CN113739802A - 无人驾驶推土机路径规划方法、系统、存储介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人驾驶推土机路径规划方法、系统、存储介质及设备，其中，无人驾驶推土机路径规划方法包括以下步骤：获取推土机最大活动区域的边界点位置数据，划分为工作区域和非工作区域；将工作区域划分为施工目标区域和施工行驶区域；确定推土机对施工目标的推进方向，在工作区域内生成至少一条覆盖施工目标区域的规划路径；依据推土机当前位置，生成从非工作区域到工作区域的路径规划。结合工程施工要求、施工场地及施工目标，能够自动规划、生成批量行驶路径，使无人驾驶推土机通过跟踪路径坐标行驶，按照路径施工属性指定的要求进行铲刀姿态控制，能够自动完成施工任务。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械领域，具体为无人驾驶推土机路径规划方法、系统、存储介质及设备。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着自动驾驶、人工智能、5G等高新技术的迅猛发展，工程机械领域的智能化程度得到大幅提升。无人驾驶推土机是工程机械领域智能化的具体体现，无人驾驶推土机根据施工要求和作业区域，利用卫星定位测量姿态，利用视觉或激光传感器感知周围环境，自主控制推土机的行驶路线和铲刀姿态，通过重复的铲、推及卸等操作，使地面高程和平整度达到设计要求。无人驾驶推土机的出现，有效降低了劳动力成本，提升了工作效率和施工质量。
路径规划是无人驾驶推土机施工作业中的重要组成部分，由于运行场景和任务目的不同，无人驾驶推土机的路径规划与无人驾驶汽车的路径规划存在很大差异。无人驾驶汽车路径规划在一定的环境模型基础上，如高速道路或者市区道路，给定无人驾驶汽车起始点和目标点后，按照性能指标规划出一条无碰撞、能安全到达目标点的有效路径。而无人驾驶推土机的路径规划是指在一定的施工现场基础上，给定推土机具体施工数据，按照工程指标规划出一条能满足施工要求的有效路径。
无人驾驶汽车的路径规划方法如基于随机采样的算法和基于搜索的算法都在很多无人车上得到应用。而推土机在施工现场的行驶路面由于缺少结构性特征，同时推土机的行驶任务并不以到达某一目标点为目的，而是通过铲刀姿态配合推土机的前进或后退以完成施工要求为目的。因此，无人驾驶汽车的路径规划方法并不能适用于无人驾驶推土机。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供无人驾驶推土机路径规划方法、系统、存储介质及设备，根据施工要求和施工现场实际地形，规划推土机的最大活动范围、工作区域。通过定位装置获取推土机最大活动范围区域、工作区域以及施工目标区域的边界坐标，利用坐标值获取至少一条覆盖施工目标区域的规划路径，并在推土机沿规划路径施工时，依据推土机的当前位置实现对铲刀姿态的控制。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供无人驾驶推土机路径规划方法，包括以下步骤：
获取推土机最大活动区域的边界点位置数据，将最大活动区域划分为工作区域和非工作区域；
将工作区域划分为施工目标区域和施工行驶区域；
确定推土机对施工目标的推进方向，在工作区域内生成至少一条覆盖施工目标区域的规划路径；
依据推土机当前位置，生成从非工作区域到工作区域的路径规划。
每一条规划路径包含编号信息、坐标信息、方向信息和施工信息。
编号信息：每条路径依次编号，同一条路径往返两个方向，记录为同一编号。
坐标信息：路径具有坐标点集合。
方向信息：路径包括前进和后退两个方向，用于推土机的运动方向控制。
施工信息：依据三维平面高程图和路径的地理坐标，为每一个路径点分配高程值，用于铲刀姿态控制。
铲刀姿态控制的过程为：
获取推土机当前铲刀姿态信息，包括水平坐标、垂直坐标、俯仰角和倾斜角；
对比推土机所在路径施工信息中的当前位置施工平面三维坐标信息与铲刀当前姿态信息，依据设定的施工平面位置信息调整铲刀当前姿态，保存铲刀最终姿态；
推土机从当前路径的起点行驶到终点，铲刀恢复到设定姿态，推土机倒退至当前路径起始点；
依据当前路径施工过程中铲刀姿态的历史数据，判断当前路径的施工效果是否满足要求，是则切换至下一路径，否则重复上述步骤。
本发明的第二个方面提供实现上述方法的系统，包括：参数设置模块和路径生成模块；
参数设置模块被配置为：获取推土机最大活动区域的边界点位置数据，将最大活动区域划分为工作区域和非工作区域；将工作区域划分为施工目标区域和施工行驶区域；
路径生成模块被配置为：确定推土机对施工目标的推进方向，在工作区域内生成至少一条覆盖施工目标区域的规划路径；依据推土机当前位置，生成从非工作区域到工作区域的路径规划。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述无人驾驶推土机路径规划方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现如上述无人驾驶推土机路径规划方法中的步骤。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、路径规划的过程结合工程施工要求、施工场地及施工目标，能够自动规划、生成批量的行驶路径。
2、推土机能够通过跟踪路径坐标行驶实现无人驾驶，提高工作效率。
3、按照路径施工属性指定的要求进行铲刀姿态控制，能够自动完成施工任务，更好地实现智能控制。
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是本发明一个或多个实施例提供的路径规划方法示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的避障路径规划示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的生成无人驾驶推土机路径规划方法的可视化存储介质与推土机硬件结构示意图；
图4是本发明一个或多个实施例提供的路径规划方法流程图；
图5是本发明一个或多个实施例提供的无人驾驶推土机按照规划完成的路径实现施工的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文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，除非上下文另外明确指出，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。
正如背景技术中所描述的，无人驾驶推土机的路径规划方法由于其包含了施工作业，并不能将目前在无人驾驶汽车上的路径规划方法转移使用。因此以下实施例中给出的无人驾驶推土机路径规划方法，结合工程施工要求、施工场地及施工目标，能够自动规划、生成批量行驶路径，使无人驾驶推土机通过跟踪路径坐标行驶，按照路径施工属性指定的要求进行铲刀姿态控制，能够自动完成施工任务。
实施例一：
如图1-5所示，无人驾驶推土机路径规划方法，包括以下步骤：
获取推土机最大活动区域，划分为工作区域和非工作区域；
将工作区域划分为施工目标区域和施工行驶区域；
依据施工要求，在工作区域内生成至少一条覆盖施工目标区域的规划路径；
依据推土机当前位置，生成从非工作区域到工作区域的路径规划。
具体过程如下：
步骤1，对推土机可行驶的最大区域进行空间划分，按照工作性质分成工作区域和非工作区域；
在施工现场，确定推土机的最大活动范围(如图1-2中所示的实线框)，通过定位装置采集最大活动范围的边界线坐标数据，最大范围边界坐标作为电子围栏将用于限定无人驾驶推土机的最大行驶区域，对于推土机跨越最大范围边界的行为，系统将给出提示，以便推土机控制系统做出相应决策。定位装置不限制具体的结构形式。
将推土机最大活动范围进一步分为工作区域和非工作区域，工作区域是指推土机需要往复铲、推、卸、回的工作范围(如图1-2中所示的虚线框)，包括平整的目标和回旋空间，工作区间确定后，仍然利用定位设备采集边界线坐标，将坐标数据记录到系统中。在推土机最大活动范围内去除工作区域之外的区域为非工作区域，非工作区域用于推土机进行非计划性调度。
经过上述划分，在系统中产生一张初始电子地图，包括最大活动范围、工作区域和非工作区域，以及各自的边界线坐标。
步骤2：根据施工要求，对工作区域进行空间划分，分成施工目标区域和施工行驶区域；
施工目标区域是指需要对施工目标进行平整、填充、挖除等操作的区域(如图1-2中工作区域内的渣土区)，施工行驶区域是指推土机为了完成对目标区域的施工而必需进行的往复、回旋行驶区域。确定区域边界后，利用定位设备采集各自区域边界线坐标，将坐标数据记录到系统中，进一步完善电子地图的区域划分。
步骤3：根据施工要求确定推进方向，在工作区域内生成若干条覆盖施工目标区域的规划路径；
根据施工要求，确定推土机对施工目标的推进方向，在推进方向的垂直方向上，确定施工目标区域的两侧极限位置，记录极限位置坐标。
在工作区域内，过施工目标区域一侧极限位置，生成一条平行于推土机推进方向的直线，将此直线作为第一条推土机施工行驶路径(如图1-2中工作区域内的实线箭头，相应的推土机的倒退路径为与实线箭头平行且方向相反的虚线箭头)。
将表示推土机推进方向的直线在平面坐标系中的斜率记为k，施工目标极限位置的坐标记为(x0,y0),则第一条路径的直线方程可以表示为：
y＝k*(x-x0)+y0
以第一条推土机行驶路径为基准，自动生成若干条平行于基准路径的派生路径，路径之间的间距可以人为设定，作为参数录入到系统。所生成路径的数量由路径的总宽度决定，而所有路径的总宽度要求能够覆盖作业目标区域。
假设相邻两条路径的中心线间距为z，所生成路径的数量为n，施工目标区域在垂直于推土机推进方向上的宽度为w，则n满足：n>＝w/z+1。
所生成的每条路径需设置一对起点和终点，起点和终点为工作区域边界线在推土机推进方向上的投影。推土机在每条路径上的行驶轨迹为由起点开始，正向行驶到终点，再按原路径倒退返回起点，根据具体施工要求，由推土机决策系统自动判断每条路径反复的次数。
路径生成后，需要为每条路径配置以下属性：
(1)序号属性：每条路径按顺序依次编号，同一条路径往返两个方向，记录为同一编号。
(2)坐标属性：生成的路径由一系列坐标点组成，在系统中存储为一系列有序坐标点的集合。
(3)方向属性：路径包含前进和后退两个方向，该属性将用于推土机的运动方向控制。
(4)施工属性：根据施工数据的三维平面高程图和路径的地理坐标，为每一个路径点分配高程值，该属性将用于控制铲刀的姿态。
步骤4：根据推土机当前位置，生成从非工作区间到工作区间的路径规划；
由于推土机施工前可能处于最大活动范围内的任意位置，如果已经处于工作区域，则按照第一条规划路径的设置开始循迹施工。如果处于非工作区，则需要规划一条路径，使之从当前位置到达工作区内第一条规划路径的起始位置。本系统将按照下述方法完成从非工作区到工作区第一条路径的起始位置之间的路径规划：
(1)通过推土机上安装的定位装置获取当前位置坐标，判断当前位置所处的区域，只有当推土机初始位置位于非工作区内时，才需要生成并执行从非工作区到工作区的行驶路径。
(2)将推土机当前位置作为本次规划路径的起点，将工作区内的第一条路径的起点作为本次路径规划的终点。根据本次规划路径起点和终点的位置坐标，计算两点间的直线方程表达式，在起点和终点之间的线段上等距采样位置点，将所有位置点坐标的有序组合作为从非工作区域到工作区域的规划路径。
设本次规划路径的起点坐标为(x1,y1),终点坐标为(x2,y2)，则本次规划路径的直线方程可以表示为：
y＝(y2–y1)*x/(x2-x1)
(3)如果推土机按照(2)所述的规划路径行驶时探测到障碍物，通过Dijkstra算法在当前位置和终点之间进行重新规划，将所得各顶点坐标的连线作为局部调整路径。
(4)直到推土机到达工作区内第一条规划路径的起点则完成本次路径规划。
将上述步骤1-4生成的路径提供给推土机控制系统用于循迹行驶和铲刀控制施工，下面将分别说明推土机如何使用规划的路径进行循迹行驶和铲刀姿态控制。
在工作区域内推土机对规划的路径进行循迹行驶过程中，按照下面步骤执行：
步骤a：从第一条路径的前进方向起始，按照从起点到终点的顺序，将路径上各点的坐标值，依次输入推土机跟踪系统，控制推土机按照前进方向行驶，期间控制系统实时检测推土机当前位置坐标，当其到达终点范围，控制系统将发送停止指令。
步骤b：按照从终点到起点的顺序，将第一条路径上各点的坐标值，依次输入推土机跟踪系统，控制推土机按照后退方向行驶，当其到达起点范围，控制系统将发送停止指令。
步骤c：后退行驶到达第一条路径的起点后，系统将分析在第一条路径的行驶过程中推土机自身位置和高程数值，判断其是否符合施工要求。如果不符合则重复执行步骤a、b；如果符合要求则执行步骤d；
步骤d：控制推土机从第一条路径的起始位置切换到第二条路径。切换方法如下：以第一条路径的起始位置作为起点，根据推土机跟踪系统的前视距离值，计算在第二条路径上的切入点，将切入点作为预瞄点，用于推土机的局部路径规划。在推土机切入到第二条路径的过程中，不断调整预瞄点，直至推土机完全切入第二条路径。
步骤e：将第二条路径按照前进方向把路径上各点的坐标值依次送入推土机跟踪系统，然后在第二条路径上重复步骤a-c的操作；
步骤f：按照路径编号由小到大的顺序依次执行步骤a-d，直到所有路径执行结束。
推土机在循迹过程中，按照下面步骤对铲刀进行控制：
步骤A：根据铲刀定位设备采集当前铲刀姿态，包括水平坐标、垂直坐标、俯仰角、倾斜角。铲刀定位设备不限制具体的结构型式，可以为安装在推土机机架上的红外传感器、激光传感器、俯仰角传感器或其他任意形式的传感器，用于获取铲刀的高度、旋转角度等位置参数从而形成铲刀姿态数据。
步骤B：将铲刀当前姿态与所在路径施工属性中当前位置的施工平面三维坐标值进行比对，根据设定的施工平面位置信息调整铲刀当前姿态，同时在系统中记录铲刀最终到达的姿态。
步骤C：当推土机从当前路径的起点行驶到终点，调整铲刀姿态，将铲刀内物体卸下，并恢复到指定姿态，然后推土机倒退至本路径起始点。
步骤D：后退到达起点后，系统自动分析在本路径施工过程中铲刀姿态的历史数据，通过对铲刀姿态的分析，判断本路径的施工效果是否达到期望水平，如果达到则切换至下一条路径，否则重复步骤A-C。
上述路径规划的过程结合工程施工要求、施工场地及施工目标，能够自动规划、生成批量的行驶路径，无人驾驶推土机通过跟踪路径坐标行驶，按照路径施工属性指定的要求进行铲刀姿态控制，能够自动完成施工任务，更好地实现智能控制，提高工作效率。
实施例二：
本实施例给出实现上述实施例的系统，包括：参数设置模块和路径生成模块；
参数设置模块被配置为：获取推土机最大活动区域的边界点位置数据，将最大活动区域划分为工作区域和非工作区域；将工作区域划分为施工目标区域和施工行驶区域；
路径生成模块被配置为：确定推土机对施工目标的推进方向，在工作区域内生成至少一条覆盖施工目标区域的规划路径；依据推土机当前位置，生成从非工作区域到工作区域的路径规划。
还包括属性设置模块、无线传输模块和视图显示模块。
本实施例中各功能模块配置如下：
参数设置模块：接收工作区、非工作区、施工目标区等区域边界点位置测量坐标数据，用于设置电子地图区域边界。接收路径数量、路径宽度参数用于路径规划过程设置路径的属性。
路径生成模块:根据给定参数，按照实施例一提出的路径规划方法生成若干路径，各路径以有序坐标点的格式存储，将提供给推土机用于循迹行驶。
属性设置模块：对每条路径进行属性设置，包括序号属性、坐标属性，方向属性、施工属性，属性值将提供给推土机用于自动控制中的决策判断。
无线传输模块：包括数据接收模块和数据发送模块，与推土机车载端的无线模块对接，用于控制指令和推土机状态的数据交互。
视图显示模块：显示参数设置的边界限定区域，包括推土机最大活动区域、工作区域、非工作区域、施工目标区域。显示推土机工作状态，包括运动轨迹、当前位置、工作状态、铲刀状态、任务完成数据。向推土机发送的控制指令，包括启动、停止推土机、控制模式切换、路径设置、路径切换。通过视图显示模块，可以完成推土机的指令下发、状态监控、历史数据存储。
系统结合工程施工要求、施工场地及施工目标，能够自动规划、生成批量的行驶路径，无人驾驶推土机通过跟踪路径坐标行驶，按照路径施工属性指定的要求进行铲刀姿态控制，能够自动完成施工任务，更好地实现智能控制，提高工作效率。
实施例三：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例一给出的无人驾驶推土机路径规划方法中的步骤。
结合工程施工要求、施工场地及施工目标，能够自动规划、生成批量的行驶路径，无人驾驶推土机通过跟踪路径坐标行驶，按照路径施工属性指定的要求进行铲刀姿态控制，能够自动完成施工任务，更好地实现智能控制，提高工作效率。
实施例四：
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现实施例一给出的无人驾驶推土机路径规划方法中的步骤。
结合工程施工要求、施工场地及施工目标，能够自动规划、生成批量的行驶路径，无人驾驶推土机通过跟踪路径坐标行驶，按照路径施工属性指定的要求进行铲刀姿态控制，能够自动完成施工任务，更好地实现智能控制，提高工作效率。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
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 (10)
1.无人驾驶推土机路径规划方法，其特征在于：包括以下步骤：
获取推土机最大活动区域的边界点位置数据，将最大活动区域划分为工作区域和非工作区域；
将工作区域划分为施工目标区域和施工行驶区域；
确定推土机对施工目标的推进方向，在工作区域内生成至少一条覆盖施工目标区域的规划路径；
依据推土机当前位置，生成从非工作区域到工作区域的路径规划。
2.如权利要求1所述的无人驾驶推土机路径规划方法，其特征在于：每一条规划路径包含编号信息、坐标信息、方向信息和施工信息。
3.如权利要求2所述的无人驾驶推土机路径规划方法，其特征在于：所述编号信息为：每条路径依次编号，同一条路径往返两个方向，记录为同一编号。
4.如权利要求2所述的无人驾驶推土机路径规划方法，其特征在于：所述坐标信息为路径具有坐标点集合。
5.如权利要求2所述的无人驾驶推土机路径规划方法，其特征在于：所述方向信息为：路径包括前进和后退两个方向。
6.如权利要求2所述的无人驾驶推土机路径规划方法，其特征在于：所述施工信息为：依据三维平面高程图和路径的地理坐标，为每一个路径点分配高程值，用于铲刀姿态控制。
7.如权利要求6所述的无人驾驶推土机路径规划方法，其特征在于：所述铲刀姿态控制的过程为：
获取推土机当前铲刀姿态信息，包括水平坐标、垂直坐标、俯仰角和倾斜角；
对比推土机所在路径施工信息中的当前位置施工平面三维坐标信息与铲刀当前姿态信息，依据设定的施工平面位置信息调整铲刀当前姿态，保存铲刀最终姿态；
推土机从当前路径的起点行驶到终点，铲刀恢复到设定姿态，推土机倒退至当前路径起始点；
依据当前路径施工过程中铲刀姿态的历史数据，判断当前路径的施工效果是否满足要求，是则切换至下一路径，否则重复上述步骤。
8.无人驾驶推土机路径规划系统，包括：参数设置模块和路径生成模块；
参数设置模块被配置为：获取推土机最大活动区域的边界点位置数据，将最大活动区域划分为工作区域和非工作区域；将工作区域划分为施工目标区域和施工行驶区域；
路径生成模块被配置为：确定推土机对施工目标的推进方向，在工作区域内生成至少一条覆盖施工目标区域的规划路径；依据推土机当前位置，生成从非工作区域到工作区域的路径规划。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的无人驾驶推土机路径规划方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的无人驾驶推土机路径规划方法中的步骤。
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