CN111926657B - 一种摊铺机智能无人驾驶系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种摊铺机智能无人驾驶系统，属于工程机械技术领域。它包括摊铺机本体、无人驾驶规划端、实时定位与环境感知端与摊铺作业控制端。本发明的一种摊铺机智能无人驾驶系统，采用了无人驾驶智能系统，不仅实现了摊铺机的无人驾驶，还可以内置摊铺参数调整策略和算法，依据各传感器信息实时调整摊铺机作业状态和参数，有效提高摊铺质量；同时，避免摊铺过程中会产生沥青烟、苯丙等大量有害气体对操作人员身体的危害。
Description
技术领域
本发明涉及一种摊铺机智能无人驾驶系统，属于工程机械技术领域。
背景技术
现有技术下，随着我国道路施工、铁路修建等基础设施建设投入的加大，作业质量和效率的要求的不断提高，摊铺作为道路施工中的核心环节，如何更有效的保证摊铺质量显得尤为重要。
调查研究表明目前很多路面早期病害与损坏都与摊铺过程的质量问题密切相关。现阶段摊铺机都是由人工操作，受限于操作人员技术水平，摊铺机作业过程中的行走、转向、料斗收料、刮板输料器、螺旋分料器、熨平板振动振捣等动作和参数完全由操作人员根据现场状况和经验来确定，不能很好的根据摊铺状态实时调节，往往由于收料不及时导致大料大面积滚落、螺旋布料器与刮板输料器动作或参数设置不当导致摊铺后材料离析，熨平板振动振捣参数设置不能与铺层材料特性和厚度相适应，导致平整度和摊铺密实度问题，在压实过程亦不能得到修正。
而采用无人驾驶智能系统，可以避免摊铺过程中会产生沥青烟、苯丙等大量有害气体对操作人员身体的危害。
例如专利公开号为CN110042735A的中国专利公开了一种智能摊铺机控制系统，包括发射器主控MCU和接收器主控MCU，所述发射器主控MCU和接收器主控MCU通过无线发射接收模块的433无线通讯方式进行数据传输，本发明是一种主要用于高速公路上基层和面层各种材料摊铺作业的施工设备的控制系统，采用了微电脑控制，通过使用多种传感器互补融合技术检测分析周围环境，提高了无人操控摊铺机的控制精度、自适应能力和自学习能力，大大提高了无人操控摊铺机在各种工作状态下的快速平稳起步、转向精度和各个可控部件的精确调整，具有摊铺速度稳定、自动转向、输分料供料均匀、预压密实度高、摊铺平整度好、操作简单方便等优点；但是，上述智能摊铺机控制系统其输料系统仅用于判断有无料在刮料板上，无法检测状态，可能会出现出料不均而导致摊铺质量问题。
因此，研发一种摊铺机智能无人驾驶系统以解决上述问题是社会迫切需求的。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景问题中提出的问题，提供一种摊铺机智能无人驾驶系统，它实现了摊铺机的无人驾驶，还可以内置摊铺参数调整策略和算法，依据各传感器信息实时调整摊铺机作业状态和参数，有效提高摊铺质量。
本发明的目的是这样实现的：一种摊铺机智能无人驾驶系统，包括摊铺机本体、无人驾驶规划端、实时定位与环境感知端与摊铺作业控制端；
所述无人驾驶规划端设置摊铺区域、进行摊铺路径规划和设置摊铺作业参数；
所述实时定位与环境感知端包括GNSS定位系统、相机、毫米波雷达、计算板卡和数传模块，并进行摊铺机实时高精度定位与障碍物探测；
所述摊铺作业控制端包括车载控制器、轮速传感器、行走系统速度控制阀、刮板输送器、超声波料位传感器、螺旋布料器控制阀、熨平板振动振捣控制阀、加速度传感器、激光雷达找平传感器和摊铺层温度传感器。
所述无人驾驶规划端还内置有专家系统与大数据中心，根据铺层材料级配、强度特性、摊铺宽度、摊铺厚度合理预选松铺厚度、摊铺速度、熨平板振动频率和振幅、振捣幅值和频率，预选料斗收料模式、螺旋布料器输料模式，发送指令至摊铺机机载无人驾驶计算平台。
所述无人驾驶规划端为上位机软件，与实时定位与环境感知端通过4G或5G或调频数传各类无线通信方式连接，并将各类实时数据保存至大数据中心。
所述GNSS定位系统在GNSS信号较强区域，GNSS定位系统为RTK fixed模式，以摊铺机上的GNSS与GNSS基站通讯实现RTK高精度定位，并辅以相机视觉提取下承层边缘信息辅助定位，进行坐标变换与GNSS坐标融合提高定位精度；
在GNSS信号较弱、无信号或受干扰区域，GNSS定位系统为非RTK fixed状态，以摊铺机上相机视觉建图与定位实现高精度定位。
所述毫米波雷达安装在车身前后与侧方，进行环360度探测障碍物信息，并通过计算板卡接收毫米波雷达和相机信息，通过深度学习的视觉图像特征标记，辅助判断障碍物和识别障碍物，提高障碍物判断精度，检测到障碍物时发送停车指令至控制器或者预警。
所述摊铺作业控制端的车载控制器连接两侧轮速传感器，并实时接收轮速传感器数据，比较两侧轮速差经过计算后发送摊铺机作业速度和转向角数据给车载计算板卡，车载计算板卡结合视觉里程计和GNSS测速，实时对比实际作业路径与规划路径后发送行走速度和转向角纠偏值至车载控制器，车载控制器给行走速度控制阀电信号调整两侧轮转速，进而改变行走速度和转向角。
所述激光雷达找平传感器安装在摊铺机两侧，通过比较已摊铺表面和未摊铺表面至激光雷达找平传感器接收器的距离，通过内置固件计算得到摊铺厚度，GNSS提供海拔数值通过坐标变换得到熨平板平面的高程数值，对比高程和摊铺厚度设定值，控制器发送电信号至熨平板调平油缸控制电磁阀，实现高程和摊铺厚度的精确控制。
摊铺机上还安装相机进行料斗料位检测，通过提取料堆轮廓进而得到料堆形状，通过内置算法判断料斗内混合料滚落和离析状况，控制收斗频率和收斗幅度，减少由于料斗内大颗粒材料滚落造成的离析；
所述超声波料位传感器安装在刮板输料出口以及螺旋叶片上方；
所述刮板输料出口的超声波料位传感器根据螺旋布料器上料位高度控制刮板输料器动作，实现均匀及时供料，
所述布料螺旋上方的超声波料位传感器根据反馈的料位信息，控制螺旋布料器驱动马达，实现螺旋供料均匀连续。
所述加速度传感器布设在熨平板振捣夯锤部位和振动偏心激振器上，检测振捣振动频率和幅值，进而控制振动和振动频率与幅值；
摊铺机采用液压伸缩式熨平板，在两侧熨平板伸缩油缸上并联位移传感器检测伸缩长度，与摊铺路径规划中的设定值进行比较控制摊铺宽度。
所述摊铺层温度传感器是非接触式测温传感器，通过云台安装在摊铺机后侧；
所述摊铺层温度传感器实时检测铺层平面的温度分布，并通过计算平台内置算法实时分析温度离析区域；
所述计算平台利用相机图像特征识别和语义分割分析摊铺层表面离析程度和离析区域，离析超过预设阈值则报警提醒施工人员采取措施。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的一种摊铺机智能无人驾驶系统，采用了无人驾驶智能系统，不仅实现了摊铺机的无人驾驶，还可以内置摊铺参数调整策略和算法，依据各传感器信息实时调整摊铺机作业状态和参数，有效提高摊铺质量；同时，避免摊铺过程中会产生沥青烟、苯丙等大量有害气体对操作人员身体的危害。
综上所述，本发明一种摊铺机智能无人驾驶系统利用多种传感器数据与算法配合，提高了摊铺精度、摊铺质量，大大节约了人力物力。
附图说明
图1为本发明一种摊铺机智能无人驾驶系统的系统原理图。
图2为本发明一种摊铺机智能无人驾驶系统的整体硬件结构侧面示意图。
图3为本发明一种摊铺机智能无人驾驶系统的整体硬件结构内部示意图。
图4为本发明一种摊铺机智能无人驾驶系统的螺旋布料器的详细结构及传感器安装位置示意图。
图5为本发明一种摊铺机智能无人驾驶系统的熨平板振动振捣机构的示意图。
图6为本发明一种摊铺机智能无人驾驶系统的刮板输料器自动控制系统的工作原理。
其中：1、激光雷达找平传感器；2、毫米波雷达；3、熨平板；4、相机；5、螺旋布料器；6、摊铺机进料料斗；7、GNSS定位天线；8、摊铺层温度传感器；9、刮板输送器；10、料斗；11、发动机；12、翻斗油缸；13、振捣器；14、加固拉杆；15、超声波料位传感器；16、振捣梁；17、螺旋叶片；18、偏心轴；19、预振捣梁；20、主振捣梁；21、加速度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明加以说明：
如图1~6所示，一种摊铺机智能无人驾驶系统，包括摊铺机本体、无人驾驶规划端、实时定位与环境感知端与摊铺作业控制端；
所述无人驾驶规划端设置摊铺区域、进行摊铺路径规划和设置摊铺作业参数；
所述实时定位与环境感知端包括GNSS定位系统、相机4、毫米波雷达2、计算板卡和数传模块，并进行摊铺机实时高精度定位与障碍物探测；
所述摊铺作业控制端包括车载控制器、轮速传感器、行走系统速度控制阀、刮板输送器9、超声波料位传感器15、螺旋布料器控制阀、熨平板振动振捣控制阀、加速度传感器21、激光雷达找平传感器1和摊铺层温度传感器8。
所述无人驾驶规划端还内置有专家系统与大数据中心，根据铺层材料级配、强度特性、摊铺宽度、摊铺厚度合理预选松铺厚度、摊铺速度、熨平板振动频率和振幅、振捣幅值和频率，预选料斗收料模式、螺旋布料器输料模式，发送指令至摊铺机机载无人驾驶计算平台。
所述无人驾驶规划端为上位机软件，与实时定位与环境感知端通过4G或5G或调频数传各类无线通信方式连接，并将各类实时数据保存至大数据中心。
所述GNSS定位系统在GNSS信号较强区域，GNSS定位系统为RTK fixed模式，以摊铺机上的GNSS与GNSS基站通讯实现RTK高精度定位，并辅以相机视觉提取下承层边缘信息辅助定位，进行坐标变换与GNSS坐标融合提高定位精度；
在GNSS信号较弱、无信号或受干扰区域，GNSS定位系统为非RTK fixed状态，以摊铺机上相机视觉建图与定位实现高精度定位。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种摊铺机智能无人驾驶系统，其GNSS定位系统的GNSS定位天线7安装在车身的最上方。
所述毫米波雷达2安装在车身前后与侧方，进行环360度探测障碍物信息，并通过计算板卡接收毫米波雷达和相机信息，通过深度学习的视觉图像特征标记，辅助判断障碍物和识别障碍物，提高障碍物判断精度，检测到障碍物时发送停车指令至控制器或者预警。
所述摊铺作业控制端的车载控制器连接两侧轮速传感器，并实时接收轮速传感器数据，比较两侧轮速差经过计算后发送摊铺机作业速度和转向角数据给车载计算板卡，车载计算板卡结合视觉里程计和GNSS测速，实时对比实际作业路径与规划路径后发送行走速度和转向角纠偏值至车载控制器，车载控制器给行走速度控制阀电信号调整两侧轮转速，进而改变行走速度和转向角。
所述激光雷达找平传感器1安装在摊铺机两侧，通过比较已摊铺表面和未摊铺表面至激光雷达找平传感器1接收器的距离，通过内置固件计算得到摊铺厚度，GNSS提供海拔数值通过坐标变换得到熨平板3平面的高程数值，对比高程和摊铺厚度设定值，控制器发送电信号至熨平板调平油缸控制电磁阀，实现高程和摊铺厚度的精确控制。
摊铺机上还安装相机4进行料斗料位检测，通过提取料堆轮廓进而得到料堆形状，通过内置算法判断料斗内混合料滚落和离析状况，控制收斗频率和收斗幅度，减少由于料斗内大颗粒材料滚落造成的离析；
所述超声波料位传感器15安装在刮板输料出口以及螺旋叶片17上方；
所述刮板输料出口的超声波料位传感器15根据螺旋布料器上料位高度控制刮板输料器动作，实现均匀及时供料，
所述螺旋叶片17上方的超声波料位传感器15根据反馈的料位信息，控制螺旋叶片17的驱动马达，实现螺旋供料均匀连续。
所述加速度传感器21布设在熨平板振捣夯锤部位和振动偏心激振器上，检测振捣振动频率和幅值，进而控制振动和振动频率与幅值；
在本实施例中，摊铺机采用液压伸缩式熨平板，在两侧熨平板3伸缩油缸上并联位移传感器检测伸缩长度，与摊铺路径规划中的设定值进行比较控制摊铺宽度。
所述摊铺层温度传感器8是非接触式测温传感器，通过云台安装在摊铺机后侧；
所述摊铺层温度传感器8实时检测铺层平面的温度分布，并通过计算平台内置算法实时分析温度离析区域；
所述计算平台利用相机图像特征识别和语义分割分析摊铺层表面离析程度和离析区域，离析超过预设阈值则报警提醒施工人员采取措施。
在本实施例中，本发明一种摊铺机智能无人驾驶系统的摊铺层温度传感器8可以采用红外温度传感器。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种摊铺机智能无人驾驶系统，其特征在于：包括摊铺机本体、无人驾驶规划端、实时定位与环境感知端与摊铺作业控制端；
所述无人驾驶规划端设置摊铺区域、进行摊铺路径规划和设置摊铺作业参数；
所述实时定位与环境感知端包括GNSS定位系统、相机、毫米波雷达、计算板卡和数传模块，并进行摊铺机实时高精度定位与障碍物探测；
所述摊铺作业控制端包括车载控制器、轮速传感器、行走系统速度控制阀、刮板输送器、超声波料位传感器、螺旋布料器控制阀、熨平板振动振捣控制阀、加速度传感器、激光雷达找平传感器和摊铺层温度传感器；
摊铺机上还安装相机进行料斗料位检测，通过提取料堆轮廓进而得到料堆形状，通过内置算法判断料斗内混合料滚落和离析状况，控制收斗频率和收斗幅度，减少由于料斗内大颗粒材料滚落造成的离析；
所述超声波料位传感器安装在刮板输料出口以及螺旋叶片上方；
所述刮板输料出口的超声波料位传感器根据螺旋布料器上料位高度控制刮板输料器动作，实现均匀及时供料，
所述螺旋叶片上方的超声波料位传感器根据反馈的料位信息，控制螺旋叶片的驱动马达，实现螺旋供料均匀连续。
2.根据权利要求1所述的一种摊铺机智能无人驾驶系统，其特征在于：所述无人驾驶规划端还内置有专家系统与大数据中心，根据铺层材料级配、强度特性、摊铺宽度、摊铺厚度合理预选松铺厚度、摊铺速度、熨平板振动频率和振幅、振捣幅值和频率，预选料斗收料模式、螺旋布料器输料模式，发送指令至摊铺机机载无人驾驶计算平台。
3.根据权利要求2所述的一种摊铺机智能无人驾驶系统，其特征在于：所述无人驾驶规划端为上位机软件，与实时定位与环境感知端通过4G或5G或调频数传各类无线通信方式连接，并将各类实时数据保存至大数据中心。
4.根据权利要求1所述的一种摊铺机智能无人驾驶系统，其特征在于：所述GNSS定位系统在GNSS信号较强区域，GNSS定位系统为RTK fixed模式，以摊铺机上的GNSS与GNSS基站通讯实现RTK高精度定位，并辅以相机视觉提取下承层边缘信息辅助定位，进行坐标变换与GNSS坐标融合提高定位精度；
在GNSS信号较弱、无信号或受干扰区域，GNSS定位系统为非RTK fixed状态，以摊铺机上相机视觉建图与定位实现高精度定位。
5.根据权利要求1所述的一种摊铺机智能无人驾驶系统，其特征在于：所述毫米波雷达安装在车身前后与侧方，进行环360度探测障碍物信息，并通过计算板卡接收毫米波雷达和相机信息，通过深度学习的视觉图像特征标记，辅助判断障碍物和识别障碍物，提高障碍物判断精度，检测到障碍物时发送停车指令至控制器或者预警。
6.根据权利要求1所述的一种摊铺机智能无人驾驶系统，其特征在于：所述摊铺作业控制端的车载控制器连接两侧轮速传感器，并实时接收轮速传感器数据，比较两侧轮速差经过计算后发送摊铺机作业速度和转向角数据给车载计算板卡，车载计算板卡结合视觉里程计和GNSS测速，实时对比实际作业路径与规划路径后发送行走速度和转向角纠偏值至车载控制器，车载控制器给行走速度控制阀电信号调整两侧轮转速，进而改变行走速度和转向角。
7.根据权利要求1所述的一种摊铺机智能无人驾驶系统，其特征在于：所述激光雷达找平传感器安装在摊铺机两侧，通过比较已摊铺表面和未摊铺表面至激光雷达找平传感器接收器的距离，通过内置固件计算得到摊铺厚度，GNSS提供海拔数值通过坐标变换得到熨平板平面的高程数值，对比高程和摊铺厚度设定值，控制器发送电信号至熨平板调平油缸控制电磁阀，实现高程和摊铺厚度的精确控制。
8.根据权利要求1所述的一种摊铺机智能无人驾驶系统，其特征在于：所述加速度传感器布设在熨平板振捣夯锤部位和振动偏心激振器上，检测振捣振动频率和幅值，进而控制振动和振动频率与幅值；
摊铺机采用液压伸缩式熨平板，在两侧熨平板伸缩油缸上并联位移传感器检测伸缩长度，与摊铺路径规划中的设定值进行比较控制摊铺宽度。
9.根据权利要求1所述的一种摊铺机智能无人驾驶系统，其特征在于：所述摊铺层温度传感器是非接触式测温传感器，通过云台安装在摊铺机后侧；
所述摊铺层温度传感器实时检测铺层平面的温度分布，并通过计算平台内置算法实时分析温度离析区域；
所述计算平台利用相机图像特征识别和语义分割分析摊铺层表面离析程度和离析区域，离析超过预设阈值则报警提醒施工人员采取措施。
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