CN110331639B - 一种可自主作业智能压路机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可自主作业智能压路机系统，包括压路机本体、对压路机本体运动进行控制的机器控制层、感知决策层和管理规划层；采用载波相位差分技术GNSS实现高精度定位与航向测量；车身安装毫米波雷达实现车身周边障碍物检测；车身安装激光雷达、相机用于碾压区域高精度地图构建与边坡检测，供管理规划端进行碾压作业规划；采用机载压实度在线检测技术实现压实度全覆盖在线检测，为调频调幅提供依据；管理规划端内置专家系统和大数据系统，可根据施工现场被压实材料特性、压路机参数、压实度信息与高精度地图自行进行碾压规划，实现机群压实数据共享与协同作业；压路机可根据压实进程实时调整振动能量输出，有效提高压实质量和效率。

Description

一种可自主作业智能压路机系统
技术领域
本发明涉及压路机技术领域，具体涉及一种可自主作业智能压路机系统。
背景技术
振动压路机作为路面机械的典型机种之一，其广泛应用于公路、水利、铁路、航空机场、港口及大型场地等基础设施建设中；随着社会的发展和进步，人们对于工程建设质量逐步提高，对压实设备的作业质量提出了更高的要求，虽然我国压路机本体的制造水平已经取得了很大的提高，但压路机在施工作业过程中的人为因素不可避免，这就造成了压实质量问题比较突出，振动压路机操作人员往往不能严格按照压实工艺进行，主要表现为：操作人员为减小由大振幅振动带来的振动不适感及对身体的影响，在缺乏监督的情况下采用小振幅代替大振幅工作；操作人员为加快压实进程，随意加快碾压速度，减少压实遍数，不能确保压实作业的有效进行；方向控制和重叠宽度依赖驾驶员熟练程度，且压路机在后退方向进行碾压时只能通过后视镜观测轮胎前障碍物，存在安全隐患，同时也难自动检测边坡危险和观测到边坡路段侧上方威胁。
目前已有无人驾驶压路机和智能压路机方面的研究成果，亦有相关的无人驾驶压路机产品出现，但目前的智能压路机只能单纯的做到压路机无人驾驶技术或者智能压实技术，不能完成自主作业；主要表现在：基于GNSS、激光雷达、毫米波雷达等多传感的无人驾驶压路机，其主要是根据人为设定的固有压实轨迹进行压实作业，压路机本体的振动频率、名义振幅、碾压速度、碾压遍数均需人为预先设定；虽加入了压实度在线检测装置，但只能简单记录压实度数据、碾压轨迹与遍数，并不能实时调整压路机本体的振动参数和作业参数；无论是单台压路机还是多台压路机仍是机械式的执行人为压实轨迹规划，并不能实现压路机群压实数据共享与协同作业。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可自主作业智能压路机系统，基于压路机自动驾驶技术、压实度在线检测技术、无级调幅振动压实技术和压实轨迹自动规划技术；压实管理规划端依据施工规划地图与压路机本体上通过相机、激光雷达信息建立的高精度地图信息，利用管理规划端专家系统和大数据系统，自主进行压路机碾压路径规划和压路机参数设定；压实机群中各智能压路机能够按照规划轨迹进行压实，依据材料压实状况实时调整压实作业参数，可有效避免人工误操作或疲劳懈怠造成的压实质量问题，减小或摆脱对熟练机手的依赖；减小机器振动噪声、冷热恶劣环境及特殊危险环境对人身的伤害；减少人工费用；有效提高压实质量和效率；具有智能化、操作多元化，高质量、高效率的特点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种可自主作业智能压路机系统，包括压路机本体、对压路机本体运动进行控制的机器控制层、感知决策层和管理规划层；感知决策层、机器控制层均设置于压路机本体上，感知决策层与机器控制层通过CAN总线连接，管理规划层与感知决策层通过远程连接，其中：
感知决策层包括计算平台板卡、感知决策模块、压实度检测模块和无线远端通讯模块，感知决策模块、压实度检测模块和无线远端通讯模块分别与计算平台板卡相连，通过计算平台板卡对感知决策模块检测的施工现场环境数据和压实度检测模块测量到的压实数据进行处理、分析；
机器控制层包括车身运动控制器、转向角传感器、行车速度传感器和压路机运动控制系统，转向角传感器、行走速度传感器和压路机运动控制系统分别与车身运动控制器相连，车身运动控制器与计算平台板卡相连，车身运动控制器通过发送控制信号对压路机本体的速度、转向、启停振、振幅大小、制动、安全停车及发动机运行参数进行调整；
管理规划层包括管理规划操作端和管理规划端服务器，管理规划操作端可输入被压材料参数、压路机参数及压实质量参数，接收计算平台板卡发送的定位和建图信息，并发送路径指令至计算平台板卡。
优选的，所述的压路机本体包括后车架和前车架，后车架的前端设置有驾驶室，前车架与后车架之间设置有铰接轴，前车架上安装有内置激振机构的前钢轮，前钢轮车架上安装有转向油缸和行走马达，后车架上安装有后轮胎，也可为内置激振机构的钢轮。
优选的，所述的感知决策模块包括RTK GNSS、相机、激光雷达和毫米波雷达，所述的激光雷达安装在驾驶室上，相机安装在压路机本体的后车架、驾驶室和前车架上，毫米波雷达安装在后车架和前车架上；相机、激光雷达、毫米波雷达均与计算平台板卡相连，通过计算平台板卡对相机、激光雷达和毫米波雷达获取的数据进行处理。
优选的，所述的RTK GNSS包括双天线GNSS流动站和GNSS基站，双天线GNSS流动站安装在压路机本体前车架上，GNSS基站安装在施工现场空旷场地上，GNSS流动站和GNSS基站通过电台通讯；GNSS基站发送定位信息至GNSS流动站，GNSS流动站为双天线GNSS，GNSS流动站提供定位和航向信息给计算平台板卡。
优选的，所述的相机包括单目相机和双目相机，单目相机用于检测压路机本体侧边压实区域边缘及边坡，双目相机与激光雷达进行数据融合以创建高精度地图，用于在无GNSS信号或GNSS信号遮挡环境下的辅助定位。施工现场单台或多台压路机将高精度地图发送至规划管理端，进行施工现场压路机的总体路径规划，从而实现自主作业。
优选的，所述的压实度检测模块包括加速度传感器和压实度实时检测仪，加速度传感器设置在压路机本体的前钢轮上，与安装在驾驶室内的压实度实时检测仪相连，以此搭建智能压路机本体压实度实时检测系统，用于压实度在线实时检测，压实度数据传送至计算平台板卡供压路机控制决策用。
优选的，所述的无线远端通讯模块包括通讯模块和通讯模块天线，通讯模块与计算平台板卡相连，通讯模块天线通过CAN总线与计算平台板卡相连；所述的通讯模块天线放置于压路机本体驾驶室顶部。
优选的，所述的转向角传感器安装在压路机本体前车架与后车架之间的铰接轴上，用于测定压路机本体前车架与后车架的实时偏转角；所述的速度传感器集成在行走马达上，用于测定压路机本体的实时行走速度信息。
优选的，所述的压路机运动控制系统包括发动机运行控制模块、行走控制模块、转向控制模块、振动控制模块、制动控制模块和安全模块；发动机运行控制模块控制发动机启停和转速，制动模块控制行走制动、行走控制模块控制压路机行走速度，转向控制模块控制压路机转向角、振动控制模块控制压路机钢轮振动频率、启停振与振幅调节，以实现压路机本体的行走、转向和振动控制，安全模块负责压路机本体的紧急停车以保证安全作业。
优选的，所述的管理规划端服务器包括内置专家系统和压实大数据数据库。
本发明的有益效果：
由于本发明提供的一种可自主作业智能压路机系统，基于压路机本体自动驾驶技术、压实度在线检测技术、无级调幅振动压实技术和压实轨迹自动规划技术，能够实现各智能压路机本体按照规划轨迹进行压实，依据材料压实状况实时调整压实作业参数，可有效避免人工误操作或疲劳懈怠造成的压实质量问题，减小或摆脱对熟练机手的依赖；减少人工费用；减小机器振动噪声、冷热恶劣环境及特殊危险环境对人身的伤害；实时监测碾压过程与压实质量信息，有效提高压实质量和效率的特点。
附图说明：
图1-1为本发明系统架构图。
图1-2为本发明功能模块图。
图2为本发明避障原理图。
图3为本发明边坡危险预警原理图。
图4为本发明调频调幅原理图。
图5为本发明自动转向原理图。
图6为本发明行走速度控制原理图。
图7为本发明机群协同作业示意图。
其中：1.后车架，2.用户管理端，3.通讯模块，4.计算平台板卡，5.车身运动控制器，6.激光雷达，7.毫米波雷达，8.单目相机，9.转向角传感器，10.铰接轴，11.转向油缸，12.行走马达，13.加行车速度传感器，14.GNSS流动站，15.GNSS基站，16.前车架，17.行车速度传感器，18.通讯模块天线，19.压实度实时检测仪，20.双目相机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参见图1-1-图1-2，一种可自主作业智能压路机系统，是人工智能技术在压路机本体上的典型应用，其具体实施方式如下：
一种可自主作业智能压路机系统，其特征在于：包括压路机本体、对压路机本体运动进行控制的机器控制层、感知决策层和管理规划层；感知决策层、机器控制层均设置于压路机本体上，感知决策层与机器控制层通过CAN总线连接，管理规划层与感知决策层通过远程连接，其中：
感知决策层包括计算平台板卡4、感知决策模块、压实度检测模块和无线远端通讯模块，感知决策模块、压实度检测模块和无线远端通讯模块分别与计算平台板卡4相连，通过计算平台板卡4对感知决策模块检测的施工现场环境数据和压实度检测模块测量到的压实数据进行处理、分析；
机器控制层包括车身运动控制器5、转向角传感器9、行车速度传感器17和压路机运动控制系统，转向角传感器9、行走速度传感器17和压路机运动控制系统分别与车身运动控制器5相连，车身运动控制器5与计算平台板卡4相连，车身运动控制器5通过发送控制信号对压路机本体的速度、转向、启停振、振幅大小、制动、安全停车及发动机运行参数进行调整；
管理规划层包括管理规划操作端和管理规划端服务器，管理规划操作端可输入被压材料参数、压路机参数及压实质量参数，接收计算平台白卡发送的定位和建图信息，并发送路径指令至计算平台板卡4；
压路机本体包括后车架1和前车架16，后车架1的前端设置有驾驶室，前车架16与后车架1之间设置有铰接轴10，前车架16上安装有内置激振机构的前钢轮，前钢轮车架上安装有转向油缸11和行走马达12，后车架1上安装有后轮胎，也可为内置激振机构的钢轮；
具体的，所述激振机构为激振器。
感知决策模块包括RTK GNSS、相机、激光雷达6和毫米波雷达7，所述的激光雷达6安装在驾驶室上，相机安装在压路机本体的后车架1、驾驶室和前车架16上，毫米波雷达7安装在后车架1和前车架16上；相机、激光雷达、毫米波雷达均与计算平台板卡4相连，通过计算平台板卡4对相机、激光雷达和毫米波雷达获取的数据进行处理；
RTK GNSS包括双天线GNSS流动站14和GNSS基站15，双天线GNSS流动站14安装在压路机本体前车架16上，GNSS基站15安装在施工现场空旷场地上，GNSS流动站14和GNSS基站15通过电台通讯；GNSS基站15发送定位信息至GNSS流动站14，GNSS流动站14为双天线GNSS，GNSS流动站14提供定位和航向信息给计算平台板卡4；
相机包括单目相机8和双目相机20，单目相机8用于检测压路机本体侧边压实区域边缘及边坡，双目相机20与激光雷达6进行数据融合以创建高精度地图，用于在无GNSS信号或GNSS信号遮挡环境下的辅助定位。施工现场单台或多台压路机将高精度地图发送至规划管理端，进行施工现场压路机的总体路径规划，从而实现自主作业；
压实度检测模块包括加速度传感器13和压实度实时检测仪19，加速度传感器13设置在压路机本体的前钢轮上，与安装在驾驶室内的压实度实时检测仪19相连，以此搭建智能压路机本体压实度实时检测系统，用于压实度在线实时检测，压实度数据传送至计算平台板卡4供压路机控制决策用；
无线远端通讯模块包括通讯模块3和通讯模块天线18，通讯模块3与计算平台板卡4相连，通讯模块天线18通过CAN总线与计算平台板卡4相连；所述的通讯模块天线18放置于压路机本体驾驶室顶部；
转向角传感器9安装在压路机本体前车架16与后车架1之间的铰接轴10上，用于测定压路机本体前车架16与后车架1的实时偏转角；所述的速度传感器17集成在行走马达12上，用于测定压路机本体的实时行走速度信息。
压路机运动控制系统包括发动机运行控制模块、行走控制模块、转向控制模块、振动控制模块、制动控制模块和安全模块；发动机运行控制模块控制发动机启停和转速，制动模块控制行走制动、行走控制模块控制压路机行走速度，转向控制模块控制压路机转向角、振动控制模块控制压路机钢轮振动频率、启停振与振幅调节，以实现压路机本体的行走、转向和振动控制，安全模块负责压路机本体的紧急停车以保证安全作业。
管理规划端服务器包括内置专家系统和压实大数据数据库，根据施工地图、碾压铺层材料特性和压实机械特性自行规划各压路机本体碾压轨迹与压实作业参数，并将轨迹规划下发至各压路机本体；同时，接收来自各智能压路机本体的高精度地图，规划新碾压区段压实工艺，给机群下发碾压轨迹和碾压作业参数；根据碾压铺层压实状况实时调整压实轨迹规划和作业参数调整，实现机群自主智能压实。
专家系统内部的思路是：随着压实进度或压实度的提高，调频调幅遵循频率逐渐增大，振幅减小的原则。
使用时，现场作业人员将施工图纸及依据经验确定的压实工艺通过编辑和监控上位机软件输入至管理与规划端服务器，服务器通过比对内置专家系统和压实大数据，确定碾压路径规划并下发至各智能压路机本体；在施工区域的压路机本体接收指令，按照压实轨迹规划自动进行压实作业；在压路机本体作业过程中，在大型树木、建筑物遮挡环境下，由于GNSS多路径问题导致定位精度不高，或者在隧道无GNSS信号区域，计算平台依靠相机与激光雷达提供信息自建高精度地图实现定位。
参见图2，毫米波雷达7实时检测车身周边障碍物信息，当障碍物距离进入压路机本体安全范围内，即障碍物与压路机本体之间的距离小于2m时，计算平台板卡4向车身运动控制器5发停机指令，车身运动控制器5将控制压路机本体行走马达12停止运行；同时依靠安装在车身前部和后部的激光雷达6与视觉相机20将采集到的图像信息，传至计算平台板卡4进行实时建图，以识别碾压区域、进行边缘检测与碾压轨迹检测以辅助定位。
参见图3，安装在压路机本体侧面的单目相机8对两侧目标与边坡危险环境实时监测，计算平台板卡4接受到单目相机8的边坡信息后，通过一系列图像处理计算出压路机本体至边坡的横向距离，当距离小于安全距离，即压路机本体与边坡的距离小于0.5m时，计算平台控制器立即向车身运动控制器5发送边坡危险指令，车身运动控制器5控制转向油缸11来改变压路机本体碾压方向，从而保证人身及设备安全；
0.5m为假定值，使用时可根据不同现场情况调节。
参见图4，安装在驾驶室内的压实度实时检测仪19实时采集和分析加行车速度传感器13的速度信号，通过建立数学模型和相关算法，计算出能够反映当前铺层压实程度的压实度值，计算平台板卡4和用户管理端2的服务器实时对压实度值进行显示和存储；压实度实时检测系统将当前压实度与目标压实度进行比对，并根据内置专家系统，发现压实质量存在问题的原因，对薄弱区域改变激振名义振幅，保证铺层压实质量一致性；内置专家系统的压实策略为：在压实初始阶段，采用先静压，再大振幅低频率压实，在压实终了阶段采用小振幅高频率，以与被压实材料特性相适应；对局部薄弱区域采用加大名义振幅方式进行压实；即随着压实度的提高或压实遍数的增多，逐渐增大振动频率，减小振幅的策略调整压路机振动参数。
参见图5，压路机本体的自动化转向步骤是：计算平台控制器通过CAN总线向车身运动控制器5发送转向指令，同时发送期望转向角的指令，车身运动控制器5收到指令后，通过比较转向角传感器9测得的实际转角与接收的期望转角，通过转向控制算法得出压路机本体实际期望转角，然后通过控制转向油缸11的伸缩来完成自动转向；并通过GNSS流动站测到的航向角数据及定位数据，传送到计算平台板卡4，进行计算、对比、分析，将分析结果发送给车身运动控制器5，由车身运动控制器5实时纠偏。
参见图6，压路机本体行走速度控制的步骤是：计算平台控制器通过CAN总线向机器控制器发送控制速度指令，同时发送期望速度指令，车身运动控制器5收到指令后，通过比较行车速度传感器17测得的实际速度与接收的期望速度，通过行走控制算法得出压路机本体实际期望速度，通过控制行走马达12的转速，从而使压路机本体按期望碾压速度行驶。
参见图7，管理规划层内置专家系统和压实大数据数据库，能够根据施工地图、碾压铺层材料特性和压实机械特性自行规划各压路机本体碾压轨迹与压实作业参数，并将轨迹规划下发至各压路机本体；同时用户管理端接收来自各智能压路机本体的高精度地图，规划新碾压区段压实工艺，给机群下发碾压轨迹和碾压作业参数，用户管理端同时根据碾压铺层压实状况实时调整压实轨迹规划和作业参数调整，实现机群自主智能压实。
本发明公开了一种可自主作业智能压路机系统，包括压路机本体、对压路机本体运动进行控制的机器控制层、感知决策层和管理规划层；采用载波相位差分技术GNSS实现高精度定位与航向测量；车身安装毫米波雷达实现车身周边障碍物检测；车身安装激光雷达、相机用于碾压区域高精度地图构建与边坡检测，供管理规划端进行碾压作业规划；采用机载压实度在线检测技术实现压实度全覆盖在线检测，为调频调幅提供依据；管理规划端内置专家系统和大数据系统，可根据施工现场被压实材料特性、压路机参数、压实度信息与高精度地图自行进行碾压规划，实现机群压实数据共享与协同作业；压路机可根据压实进程实时调整振动能量输出，有效提高压实质量和效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种可自主作业智能压路机系统，其特征在于：包括压路机本体、对压路机本体运动进行控制的机器控制层、感知决策层和管理规划层；感知决策层、机器控制层均设置于压路机本体上，感知决策层与机器控制层通过CAN总线连接，管理规划层与感知决策层通过远程连接，其中：
感知决策层包括计算平台板卡（4）、感知决策模块、压实度检测模块和无线远端通讯模块，感知决策模块、压实度检测模块和无线远端通讯模块分别与计算平台板卡（4）相连，通过计算平台板卡（4）对感知决策模块检测的施工现场环境数据和压实度检测模块测量到的压实数据进行处理、分析；
机器控制层包括车身运动控制器（5）、转向角传感器（9）、行车速度传感器（17）和压路机运动控制系统，转向角传感器（9）、行走速度传感器（17）和压路机运动控制系统分别与车身运动控制器（5）相连，车身运动控制器（5）与计算平台板卡（4）相连，车身运动控制器（5）通过发送控制信号对压路机本体的速度、转向、启停振、振幅大小、制动、安全停车及发动机运行参数进行调整；
管理规划层包括管理规划操作端和管理规划端服务器，管理规划操作端可输入被压材料参数、压路机参数及压实质量参数，接收计算平台板 卡（4）发送的定位和建图信息，并发送路径指令至计算平台板卡（4）；
所述的压路机本体包括后车架（1）和前车架（16），后车架（1）的前端设置有驾驶室，前车架（16）与后车架（1）之间设置有铰接轴（10），前车架（16）上安装有内置激振器的前钢轮，前钢轮车架上安装有转向油缸（11）和行走马达（12），后车架（1）上安装有后轮胎，或为内置激振器的钢轮；
所述的感知决策模块包括RTK GNSS、相机、激光雷达（6）和毫米波雷达（7），所述的激光雷达（6）安装在驾驶室上，相机安装在压路机本体的后车架（1）、驾驶室和前车架（16）上，毫米波雷达（7）安装在后车架（1）和前车架（16）上；相机、激光雷达、毫米波雷达均与计算平台板卡（4）相连，通过计算平台板卡（4）对相机、激光雷达和毫米波雷达获取的数据进行处理；
所述的RTK GNSS包括双天线GNSS流动站（14）和GNSS基站（15），双天线GNSS流动站（14）安装在压路机本体前车架（16）上，GNSS基站（15）安装在施工现场空旷场地上，GNSS流动站（14）和GNSS基站（15）通过电台通讯；GNSS基站（15）发送定位信息至GNSS流动站（14），GNSS流动站（14）为双天线GNSS，GNSS流动站（14）提供定位和航向信息给计算平台板卡（4）；
所述的相机包括单目相机（8）和双目相机（20），单目相机（8）用于检测压路机本体侧边压实区域边缘及边坡，双目相机（20）与激光雷达（6）进行数据融合以创建高精度地图，用于在无GNSS信号或GNSS信号遮挡环境下的辅助定位，施工现场单台或多台压路机将高精度地图发送至规划管理端，进行施工现场压路机的总体路径规划，从而实现自主作业；
所述的压实度检测模块包括加速度传感器（13）和压实度实时检测仪（19），加速度传感器（13）设置在压路机本体的前钢轮上，与安装在驾驶室内的压实度实时检测仪（19）相连，以此搭建智能压路机本体压实度实时检测系统，用于压实度在线实时检测，压实度数据传送至计算平台板卡（4）供压路机控制决策用；
所述的无线远端通讯模块包括通讯模块（3）和通讯模块天线（18），通讯模块（3）与计算平台板卡（4）相连，通讯模块天线（18）通过CAN总线与计算平台板卡（4）相连；所述的通讯模块天线（18）放置于压路机本体驾驶室顶部；
所述的转向角传感器（9）安装在压路机本体前车架（16）与后车架（1）之间的铰接轴（10）上，用于测定压路机本体前车架（16）与后车架（1）的实时偏转角；所述的速度传感器（17）集成在行走马达（12）上，用于测定压路机本体的实时行走速度信息；
所述的压路机运动控制系统包括发动机运行控制模块、行走控制模块、转向控制模块、振动控制模块、制动控制模块和安全模块；发动机运行控制模块控制发动机启停和转速，制动模块控制行走制动、行走控制模块控制压路机行走速度，转向控制模块控制压路机转向角、振动控制模块控制压路机钢轮振动频率、启停振与振幅调节，以实现压路机本体的行走、转向和振动控制，安全模块负责压路机本体的紧急停车以保证安全作业。
2.根据权利要求1所述的一种可自主作业智能压路机系统，其特征在于：所述的管理规划端服务器包括内置专家系统和压实大数据数据库。
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