CN113885383B - 一种去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统，采用去中心化的框架实现多无人碾压机之间的信息感知、共享以及无人碾压机群的协同作业控制，包括无人碾压机群、无线局域网和监控终端；所述无人碾压机群包含若干台无人碾压机，碾压机单机配置传感器系统、计算机系统和控制执行系统，传感器系统提供周围实时环境，计算机系统实现信号的接收、存储、处理与发布，控制执行系统按照输出回路的指令执行动作；各台无人碾压机通过扩展星型拓扑结构相互连接，利用无线局域网实现数据共享、信息传递和数据通信，保证施工环境感知的一致性与高效性，并通过全局动态规划实现协同碾压作业控制的最优性。
Description
技术领域
本发明属于土石坝自动化施工的技术领域，具体涉及一种去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统。
背景技术
填筑是土石坝施工的重要环节。传统的土石坝压实过程依靠人工驾驶振动碾压机，在行车速度、条带搭接、碾压遍数等关键工艺参数方面难以精准控制。近年来，发展出的碾压实时监控系统通过在碾压机上安装高精度定位装置，在总控终端实现了对碾压遍数、行车速度、铺层厚度、振动激振状态等碾压参数的实时控制。
随着科学技术的快速发展，无人自动控制技术受到广泛研究并日益发展。在农业方面，无人机在农药喷洒、农情探查、产量评估等任务上取得了良好的应用效果。目前，无人驾驶车辆在无人配送、无人驾驶出租、无人驾驶货运等场景得到初步应用。在无人配送、矿山开采、无人零售等场景相对封闭，车速较低，且不受交通规则限制，L4级无人车得到落地应用。但在道路交通领域，量产的汽车中配备自动驾驶辅助功能的等级通常在L2至L2.5级别，L4级无人驾驶成为当前的发展目标。
由于传统碾压施工具有作业环境差、劳动力密集、机械利用率不高等缺点，在大型水利工程建设过程中，应用无人驾驶技术，将人员从繁重、枯燥的重复性劳动中解放出来，对于施工质量保证、施工效率提升和生产力提高具有显著作用。根据碾压施工工艺，碾压施工依靠多台碾压机协作完成。当前，对于无人碾压机群采用集中式框架实现碾压机单机之间的信息共享与协同作业，其主要特征为：第一，碾压机行车路径规划在远程控制终端完成，远程控制终端一旦发生故障，整个无人碾压机群无法正常运行；第二，由于需要处理施工仓面上的动态障碍物，当存在多台无人碾压机时，感知信息的融合处理与路径的重新规划需要在远程控制终端实时完成，对远程控制终端的信息处理速度和远程控制终端与无人碾压机群之间的通信可靠度提出了较高要求；第三，由于所有监控数据存储在远程的数据库服务器中，数据储存位置单一，一旦数据丢失就难以恢复。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统，通过全局动态规划实现协同碾压作业控制的最优性，通过简单灵活的扩展星型拓扑结构和监控终端与无人碾压机群耦合程度的降低，提高无人碾压机群的可靠性，便于维护和管理。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统，包括无人碾压机群、无线局域网和监控终端；所述无人碾压机群包括若干台无人碾压机，无人碾压机设置有传感器系统、计算机系统和控制执行系统；所述传感器系统用于实时感知碾压机状态和周围施工环境，所述传感器系统包括GNSS、IMU、毫米波雷达、倾角传感器、激光雷达、相机、加速度传感器；所述计算机系统用于信号的接收、存储、处理与发布；所述控制执行系统用于按照输出回路的指令执行动作；所述无线局域网用于无人碾压机群内部、监控终端和无人碾压机群之间的数据传输和资源共享；所述监控终端用于提供无人碾压机群的交互接口，从无人碾压机的计算机系统获取监控数据，以碾压数据分析、监控过程可视化、管理无人碾压机群。
优选的，所述无人碾压机通过扩展星型拓扑结构相互连接。
优选的，所述无人碾压机之间共享的信息包括碾压机空间位置、碾压机姿态信息、碾压机速度信息、碾压机周围环境信息。
优选的，所述无人碾压机的主节点用于收集和整理子节点的共享信息，并利用全局感知信息，规划和发布各台无人碾压机的作业路径，并按照预设频率向子节点发布经整理后的全局感知信息。
优选的，所述监控终端是无人碾压机群的控制接口，向无人碾压机群发送的指令包括：
任务描述指令，所述任务描述指令包括仓面作业区域、碾压运行速度、碾压振动频率、碾压作业遍数；
作业状态指令，作业状态指令包括作业任务的开始、暂停、放弃与结束；
无人碾压机控制指令，无人碾压机控制指令包括打火、熄火、前进、后退、驻车；
数据获取指令，所述数据获取指令包括从指定的无人碾压机获取位置、姿态、全局地图、路径规划结果信息。
优选的，所述监控终端为PC端程序、网页端和移动端。
本发明的有益效果在于，本发明包括无人碾压机群、无线局域网和监控终端；所述无人碾压机群包括若干台无人碾压机，无人碾压机设置有传感器系统、计算机系统和控制执行系统；所述传感器系统用于实时感知碾压机状态和周围施工环境，所述传感器系统包括GNSS、IMU、毫米波雷达、倾角传感器、激光雷达、相机、加速度传感器；所述计算机系统用于信号的接收、存储、处理与发布；所述控制执行系统用于按照输出回路的指令执行动作；所述无线局域网用于无人碾压机群内部、监控终端和无人碾压机群之间的数据传输和资源共享；所述监控终端用于提供无人碾压机群的交互接口，从无人碾压机的计算机系统获取监控数据，以碾压数据分析、监控过程可视化、管理无人碾压机群。本发明通过将路径规划功能和感知信息融合从监控终端转移至无人碾压机群，降低无人碾压机群与监控终端的耦合程度，提升了整个系统的可靠性；充分利用感知信息，通过全局动态规划实现协同碾压作业控制的最优性，并将感知信息处理任务分散至各台无人碾压机，平衡计算负载，确保无人碾压机群实时、安全、稳定地运行；采用简单灵活的扩展星型拓扑结构组织无人碾压机群，增强无人碾压机群的可拓展性；通过各台无人碾压机独立存储、监控终端按需提取的方式管理无人碾压机群运行数据，提高数据存储的安全性。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。
图1为本发明的主要组成部分以及扩展星型拓扑结构连接的示意图。
图2为无人碾压机群内部信息流动传递的示意图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图1～2对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统，采用去中心化的框架实现多无人碾压机之间的信息感知、共享以及无人碾压机群的协同作业控制，包括无人碾压机群、无线局域网和监控终端；
无人碾压机群包含若干台无人碾压机，碾压机单机配置传感器系统、计算机系统和控制执行系统；
传感器系统用于实时感知碾压机状态和周围施工环境，传感器类型包括GNSS、IMU、毫米波雷达、倾角传感器、激光雷达、相机、加速度传感器；
计算机系统实现信号的接收、存储、处理与发布；
控制执行系统按照输出回路的指令执行动作；
无线局域网用于无人碾压机群内部、监控终端和无人碾压机群之间的数据传输和资源共享；
监控终端提供无人碾压机群的交互接口，可从无人碾压机的计算机系统获取监控数据，以实现碾压数据分析、监控过程可视化、管理无人碾压机群等更高层次的功能。
各台无人碾压机通过扩展星型拓扑结构相互连接，包含若干主从节点，利用无线局域网实现数据共享、信息传递和数据通信。
各台无人碾压机之间共享的信息具体为：碾压机空间位置、碾压机姿态信息、碾压机速度信息、碾压机周围环境信息；通过GNSS、IMU、倾角传感器、激光雷达传感器，结合SLAM技术，得到碾压机空间位置和碾压机姿态信息；通过融合激光雷达、毫米波雷达和相机的实时数据，得到碾压机周围环境信息。
无人碾压机群内的主节点用于收集和整理子节点的共享信息，并利用全局感知信息，规划和发布各台无人碾压机的作业路径，并按照一定的频率向子节点发布经整理后的全局感知信息。
主节点仅保留全局感知信息和路径规划结果，不存储收集和整理子节点的共享信息，各台无人碾压机独立储存各自运行数据。
各台无人碾压机既可是主节点，也可是子节点，即某台无人碾压机发生故障或者有无人碾压机数量发生增减时，扩展星型拓扑结构可灵活变化、动态调整；
具体为：
选取主从节点，形成扩展星型拓扑结构；
根据节点间信息传输状态和控制指令执行情况，判断节点是否发生异常；
若有异常节点，将异常节点从扩展星型拓扑结构中去除，并重新生成新的扩展星型拓扑结构。
监控终端是无人碾压机群的控制接口，向无人碾压机群发送的指令包括：
任务描述指令：仓面作业区域、碾压运行速度、碾压振动频率、碾压作业遍数；
作业状态指令：作业任务的开始、暂停、放弃与结束；
无人碾压机控制指令：打火、熄火、前进、后退、驻车；
数据获取指令：从指定的无人碾压机获取位置、姿态、全局地图、路径规划结果等信息。
监控终端的表现形式可以多样化，包括但不限于PC端exe程序、网页端和移动端。
如图1所示，采用去中心化的框架实现多无人碾压机之间的信息感知、共享以及无人碾压机群的协同作业控制，去中心化框架下无人碾压系统包含无人碾压机群、无线局域网络、远程终端。无线局域网用于无人碾压机群内部节点间、监控终端和无人碾压机群之间的数据传输和资源共享。监控终端提供无人碾压机群的交互接口，可从无人碾压机的计算机系统获取监控数据，以实现碾压数据分析、监控过程可视化、管理无人碾压机群等更高层次的功能。
监控终端向无人碾压机群发送的指令包括：
任务描述指令：仓面作业区域、碾压运行速度、碾压振动频率、碾压作业遍数；
作业状态指令：作业任务的开始、暂停、放弃与结束；
无人碾压机控制指令：打火、熄火、前进、后退、驻车；
数据获取指令：从指定的无人碾压机获取位置、姿态、全局地图、路径规划结果等信息。
无人碾压机群采用扩展星型拓扑结构。图1中的无人碾压机群共包含7台无人碾压机，每个碾压机是一个节点，每个主节点下有两个子节点，并根据节点所在位置对无人碾压机编号。每个节点到根节点有唯一路径，节点编号(n1,n2,n3)表示从根节点搜索到编码节点的路径，除根节点所在位置编码为0，其余编码方式为位于父节点左侧编码为1，位于父节点右侧编码为2。例如，(0,2,1)表示属于第三层级，位于根节点右侧分支，且在父节点(0,2,0)的左侧。
碾压机单机配置传感器系统、计算机系统和控制执行系统。
传感器系统用于实时感知碾压机状态和周围施工环境，传感器类型包括GNSS、IMU、毫米波雷达、倾角传感器、激光雷达、相机、加速度传感器。通过GNSS、IMU、倾角传感器、激光雷达传感器，结合SLAM技术，得到碾压机空间位置和碾压机姿态信息。通过融合激光雷达、毫米波雷达和相机的实时数据，得到碾压机周围环境信息。
计算机系统实现信号的接收、存储、处理与发布。
控制执行系统按照输出回路的指令执行动作。
本发明提出的去中心化的无人碾压机群协同作业控制系统实施的一般步骤如下：
1)根据仓面大小和可用无人碾压机确定无人碾压机群规模，形成扩展星型拓扑结构连接；
2)监控终端划分仓面，确定碾压参数，向无人碾压机群的根节点发布碾压作业任务；
3)如图2所示，父节点从其子节点获取子节点的空间位置信息、姿态信息和周围环境信息，并将处理好的信息传输给父节点的上一节点，上一节点成功收到信息后向子节点发送效验信息，直至根节点；
4)根节点根据各台无人碾压机的状态和全局环境感知信息规划全局最优路径，将碾压作业任务信息和路径规划结果发送给其子节点，依次向下传递直到叶节点；
5)各台无人碾压机收到信息后，由控制执行系统产生动作；
6)重复上述3)至5)步骤，直到碾压作业完成。
进一步地，全局感知信息以较低的频率向叶节点传递，以防止由于根节点发生故障时之前的感知信息无法有效利用。另外，根节点仅保留全局感知信息和路径规划结果，不存储子节点共享的位置、姿态、周围环境等信息，各台无人碾压机独立储存各自运行数据。
因此，各台无人碾压机既可是主节点，也可是子节点，即某台无人碾压机发生故障或者有无人碾压机数量发生增减时，扩展星型拓扑结构可灵活变化、动态调整。在去中心化的框架下，每个节点都是对等的。当拓展星型拓扑结构中检测出某个节点发生故障，相应的调整策略为：将故障节点排除，将其下的左分支直接连接到故障节点的父节点，右分支下的子节点重新编码，形成新的扩展星型拓扑结构。
进一步地，为了减轻监控终端故障带来的影响，监控终端的表现形式可以多样化，包括但不限于PC端exe程序、网页端和移动端。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (5)
1.一种去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统，其特征在于，包括无人碾压机群、无线局域网和监控终端；
所述无人碾压机群包括若干台无人碾压机，无人碾压机设置有传感器系统、计算机系统和控制执行系统；
所述传感器系统用于实时感知碾压机状态和周围施工环境，所述传感器系统包括GNSS、IMU、毫米波雷达、倾角传感器、激光雷达、相机、加速度传感器；
所述计算机系统用于信号的接收、存储、处理与发布；
所述控制执行系统用于按照输出回路的指令执行动作；
所述无线局域网用于无人碾压机群内部、监控终端和无人碾压机群之间的数据传输和资源共享；
所述监控终端用于提供无人碾压机群的交互接口，从无人碾压机的计算机系统获取监控数据，以碾压数据分析、监控过程可视化、管理无人碾压机群；
所述无人碾压机通过扩展星型拓扑结构相互连接；
各台所述无人碾压机既可是主节点，也可是子节点，即某台所述无人碾压机发生故障或者有所述无人碾压机数量发生增减时，扩展星型拓扑结构灵活变化、动态调整，具体为：
选取主从节点，形成扩展星型拓扑结构；
根据节点间信息传输状态和控制指令执行情况，判断节点是否发生异常；
若有异常节点，将异常节点从扩展星型拓扑结构中去除，并重新生成新的扩展星型拓扑结构。
2.如权利要求1所述的一种去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统，其特征在于：所述无人碾压机之间共享的信息包括碾压机空间位置、碾压机姿态信息、碾压机速度信息、碾压机周围环境信息。
3.如权利要求1所述的一种去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统，其特征在于：所述无人碾压机的主节点用于收集和整理子节点的共享信息，并利用全局感知信息，规划和发布各台无人碾压机的作业路径，并按照预设频率向子节点发布经整理后的全局感知信息。
4.如权利要求1所述的一种去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统，其特征在于，所述监控终端是无人碾压机群的控制接口，向无人碾压机群发送的指令包括：
任务描述指令，所述任务描述指令包括仓面作业区域、碾压运行速度、碾压振动频率、碾压作业遍数；
作业状态指令，作业状态指令包括作业任务的开始、暂停、放弃与结束；
无人碾压机控制指令，无人碾压机控制指令包括打火、熄火、前进、后退、驻车；
数据获取指令，所述数据获取指令包括从指定的无人碾压机获取位置、姿态、全局地图、路径规划结果信息。
5.如权利要求1所述的一种去中心化框架下的无人碾压机群协同作业控制系统，其特征在于：所述监控终端为PC端程序、网页端和移动端。
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