CN111021204B - 一种道路自动摊铺机器人 - Google Patents
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Abstract
一种道路自动摊铺机器人，主要由摊铺机与感知单元、控制决策单元、执行单元、无线通讯单元构成，其自主导航采用卫星、激光距离传感器结合道路设计信息实现摊铺定位与转向；摊铺作业利用料位超声雷达自主决策输料速度与行驶速度；摊铺厚度与平整度利用激光雷达测量路基、摊铺路面高差自动调平熨平装置。控制决策单元由上位机、下位机群、机载现场总线组成；上位机与工程调度中心通信，下位机群根据指令实现摊铺机器人自动点火、自动熄火、自动就位、自主导航、自主作业等功能。本发明的道路自动摊铺机器人，是一种无人化、智能化道路施工装备，可随时切换自动、遥控、人工摊铺作业模式，尤其适合高原、隧道等缺氧、危险不适合人工摊铺作业情况。
Description
技术领域
本发明属于工程机械技术领域，涉及道路施工建设装备，特别涉及一种道路自动摊铺机器人。
背景技术
道路在互联互通经济发展中是关键基础设施，而摊铺机是必不可少的施工建设装备。近年来，随着微处理器的不断发展，低成本计算机、传感与通讯等技术的实用性提高，使工程建设自动化技术，特别是道路自动化摊铺施工变为可能。
工程机械自动化技术是一项先进的机械化技术，它可以使一些重要的循环工作变得标准化、程序化，从而提高生产效率、降低生产成本。工程建设机械都是可移动或是需要重新定位的，要求机动性是作为完成工作过程中的必备功能，这不同于大多数工业机器人。
工程建设机器智能化是在工程机械机电液一体化的基础上，与计算机自动化相结合发展起来的。其目之一是以简化驾驶员操作，提高车辆的动力性、经济性、作业效率，以及节省能源为目的；目的之二是提高作业质量。
目前，国内外道路建设中还没有满足上述要求的道路自动摊铺装备与技术。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点以及发展的需求，本发明的目的在于提供一种道路自动摊铺机器人，作业过程中不需要人为干预，不但可实现无人化、智能化自主摊铺作业，而且还能提高摊铺作业整体质量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种道路自动摊铺机器人，包括：
感知单元，获取摊铺机1的定位数据、摊铺机1与隧洞侧壁的距离数据以及摊铺机1的布料器与路面及熨平装置的距离数据；
控制决策单元5，与现场总线构成机载控制器网络，包括机载计算机、发动机控制器、行驶控制器、转向控制器、振动与振捣控制器、摊铺自动调平控制器，所述转向控制器接收所述摊铺机1的定位数据、摊铺机1与隧洞侧壁的距离数据，构成两套定位导航系统控制转向，所述摊铺自动调平控制器接收所述摊铺机1的布料器与路面及熨平装置的距离数据，调整熨平装置位置，实现路面自动找平作业；
无线通讯单元2，与所述机载计算机组成机载无线网络节点，与工程调度中心构成全双工模式的场地无线通讯局域网络。
进一步地，所述感知单元包括：
安装于摊铺机1顶部的卫星定位接收机组3，用于获取摊铺机1的定位数据；
固定于摊铺机1侧面的激光测距传感器7，用于获取摊铺机1与隧洞侧壁的距离数据；
固定于摊铺机1的大臂8上的竖直平面激光雷达6，用于获取与路基、路面及熨平装置的距离数据；
所述无线通讯单元2固定于摊铺机1顶部，包括收发天线与接收机。
进一步地，所述卫星定位接收机组3包括第一卫星定位接收机组和第二卫星定位接收机组，其中第一卫星定位接收机组与机载计算机形成卫星定位网络，第二卫星定位接收机组接收定位基准站传递的相位信号，通过RTK模式实现高精度定位。
进一步地，所述竖直平面激光雷达6采用竖直发射方式，能够在270度范围内发射密集激光束，构成一个激光扫描面，利用已铺路面或路基作为待铺路面基准，并参考熨平装置当前位置，控制决策单元5生成目标指令，使调平油缸4驱动大臂8调整熨平装置位置，实现路面自动找平作业。
进一步地，所述机载控制器网络、场地无线通讯局域网络以及定位基站通讯网络构成自动摊铺机器人作业环境。
进一步地，在具有卫星信号或摊铺作业精度要求不高时，所述机载计算机接收卫星定位接收机组3的位置信息，并利用该位置信息计算摊铺机1的姿态信息，依据导航路线和位姿信息，生成转向行驶控制器的控制命令，并根据反馈信息实现闭环控制；在没有卫星信号或摊铺作业精度要求高时，所述机载计算机接收激光测距传感器7的位置信息，并利用该位置信息计算摊铺机1的姿态信息；依据导航路线和位姿信息，生成转向行驶控制器的控制命令，并根据反馈信息实现闭环控制。
进一步地，所述机载计算机接收竖直平面激光雷达6测量路基、已摊铺路面信息，以及摊铺厚度要求，通过计算差值自主决策生成驱动调平油缸4升降的指令。
进一步地，所述发动机控制器通过现场总线接收机载计算机发送的启动、恒转速、熄火控制命令，通过控制发动机调速驱动器来控制发动机转速，实现发动机恒速；
所述行驶控制器通过现场总线接收机载计算机发送的行驶启动、行驶速度与停止控制命令，通过行驶电磁驱动器驱动电液阀，再控制两侧行驶液压马达9实现行驶转向自动化预期行驶路径；运行过程中，实时比较行驶位置与目标位置之间偏差，经PID调整控制转向；
所述摊铺自动调平控制器通过现场总线接收机载计算机发来的控制命令，通过采集调平油缸4的当前信息，利用PID方法控制调平油缸的电磁阀，驱动液压油缸，实现摊铺自动找平，实现摊铺作业的自动化。
进一步地，作为路面建造作业中心，提供前序卸料、后序碾压的实时位置范围精确信息；所述机载计算机在判断通讯故障情况下，制定安全停车方案；行驶控制器在判断现场总线存在故障时实行安全停车方案；
进一步地，本发明所述路面自动摊铺机器人具有可随时切换的遥控驾驶、自动驾驶和人工驾驶三种作业模式，如遥控驾驶则屏蔽自动驾驶功能；如人工驾驶介入，则屏蔽自动驾驶与遥控驾驶功能；即自动导航驾驶优先级低于遥控驾驶，遥控驾驶优先级低于人工驾驶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、摊铺机器人通过无线通讯网络接收作业任务与命令，并向调度中心传送摊铺机器人运行状态信息。
2、利用卫星感知位姿与激光测距感知位姿能力，自主控制行驶轨迹。
3、按道路设计中线自动巡航摊铺作业。
4、通过激光雷达竖直面扫描测量，实现摊铺路面自动找平，保证摊铺器人可在复杂的环境实现更精细化的作业。
5、利用摊铺过程数据为路面碾压作业提供作业范围数据，利用摊铺机器人位置数据为运料车提供卸料位置信息。
附图说明
图1为本发明自动摊铺机器人系统图。
图2为本发明的一个实施例的结构图。
图3为摊铺机器人侧向定位导航示意图。
图4为路面自动找平激光雷达测量示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术和方法做进一步详细描述。以下实施例和附图用于说明本发明技术构成，但不是用来限定本发明的范围。
图1所示为自动摊铺机器人系统框图，在摊铺机上增加感知单元、控制决策单元、无线通讯单元以及执行单元，使摊铺机不但能够感知到自己位置、姿态，而且能够根据目标要求自动执行，形成一个完全自主的自动化施工装备。特别是，增加无线通讯单元使摊铺机器人成为开放系统，能够实现远程化、无人化、智能化摊铺作业。
图2所示为路面摊铺机器人的一个实施例的结构图。自动摊铺机器人在摊铺机1驾驶室顶上加装通讯收发天线2、卫星定位接收机组3，在驾驶室内安装控制箱5，在摊铺机侧面安装激光测距传感器7，在牵引大臂8上安装激光雷达6。
卫星定位接收机组3以及机载控制箱4内计算机形成卫星定位网络。摊铺机器人工作场地以及基站位置需要接受至少4颗卫星信号才能实现卫星定位功能。同时，卫星定位接收机组3还需要通过收发天线2接收定位基准站传递的相位信号，通过RTK模式实现高精度定位。
对于没有卫星定位条件时(即少于4颗卫星)，如在隧道内或城市高架桥下摊铺路面，则采用摊铺机侧向激光测距方式进行摊铺机机器人定位导航，如图3所示。具体方法为：
两个激光测距传感器7安装在摊铺机1侧面，向隧道侧壁发射激光并接受反射激光。激光测距传感器实时测量摊铺机到隧洞侧壁的距离，由此确定摊铺机器人的相对于隧道侧壁的位置与方位。结合隧道宽度则可实现摊铺机器人的自主定位导航。
在露天有卫星的路段，采用卫星定位系统；对于像隧道路段没有卫星信号，但有侧壁的场合则采用激光测距的方式导航。自动摊铺机器人提供了根据应用条件选择不同导航模式的功能。
图4所示为摊铺机器人采用激光雷达扫描测量路基、路面示意图。激光雷达6安装在摊铺机器人的两端大臂8上，激光扫描发射方式为竖直。激光雷达6能够在270度范围内发射密集激光束，构成一个激光扫描面。当一束激光接触地面或障碍物(熨平装置)后反射被雷达接收，记录激光束往返经历的时间即可确定激光束传播的距离，同时记录激光束的前后次序形成发射角。
激光雷达测量数据处理过程如下：
⑴根据激光雷达安装位置，将激光束分为两组：一组为摊铺机器人行走路基面的测量数据，另一组是刚摊铺完成路面的测量数据。
⑵分别拟合两组数据，可采用线性拟合方法。
⑶分别确定两条拟合直线到激光雷达安装位置的距离。
⑷实际路面摊铺层厚度由两拟合直线间距离差确定。
⑸实时比较路面设计厚度与实际摊铺厚度，控制决策单元5在线生成调平油缸4的控制指令，驱动大臂8调整熨平装置位置，实现路面自动找平作业。
本发明将自动摊铺机器人作业远程监控、自动导航控制以及人工驾驶结合为一个完整的系统，可以随时在三种作业模式间切换。
以上实施方式仅用于说明本发明，并非对本发明的限制。所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应有权力要求限定。
Claims (8)
1.一种道路自动摊铺机器人，其特征在于，包括：
感知单元，获取摊铺机(1)的定位数据、摊铺机(1)与隧洞侧壁的距离数据以及摊铺机(1)的布料器与路面及熨平装置的距离数据；
控制决策单元(5)，与现场总线构成机载控制器网络，包括机载计算机、发动机控制器、行驶控制器、转向控制器、振动与振捣控制器、摊铺自动调平控制器，所述转向控制器接收所述摊铺机(1)的定位数据、摊铺机(1)与隧洞侧壁的距离数据，构成两套定位导航系统控制转向，所述摊铺自动调平控制器接收所述摊铺机(1)的布料器与路面及熨平装置的距离数据，实时比较路面设计厚度与实际摊铺厚度，在线生成调平油缸(4)的控制指令，驱动大臂(8)调整熨平装置位置，实现路面自动找平作业；
无线通讯单元(2)，与所述机载计算机组成机载无线网络节点，与工程调度中心构成全双工模式的场地无线通讯局域网络；
其中所述感知单元包括：
安装于摊铺机(1)顶部的卫星定位接收机组(3)，用于获取摊铺机(1)的定位数据；
固定于摊铺机(1)侧面的两个激光测距传感器(7)，用于获取摊铺机(1)与隧洞侧壁的距离数据；
固定于摊铺机(1)的大臂(8)上的竖直平面激光雷达(6)，用于获取与路基、路面及熨平装置的距离数据；
所述无线通讯单元(2)固定于摊铺机(1)顶部，包括收发天线与接收机；
在具有卫星信号或摊铺作业精度要求不高时，所述机载计算机接收卫星定位接收机组(3)的位置信息，并利用该位置信息计算摊铺机(1)的姿态信息，依据导航路线和位姿信息，生成转向行驶控制器的控制命令，并根据反馈信息实现闭环控制；在没有卫星信号或摊铺作业精度要求高时，所述机载计算机接收激光测距传感器(7)的位置信息，并利用该位置信息计算摊铺机(1)的姿态信息；依据导航路线和位姿信息，生成转向行驶控制器的控制命令，并根据反馈信息实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述道路自动摊铺机器人，其特征在于，所述卫星定位接收机组(3)包括第一卫星定位接收机组和第二卫星定位接收机组，其中第一卫星定位接收机组与机载计算机形成卫星定位网络，第二卫星定位接收机组接收定位基准站传递的相位信号，通过RTK模式实现高精度定位。
3.根据权利要求1所述道路自动摊铺机器人，其特征在于，所述竖直平面激光雷达(6)采用竖直发射方式，能够在270度范围内发射密集激光束，构成一个激光扫描面，利用已铺路面或路基作为待铺路面基准，并参考熨平装置当前位置，控制决策单元(5)生成目标指令，使调平油缸(4)驱动大臂(8)调整熨平装置位置，实现路面自动找平作业。
4.根据权利要求1所述道路自动摊铺机器人，其特征在于，所述机载控制器网络、场地无线通讯局域网络以及定位基站通讯网络构成自动摊铺机器人作业环境。
5.根据权利要求1所述道路自动摊铺机器人，其特征在于，所述机载计算机接收竖直平面激光雷达(6)测量路基、已摊铺路面信息，以及摊铺厚度要求，通过计算差值自主决策生成驱动调平油缸(4)升降的指令。
6.根据权利要求1所述道路自动摊铺机器人，其特征在于，所述发动机控制器通过现场总线接收机载计算机发送的启动、恒转速、熄火控制命令，通过控制发动机调速驱动器来控制发动机转速，实现发动机恒速；
所述行驶控制器通过现场总线接收机载计算机发送的行驶启动、行驶速度与停止控制命令，通过行驶电磁驱动器驱动电液阀，再控制两侧行驶液压马达(9)实现行驶转向自动化预期行驶路径；运行过程中，实时比较行驶位置与目标位置之间偏差，经PID调整控制转向；
所述摊铺自动调平控制器通过现场总线接收机载计算机发来的控制命令，通过采集调平油缸(4)的当前信息，利用PID方法控制调平油缸的电磁阀，驱动液压油缸，实现摊铺自动找平，实现摊铺作业的自动化。
7.根据权利要求1所述道路自动摊铺机器人，其特征在于，作为路面建造作业中心，提供前序卸料、后序碾压的实时位置范围精确信息；所述机载计算机在判断通讯故障情况下，制定安全停车方案；行驶控制器在判断现场总线存在故障时实行安全停车方案；
8.根据权利要求1所述道路自动摊铺机器人，其特征在于，其具有可随时切换的遥控驾驶、自动驾驶和人工驾驶三种作业模式，如遥控驾驶则屏蔽自动驾驶功能；如人工驾驶介入，则屏蔽自动驾驶与遥控驾驶功能；即自动导航驾驶优先级低于遥控驾驶，遥控驾驶优先级低于人工驾驶。
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