度预测精度的提高。通过这样的方法，就可以获得仓面任意一点的压实度P值，即可绘制施工仓面的实时压实度云图。
自动路径规划功能，其技术方案为：1.根据用户输入的仓面边界测量数据和碾压参数(碾轮宽度、错距宽度、碾压机转弯半径)计算全仓面平行于坝轴线的碾压机的行车中心线。根据碾压机派遣个数，将相近行车中心线依次分配给各台碾压机，分配标准为尽量使各台碾压机所分配行车中心线总长度相等。2.碾压遍数控制模式下路径规划：按照输入碾压遍数，在行车中心线的基础上生成往复的向量路径3.压实度控制模式下路径规划：在行车中心线的基础上生成往复的向量路径，系统实时分析仓面压实度，一旦某一条路径上压实度满足要求，碾压机立即进入下一条路径进行碾压。4.加油路径和转场路径规划：通过输入加油点位置测量数据和转场道路(钢板)测量数据系统可通过人工势场法自动生成从起点到达目的地的规划路径。碾压机运行在转场道路上，不会对已碾区域造成破坏。加油点同时也是停靠点，当碾压机作业结束时自动规划一条到达加油点的路径。
三维场景漫游,其技术方案为：控制系统客户端内置与定位数据坐标系相一致的大坝三维模型，客户端根据当前施工面貌实时剖切大坝模型，并将与真实碾压机位姿相对应的碾压机模型、铺料厚度云图、遍数云图、运行轨迹图和压实度云图置于分别置于不同的图层后附着在实时剖切的大坝模型上。这样就可以在控制系统客户端实现实时三维施工场景漫游，通过改变图层还可以观察相应图形报告。
增强现实漫游,其技术方案为：高清摄像机安置于坝肩视野较好处，三轴陀螺仪置于高清摄像头上感知摄像机姿态，根据高清摄像机位姿信息和控制系统客户端界面视角进行坐标转换，通过虚拟现实插件，使得视频监控画面和与真实碾压机位姿相对应的碾压机模型、铺料厚度云图、遍数云图、运行轨迹图和压实度云图相贴合。这样就可以在控制系统客户端实现实时增强现实场景漫游。系统操作人员可以通过客户端显示屏看到仓面作业实时画面，同时还可以看到贴合在真实场景上的铺料厚度云图、遍数云图、运行轨迹图、压实度云图和规划路径，提高系统的可视化水平使系统更易于人机交互。
具体实施时，监控系统客户端界面如图2,3所示，具体的，图2是三维模型下的操控界面，图3是增强现实模式下的操控界面。
本发明控制系统客户端界面中：
1.界面左上方显示登录用户用户名及用户权限等级
2.菜单栏有：(1)三维模型；(2)增强现实；(3)智能仿真；(4)开仓信息录入；(5)碾压机就位；(6)自动碾压；(7)质检和关仓选项。
(1)三维模型：点击该选项可漫游大坝施工实时三维模型，在该模式下可漫游枢纽实时施工进度下的大坝、地形、施工机械(无人碾压机)的三维信息模型，配合人工遥控控制面板可进行无人碾压机遥控的交互操作。
(2)增强现实：点击该选项可进行增强现实场景的现实，施工信息附加到现实场景中，交互性更强，配合人工遥控控制面板可进行无人碾压机遥控的交互操作。
(3)智能仿真：点入该功能模块可依据当前实时施工进度，输入施工参数，实现对大坝未来施工过程的施工进度仿真。通过多次仿真可优选施工方案，推荐最优施工计划和施工参数。
(4)开仓信息录入：点入该功能模块将新开仓面边界测量数据、加油点测量数据、转场道路(钢板)边界测量数据、派遣车辆、碾压机施工参数录入控制系统。选择碾压遍数控制或压实度控制模式，选择点击自动生成规划路径，人工对规划路径进行核查。
(5)碾压机就位：各碾压机自动转场到待碾仓面设计路径初始位置。
(6)自动碾压：点击自动碾压按钮，无人碾压机依据自适应算法开始沿各自设计路径进行碾压作业。
(7)质检&关仓：该模块可自动生成碾压图形报告(碾压遍数图形报告、压实厚度图形报告、压实度图形报告、无人碾压机施工效率图形报告、无人碾压机路径追踪精度图形报告)和电子质检单，各方通过质检后，可点击关仓按钮实现关仓。
3.右侧侧边栏显示正在施工的仓面信息、仓内无人碾压机实时状态信息及碾压机异常报警信息等。同时提供历史仓面查询功能。
4.中间主界面显示三维施工信息模型和虚拟现实图像，是人机交互的核心组成部分。
5.下方是人工遥控控制面板，控制系统管理员申请特殊权限通过后即可通过在主界面框选单台碾压机，通过点选目标位置和控制面板搭配的方式控制碾压机行进，该面板还可以修改受控碾压机施工参数。同时点击暂停，碾压机刹车停火，点击运行，碾压机打火启动。
6.设置系统紧急暂停按钮，点击紧急暂停按钮，所有在碾无人碾压机刹车，暂停施工。
系统操作人员在操作控制系统客户端实现碾压机集群无人驾驶自动化作业的步骤为：
1.一级权限管理员将新开仓面边界测量数据、加油点测量数据、转场道路(钢板)边界测量数据、派遣车辆、碾压机施工参数录入控制系统。选择碾压遍数控制或压实度控制模式，选择点击自动生成规划路径，观察路径无误即点击开仓按钮。
2.点击碾压机就位按钮，各碾压机自动转场到待碾仓面设计路径初始位置。
3.点击自动碾压按钮。无人碾压机依据自适应算法开始沿各自设计路径进行碾压作业。
4.特殊权限管理员及仓面施工管理员开始对已开仓碾压机进行监控，必要时开启手动模式遥控碾压机行进。
5.仓面碾压作业完成，图形报告达到要求且现场实验合格后，一级权限管理员点击关仓按钮。完成一个仓面的自动碾压。
Claims (10)
1.一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，其特征在于，采用集中式架构实现碾压机单机之间的信息共享与协同作业，包括碾压机集群、机载馈控装置、远端控制装置、基站、应用服务器装置、数据库服务器装置；所述碾压机集群包含若干台碾压机，搭载于碾压机单机上的机载馈控装置通过基站和应用服务器装置向远端控制装置发送碾压机单机信息；
所述远端控制装置对多台碾压机单机信息进行集中处理并由系统操作人员操作向碾压机单机上的机载馈控装置发送控制指令；碾压机单机上的机载馈控装置按照接收到的指令控制碾压机单机进行自动化施工作业；
所述机载馈控装置用于对碾压机单机的位姿信息、仓面施工作业信息和周围障碍物探测信息的采集和处理、通过数据传输装置向外界发送信息和接收控制指令、控制碾压机单机按控制指令进行碾压作业，包含：感知类装置、控制类装置、数据处理装置、数据传输装置和机载设备运行情况检测装置；
所述感知类装置包括：RTK-GPS、惯性导航传感器、毫米波雷达、64线激光雷达、前后摄像头、加速度传感器；
所述控制类装置包括：自动打火装置、航向控制装置、纵向控制装置、碾轮振动频率控制装置；
所述数据处理装置是内嵌包括坐标补偿算法、快速傅里叶变换算法FFT、图像识别算法和避障信息融合算法和机载设备运行情况检测系统高性能工控机；
所述数据传输装置为DTU无线数传用于实现碾压机单机与基站之间的数据通信；
所述基站由差分基准站、电台和DTU无线数传组成，用于向碾压机上的GPS发送差分信号，基站同时用于接收碾压机单机发送的单机信息并发送应用服务器装置；
所述应用服务器装置由服务器主机和内置的控制系统服务端组成，用于通过网络接收基站接收的各碾压机单机信息进行集成，一份发送远端控制装置一份发送数据库服务器装置备存；
所述数据库服务器装置由服务器主机和内置的数据库系统组成，用于数据存取；
所述远端控制装置由高清摄像机、三轴陀螺仪、PC机和运行在PC上的控制系统客户端组成；
所述运行在PC上的控制系统客户端是碾压机集群无人驾驶筑坝系统功能的表现层，同时允许多个系统操作人员通过操作控制系统客户端实现整套系统的无人驾驶自动化作业。
2.根据权利要求1所述的一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，其特征在于，所述碾压机单机的位姿信息具体为：碾压机位置信息、碾压机速度信息、碾压机姿态信息，碾压机位姿信息由布置于碾压机顶的RTK-GPS、惯性导航传感器得到；其中RTK-GPS通过卫星信号与差分信号联合解算可得到碾压机顶的位置信息和碾压机的速度信息；惯性导航传感器可以得到碾压机姿态信息，包括碾压机航向和碾压机机身倾斜角度。
3.根据权利要求1所述的一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，其特征在于，所述发送的单机信息包括：碾轮底部坐标、碾压机碾轮处的CV值、障碍物类型、距离和轮廓信息和机载设备运行情况信息。
4.根据权利要求1所述的一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，其特征在于，所述碾压机单机接收到的控制指令包括：打火、碾压机行车规划路径、碾压机运行速度、碾压机振动频率、停车、熄火、前进、后退。
5.根据权利要求1所述的一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，其特征在于，所述碾压机单机运行仓面施工作业信息具体为：碾轮振动信号，碾轮振动信号由布置于碾压机碾轮中轴上的加速度传感器来获得，该信号的具体形式为碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列。
6.根据权利要求1所述的一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，其特征在于，所述碾压机单机周围障碍物探测信息具体为：前后实时视频画面、64线激光雷达扫描信息、毫米波雷达探测信息；前后实时视频画面由布置于碾压机前后方的两个高清摄像机得到；64线激光雷达扫描信息由布置于碾压机顶中心位置的64线激光雷达得到；毫米波雷达探测信息由布置于碾压机前后方的多个毫米波雷达传感器得到。
7.根据权利要求1所述的一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，其特征在于，所述数据处理装置对碾压机单机的位姿信息、碾压机单机运行仓面施工作业信息和碾压机单机周围障碍物探测信息进行数据处理得到碾压机的碾轮底部坐标、碾压机碾轮处的CV值、障碍物类型、距离和轮廓信息：
所述碾压机的碾轮底部坐标是由碾压机顶的位置信息、碾压机机身倾斜角度和碾压机几何尺寸通过坐标补偿算法计算得到，坐标补偿算法为：通过已知碾压机尺寸和横向纵向倾斜角度，由三角函数计算得到GPS定位的横向和纵向补偿误差，通过GPS定位值减去补偿误差得到碾轮底部与压实土石料接触面的厘米级高精度定位坐标；
所述碾压机碾轮处的CV值计算方法为：由加速度传感器所得到的碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列以1S为时间窗通过快速傅里叶变换算法(FFT)得到加速度信号的频谱分析图，由二阶幅值与基幅之比乘以一个固定值500作为CV值；
所述障碍物类型、位置和轮廓信息的解析方法为：图像识别算法对前后实时视频画面进行处理，将识别结果与64线激光雷达扫描信息和毫米波雷达探测信息输入避障信息融合算法，得到障碍物的类型、位置信息，机载控制器根据障碍物信息触发停车避障指令。
8.根据权利要求1所述的一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，其特征在于，所述数据处理装置通过机载设备运行情况检测系统检测各机载设备发送数据格式是否异常和碾压机运行情况与控制指令的偏差实现对机载设备运行情况的监测，得到碾压机单机包括油量信息的机载设备运行情况信息。
9.根据权利要求1所述的一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，其特征在于，所述控制系统客户端给系统控制人员提供四种权限：
一级权限：用户实现包括仓面边界测量数据及碾压参数录入、加油点测量数据录入及修改、转场道路测量数据录入、碾压机派遣、碾压遍数控制和压实度控制两种模式选择、自动路径规划、开仓关仓、实时生成图形报告、实时三维场景漫游、虚拟现实漫游、系统紧急暂停；
二级权限：用户实现包括生成图形报告、实时三维场景漫游、虚拟现实漫游；
三级权限：用户实现包括实时三维场景漫游、虚拟现实漫游；
特殊权限：用户实现单台碾压机的：人工修正规划路径、碾压参数调整、无人碾压机单机遥控。
10.根据权利要求1所述的一种碾压机集群无人驾驶筑坝系统，其特征在于，所述自动打火装置：用于接收自动打火、自动熄火指令，装置内置的控制器将指令转化为电信号控制舵机带动钥匙旋转，实现碾压机单机的自动打火、自动熄火；
所述航向控制装置：用于接收碾压机行车规划路径，计算规划路径与当前碾压机位置的差值通过内置的PID控制器将偏差转化为电信号，通过机械结构控制碾压机方向盘旋转调姿，实现碾压机单机自动转向，保证碾压机单机沿着规划路径行进；
所述纵向控制装置：用于接收碾压机运行速度、前进、后退、停车指令，计算当前碾压机速度与指令的偏差通过内置的PID控制器将偏差转化为电信号，通过该装置的机械臂推拉碾压机档杆，实现碾压机单机的纵向控制，执行相应指令；
所述碾轮振动频率控制装置：用于接收碾压机振动频率指令，内置控制器将指令转化为电信号，控制碾压机单机碾轮内带动偏心轮旋转的电机的转速，实现碾压机单机碾轮振动频率的自由调节。
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