CN109162174B

CN109162174B - 无人驾驶压路机

Info

Publication number: CN109162174B
Application number: CN201810883926.8A
Authority: CN
Inventors: 代亮; 翟一鸣; 秦雯
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2038-08-06
Also published as: CN109162174A

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶压路机，包括压路机及控制系统，所述的控制系统包括车载模块、驱动模块及指挥中心；所述的车载模块包括设置在压路机上的车载控制器，以及连接在车载控制器上的第一导航模块、防碰撞模块和道路质量采集模块；所述的驱动模块用于根据驱动指令控制压路机的行进速度、行进方向；所述的指挥中心包括第二导航模块、服务器以及客户端，其中所述的服务器用于在施工前进行任务分配，同时收集传感器采集的各类信息；客户端用于对施工现场的压路机工作情况进行监管。本发明可实现在无人操作的情况下完成道路的碾压以及道路质量检测，有效解决了当前道路施工难以监管控制及道路施工难以实时采集数据的问题，使施工质量得以保证。

Description

无人驾驶压路机

技术领域

本发明涉及交通施工信息化管理技术领域，具体涉及一种无人驾驶压路机。

背景技术

随着我国高速公路建设事业的迅速发展，道路施工，作为公路事业的基础建设中重要的一环，需要严格地把控技术指标以及施工工艺。其中，利用压路机对被压实材料，如沥青进行碾压就是主要施工环节之一，压路机在施工过程中一直处于振动状态，容易导致驾驶员疲劳，驾驶员在疲劳状态很难集中精力完成精准施工，这也直接影响了道路施工的质量。

研究表明：路面的压实度直接关系到沥青路面的早期损害，不宜过小也不宜过大。若压实度不足，路面孔隙率过大，雨水易渗入路面内部，会破坏内部结构，造成水损害和车辙等早期破坏；若压实度过大，路面空隙率过小甚至压碎矿料，导致泛油和失稳的现象。早期破坏的修复，不仅带来经济上的损失，还会直接影响路面的使用性能。而长期以来，我国关于沥青路面施工领域的研究，主要集中在沥青的新材料和新结构上，少有对于沥青路面压实工艺的研究。

现阶段，对于沥青路面施工，操作压路机的施工人员基本都是凭经验进行碾压，存在较大的随意性，甚至不会按照预先设定好的速度和遍数等参数进行碾压，从而造成“过压”或“欠压”的情况，致使压实质量不达标。大量事实证明：压路机施工现场监测信息传递渠道不畅，施工现场监控制度不够完善。在施工过程中，质检或监管人员难以及时发现施工存在的质量问题；如发现质量问题，也是需要将工程经过返工的方式解决，其过程繁琐、耗费财力、延长工期。现阶段，压路机碾压沥青路面的施工技术存在两个重要的问题：问题一：由于人直接参与施工，对压路机施工过程中的监管工作难以控制的问题；问题二：对压路机碾压路面的施工质量难以进行实时的动态管理的问题。因此，目前压路机的道路碾压质量难以得到保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人驾驶压路机，采用导航系统和无人驾驶技术相结合，在无人操作的情况下完成道路的碾压以及道路质量检测，用以解决当前道路施工难以监管控制及道路施工难以实时采集数据的问题，从而使施工质量得以保证。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种无人驾驶压路机，包括压路机及控制系统；

所述的控制系统包括车载模块、驱动模块及指挥中心；其中：

所述的车载模块包括设置在压路机上的车载控制器，以及连接在车载控制器上的第一导航模块、防碰撞模块和道路质量采集模块；所述的第一导航模块用于获取压路机当前位置信息、速度信息并与第二导航模块通信；所述的道路质量采集模块用于获取压路机的行进方向，同时采集沥青温度以及道路压实度以提供给车载控制器；所述的防碰撞模块用于获取压路机与周围障碍物之间的距离，并在压路机碰触到障碍物时将信息反馈给车载控制器，所述的车载控制器用于通过防碰撞模块、道路质量采集模块获取信息，并将接收到的驱动控制指令发送给驱动模块；

所述的驱动模块用于根据驱动指令控制压路机的行进速度、行进方向；

所述的指挥中心包括第二导航模块、服务器以及客户端，其中所述的服务器用于在施工前对施工场地进行任务分配，同时在压路机工作时收集压路机上防碰撞模块以及道路质量采集模块采集的各类信息；所述的客户端用于对施工现场的压路机工作情况进行监管。

进一步地，所述的车载控制器还用于：

当通过防碰撞模块判断压路机发生碰撞时，将碰撞信息通过第一导航模块发送给指挥中心，并向驱动模块发出停机的驱动控制指令；

当压路机进行碾压作业时，对压路机的速度、沥青温度以及道路压实度进行实施检测，将检测到的压实度发送给指挥中心；如果压路机的速度不在正常范围内，则将压路机的速度调整至正常范围；如在阈值时间T内压路机的速度仍不能到达正常范围或如摊铺温度不达标，则向驱动模块发出停机的驱动控制指令，同时向指挥中心发出警告信息。

进一步地，所述的服务器在施工前对施工场地进行任务分配，包括：

(1)确定施工区域范围，并将施工区域的地图进行栅格化处理，栅格为正方形栅格，栅格的边长小于压路机碾压轮的长度；确定每个子区域的栅格要求碾压的遍数；

(2)确定参与施工的压路机台数K，将所述的施工区域划分为K个相邻子区域，每一个子区域对应一台压路机，且每一个子区域包含整数个栅格；K的计算公式为：

上式中，D为摊铺机的铺料宽度，d为压路机碾压轮的长度；

(3)将每个子区域中的栅格分别进行编码，使压路机按照编码顺序能走完所有的栅格；

(4)确定超宽碾压的宽度X，从而确定碾压道路边缘的压路机的起始位置：

(5)确定相邻两台压路的碾压轮之间的水平距离Y：

Y＝2d-0.4

(6)服务器根据划分好的子区域、超宽碾压的宽度X、水平距离Y，按照就近分配的原则将压路机引导至每个子区域的起始位置，并向所述的驱动模块发送碾压指令，使每台压路机按照其所处子区域内的编码顺序进行碾压，当所处子区域内的栅格达到碾压遍数后，使压路机停止运行。

进一步地，所述的每台压路机按照其所处子区域内的编码顺序进行碾压时，通过以下步骤确定栅格的碾压遍数，从而判断施工质量是否满足要求：

(1)压路机通过第一导航模块每一秒向指挥中心发送一次位置信息；

(2)指挥中心获得了压路机在子区域内的位置信息后，在该位置对应的栅格中进行标记；

(3)将栅格的标记值直接以数值的形式显示在栅格上，以直观地了解栅格被碾压的次数。

进一步地，在确定栅格碾压遍数的同时，通过以下方法进行补正判断：

若同一台压路机相邻两次返回的位置信息之间存在至少一个栅格的标记值未发生变化，且判断压路机的速度在正常运行范围内，则将所述的至少一个栅格内的标记值加1。

进一步地，所述的压路机的速度的正常运行范围为2m/s-3.5m/s。

进一步地，所述的第一导航模块、第二导航模块之间通过报文的形式进行通信，所述的报文包括请求指令协议、响应指令协议，其中：

所述的请求指令协议包括用户地址、信息类别、接收端ID、导航电文长度、是否应答以及导航电文内容；

所述的响应指令协议包括用户地址、信息类别、发送端ID、数据发送时间、导航电文长度以及导航电文内容。

进一步地，所述的导航电文内容包括定位信息、道路质量数据以及碾压作业指令，其中定位信息对应的消息类别号为01，信息源编号为0x02，数据内容为经度、纬度、高程和速度；道路质量数据对应的消息类别号为02，信息源编号为0x02，数据内容为碾压面积、摊铺料温度和密实度；碾压作业指令对应的消息类别号为03，信息源编号为0x01，数据内容为操作指令。

本发明具有以下技术特点：

1.本发明中导航系统采用北斗/GPS双模用户机，融合了北斗卫星导航功能与GPS定位功能的优势，定位中互补使用，避免了单一定位系统定位数据不稳定的情况，解决了特定时刻定位信息受限的问题。

2.各系统间利用北斗导航系统的短报文通信，无需租借卫星通信信道即可实现数据的无线远程传输，在路段偏远且没有移动通信系统覆盖的施工地段仍可以实现通信功能。

3.车载系统通过边施工边采集的数据采集方式，并且实时上传，增加了数据的实时性，实现施工现场状况的实时监测。

4.道路施工指挥中心系统可以通过报文对车载系统进行远程操控，实现压路机的无人驾驶，降低人员参与，提高施工效率与安全性，集中式路径规划算法较为简单，容易实现。

附图说明

图1为本发明的整体构架示意图；

图2为车载模块的结构示意图；

图3为压路机在进行作业时的流程示意图；

图4为栅格标记的流程示意图；

图5为施工场地栅格化后，不同子区域的栅格碾压不同遍数的示意图；

图6为施工场地划分成两个子区域后每个子区域栅格编码的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种无人驾驶压路机，如图1所示，包括压路机及控制系统；

所述的车载模块包括设置在压路机上的车载控制器，以及连接在车载控制器上的第一导航模块、防碰撞模块和道路质量采集模块，结构连接图如图2所示，其中：

第一导航模块用于获取压路机当前的位置信息和速度信息，所述的位置信息包括经度、纬度和高程；除此之外，第一导航模块还用于和第二导航模块通信，将压路机上防碰撞模块、道路质量采集模块采集到的信息发送给第二导航模块，从而将这些数据反馈给指挥中心。

道路质量采集模块包括安装在压路机前部的方向传感器、安装在压路机下方的温度传感器以及压实度传感器，其中方向传感器用于获取压路机的行进方向，温度传感器用于检测沥青摊铺的温度，压实度传感器用于检测道路的压实度。

防碰撞模块包括安装在压路机两侧和前方的超声波测距传感器和和碰撞开关，其中超声波测距传感器用于获取压路机与周围障碍物之间的距离，碰撞开关(碰撞传感器)则是在压路机由于各种不可避免的原因碰到障碍物后，将碰撞信息(碰撞强度和碰撞时间)信息反馈给车载控制器以及指挥中心，车载控制器向驱动模块发送停机指令，驱动模块使压路机停止运行，为了避免各超声波测距传感器的发射信号和回波信号之间的相互干扰，采取轮流触发的模式启动各超声波测距传感器用于探测环境障碍物信息。

上述的防碰撞模块以及道路质量采集模块的各个传感器，以及第一导航模块获取的位置信息均以1s的时间间隔发送给指挥中心，使指挥中心能实时获取压路机当前的位置信息、速度信息以及各传感器采集的信息。

所述的驱动模块用于根据驱动指令控制压路机的行进速度、行进方向；驱动模块可以是压路机本身的车载电脑，车载电脑控制压路机的各种行为，如启停、行进、调整速度等，每一种行为对应于一种控制指令，该指令由车载模块的车载控制器通过第一导航模块从指挥中心获取，指挥中心通过控制指令来控制压路机的运行；在碰触到障碍物时，停机指令则由碰撞开关通过车载控制器发送给驱动模块。

所述的指挥中心包括第二导航模块、服务器以及客户端，其中所述的服务器用于在施工前对施工场地进行任务分配，同时在压路机工作时收集压路机上防碰撞模块以及道路质量采集模块采集的各类信息，这些信息通过所述的客户端进行显示；所述的客户端用于对施工现场的压路机工作情况进行监管，所述的第二导航模块用于和第一导航模块通信，接收第一导航模块发来的消息并发送给服务器，或将服务器的消息发送给第一导航模块，以实现指挥中心与车载模块之间的通信。

本方案中，所述的第一导航模块、第二导航模块均采用一体式北斗/GPS双模用户机，避免了单一定位系统定位数据不稳定的情况，解决了特定时刻定位信息受限的问题，也无需租借卫星通信信道即可实现数据的无线远程传输，在路段偏远且没有移动通信系统覆盖的施工地段仍可以实现通信功能。

在指挥中心中，服务器与第二导航模块之间采用串口通信，服务器与客户端之间通过有线通信，指挥中心与车载模块之间通过基于报文的无线链路通信。开工前对施工场地的各个压路机进行分配任务，并收集并分析来自压路机的作业数据，测绘压路机碾压路径，绘制道路质量相关图像等。为了获得压路机实时碾压路径数据，所以各个车载子系统向北斗卫星系统发送定位申请的时间间隔固定为1s，从而获得压路机的定位信息。客户端用来进行现场施工监管。

优选地，所述的第一导航模块、第二导航模块之间通过报文的形式进行通信，所述的报文包括请求指令协议、响应指令协议，代替了传统的移动通信系统，无需租借卫星通信信道即可实现数据的无线远程传输，在路段偏远且没有移动通信系统覆盖的施工地段仍可以实现通信功能，两种协议的内容如表1所示：

表1两种协议内容

其中，所述的用户地址是指第一导航模块、第二导航模块的物理地址，信息类别是指发送的或接收的信息的类别，接收端ID是指压路机的ID，发送端ID是指发送消息一方的ID，导航电文长度是指通过导航模块获取的压路机的位置信息的长度，是否应答表示该消息是否需要应答，导航电文内容是指消息的具体内容，如表2所示：

表2导航电文内容

其中，当消息类别号为01时，服务器需要对收到的信息进行处理，将其转化为大地坐标系中，目的是使压路机碾压路径表现地更为直观。定位信息转换如公式所示：

上式中，X、Y、Z为大地坐标系中的坐标，L为压路机所在位置经度，B为压路机所在位置纬度，H为压路机所在位置高程，N表示压路机所在位置的卯酉圈曲率半径，其计算公式如下：

N＝a/(1-e₁ ²sin²B)^1/2；

式中，a表示该大地坐标系所对应的椭球长半轴；e₁代表第一变心率，其计算公式如下：

式中：b表示该大地坐标系所对应的椭球短半轴。

所述的精度、纬度、高程以及速度通过第一导航模块获取，摊铺料温度(即沥青温度)、密实度(即道路压实度)分别通过温度传感器、密实度传感器获取，操作指令(即驱动指令)，是由指挥中心发出的，包括启停机、行进、转向、速度调整等；碾压面积的计算公式如下：

上式中，S_n是压路机经过第n个数据检测点时的碾压面积，S_i是第n个数据检测之前各个检测点间碾压的面积，v_n指从检测点n-1到n这段行程压路机的运行速度，由于在无异常的情况下，压路机保持匀速行驶，所以该点的运行速度近似于压路机平均速度。t_n指压路机从检测点n-1到n这段行程所用的时间，D为压路机碾压轮宽度。所述的数据检测点是指从压路机碾压作业开始，以每1s作为一个数据检测点；碾压面积包含在道路质量数据中发送给指挥中心，使指挥中心能获知当前压路机的碾压情况。

本发明中，指挥中心的服务器在施工前对施工场地进行任务分配。如图6所示，其中D为摊铺机铺料宽度，并且施工要求压路机左右轮迹重叠0.2m，压路机碾压轮的轴向长度d，栅格为边长是(d-0.2)m的正方形，相邻两个压路机碾压轮之间的水平距离Y，横向超宽碾压宽度为X。车载模块根据服务器指令，获取压路机分配到的碾压子区域，按照栅格编码顺序以及重复碾压遍数进行碾压，各压路机根据水平距离Y进行编队，避免压路机之间的干扰与冲突。具体包括：

(1)确定施工区域范围，并将施工区域的地图进行栅格化处理，栅格化后的地图区域应完全覆盖施工区域范围，优选地，栅格化后的地图区域为矩形区域；

所述的栅格为正方形栅格，栅格的边长小于压路机碾压轮的长度。由于相邻的压路机的碾压轮的轮距需要重叠0.2～0.3m，因此本实施例中，栅格的边长设定为压路机碾压轮轴向长度减去0.2m。

确定每个子区域的栅格要求碾压的遍数，即按照施工要求，需要对每个子区域指定碾压遍数，以使其能达到碾压要求。

(2)确定参与施工的压路机台数K，将所述的施工区域划分为K个相邻子区域，每一个子区域对应一台压路机，且每一个子区域包含整数个栅格；优选地，将施工区域栅格化处理时，栅格化后的地图为包含整数个栅格的矩形地图，然后再将其划分为K个相邻子区域，子区域的大小优选相同，也可以不同。每一个子区域优选划分成矩形区域，如图6所示，该示例中K＝2。这种划分方式，使得压路机行进时能采用最短路线完成子区域的碾压。

K的计算公式为：

上式中，D为摊铺机的铺料宽度，d为压路机碾压轮的长度；K的数值向上取整。

(3)将每个子区域中的栅格分别进行编码，使压路机按照编码顺序能走完所有的栅格；如图6所示，本实施例中，编码顺序为按照U形进行编码，这样压路机碾压完成一列栅格后，经过掉头转向可继续碾压另一列相邻栅格。

(5)确定相邻两台压路的碾压轮之间的水平距离Y，这样就确定了所有压路机的初始间隔，从而实现压路机的编队：

Y＝2d-0.4

(6)服务器根据划分好的子区域、超宽碾压的宽度X、水平距离Y，按照就近分配的原则(即将压路机引导至与其最接近的子区域的编号为1的栅格处)将压路机引导至每个子区域的起始位置，并向所述的驱动模块发送碾压指令，使每台压路机按照其所处子区域内的编码顺序进行碾压，并根据碾压遍数要求，向压路机发出重复碾压指令；当所处子区域内的栅格达到碾压遍数后，使压路机停止运行。

需要注意的是，在碾压时，应确保压路机碾压轮之间的水平距离保持Y或大于Y，如小于Y，则根据压路机的位置可确定速度较快的压路机，命令其减速等待，直至距离等于Y以后再进行工作。

在施工前，根据碾压试验段确定的碾压遍数，可确定栅格化地图后每个子区域的每个栅格所要求碾压的遍数。所述的每台压路机按照其所处子区域内的编码顺序进行碾压时，通过以下步骤确定栅格的碾压遍数，从而判断施工质量是否满足要求，如图4所示：

(1)压路机通过第一导航模块每一秒向指挥中心发送一次位置信息(精度、纬度、高程)；

(2)指挥中心获得了压路机在子区域内的位置后，在该位置对应的栅格中进行标记；即在地图上标出该位置所在的栅格，并在该栅格中进行标记；当压路机的位置处于某一个栅格中时，表明该栅格已经被碾压过，此时对其进行标记。其中，压路机的定位基准点(第一导航模块的放置点)位于压路机碾压轮的中心线上；所述的位置信息包括当前压路机的ID、速度以及位置。

(3)将栅格的标记值直接以数值的形式显示在栅格上，以直观地了解栅格被碾压的次数，如图5所示。压路机根据重复碾压指令对子区域内的所有栅格进行重复碾压，直至达到要求的碾压次数。

待施工质量检查时，将碾压次数与开工前试验段确定的碾压次数进行比对来判断施工质量是否符合要求。

本发明中提出的这种栅格规划算法，是多机器人协同覆盖技术在压路机无人驾驶领域的应用。在施工区域地图已知条件下，对待碾压区域分析、栅格化、编码、碾压次数设定。由于碾压子区域的特殊性，子区域不存在障碍物，所以栅格状态有三个：占用、未占用和已完成，压路机正在碾压的栅格状态即为“占用”，碾压次数达标后栅格状态为“已完成”。因此，待碾压区域中第n个栅格所携带的信息通过下述公式表示：

Grid(n)＝{id,st,t₁,t₂,B,L}

其中id为栅格编码，st为栅格状态，t₁为需碾压次数，t₂为已碾压次数，B为栅格中心所处位置的纬度，L为栅格中心所处位置的经度。其中栅格状态公式如下：

确定压路机的碾压路线同时将所有参与碾压作业的压路机进行编队，各个压路机各自独立完成分配到的区域覆盖任务，协同完成碾压作业。

在压路机施工期间，由于压路机碾压速度控制在2m/s-3.5m/s之间，数据采集时间间隔为1s，而栅格宽度有限，在2m左右，会存在压路机在采集数据间隔时间内跨过一个栅格的情况，造成栅格碾压过但没有标记的问题。这里需要一个补正判断过程：

若同一台压路机相邻两次返回的位置信息之间存在至少一个栅格的标记值未发生变化，且判断压路机的速度在正常运行范围内，则将所述的至少一个栅格内的标记值加1。例如压路机在两次返回位置信息的期间内，从编号为5的栅格到达编号为8的栅格，但是只在编号为5的栅格、编号为8的栅格各返回了一次位置信息，此时编号为5、8的栅格上，标记值各加了1，但是编号为6、7的栅格上标记值没有变化，这样就可能存在了漏标记的问题。此时判断如果压路机在经过编号为6、7的栅格时，速度仍保持在正常范围2m/s-3.5m/s内，则认为出现了漏标记，此时将编号6、7的栅格上的标记值各加1以进行补正。每个子区域都有硬性的碾压遍数，碾压作业过程中，每个栅格都有它的编号，并且也有它的被碾压遍数要求，各个压路机的车载子模块根据子区域碾压次数是否达标，来判断是否需要进行该区域的下一次重复碾压。

在碾压过程中，车载控制器对压路机的速度、沥青温度以及道路压实度进行实施检测，将检测到的压实度发送给指挥中心，从而为下一轮施工提供数据支持。如果检测到压路机的速度不在正常范围内(2m/s-3.5m/s)，则将压路机的速度调整至正常范围；如在阈值时间T内压路机的速度仍不能到达正常范围(说明系统出现故障需要人工干预)或摊铺温度不达标(不在135℃-175℃范围内)，则向驱动模块发出停机的驱动控制指令，同时向指挥中心发出警告信息，如图3所示。

在此期间，如防碰撞模块检测到不可避免的碰撞，则立即停机，向指挥中心上传警告信息；当压路机的碾压任务完成时，则停止碾压，向指挥中心上报任务完成信息，进入待机状态。

Claims

1.一种无人驾驶压路机，其特征在于，包括压路机及控制系统；

所述的指挥中心包括第二导航模块、服务器以及客户端，其中所述的服务器用于在施工前对施工场地进行任务分配，同时在压路机工作时收集压路机上防碰撞模块以及道路质量采集模块采集的各类信息；所述的客户端用于对施工现场的压路机工作情况进行监管；

所述的车载控制器还用于当通过防碰撞模块判断压路机发生碰撞时，将碰撞信息通过第一导航模块发送给指挥中心，并向驱动模块发出停机的驱动控制指令；

当压路机进行碾压作业时，对压路机的速度、沥青温度以及道路压实度进行实施检测，将检测到的压实度发送给指挥中心；如果压路机的速度不在正常范围内，则将压路机的速度调整至正常范围；如在阈值时间T内压路机的速度仍不能到达正常范围或如摊铺温度不达标，则向驱动模块发出停机的驱动控制指令，同时向指挥中心发出警告信息；

所述的第一导航模块、第二导航模块均采用一体式北斗/GPS双模用户机，所述的第一导航模块、第二导航模块之间通过报文的形式进行通信，所述的报文包括请求指令协议、响应指令协议，其中：

2.如权利要求1所述的无人驾驶压路机，其特征在于，所述的服务器在施工前对施工场地进行任务分配，包括：

上式中，D为摊铺机的铺料宽度，d为压路机碾压轮的长度；

(5)确定相邻两台压路的碾压轮之间的水平距离Y：

Y＝2d-0.4

3.如权利要求1所述的无人驾驶压路机，其特征在于，所述的每台压路机按照其所处子区域内的编码顺序进行碾压时，通过以下步骤确定栅格的碾压遍数，从而判断施工质量是否满足要求：

4.如权利要求1所述的无人驾驶压路机，其特征在于，在确定栅格碾压遍数的同时，通过以下方法进行补正判断：

5.如权利要求1所述的无人驾驶压路机，其特征在于，所述的压路机的速度的正常运行范围为2m/s-3.5m/s。

6.如权利要求1所述的无人驾驶压路机，其特征在于，所述的导航电文内容包括定位信息、道路质量数据以及碾压作业指令，其中定位信息对应的消息类别号为01，信息源编号为0x02，数据内容为经度、纬度、高程和速度；道路质量数据对应的消息类别号为02，信息源编号为0x02，数据内容为碾压面积、摊铺料温度和密实度；碾压作业指令对应的消息类别号为03，信息源编号为0x01，数据内容为操作指令。