CN109898391A - 基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统，包括智能压路机、填料组别图像识别装置、含水率实时检测装置、中控主机和云端控制系统；其中填料组别图像识别装置安装在智能压路机的车架顶部，并与云端控制系统无线通讯，通过分析实现填料粒径图像识别；含水率实时检测装置安装在智能压路机的碾压轮上，实现对不同填料土体含水率的随车自动检测，并通过蓝牙无线通讯方式将信号发送至中控主机。本发明结合无人驾驶、路径规划、连续压实检测、图像识别、含水率检测、卫星定位等技术从原材料检测、碾压过程控制与动态调整、到压实程度检测，最后成型的是材料、压实质量都合格的路基，实现对路基的自动化、智能化压实。

Description

基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，更具体的说是涉及基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统。

背景技术

路基是铁路的基础，关系到铁路的安全、高效运行。路基是轨道结构的基础，随着列车运行速度的提高，特别是高速铁路的应用，要求路基结构要为上部结构提供更加平顺而稳定的支承。路基填筑工程的压实质量是决定其结构性能好坏的根本，路基压实质量包括压实程度、压实均匀性和压实稳定性等三方面的内容。压实程度就是路基的碾压程度；压实均匀性是指路基面力学性能的均匀分布程度；压实稳定性是路基面力学性能的稳定程度。目前，对于高速铁路路基的压实作业过程中，大部分的工序还是需要人工干预的，无法实现智能自动运行，通过作业人员驾驶操控压路机进行进行路基碾压，对于路基填筑工程压实质量的检测与控制，采用常规的“点式”抽样检测方法，即在每层完成碾压后，随机选点，抽样检测。采用常规的“点式”抽样检测方法，其无法实时记录和检查现场压实情况，而且工作效率低。

因此，如何提供一种实时检测碾压质量的基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统，以解决上述背景技术部分所提到的问题，研发了适合于路基碾压工作的无人驾驶系统；

结合路径规划和连续压实检测技术，实现对不合格区域的自动补压。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统，包括智能压路机，其特征在于，还包括安装在所述智能压路机上的填料组别图像识别装置、含水率实时检测装置、中控主机和云端控制系统；其中所述填料组别图像识别装置安装在所述智能压路机的车架顶部，并与所述云端控制系统无线通讯，采集并无线传输RGB图像和深度图像，通过分析实现填料粒径图像识别；所述含水率实时检测装置安装在所述智能压路机的碾压轮上，实现对不同填料土体含水率的随车自动检测，并通过蓝牙无线通讯方式将信号发送至所述中控主机；安装在所述智能压路机上的所述中控主机与所述含水率实时检测装置、所述智能压路机进行无线通讯，并通过无线传输方式与所述云端控制系统进行通讯，所述中控主机调整智能压路机的振频、振幅、行驶路线；所述云端控制系统对所述智能压路机进行驾驶路径和工作参数的规划；

所述填料组别图像识别装置为设置RGB-D摄像机的平板电脑，所述RGB-D摄像机采集RGB图像和深度图像，所述平板电脑对所述RGB-D摄像机采集的图像信息进行处理，然后发送到所述云端控制系统；

所述云端控制系统结合含水率、RGB图像和深度图像信息，得到连续压实检测结果、实时含水率检测结果、填料粒径图像识别结果，并通过智能调频调幅模型计算，调整智能压路机参数，实现无人驾驶路径规划、连续压实检测、以及智能调频调幅，所述云端控制系统根据连续压实检测结果，规划智能压路机碾压路径对碾压不合格的区域进行自动补压，从原材料检测、碾压过程控制、到压实程度检测、根据检测结果进行补压，实现材料、碾压都合格的路基碾压。

通过RGB-D摄像机采集RGB图像和深度图像；深度图像(depthimage)也被称为距离影像，是指将从图像采集器到场景中各点的距离(深度)作为像素值的图像，它直接反映了景物可见表面的几何形状，并记录了场景的三维信息；

根据RGB图像进行边缘检测与场景分割，实现初步目标物边缘的检测，获得边缘检测结果R1；根据深度(Depth)图像进行场景结构信息提取，同时，根据场景结构信息，进行目标物边缘检测，获得边缘检测结果R2；融合边缘检测结果R1和R2的结果，实现石块和泥土的边缘分割，并对边缘图像进行二值化；对二值化后的边缘图像，利用最小外接圆检测，实现封闭目标的最小外接圆检测；根据最小外接圆，计算最大直径，实现对石块最大径长的检测；根据设置的小于阈值和大于阈值，比较最小外接圆检测的最大径长，实现预警；

所述含水率实时检测装置包括：检测电极、数据采集与分析处理装置和锂电池电源，所述检测电极和所述数据采集与分析处理装置均与所述锂电池电源电性连接；所述数据采集与分析处理装置内设置有无线收发装置；所述检测电极安装在所述碾压轮开设的安装孔内，将所述检测电极安装在所述安装孔内，下方垫上弹簧垫片，用螺钉经所述弹簧垫片进行固定，使所述检测电极遇到硬物时能够进行缓冲；通过模型试验建立电阻率、含水率、压实度的耦合关系，从而得到含水率信息和压实度信息；

通过室内试验基于电阻率测试原理确定合理的检测电极布置形式，完成现场测试安装方案及采集发射；

室内标定试验，采用碾轮电极设计，通过室内模型试验建立电阻率、含水率、压实度的耦合关系。

优选的，在上述基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统中，所述智能压路机的车架四周安装有用于障碍物探测及防撞的激光雷达和毫米波雷达，并且所述激光雷达和毫米波雷达均与所述中控主机电性连接，将探测信息发送到所述中控主机。

优选的，在上述基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统中，所述智能压路机的车顶安装有与所述中控主机电性连接的三色警示灯；绿灯亮起代表处于自动模式，黄灯代表通讯故障，红灯代表设备故障。

优选的，在上述基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统中，所述智能压路机的车架上安装有与所述中控主机电性连接的急停开关。

优选的，在上述基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统中，通过GPS对智能压路机进行卫星定位。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统，云端控制系统根据工艺参数要求规划碾压路径，将规划好的路径无线通讯给压路机上的中控机，控制智能压路机的方向盘、档位、油门、刹车机构协同工作，对路基进行自动碾压；在碾压过程中，进行连续压实检测动态检测，实时调整碾压路径和振幅、振频等参数，对合格区域终止碾压以防止过压，对不合格区域进行自动补压。本发明结合无人驾驶、路径规划、连续压实检测、图像识别、含水率检测、卫星定位等技术从原材料检测、碾压过程控制与动态调整、到压实程度检测，最后成型的是材料、压实质量都合格的路基，实现对路基的自动化、智能化压实。

云端控制系统对智能压路机规划碾压路径，形成适合于铁路的无人驾驶压路机工艺；根据连续压实检测结果，对碾压不合格的区域进行自动补压。本发明结合路径规划和连续压实检测技术从原材料检测、碾压过程控制、到压实程度检测、根据检测结果进行补压，最后成型的是材料、碾压都合格的路基，实现对路基的智能化压实。

通过简单的机械测量与调整、控制器分析之后，能够实现压路机的无人驾驶功能，并且能够根据中控主机能够控制压路机按照制定的线路规划文件，严格按照规定的施工参数进行施工，实现压路机行驶路径、碾压遍数及速度的控制，实现对障碍物及临边环境的自动识别，保证工程施工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为智能压路机结构示意图；

图2附图为检测电极与碾压轮的安装示意图；

图3附图为检测电极的固定示意图；

图4附图为本发明的控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统，结合适合于路基碾压工作的无人驾驶系统，云端控制系统对智能压路机规划碾压路径，形成适合于铁路的无人驾驶压路机工艺；根据连续压实检测结果，对碾压不合格的区域进行自动补压。本发明结合路径规划和连续压实检测技术从原材料检测、碾压过程控制、到压实程度检测、根据检测结果进行补压，最后成型的是材料、碾压都合格的路基，实现对路基的智能化压实。

本发明公开了基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统，包括智能压路机1，其特征在于，还包括安装在智能压路机1上的填料组别图像识别装置2、含水率实时检测装置3、中控主机和云端控制系统4；其中填料组别图像识别装置2安装在智能压路机1的车架顶部，并与云端控制系统4无线通讯，采集并无线传输RGB图像和深度图像，通过分析实现填料粒径图像识别；含水率实时检测装置3安装在智能压路机1的碾压轮11上，实现对不同填料土体含水率的随车自动检测，并通过蓝牙无线通讯方式将信号发送至中控主机；安装在智能压路机1上的中控主机与含水率实时检测装置3、智能压路机1进行无线通讯，并通过无线传输方式与云端控制系统4进行通讯，中控主机调整智能压路机1的振频、振幅、行驶路线；云端控制系统4对智能压路机1进行驾驶路径和工作参数的规划；

填料组别图像识别装置2为设置RGB-D摄像机的平板电脑，RGB-D摄像机采集RGB图像和深度图像，平板电脑对RGB-D摄像机采集的图像信息进行处理，然后发送到云端控制系统4；

云端控制系统4结合含水率、RGB图像和深度图像信息，得到连续压实检测结果、实时含水率检测结果、填料粒径图像识别结果，并通过智能调频调幅模型计算，调整智能压路机1参数，实现无人驾驶路径规划、连续压实检测、以及智能调频调幅，云端控制系统4根据连续压实检测结果，规划智能压路机1碾压路径对碾压不合格的区域进行自动补压，从原材料检测、碾压过程控制、到压实程度检测、根据检测结果进行补压，实现材料、碾压都合格的路基碾压。

通过RGB-D摄像机采集RGB图像和深度图像；深度图像(depthimage)也被称为距离影像，是指将从图像采集器到场景中各点的距离(深度)作为像素值的图像，它直接反映了景物可见表面的几何形状，并记录了场景的三维信息；

根据RGB图像进行边缘检测与场景分割，实现初步目标物边缘的检测，获得边缘检测结果R1；根据深度(Depth)图像进行场景结构信息提取，同时，根据场景结构信息，进行目标物边缘检测，获得边缘检测结果R2；融合边缘检测结果R1和R2的结果，实现石块和泥土的边缘分割，并对边缘图像进行二值化；对二值化后的边缘图像，利用最小外接圆检测，实现封闭目标的最小外接圆检测；根据最小外接圆，计算最大直径，实现对石块最大径长的检测；根据设置的小于阈值和大于阈值，比较最小外接圆检测的最大径长，实现预警；

含水率实时检测装置3包括：检测电极31、数据采集与分析处理装置32和锂电池电源33，检测电极31和数据采集与分析处理装置32均与锂电池电源33电性连接；数据采集与分析处理装置32和锂电池电源33均设置在所述碾压轮11内，数据采集与分析处理装置32内设置有无线收发装置；沿碾压轮11横向两侧对称各布设4个检测电极31，检测电极31安装在碾压轮11开设的安装孔内，将检测电极31安装在安装孔内，下方垫上弹簧垫片34，用螺钉35将弹簧垫片34进行固定，使检测电极31遇到硬物时能够进行缓冲；通过模型试验建立电阻率、含水率、压实度的耦合关系，从而得到含水率信息和压实度信息；

通过室内试验基于电阻率测试原理确定合理的检测电极31布置形式，完成现场测试安装方案及采集发射；

室内标定试验，采用碾轮电极设计，通过室内模型试验建立电阻率、含水率、压实度的耦合关系。

为了进一步优化上述技术方案，智能压路机1的车架四周安装有用于障碍物探测及防撞的激光雷达和毫米波雷达，并且激光雷达和毫米波雷达均与中控主机电性连接，将探测信息发送到中控主机。

为了进一步优化上述技术方案，智能压路机1的车顶安装有与中控主机电性连接的三色警示灯5；绿灯亮起代表处于自动模式，黄灯代表通讯故障，红灯代表设备故障。

为了进一步优化上述技术方案，智能压路机1的车架上安装有与中控主机电性连接的急停开关。

为了进一步优化上述技术方案，智能压路机1包括自动驾驶、连续压实动态检测、压路机自动调频调幅三个主要模块。

为了进一步优化上述技术方案，智能压路机1采用山推SR26W无人驾驶单钢轮振动压路机，SR26W是山推自主开发的第一款大吨位无人驾驶压路机，采用人工智能、视觉计算、监控系统协同工作，对压路机进行精准定位控制和自动引导；实现压路机按施工要求进行自动行走和转向，实现无人驾驶的功能。该机器适宜对各种非粘性土壤，如砾石、碎石、砂石混合料以及各种混凝土等进行压实，是大型基础工程的理想压实设备：

智能调频调幅模型包括以下计算方法：

步骤一：通过室内试验获得路基填料室内最优振动压实参数，采用振动击实仪进行室内振动压实试验，分别得到不同类别填料的最优振动压实参数；

步骤二：通过试验，确定振动压路机-土系统的振动响应特征，经分析得出在压实前期，振动轮发生超谐波振动，振动轮频谱响应出现以基波为主含超谐波成分；在压实后期，随着土体不断密实，振动轮发生次谐波振动，振动响应频谱中开始出现更丰富的次谐波成分，并在一定条件下进入混沌振动状态；

步骤三：通过试验，采集压实进程中振动轮的运行状态，并进行数据分析，经分析得出随着土体密实度的增加，振动轮运行状态发生了由完全接触振压、部分接触失去、跳跃或摇摆振动、混沌振动的变化过程，跳跃振动、混沌振动造成了部分压实功的损失，压实效率较低，当振动轮发生跳跃或摇摆振动时，振动响应频谱中产生了1/2倍次谐波成分；从而确定减小振动幅值可有效地抑制跳跃或摇摆振动，避免混沌振动的发生；

步骤四：根据振动压实模式判断准则，确定压路机最优振动压实参数；振动压实模式判断准则包括：

振动幅值判断准则：振动轮频谱响应1/2倍工作频率的加速度幅值，即A1/2；

振动频率判断准则：最优振动频率高于振动压路机-土系统的二阶固有频率1-2Hz；

行驶速度判断准则：行驶速度与振动频率比满足v/f＝0.03；

步骤五：基于上述步骤获得的填料最优振动压实参数、振动压路机-土系统的振动响应特征、压实进程中振动轮的运行特性以及振动压实模式判断准则，通过具有无级变频变幅功能的压路机对路基进行压实，基于压路机振动响应特征及振动压实模式判断准则，根据路基填料压实状态结合填料最优振动压实参数，压路机的工控主机分析计算，并调节压路机振动参数至相匹配的最优工作参数，同时将碾压数据上传至智能压实控制平台进行进一步的深度学习与反馈。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统，包括智能压路机，其特征在于，还包括安装在所述智能压路机上的填料组别图像识别装置、含水率实时检测装置、中控主机和云端控制系统；其中所述填料组别图像识别装置安装在所述智能压路机的车架顶部，并与所述云端控制系统无线通讯，采集并无线传输RGB图像和深度图像，通过分析实现填料粒径图像识别；所述含水率实时检测装置安装在所述智能压路机的碾压轮上，实现对不同填料土体含水率的随车自动检测，并通过蓝牙无线通讯方式将信号发送至所述中控主机；安装在所述智能压路机上的所述中控主机与所述含水率实时检测装置、所述智能压路机进行无线通讯，并通过无线传输方式与所述云端控制系统进行通讯，所述中控主机调整智能压路机的振频、振幅、行驶路线；所述云端控制系统对所述智能压路机进行驾驶路径和工作参数的规划；

所述填料组别图像识别装置为设置RGB-D摄像机的平板电脑，所述RGB-D摄像机采集RGB图像和深度图像，所述平板电脑对所述RGB-D摄像机采集的图像信息进行处理，然后发送到所述云端控制系统；

所述含水率实时检测装置包括：检测电极、数据采集与分析处理装置和锂电池电源，所述检测电极和所述数据采集与分析处理装置均与所述锂电池电源电性连接；所述数据采集与分析处理装置内设置有无线收发装置；所述检测电极安装在所述碾压轮开设的安装孔内，将所述检测电极安装在所述安装孔内，下方垫上弹簧垫片，用螺钉经所述弹簧垫片进行固定，使所述检测电极遇到硬物时能够进行缓冲；通过模型试验建立电阻率、含水率、压实度的耦合关系，从而得到含水率信息和压实度信息；

所述云端控制系统结合含水率、RGB图像和深度图像信息，得到连续压实检测结果、实时含水率检测结果、填料粒径图像识别结果，并通过智能调频调幅模型计算，调整智能压路机参数，实现无人驾驶路径规划、连续压实检测、以及智能调频调幅，所述云端控制系统根据连续压实检测结果，规划智能压路机碾压路径对碾压不合格的区域进行自动补压，从原材料检测、碾压过程控制、到压实程度检测、根据检测结果进行补压，实现材料、碾压都合格的路基碾压。

2.根据权利要求1所述的基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统，其特征在于，所述智能压路机的车架四周安装有用于障碍物探测及防撞的激光雷达和毫米波雷达，并且所述激光雷达和毫米波雷达均与所述中控主机电性连接，将探测信息发送到所述中控主机。

3.根据权利要求1所述的基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统，其特征在于，所述智能压路机的车顶安装有与所述中控主机电性连接的三色警示灯；绿灯亮起代表处于自动模式，黄灯代表通讯故障，红灯代表设备故障。

4.根据权利要求1所述的基于无人驾驶及信息化检测技术的路基智能压实系统，其特征在于，所述智能压路机的车架上安装有与所述中控主机电性连接的急停开关。