CN110568844B - 无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，包括：激光发射装置和激光接收装置；激光发射装置安装在摊铺机上和路线起点；激光接收装置安装在压路机顶部。激光接收装置包括光敏电阻阵列和光敏电阻外接控制电路；所述光敏电阻阵列接收激光照射，通过控制电路将信号传至无人驾驶压路机控制器；控制器识别信号矩阵判断压路机运行位置，控制压路机进行位置调整。本发明是无人驾驶压路机传统导航定位的一种补充，有效解决了在传统定位方式下精度不足，反应不够灵敏的问题，有效地提高了无人驾驶压路机直线运行的位置精度，并提供了位置纠偏的一种思路，从而使施工质量得到保证。

Description

无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统

技术领域

本申请涉及一种激光辅助定位系统，尤其涉及一种无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统。

背景技术

随着我国高速公路建设事业的迅速发展，路面压实作为公路建设中的重要施工步骤，需要对其施工工艺和技术指标进行严格的把控。而在沥青路面摊铺压实的环节中，压路机是其中一种不可或缺的施工机械，通过压路机对刚摊铺的路面材料进行定位，碾压，揉搓，终压使路面达到压实度和平整度的要求，最终实现道路结构物的预期功能。

在进行路面压实的过程中，压路机一直处于震动状态，并且由于道路施工的连续性，往往需要长时间连续进行操作，对驾驶员的身心健康都会造成损害。在整个摊铺碾压的过程中，驾驶员需要驾驶压路机反复压实，并且与前一次压实轮迹直接要有一部分重叠，来保证接缝处的施工质量，在长时间的作业情况下，驾驶员疲劳驾驶，就会出现漏压，错压的情况。施工质量不能得到严格的控制，最终导致道路使用品质的下降。

现阶段，为了对施工质量进行严格的控制，保护施工人员的身心健康，无人驾驶压路机应运而生。无人驾驶压路机系统采用的是导航系统。传统的导航系统例如GPS，其定位精度在GPS星座完全更新到GPS IIIA卫星后，定位精度将达到0.3米，而国产北斗系统在亚太地区的定位精度为水平五米左右。压路机在进行压路作业时，要完成前进，倒退，转向，骑缝压实等多个作业步骤，在第一遍压实和第二遍压实时往往要保证15cm～20cm左右的搭接宽度，除此以外压路机还需要与其他压路机和摊铺机保持一定的安全距离。因此，无人驾驶压路机的对定位精度要求比较高，而目前无人驾驶压路机多采用的导航系统进行定位对于压路机压路作业的定位精度而言，显然是不够的。另外，压路过程中情况复杂多变，在无人驾驶压路机遇到信号故障或者遇到地面不平整，有障碍物等外界干扰，而导致运行偏离预定轨迹，此时由于定位精度不高，系统无法及时发出指令进行纠偏，容易产生不良后果。现阶段无人驾驶压路机碾压沥青路面的定位系统中存在两个重要问题：问题一：导航系统的定位精度无法满足压路机实际碾压过程的运行需求；问题二：当无人驾驶压路机出现信号故障或者外界扰动干扰了压路机的运行而导致的压路机偏离预定运行轨迹情况，由于导航系统的定位精度较低，无法及时做出纠偏反馈。因此，需要引进高精度的辅助定位系统对压路机压路过程中进行高精度的定位控制。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，用以解决目前无人驾驶压路机导航系统精度不高，纠偏不及时的问题，从而保证无人驾驶压路机的安全运行和施工质量。

技术方案：本发明的无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统包括：安装在起点线旁的第一侧向激光发射装置；安装在摊铺机上第二侧向激光发射装置、正向激光发射装置；安装在压路机上的第一控制器以及与第一控制器相连的侧向激光接收装置和正向激光接收装置；其中，所述侧向激光接收装置接收第一或第二侧向激光发射装置发射的信号并产生第一感应信号，所述第一控制器基于所述第一感应信号和当前压路机状态向所述压路机发出变道指令、变道转前进指令或变道转后退指令，以控制所述压路机进行变道或进行压路；所述正向激光接收装置接收正向激光发射装置发射的信号，产生第二感应信号并发送至所述第一控制器，以纠正所述压路机沿所述直线待压路段的行驶偏差。

进一步地，上述无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统还包括安装在所述摊铺机上的传送装置和与所述传送装置相连的第二控制器，所述正向激光发射装置固定在所述传送装置上；所述第一控制器在向所述压路机发出变道指令时还向所述第二控制器发出移动指令，所述第二控制器基于所述移动指令控制所述传送装置带动所述正向激光发射装置沿平行于所述起点线的方向移动，以确保所述压路机变道后能够接收到所述正向发射装置发射的信号。

进一步地，所述压路机状态包括：“行进”、“变道”；所述分析结果指示所述压路机正在前进或正在后退。

进一步地，所述第一控制器基于所述第一感应信号和当前压路机状态向所述压路机发出变道指令、变道转前进指令或变道转后退指令，具体包括：若当前压路机状态为“行进”，则所述第一控制器响应于所述第一感应信号向所述压路机发出变道的指令，将当前压路机状态改为“变道”，并基于所述第一感应信号分析并存储压路机变道前的状态(“前进”或“后退”)；若当前压路机状态为“变道”，且变道前的状态为“后退”，则所述第一控制器响应于所述第一感应信号向所述压路机发出变道转前进的指令，并将当前压路机状态更新为“行进”；若当前压路机状态为“变道”，且变道前的状态为“前进”，则所述第一控制器向所述压路机发出变道转后退的指令，并将当前压路机状态更新为“行进”。

进一步地，所述正向激光接收装置、所述侧向激光接收装置各自包括光敏电阻阵列和多个控制电路，每一控制电路与光敏电阻阵列中的各光敏电阻一一对应；所述光敏电阻阵列用于接收激光，并经由所述多个控制电路产生信号矩阵发送至所述第一控制器。

进一步地，每一光敏电阻阵列为3*3阵列，对应产生的信号矩阵为3*3的二进制阵列。在所述信号矩阵中，具有第一值的元素指示对应的光敏电阻接收到所述正向激光接收装置或所述侧向激光接收装置发射的信号，具有第二值的元素指示对应的光敏电阻没有接收到所述正向激光接收装置或所述侧向激光接收装置发射的信号。

进一步地，所述第一控制器基于所述第一感应信号确定所述压路机正在前进还是正在后退包括：所述第一控制器基于所述第一感应信号中各时刻信号矩阵的变化来确定所述压路机正在前进还是正在后退；纠正所述压路机沿所述直线待压路段的行驶偏差包括：所述第一控制器基于所述第二感应信号中各时刻信号矩阵的变化来确定压路机是左偏还是右偏，从而对偏差情况进行纠正。

进一步地，所述正向激光接收装置和所述侧向激光接收装置还各自包括遮光保护罩，所述遮光保护罩用于遮住大部分的自然光，只允许少量平行光和激光照射在光敏电阻阵列上。

有益效果：相比较现有技术，本发明具有以下优点：

1.本发明采用激光定位的方式，激光束波束窄，精度高，抗干扰能力强。作为无人驾驶压路机传统定位方式的补充，能够弥补其在直线运行时压实精度不足和抗干扰能力弱的特点。不仅如此，可以通过改变光敏电阻阵列的排列，尺寸或改变预定指令，来调整激光定位的精度。

2.该辅助定位系统，做出调整指令的反应十分迅速。总的反应时间为光敏电阻阻值变化的时间，继电器开合所需要的时间以及电流传输的时间相加。能够在无人驾驶压路机发生运动轨迹偏离时及时做出调整指令，防止出现不良后果。

3.该定位系统安装简便，制造成本低廉。激光发射装置固定在摊铺机上，激光接收装置安装在压路机上，利用了压路机在压路时和摊铺机相互配合的相对位置关系进行定位。定位系统的核心部分为光敏电阻控制电路，由光敏电阻排成光敏电阻阵列作为反映无人驾驶压路机相对位置的接收器，装置的原件和取材都十分常见。

附图说明

图1光敏电阻控制电路图；

图2无光照时继电器内部电路图；

图3控制电路信号产生过程示意图；

图4摊铺机机载正向激光发射装置主视图；

图5压路机机载正向激光接收装置；

图6压路机机载侧向激光接收装置；

图7无人驾驶压路机顶部激光接收装置示意图；

图8激光辅助定位系统平面布置示意图；

图9激光辅助定位系统控制下无人驾驶压路机运行示意图；

图10摊铺机及其激光发射装置立体示意图；

图11压路机及其激光接收装置立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明公开了一种无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，如图8所示，包括安装在起点线8旁的第一侧向激光发射装置1、安装在摊铺机7上第二侧向激光发射装置2和正向激光发射装置3、安装在压路机6上的第一控制器以及与第一控制器相连的侧向激光接收装置4和正向激光接收装置5。

正向激光发射装置3用于压路机在直线运动时的导向和位置校对；第二侧向激光发射装置2用于保证压路机6与摊铺机7之间保持一定的安全距离，并使第一控制器在压路机6邻近摊铺机7时发出变道转向指令。如图7所示，本实施例中，正向激光接收装置5和侧向激光接收装置4安装在压路机6顶部。侧向激光接收装置4接收第一或第二侧向激光发射装置4或5发射的信号并产生第一感应信号。第一控制器基于第一感应信号和当前压路机状态控制压路机6进行变道或进行压路。正向激光接收装置5接收正向激光发射装置3发射的信号，产生第二感应信号并发送至第一控制器，以纠正压路机6沿直线待压路段的行驶偏差。

如图4和图10，上述辅助定位系统还包括安装在摊铺机7上的传送装置9和与传送装置9相连的第二控制器，正向激光发射装置3固定在传送装置9上，第一控制器在控制压路机6进行变道时还向第二控制器发送指令。传送装置9可以为传送皮带，正向激光发射装置3固定在传送皮带上进行移动。皮带传送装置和正向激光发射装置一起用于精确导航无人驾驶压路机的纵向位置，皮带装置在第二控制器收到指令时，基于压路机6转向后的位置信息将正向激光发射装置沿平行于起点线8的方向运送到下一个位置点，以确保压路机6变道后能够接收到正向发射装置3发射的信号，起到直线导向的作用。如图8-10，摊铺机上还固定有支架，支架分为正向支架和侧向支架，正向支架上固定传送装置9，侧向支架上直接固定侧向发射装置2。

侧向激光接收装置4和正向激光接收装置5各自包括光敏电阻阵列、继电器和配套遮光保护罩。遮光保护罩的作用是遮挡自然光，只允许少部分平行光和激光发射器发射的激光照射到光敏电阻阵列上，减少外部干扰。如图5和6，光敏电阻阵列横向排列，可以接收到更大范围的激光照射。光敏电阻阵列是由多个光敏电阻组成的n×m矩阵，光敏电阻阵列中的每一个光敏电阻都外接控制电路。如图1所示，控制电路中包括电磁继电器，二极管，滑动变阻器。其中电磁继电器内部电路图如图2所示，若外接控制器的GND端电压为5v，当激光照射在光敏电阻上时，该光敏电阻阻值迅速减小，继电器输出电压为0v，信号计作0(或计作1)；而其他光敏电阻由于阻值未变，继电器输出电压仍为5v，信号计作1(或计作0)。激光照射单个光敏电阻和GND端的电压关系如表1所示：

表1

多个光敏电阻排列成的光敏电阻阵列输出的便是矩阵形式的信号，光敏电阻阵列接收激光照射的位置和信号矩阵中的元素一一对应。来自正向激光接收装置和侧向激光接收装置的不同信号矩阵反应压路机6相对于侧向或正向激光发射器不同的行驶状态。

对于正向激光接收装置5而言，当输出信号矩阵为

时，激光照射在中间位置，说明无人驾驶压路机6运行位置准确，没有发生偏离；当输出信号矩阵为

时，激光照射在中间偏左位置，当输出信号矩阵为

时，激光照射在中间偏右位置。由于激光射出的方向不变，激光照射位置变化说明激光接收装置方向发生改变，说明激光接收装置的载体无人驾驶压路机的运动方向发生了改变。为了应对这种变化，可以在控制器中预先设置指令，当接收到信号矩阵为

时，维持现状.当当激光照射在两侧区域时，说明无人驾驶压路机6偏离预定运动轨迹，需要进行姿态调整。例如，接收到信号矩阵为

时，向无人驾驶压路机中枢系统发出右转指令，调整左偏现状。当接收到信号矩阵为

时，向无人驾驶压路机中枢系统发出左转指令，调整右偏现状。将光敏电阻阵列设置为三层或多层的目的是为了防止无人驾驶压路机在振动过程中上下颠簸而产生的竖向位移，使激光照射在光敏电阻阵列的范围之外。

同样，当激光照射在侧向激光接收装置4的光敏电阻阵列中的某一个光敏电阻上时，产生第一感应信号。立刻输出转向变道的指令信号。假设从平面图的左侧视角看去，压路机前进即为从右往左行驶，此时，激光照射点在光敏电阻阵列上的位置就会从左侧移动到右侧，相应的按时序输出的信号矩阵为

和

当压路机后退时，即为从左往右行驶，激光照射点在光敏电阻上的位置就会从右侧移动到左侧，相应地按时序输出的信号矩阵为

和

因为两组信号矩阵不同，所以可以将压路机的前进运动和后退运动区分开来。

在确定压路机6是正在前进或正在后退后，第一控制器可以根据预先设定的程序指令结合当前压路机状态控制压路机6进行变道或进行压路。这里的压路机状态包括：“行进”或“变道”。若当前压路机状态为“行进”，则第一控制器响应于来自侧向激光接收装置4的第一感应信号向压路机6发出变道指令，将当前压路机状态改为“变道”，并基于第一感应信号分析并存储压路机变道前的状态(包括“前进”或“后退”)；若当前压路机状态为“变道”，且变道前的状态为“后退”，则第一控制器响应于来自侧向激光接收装置4的第一感应信号向压路机6发出变道转前进指令，并将当前压路机状态更新为“行进”；若当前压路机状态为“变道”，且变道前的状态为“前进”，则第一控制器向压路机6发出变道转后退指令，并将当前压路机状态更新为“行进”。

下面对无人驾驶压路机在激光辅助定位系统控制下压路过程进行介绍。如图9所示，两台无人驾驶压路机6在直线路段上，紧随两台摊铺机进行压路作业。左侧无人驾驶压路机向后退回到起点线8，此时压路机状态对应“行进”，在a位置处侧向激光接收装置4接收到来自起点线8旁的第一侧向激光发射装置1的激光，随即向压路机6发出变道指令，以控制压路机6变道转向到位置a①，并将当前压路机状态更新为“变道”，同时第一控制器基于来自侧向激光接收装置4的感应信号判断压路机6正在后退，因此将变道前的状态设为“后退”并保存；在完成变道转向后到a②时，侧向激光接收装置4再次接收到第一激光发射装置1发射出的激光，由于此时压路机状态更新为“变道”，且变道前的状态为“前进”，因此第一控制器随即控制压路机6结束变道并开始前进压路作业，同时将压路机状态更新为“行进”。在第一控制器向压路机6发出变道指令时，第一控制器还向第二控制器发送移动指令，以使第二控制器控制传送装置9将正向激光发射装置3调整到下一个位置点，为控制无人驾驶压路机在下一个道次上的直线运动做好了准备。无人驾驶压路机在行进状态时，若正向激光照射在正向光敏电阻阵列的中间位置时，识别为正常运行，保持原状态；在照射到光敏电阻阵列两侧的光敏电阻上时，传输至控制器的信号矩阵会指令无人驾驶压路机做出动作调整，回归正常运行轨迹，以此保证无人驾驶压路机从a②经a③正常运行至a④，当无人驾驶压路机运行至a④时，侧向激光接收装置4接收到了摊铺机机载的第二侧向激光发射装置2发射的激光，此时压路机状态仍为“行进”，第一控制器随即开始控制压路机6变道转向到位置a⑤，将压路机状态更新为“变道”，同时判断出压路机正在前进，因此将变道前的状态设为“前进”并保存；在完成变道转向后到a⑥，第一侧向激光接收装置4再次接收到第二激光发射装置2发射出的激光，由于此时压路机状态更新为“变道”，且变道前的状态为“前进”，第一控制器随即控制压路机6结束变道并开始后退压路作业，同时将压路机状态更新为“行进”。在此过程中摊铺机7机载的正向激光发射器3已通过传送装置位于下一个位置点。在道路的右侧，另一无人驾驶压路机6也在进行相同的压路动作，和左侧的无人驾驶压路机6相互配合且不会相互干扰。

Claims (9)

1.一种无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，其特征在于，包括：安装在起点线(8)旁的第一侧向激光发射装置(1)；安装在摊铺机(7)上第二侧向激光发射装置(2)、正向激光发射装置(3)；安装在压路机(6)上的第一控制器以及与第一控制器相连的侧向激光接收装置(4)和正向激光接收装置(5)；其中，所述侧向激光接收装置(4)接收第一或第二侧向激光发射装置发射的信号并产生第一感应信号，所述第一控制器基于所述第一感应信号和当前压路机状态向所述压路机(6)发出变道指令、变道转前进指令或变道转后退指令，以控制所述压路机(6)进行变道或进行压路；所述正向激光接收装置(5)接收正向激光发射装置(3)发射的信号，产生第二感应信号并发送至所述第一控制器，以纠正所述压路机(6)沿所述直线待压路段的行驶偏差。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，其特征在于，还包括安装在所述摊铺机(7)上的传送装置(9)和与所述传送装置(9)相连的第二控制器，所述正向激光发射装置(3)固定在所述传送装置(9)上；所述第一控制器在向所述压路机(6)发出变道指令时还向所述第二控制器发出移动指令，所述第二控制器基于所述移动指令控制所述传送装置(9)带动所述正向激光发射装置(3)沿平行于所述起点线(8)的方向移动，以确保所述压路机(6)变道后能够接收到所述正向发射装置(3)发射的信号。

3.根据权利要求1所述的无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，其特征在于，所述当前压路机状态包括：“行进”或“变道”。

4.根据权利要求3所述的无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，其特征在于，所述第一控制器基于所述第一感应信号和当前压路机状态向所述压路机(6)发出变道指令、变道转前进指令或变道转后退指令，具体包括：

若当前压路机状态为“行进”，则所述第一控制器响应于所述第一感应信号向所述压路机发出变道指令，将当前压路机状态改为“变道”，并基于所述第一感应信号分析并存储压路机变道前的状态，所述变道前的状态包括“前进”或“后退”；

若当前压路机状态为“变道”，且变道前的状态为“后退”，则所述第一控制器响应于所述第一感应信号向所述压路机发出变道转前进指令，并将当前压路机状态更新为“行进”；

若当前压路机状态为“变道”，且变道前的状态为“前进”，则所述第一控制器向所述压路机发出变道转后退指令，并将当前压路机状态更新为“行进”。

5.根据权利要求4所述的无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，其特征在于，所述正向激光接收装置(5)、所述侧向激光接收装置(4)各自包括光敏电阻阵列和多个控制电路，每一控制电路与光敏电阻阵列中的各光敏电阻一一对应；所述光敏电阻阵列用于接收激光，并经由所述多个控制电路产生信号矩阵发送至所述第一控制器。

6.根据权利要求5所述的无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，其特征在于，每一光敏电阻阵列为3*3阵列，对应产生的信号矩阵为3*3的二进制阵列。

7.根据权利要求6所述的无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，其特征在于，在所述信号矩阵中，具有第一值的元素指示对应的光敏电阻接收到所述正向激光接收装置或所述侧向激光接收装置发射的信号，具有第二值的元素指示对应的光敏电阻没有接收到所述正向激光接收装置或所述侧向激光接收装置发射的信号。

8.根据权利要求7所述的无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，其特征在于：

所述第一控制器基于所述第一感应信号确定所述压路机(6)正在前进还是正在后退包括：所述第一控制器基于所述第一感应信号中各时刻信号矩阵的变化来确定所述压路机(6)正在前进还是正在后退；

纠正所述压路机沿所述直线待压路段的行驶偏差包括：所述第一控制器基于所述第二感应信号中各时刻信号矩阵的变化来确定压路机(6)是左偏还是右偏，从而对偏差情况进行纠正。

9.根据权利要求5所述的无人驾驶压路机直线行驶激光辅助定位系统，其特征在于，所述正向激光接收装置和所述侧向激光接收装置还各自包括遮光保护罩，所述遮光保护罩用于遮住大部分的自然光，只允许少量平行光和激光照射在光敏电阻阵列上。

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