CN113721619B - 一种基于rtk技术的推土机路径规划系统及作业方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种基于RTK技术的推土机路径规划系统及作业方法，该系统包括GNSS基准站、GNSS移动站、IMU传感器、双目相机、控制器、比例阀组及人机交互界面。该方法及系统应用在无人驾驶推土机的整平作业中，所有传感器与控制器进行数据通讯，控制器通过比例阀控制液压马达工作进而实现行走机构的自动化，GNSS移动站安装在推土机上并实时接收基站发射的信号进行差分定位，采用纯跟踪算法使推土机按照规划好的路径点和路径移动，IMU传感器用于路径跟踪过程中的方向纠偏，人机交互界面通过网络传输系统发送控制指令实现远程控制，双目相机用于实时检测障碍物目标的深度信息，提高系统的安全性与稳定性。
Description
技术领域
本发明专利属于工程机械技术领域，具体涉及一种基于RTK技术的推土机路径规划系统及作业方法。
背景技术
推土机作为一种工程机械，在基建项目中有着不可替代的地位，其数字化、智能化、信息化已成为当前主要发展潮流。推土机的工作内容主要有推土作业和整平作业两种，目前在推土机的整平作业方面，国内外已经实现铲刀的自动控制，通过安装在铲刀两侧的GNSS传感器检测铲刀的高程信息，控制器对比高度差实时控制铲刀的升降，大大提高了整平作业的效率和质量，但这种方法仍然需要驾驶人员操作推土机的行驶，没有解决劳动强度大和环境恶劣的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于RTK技术的推土机路径规划方法及系统，适用于装有GNSS调平系统推土机的整平作业。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种基于RTK技术的推土机路径规划系统，包括GNSS基准站、GNSS移动站、传感器、图像采集装置、控制器、比例阀组及人机交互界面；所述的GNSS基准站安装在施工场地附近，GNSS移动站安装在推土机上并实时接收GNSS基准站发射的差分信号；所述的I MU传感器、图像采集装置安装在推土机上与控制器相连；I MU传感器与GNSS移动站用于导航定位及路径追踪；图像采集装置安装在推土机前侧用于障碍物检测，并与控制器相连；所述的控制器通过比例阀组控制推土机行走机构，人机交互界面通过网络传输系统发送控制指令实现远程控制。
所述推土机路径规划系统有两种作业模式，包括分层推平作业模式和全局整平作业模式。
第二方面，本发明还提供了一种利用所述的基于RTK技术的推土机路径规划系统进行整平的方法，先进行分层推平作业，然后进行全局推平作业；其中分层推平作业包括以下步骤：
(1)根据实际工况将整个施工场地分为几块矩形区域，通过施工图纸获得每个矩形区域四个角点A、B、C、D的二维坐标值，求得AB与CD的距离；
(2)求取AB距离中包括的铲刀宽度个数n，则表示AB路线上有n-1个路径点，分别为AB1、AB2、AB3…ABn-1，同理可求得CD路线上的n-1个路径点为CD1、CD2、CD3…CDn-1；
(3)计算铲刀每层的切土深度h；
(4)根据施工场地中施工表面与设计表面的差值H，计算得出推土机需要行进的次数N；
(5)求出AB1、AB2、AB3…ABn-1及CD1、CD2、CD3…CDn-1路径点的二维坐标；
(6)推土机由A点到C点行进往返N-1次，每一次推土机铲刀由施工表面高度下降一个切土深度h，第N次时铲刀下降到设计表面行进到C点，返程时由C点退回到AB1点，再由AB1点到CD1点往返N次，第N次返程时回到AB2点，以此类推，一直反复行进到B点，由B点到D点行进N次结束该区域的推平作业，之后继续进行其它分区的作业。每进行完一个分区的推平作业，土堆会堆积在CD一侧，这时需要装载车将土堆装车运走。
所述全局推平作业的方法如下：推土机按照A、C、CD1、AB1、AB2、CD2、CD3、AB3…ABn-1、CDn-1、D、B的S型曲线进行作业。
进一步的，所述全局推平作业的方法如下：所述图像采集装置安装在推土机前侧用于障碍物检测，首先对施工现场的障碍物目标进行分析；通过深度学习对这几类目标进行模型训练并通过双目相机实时反馈这几类目标的深度信息，当障碍物与推土机的距离超过设定值时，行走机构驱动停止，等待障碍物经过后再继续作业，提高施工场地的安全性。
进一步的，工业RTU安装在推土机上与车载控制器连接，人机交互界面通过云平台及5G网络发送控制指令给工业RTU，进而实现远程控制。
与现有技术相比，本发明专利提供的一种基于RTK技术的推土机路径规划方法及系统所具有的优势为：可实现推土机整平作业的无人化，解决驾驶人员作业环境恶劣的问题；该系统成本低，可靠性和安全性较高。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明专利分层推平作业模式的示意图；
图2是本发明专利分层推平作业模式的示意图；
图3是本发明专利的工作原理示意图；
图4是本发明专利全局整平作业模式的示意图；
图5是本发明专利的结构示意图；
图中：1、GNSS基准站；2、GNSS移动站；3、I MU传感器；4、双目相机；5、控制器；6、比例阀组；7、人机交互界面。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于RTK技术的推土机路径规划系统及方法。
本发明的一种典型的实施方式中，如图5所示，本发明专利主要由GNSS基准站1、GNSS移动站2、I MU传感器3、双目相机4、控制器5、比例阀组6及人机交互界面7组成；所有传感器与控制器进行数据通讯，控制器5通过比例阀控制液压马达工作进而实现行走机构的自动化，GNSS移动站2安装在推土机上并实时接收基站1发射的信号进行差分定位，采用纯跟踪算法使推土机按照规划好的路径点和路径移动，I MU传感器3用于路径跟踪过程中的方向纠偏，双目相机4用于检测施工场地中的障碍物，提高作业的安全性。
作为进一步的技术方案，所述GNSS基准站安装在施工场地附近，GNSS移动站安装在推土机上并实时接收基准站发射的差分信号。
进一步的，所述推土机路径规划系统有两种作业模式，包括分层推平作业模式和全局整平作业模式。在分层推平作业模式下，为了满足施工工艺的可行性需要施工人员将施工场地分为几块区域依次推平，控制器可根据施工图纸的工艺要求结合铲刀的相关参数计算出路径点坐标并完成作业规划，而全局整平作业模式一般应用于分层推平作业模式之后，对分区推平的整个施工场地按照最终的工艺要求进行整平。
作为进一步的技术方案，本实施例提出的所述分层推平作业模式如图3所示，工作开始时由操作人员根据实际工况将整个施工场地分为几块区域依次进行推平，每进行一个区的作业时，需要操作人员将矩形施工场地A、B、C、D四个角点的二维坐标、铲刀容量V、铲刀宽度d、推平高度H以及AC的距离L通过人机交互界面(7)传输给控制器(5)，控制器通过公式1-6计算得出AB1、AB2、AB3…ABn-1和CD1、CD2、CD3…CDn-1路径点的二维坐标以及每层的切土深度h，推土机由A点到C点行进往返N-1次，每一次推土机铲刀由施工表面高度下降一个切土深度h，第N次时铲刀下降到设计表面行进到C点，返程时由C点退回到AB1点，再由AB1点到CD1点往返N次，第N次返程时回到AB2点，以此类推，一直反复行进到B点，由B点到D点行进N次结束该区域的推平作业，之后继续进行其它分区的作业。每进行完一个分区的推平作业，土堆会堆积在CD一侧，这时需要装载车将土堆装车运走。具体步骤如下：
(1)由操作人员根据实际工况将整个施工场地分为几块矩形区域，通过施工图纸获得每个矩形区域四个角点A、B、C、D的二维坐标值，通过公式1可求得AB与CD的距离；
(2)用AB的距离除以铲刀宽度d求得n，如公式2所示，n表示AB的距离有几个铲刀宽度，则AB路线上有n-1个路径点，分别为AB1、AB2、AB3…ABn-1，同理可求得CD路线上的n-1个路径点为CD1、CD2、CD3…CDn-1；
(3)根据铲刀容量V、铲刀宽度d、路径距离L计算出每层的切土深度h，如公式3所示。其中，铲刀容量V、铲刀宽度d为已知量，L为AC的距离，由步骤(1)中操作人员所规划的矩形区域所决定；
(4)根据施工场地中施工表面与设计表面的差值H，即需要推平的土层高度与每层的切土深度h计算得出推土机需要行进的次数N，如公式4所示；
(5)求出AB1、AB2、AB3…ABn-1及CD1、CD2、CD3…CDn-1路径点的二维坐标，具体计算方法如下：以AB线上的路径点为例，首先求出A、B两点X轴和Y轴方向上的单位距离dx和dy，如公式5所示：
已知A(XA,YA)，则AB1、AB2、AB3…ABn-1路径点的二维坐标如公式6所示：
同理可求得CD线上的路径点CD1、CD2、CD3…CDn-1的二维坐标值。
(6)整体的路径规划路线为：推土机由A点到C点行进往返N-1次，每一次推土机铲刀由施工表面高度下降一个切土深度h，第N次时铲刀下降到设计表面行进到C点，返程时由C点退回到AB1点，再由AB1点到CD1点往返N次，第N次返程时回到AB2点，以此类推，一直反复行进到B点，由B点到D点行进N次结束该区域的推平作业，之后继续进行其它分区的作业。每进行完一个分区的推平作业，土堆会堆积在CD一侧，这时需要装载车将土堆装车运走。
进一步的，本实施例提出的全局整平作业模式，如图4所示，具体步骤如下：
(1)在进行分层推平作业之后，施工场地的整平误差已相对较小，这时为了缩短时间和节约成本可设计路径为S型，不需要推土机往复前进或倒退。
(2)如分层推平作业模式相同，计算出AB1、AB2、AB3…ABn-1及CD1、CD2、CD3…CDn-1路径点的二维坐标，之后推土机在行进过程中铲刀按设计表面的高度进行调整，整体的路径规划路线依次为A、C、CD1、AB1、AB2、CD2、CD3、AB3…ABn-1、CDn-1、D、B，呈S型曲线。
作为进一步的技术方案，所述路径跟踪方法采用纯跟踪算法，I MU传感器结合比例阀组控制推土机的行走机构，通过两侧履带的差速运动实现路径跟踪中的方向纠偏。
进一步的，所述双目相机安装在推土机前侧用于障碍物检测，首先对施工现场的障碍物目标进行分析，可知障碍物主要包括推土机、挖掘机、平地机、压路机、装载车、运输车辆以及工人，通过深度学习对这几类目标进行模型训练并通过双目相机实时反馈这几类目标的深度信息，当障碍物与推土机的距离超过设定值时，行走机构驱动停止，等待障碍物经过后再继续作业，提高施工场地的安全性。
作为进一步的技术方案，所述人机交互界面是通过远程测控终端(工业RTU)对推土机进行通讯控制的，工业RTU安装在推土机上与车载控制器连接，人机交互界面通过云平台及5G网络发送控制指令给工业RTU，进而实现远程控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于RTK技术的推土机路径规划系统的作业方法，应用于一种基于RTK技术的推土机路径规划系统，其特征在于：
所述系统包括GNSS基准站、GNSS移动站、IMU传感器、图像采集装置、控制器、比例阀组及人机交互界面；所述的GNSS基准站安装在施工场地附近，GNSS移动站安装在推土机上并实时接收GNSS基准站发射的差分信号；所述的IMU传感器、图像采集装置安装在推土机上与控制器相连；IMU传感器与GNSS移动站用于导航定位及路径追踪；图像采集装置安装在推土机前侧用于障碍物检测，并与控制器相连；所述的控制器通过比例阀组控制推土机行走机构，人机交互界面通过网络传输系统发送控制指令实现远程控制；
所述作业方法包括先进行分层推平作业，然后进行全局推平作业；其中分层推平作业包括以下步骤：
(1)根据实际工况将整个施工场地分为几块矩形区域，通过施工图纸获得每个矩形区域四个角点A、B、C、D的二维坐标值，求得AB与CD的距离；
(2)求取AB距离中包括的铲刀宽度个数n，则表示AB路线上有n-1个路径点，分别为AB1、AB2、AB3…ABn-1，同理可求得CD路线上的n-1个路径点为CD1、CD2、CD3…CDn-1；
(3)根据铲刀容量V、铲刀宽度d、路径距离L计算铲刀每层的切土深度h；
(4)根据施工场地中施工表面与设计表面的差值H，即需要推平的土层高度与每层的切土深度h计算得出推土机需要行进的次数N；
(5)求出AB1、AB2、AB3…ABn-1及CD1、CD2、CD3…CDn-1路径点的二维坐标，具体计算方法如下：依据AB线上的路径点，首先求出A、B两点X轴和Y轴方向上的单位距离dx和dy，如公式5所示：
已知A(XA,YA)，则AB1、AB2、AB3…ABn-1路径点的二维坐标如公式6所示：
同理可求得CD线上的路径点CD1、CD2、CD3…CDn-1的二维坐标值；
(6)推土机由A点到C点行进往返N-1次，每一次推土机铲刀由施工表面高度下降一个切土深度h，第N次时铲刀下降到设计表面行进到C点，返程时由C点退回到AB1点，再由AB1点到CD1点往返N次，第N次返程时回到AB2点，以此类推，一直反复行进到B点，由B点到D点行进N次结束该区域的推平作业，之后继续进行其它分区的作业。
2.如权利要求1所述的作业方法，其特征在于，所述的图像采集装置为双目相机。
3.如权利要求1所述的作业方法，其特征在于：每进行完一个分区的推平作业，土堆会堆积在CD一侧，这时需要装载车将土堆装车运走。
4.如权利要求1所述的作业方法，其特征在于：所述全局推平作业的方法如下：推土机按照A、C、CD1、AB1、AB2、CD2、CD3、AB3…ABn-1、CDn-1、D、B的S型曲线进行作业。
5.如权利要求1所述的作业方法，其特征在于：所述图像采集装置首先对施工现场的障碍物目标进行分析；通过深度学习对这几类目标进行模型训练并通过双目相机实时反馈这几类目标的深度信息，当障碍物与推土机的距离超过设定值时，行走机构驱动停止，等待障碍物经过后再继续作业，提高施工场地的安全性。
6.如权利要求1所述的作业方法，其特征在于：工业RTU安装在推土机上与车载控制器连接，人机交互界面通过云平台及5G网络发送控制指令给工业RTU，进而实现远程控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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