CN116772882A - 一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，包括：建立施工道路的二维平面图，通过定位传感器获取实时运动轨迹；参数设置；运用栅格法对环境建模，使用预约表对栅格的占用状态和碾压遍数进行记录；规定压路机群使用直线往返碾压和环形循环碾压结合的碾压方式，并使用基于动态加权的A*算法以及二阶Bezier曲线规划压路机群的初始路径；使用避碰规则；实时计算压路机群和摊铺机之间的距离；控制压路机群对所有栅格的碾压遍数，保证所有栅格不欠压，不超压。本发明采用无人驾驶压路机，能够规划出各压路机道路施工的最优路径，且能够保证压路机之间以及压路机与摊铺机之间处于安全距离，使得压路机群高质量高效率的完成施工工作。

Description

一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法

技术领域

本发明属于道路施工领域，具体涉及一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法。

背景技术

道路工程是促进经济交流、文化交流的重要措施，同时还是国家综合国力的重要标志，并且道路施工水平直接和城市的经济效益挂钩，传统的道路施工存在劳动力成本高，施工效率低等问题，智能建造将传统的道路施工技术与计算机应用技术相融合，大大提升了施工效率，并且能够解决高污染、高能耗等问题。

无人化，智能化的道路施工是施工行业的发展趋势，将无人驾驶的压路机引入到道路压实作业中来，并制定相应的路线动态规划方法，让多辆压路机协同工作，提高并保障施工效率，减少施工工人的体力劳动，降低安全隐患。在施工过程中，路线动态规划方法是无人驾驶压路机的重要技术之一，要对道路实时情况，多机协同等等因素全面综合的考虑。在道路铺设的过程当中，铺设沥青等材料后，需要用压路机对路面进行反复碾压，压路机将长时间在高温以及强刺激性气味的环境中工作，所以，需要一种无人驾驶压路机将驾驶员从恶劣的工作环境中解放出来，来保障工作人员人身安全，避免工作人员存在夜间工作困难，无法长时间连续作业等问题。

目前无人驾驶压路机已经可以在道路施工特定区域完成自动碾压工作，但是结合道路场景的实时变化，比如场景中可能会不可避免的存在短时间不会移除的障碍物，天气对摊铺温度，压实温度的影响，路线动态规划方法需要对道路施工中实时参数进行考虑，提高道路施工的效率，降低成本。

发明内容

发明目的：针对传统道路施工过程中存在施工效率低，劳动力成本高，驾驶员可能存在安全隐患等问题，提出一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，其采用无人驾驶压路机，能够规划出各压路机道路施工的最优路径，且能够保证压路机之间以及压路机与摊铺机之间处于安全距离，使得压路机群高质量高效率的完成施工工作。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，包括如下步骤：

S1：采集道路中桩坐标，边桩与中桩连线的方位角，以及中桩的左右边距，绘制道路二维平面图，基于北斗高精度定位传感器，动态采集压路机群和摊铺机GPS坐标，将采集到的GPS坐标实时转换为大地坐标，将压路机群和摊铺机的实时位置和运动轨迹叠加显示在二维平面图中；

S2：获取施工道路的边界，将道路施工区域划分成多个并行的碾压带，设定摊铺机与压路机的安全工作距离，将摊铺机初始位置定为压路机的起始端，压路机与摊铺机保持临界安全工作距离为压路机碾压的终止端，以压路机的宽度作为碾压带的宽度，以起始端到终止端之间的长度为碾压道的预设长度，控制压路机在各自碾压带从起始端和终止端之间行驶；

S3：使用栅格法进行环境建模，用栅格地图表示施工环境，使用预约表记录栅格地图中每个栅格的状态，每隔一段时间Δt更新一次预约表，预约表记录栅格的占用状态以及碾压遍数；

S4：使用基于动态加权的A*算法，集中规划出压路机群的初始路径，让无人驾驶压路机群在各自碾压带开始工作，压路机群将直线往返碾压和环形循环碾压相结合，对环形循环碾压的压路机在转弯换道的拐角尖峰处使用二阶Bezier曲线进行平滑处理；

S5：相邻压路机之间采用作业避碰规则，满足规避安全约束，保持安全距离，得到较优的组合路径，解决压路机之间的局部碰撞，保证协同作业；

S6：以安全工作距离为约束条件，在压路机行驶过程中，实时计算压路机和摊铺机之间的距离，若距离小于安全距离，则重新规划压路机路线；

S7：当栅格碾压遍数满足要求后，调整压路机初始位置，再按照S4、S5、S6进行碾压，当所有栅格碾压遍数达到要求后，停止碾压。

进一步地，所述步骤S1中绘制道路二维平面图的具体步骤为：

S11：假设两中桩的坐标Z₁(X_z1，Y_z1)，Z₂(X_z2，Y_z2)，中桩Z₁的左右边距为W_L，W_R；

S12：对于直线段，计算Z₁，Z₂之间这段直线的方位角，计算公式如下

左边桩与中桩Z₁连线的方位角为

α_左＝α_z1，z2-90°，

右边桩与中桩Z₁连线的方位角为

α_右＝α_z1，z2+90°，

可计算出左边桩坐标为

右边桩坐标的计算公式为

根据上述公式可以计算出所有道路中的直线段的左右边桩坐标；

S13：对于圆曲线，采集左边桩与中桩的圆曲线在左边桩点的切线的方位角β，可计算出左边桩的坐标为

右边桩坐标的计算公式为

S14：按照上述公式，计算出道路上所有的边桩坐标；

S15：在道路的直线路段，在平面图中直接直线连接边桩点，并标注边桩坐标；在道路的圆曲线路段，在平面图中根据圆曲线的半径R绘制道路的圆曲线路段，并标注边桩坐标，将缓和曲线当成多段不同半径R的圆曲线组成，实现对道路二维平面图的绘制。

进一步地，所述步骤S3中栅格法以及预约表的使用步骤为：

S31：将道路施工环境进行单元分割，将其用大小相等的方格表示出来；

S32：将压路机宽度的一半设置为栅格的边长；

S33：预约表是一个二维表格，该二维表格与栅格地图中的栅格一一对应，表格中空格记录着施工道路栅格地图的每个栅格的使用情况；

S34：预约表中的信息由中央控制系统存储更新，系统与所有压路机共享预约表中的信息，每个压路机在求解最佳路径时都可以通过车载电脑查询预约表的信息，了解路径中栅格的占用情况。中央控制系统每隔一段时间Δt更新一次预约表，将压路机的宽度设置为d，速度为v_压，Δt为

S35：如果栅格被占用，那么表格中相应位置会记录占用栅格的压路机的编号，通过查看预约表，可以知道某时刻栅格地图的状态，压路机不允许通过已被占用的栅格，对已被占用的栅格进行转向避让，然后回到原碾压带继续碾压；

S36：通过查看预约表，如果多个压路机将要占用同一个栅格，那么将根据权重决定其占用顺序，较早出发的压路机拥有较高的权重，则优先占用栅格，其余压路机选择避让；如果多个压路机拥有相同的权重，那么将随机决定占用栅格的顺序；

S37：预约表的二维表格与栅格地图一一对应，当压路机碾压某一栅格后，二维表格对应位置要对碾压遍数进行记录。

进一步地，所述步骤S4中基于动态加权的A*算法的具体步骤为：

S41：从开始栅格出发，压路机每次选择下一步要扩展的栅格时，都会估算自己与所在栅格相邻的栅格路径代价。每个栅格的估算代价为

f(n)＝g(n)+w(n)*h(n)，

式中，g(n)为压路机从起始栅格移动到当前栅格n的真实代价，

为压路机r_i匀速行驶的速度，d为压路机从起始栅格到当前栅格n的真实距离；h(n)为启发式方程，计算压路机从当前栅格n移动到目标栅格的估算代价，

d_n为压路机从当前栅格n移动到目标栅格的最短估算距离，由于允许压路机朝任何方向移动，所以使用欧几里得距离，

(x₁，y₁)为当前节点在栅格地图中的横列和纵列，(x₂，y₂)为目标栅格的横列和纵列。

w(n)为动态权重，在t时刻，起始栅格和目标栅格之间的距离为S(t)，当

w(n)设为2，在刚开始搜索时，快速到达目标栅格所在区域更重要，此时对启发式函数增加权重，基于动态加权的A*算法会尽快向终点扩展；当

w(n)设为0.8，也就是快要接近终点时，优先考虑最优路径。

S42：得到周围栅格的估算代价后，选择一个估算代价最小的栅格进行扩展。

S43：道路施工由于部分栅格碾压完成，以及摊铺机位置的实时变化，起始栅格和目标栅格也在变化，进行直线往返碾压的压路机到达目标栅格之后，重新确定起始栅格和目标栅格，再进行S41和S42步骤；进行环形循环碾压的压路机到达目标栅格之后，换道，然后重新确定起始栅格和目标栅格，再进行S41和S42步骤。起始栅格为距离起始端最近且碾压未完成的栅格，目标栅格为与摊铺机保持着临界安全距离的栅格。所有栅格全部碾压完成后停止碾压；

S44：根据S41到S43，输出程序结果，即压路机初始行驶最优路径，上传至数据库，数据库中存有每台压路机的路径规划信息，并保持实时更新状态；

S45：每台压路机行驶前，压路机车载电脑读取数据库中初始路径程序，压路机行驶时执行初始路径程序。

进一步地，所述步骤S4中压路机采用直线往返碾压和环形循环碾压的具体方法为：

直线往返碾压是将压路机沿碾压带往返碾压工作；环形循环碾压是将压路机在碾压带沿摊铺方向碾压，在距离摊铺机临界安全距离位置处，换道后反向碾压，在与碾压带重叠1/3～1/2的相邻碾压带碾压工作，回到出发点后，按此轨迹循环碾压；各个相邻碾压带重叠轮迹宽度在1/3～1/2之间。

进一步地，所述步骤S4中使用二阶Bezier曲线对拐角进行平滑处理的具体方法为：

进行环形循环碾压的压路机有两条碾压带，当一条碾压带碾压到目标栅格时需要转弯换道到与碾压带重叠1/3～1/2的相邻碾压带继续碾压，转弯时容易在拐角出现尖峰，为了让压路机平稳行驶，同时减少在路径尖峰处不必要的能量损耗，使用二阶Bezier曲线对尖峰进行平滑处理。将压路机开始转弯的位置记为P₀，转弯结束的位置记为P₂，压路机行驶到转弯的中间位置记为P₁，二阶Bezier曲线公式如下

B(t)＝(1-t)²P₀+2t(1-t)P₁+t²P₂，t∈[0，1]

随着t的增加，插值点慢慢从P₀以曲线形式拟合到P₂，压路机车载电脑读取二阶Bezier曲线程序，在转弯处执行程序，消除拐角尖峰。

进一步地，所述步骤S5中解决压路机之间的局部碰撞的具体步骤为：

S51：规定两个相邻压路机之间的安全距离l；

S52：压路机车载电脑通过定位传感器获取自身与相邻压路机的实时位置，两个相邻压路机t时刻在二维平面图所处的坐标分别为(x_1，t，y_1，t)和(x_2，t，y_2，t)；

S53：由压路机车载电脑计算相邻压路机之间的距离，若相邻压路机之间的距离小于等于安全距离l，即满足下面的公式，则压路机车载电脑启用安全作业避碰规则

S54：基于无人驾驶压路机任务分配的优先级设定安全作业避碰规则为：先出发的压路机优先级更高，同时出发的压路机优先级相同，把将要发生碰撞的栅格叫作碰撞栅格，如果是由于压路机速度不同导致的追尾碰撞，则速度更快的压路机进行转向避让，然后回到原碾压带继续碾压；如果压路机之间发生了对碰，优先级高的压路机正常通过碰撞栅格，优先级底的压路机转向避让，然后回到原碾压带继续碾压，如果优先级相同的压路机将要发生对碰，则随机让一辆压路机正常通过，另一辆压路机转向避让，然后回到原碾压带继续碾压。

进一步地，所述步骤S6具体为：

S61：规定压路机与摊铺机之间的安全距离为w；

S62：压路机车载电脑通过定位传感器获取自身与摊铺机的实时位置，某压路机和摊铺机t时刻在二维平面图所处的坐标为(x_1，t，y_1，t)，(x_2，t，y_2，t)；

S63：若压路机和摊铺机之间距离小于等于w，即满足下面公式，则需要让压路机减速或者反向碾压，使得压路机和摊铺机之间保持安全距离，如果压路机是通过反向碾压重新和摊铺机保持安全距离，那么重新确定开始栅格与目标栅格，按照步骤S4和S5规划路线，继续碾压工作；如果压路机通过减速重新和摊铺机保持安全距离，那么压路机r_i的改变，需要调整动态加权的A*算法中/>的值，再按照步骤S4和S5规划路线，继续碾压工作。

y_2，t-y_1，t≤w。

进一步地，所述步骤S7中保证压路机不超压不欠压的具体方法为：

在实际施工过程中，由于压路机群为了避免局部碰撞，保证多机协同作业，往往不能按照最初规划好的初始路径作业，以及摊铺机一直保持着向前摊铺作业，这导致了有些栅格会先碾压完成，有些栅格后碾压完成，中央控制系统定时更新预约表，对预约表中显示已达到碾压遍数要求的栅格不再碾压，保证不会超压。此时需要重新规划压路机的路径，各个压路机作业的碾压带与原先规划好的碾压带相同，调整压路机碾压的初始位置，初始位置设定为距离起始端最近且未被碾压完成的栅格，在基于动态加权的A*算法、二阶Bezier曲线和避碰规则作用下，沿着规划路径作业，保持与摊铺机的安全工作距离进行碾压作业，保证每一个栅格不欠压。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、本发明使用无人驾驶压路机，相比传统的要人驾驶的压路机，降低了劳动力成本，保障了工作人员的人身安全，避免了工作人员在夜间以及施工恶劣环境中长时间连续工作。

2、本发明运用避碰规则，防止压路机之间碰撞，实现了压路机之间多机协同作业，相比传统的单机作业提高了工作效率。

3、本发明使用了基于动态加权的A*算法规划压路机的初始路径，其原则为搜索开始时，快速到达目的地所在区域更重要，在搜索快要结束时，得到到达目标的最佳路径更重要。与传统的A*算法相比，基于动态加权的A*算法大大提升了搜索路径的速度。

4、本发明使用了二阶Bezier曲线规划压路机拐角路径，对拐角尖峰进行平滑处理，让压路机在拐角平稳行驶，同时减少在路径尖峰处不必要的能量损耗。

5、本发明让压路机群采用直线往返碾压和环形循环碾压结合的方式，比全部采用直线往返碾压，减少了压路机的数量，降低了施工成本。

6、本发明使用预约表记录栅格占用状态以及碾压遍数的信息，比传统技术更好的解决了压路机超压、欠压的问题。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明方法中基于动态加权的A*算法的流程示意图；

图3为本发明方法中二阶Bezier曲线的拐角优化效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，如图1所示，其包括如下步骤：

S1：采集道路中桩坐标，边桩与中桩连线的方位角，以及中桩的左右边距，绘制道路二维平面图，基于北斗高精度定位传感器，动态采集压路机群和摊铺机GPS坐标，将采集到的GPS坐标实时转换为大地坐标，将压路机群和摊铺机的实时位置和运动轨迹叠加显示在二维平面图中；

S2：获取施工道路的边界，将道路施工区域划分成多个并行的碾压带，设定摊铺机与压路机的安全工作距离，将摊铺机初始位置定为压路机的起始端，压路机与摊铺机保持临界安全工作距离为压路机碾压的终止端，以压路机的宽度作为碾压带的宽度，以起始端到终止端之间的长度为碾压道的预设长度，控制压路机在各自碾压带从起始端和终止端之间行驶；

S3：使用栅格法进行环境建模，用栅格地图表示施工环境，使用预约表记录栅格地图中每个栅格的状态，每隔一段时间Δt更新一次预约表，预约表记录栅格的占用状态以及碾压遍数；

S4：使用基于动态加权的A*算法，集中规划出压路机群的初始路径，让无人驾驶压路机群在各自碾压带开始工作，压路机群将直线往返碾压和环形循环碾压相结合，对环形循环碾压的压路机在转弯换道的拐角尖峰处使用二阶Bezier曲线进行平滑处理；

S5：相邻压路机之间采用作业避碰规则，满足规避安全约束，保持安全距离，得到较优的组合路径，解决压路机之间的局部碰撞，保证协同作业；

S6：以安全工作距离为约束条件，在压路机行驶过程中，实时计算压路机和摊铺机之间的距离，若距离小于安全距离，则重新规划压路机路线；

S7：当栅格碾压遍数满足要求后，调整压路机初始位置，再按照S4、S5、S6进行碾压，当所有栅格碾压遍数达到要求后，停止碾压。

本实例步骤S1中绘制道路二维平面图的具体步骤为：

S11：假设两中桩的坐标Z₁(X_z1，Y_z1)，Z₂(X_z2，Y_z2)，中桩Z₁的左右边距为W_L，W_R；

S12：对于直线段，计算Z₁，Z₂之间这段直线的方位角，计算公式如下

左边桩与中桩Z₁连线的方位角为

α_左＝α_z1，z2-90°，

右边桩与中桩Z₁连线的方位角为

α_右＝α_z1，z2+90°，

可计算出左边桩坐标为

右边桩坐标的计算公式为

根据上述公式可以计算出所有道路中的直线段的左右边桩坐标：

S13：对于圆曲线，采集左边桩与中桩的圆曲线在左边桩点的切线的方位角β，可计算出左边桩的坐标为

右边桩坐标的计算公式为

S14：按照上述公式，计算出道路上所有的边桩坐标；

S15：在道路的直线路段，在平面图中直接直线连接边桩点，并标注边桩坐标；在道路的圆曲线路段，在平面图中根据圆曲线的半径R绘制道路的圆曲线路段，并标注边桩坐标，将缓和曲线当成多段不同半径R的圆曲线组成，实现对道路二维平面图的绘制。

本实例步骤S3中栅格法以及预约表的使用步骤为：

S31：将道路施工环境进行单元分割，将其用大小相等的方格表示出来；

S32：将压路机宽度的一半设置为栅格的边长；

S33：预约表是一个二维表格，该二维表格与栅格地图中的栅格一一对应，表格中空格记录着施工道路栅格地图的每个栅格的使用情况；

S34：预约表中的信息由中央控制系统存储更新，系统与所有压路机共享预约表中的信息，每个压路机在求解最佳路径时都可以通过车载电脑查询预约表的信息，了解路径中栅格的占用情况。中央控制系统每隔一段时间Δt更新一次预约表，将压路机的宽度设置为d，速度为v_压，Δt为

S35：如果栅格被占用，那么表格中相应位置会记录占用栅格的压路机的编号，通过查看预约表，可以知道某时刻栅格地图的状态，压路机不允许通过已被占用的栅格，对已被占用的栅格进行转向避让，然后回到原碾压带继续碾压；

S36：通过查看预约表，如果多个压路机将要占用同一个栅格，那么将根据权重决定其占用顺序，较早出发的压路机拥有较高的权重，则优先占用栅格，其余压路机选择避让；如果多个压路机拥有相同的权重，那么将随机决定占用栅格的顺序；

S37：预约表的二维表格与栅格地图一一对应，当压路机碾压某一栅格后，二维表格对应位置要对碾压遍数进行记录。

参照图2，本实例步骤S4中采用基于动态加权的A*算法规划路径的算法流程为：

S41：从开始栅格出发，压路机每次选择下一步要扩展的栅格时，都会估算自己与所在栅格相邻的栅格路径代价。每个栅格的估算代价为

f(n)＝g(n)+w(n)*h(n)，

式中，g(n)为压路机从起始栅格移动到当前栅格n的真实代价，

为压路机r_i匀速行驶的速度，d为压路机从起始栅格到当前栅格n的真实距离；h(n)为启发式方程，计算压路机从当前栅格n移动到目标栅格的估算代价，

d_n为压路机从当前栅格n移动到目标栅格的最短估算距离，由于允许压路机朝任何方向移动，所以使用欧几里得距离，

(x₁，y₁)为当前节点在栅格地图中的横列和纵列，(x₂，y₂)为目标栅格的横列和纵列。

w(n)为动态权重，在t时刻，起始栅格和目标栅格之间的距离为S(t)，当

w(n)设为2，在刚开始搜索时，快速到达目标栅格所在区域更重要，此时对启发式函数增加权重，基于动态加权的A*算法会尽快向终点扩展；当

w(n)设为0.8，也就是快要接近终点时，优先考虑最优路径。

S42：得到周围栅格的估算代价后，选择一个估算代价最小的栅格进行扩展。

S43：道路施工由于部分栅格碾压完成，以及摊铺机位置的实时变化，起始栅格和目标栅格也在变化，进行直线往返碾压的压路机到达目标栅格之后，重新确定起始栅格和目标栅格，再进行S41和S42步骤；进行环形循环碾压的压路机到达目标栅格之后，换道，然后重新确定起始栅格和目标栅格，再进行S41和S42步骤。起始栅格为距离起始端最近且碾压未完成的栅格，目标栅格为与摊铺机保持着临界安全距离的栅格。所有栅格全部碾压完成后停止碾压；

S44：根据S41到S43，输出程序结果，即压路机初始行驶最优路径，上传至数据库，数据库中存有每台压路机的路径规划信息，并保持实时更新状态；

S45：每台压路机行驶前，压路机车载电脑读取数据库中初始路径程序，压路机行驶时执行初始路径程序。

本实例步骤S4中压路机采用直线往返碾压和环形循环碾压的具体方法为：

直线往返碾压是将压路机沿碾压带往返碾压工作；环形循环碾压是将压路机在碾压带沿摊铺方向碾压，在距离摊铺机临界安全距离位置处，换道后反向碾压，在与碾压带重叠1/3～1/2的相邻碾压带碾压工作，回到出发点后，按此轨迹循环碾压；各个相邻碾压带重叠轮迹宽度在1/3～1/2之间。

参照图3，压路机拐角应按照优化后的路径行驶，本实例步骤S4中使用二阶Bezier曲线对拐角进行平滑处理的具体方法为：

进行环形循环碾压的压路机有两条碾压带，当一条碾压带碾压到目标栅格时需要转弯换道到与碾压带重叠1/3～1/2的相邻碾压带继续碾压，转弯时容易在拐角出现尖峰，为了让压路机平稳行驶，同时减少在路径尖峰处不必要的能量损耗，使用二阶Bezier曲线对尖峰进行平滑处理。将压路机开始转弯的位置记为P₀，转弯结束的位置记为P₂，压路机行驶到转弯的中间位置记为P₁，二阶Bezier曲线公式如下

B(t)＝(1-t)²P₀+2t(1-t)P₁+t²P₂，t∈[0，1]

随着t的增加，插值点慢慢从P₀以曲线形式拟合到P₂，压路机车载电脑读取二阶Bezier曲线程序，在转弯处执行程序，消除拐角尖峰。

本实例步骤S5中解决压路机之间的局部碰撞的具体步骤为：

S51：规定两个相邻压路机之间的安全距离l；

S52：压路机车载电脑通过定位传感器获取自身与相邻压路机的实时位置，两个相邻压路机t时刻在二维平面图所处的坐标分别为(x_1，t，y_1，t)和(x_2，t，y_2，t)；

S53：由压路机车载电脑计算相邻压路机之间的距离，若相邻压路机之间的距离小于等于安全距离l，即满足下面的公式，则压路机车载电脑启用安全作业避碰规则

S54：基于无人驾驶压路机任务分配的优先级设定安全作业避碰规则为：先出发的压路机优先级更高，同时出发的压路机优先级相同，把将要发生碰撞的栅格叫作碰撞栅格，如果是由于压路机速度不同导致的追尾碰撞，则速度更快的压路机进行转向避让，然后回到原碾压带继续碾压；如果压路机之间发生了对碰，优先级高的压路机正常通过碰撞栅格，优先级底的压路机转向避让，然后回到原碾压带继续碾压，如果优先级相同的压路机将要发生对碰，则随机让一辆压路机正常通过，另一辆压路机转向避让，然后回到原碾压带继续碾压。

本实例步骤S6具体为：

S61：规定压路机与摊铺机之间的安全距离为w；

S62：压路机车载电脑通过定位传感器获取自身与摊铺机的实时位置，某压路机和摊铺机t时刻在二维平面图所处的坐标为(x_1，t，y_1，t)，(x_2，t，y_2，t)；

S63：若压路机和摊铺机之间距离小于等于w，即满足下面公式，则需要让压路机减速或者反向碾压，使得压路机和摊铺机之间保持安全距离，如果压路机是通过反向碾压重新和摊铺机保持安全距离，那么重新确定开始栅格与目标栅格，按照步骤S4和S5规划路线，继续碾压工作；如果压路机通过减速重新和摊铺机保持安全距离，那么压路机r_i的改变，需要调整动态加权的A*算法中/>的值，再按照步骤S4和S5规划路线，继续碾压工作。

y_2，t-y_1，t≤w。

本实例步骤S7中保证压路机不超压不欠压的具体方法为：

在实际施工过程中，由于压路机群为了避免局部碰撞，保证多机协同作业，往往不能按照最初规划好的初始路径作业，以及摊铺机一直保持着向前摊铺作业，这导致了有些栅格会先碾压完成，有些栅格后碾压完成，中央控制系统定时更新预约表，对预约表中显示已达到碾压遍数要求的栅格不再碾压，保证不会超压。此时需要重新规划压路机的路径，各个压路机作业的碾压带与原先规划好的碾压带相同，调整压路机碾压的初始位置，初始位置设定为距离起始端最近且未被碾压完成的栅格，在基于动态加权的A*算法、二阶Bezier曲线和避碰规则作用下，沿着规划路径作业，保持与摊铺机的安全工作距离进行碾压作业，保证每一个栅格不欠压。

根据以上实例可知，针对传统道路施工中压路机施工效率底，劳动力成本高，施工工人夜间工作困难，无法长时间连续作业等问题，本发明方法通过对施工道路建立二维平面图，并对施工道路用栅格建模，使用基于动态加权的A*算法为压路机规划路径，提高了压路机的作业效率，同时通过定位传感器对压路机和摊铺机进行实时跟踪，实现了安全高效的多机协同作业；同时实现了方法的高复用和可扩充，只需修改较少部分的内容，就可以在其他道路施工场景中应用。

Claims (9)

1.一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采集道路中桩坐标，边桩与中桩连线的方位角，以及中桩的左右边距，绘制道路二维平面图，基于北斗高精度定位传感器，动态采集压路机群和摊铺机GPS坐标，将采集到的GPS坐标实时转换为大地坐标，将压路机群和摊铺机的实时位置和运动轨迹叠加显示在二维平面图中；

S2：获取施工道路的边界，将道路施工区域划分成多个并行的碾压带，设定摊铺机与压路机的安全工作距离，将摊铺机初始位置定为压路机的起始端，压路机与摊铺机保持临界安全工作距离为压路机碾压的终止端，以压路机的宽度作为碾压带的宽度，以起始端到终止端之间的长度为碾压道的预设长度，控制压路机在各自碾压带从起始端和终止端之间行驶；

S3：使用栅格法进行环境建模，用栅格地图表示施工环境，使用预约表记录栅格地图中每个栅格的状态，每隔一段时间Δt更新一次预约表，预约表记录栅格的占用状态以及碾压遍数；

S4：使用基于动态加权的A*算法，集中规划出压路机群的初始路径，让无人驾驶压路机群在各自碾压带开始工作，压路机群将直线往返碾压和环形循环碾压相结合，对环形循环碾压的压路机在转弯换道的拐角尖峰处使用二阶Bezier曲线进行平滑处理；

S5：相邻压路机之间采用作业避碰规则，满足规避安全约束，保持安全距离，得到优化的组合路径，解决压路机之间的局部碰撞，保证协同作业；

S6：以安全工作距离为约束条件，在压路机行驶过程中，实时计算压路机和摊铺机之间的距离，若距离小于安全距离，则重新规划压路机路线；

S7：当栅格碾压遍数满足要求后，调整压路机初始位置，再按照S4、S5、S6进行碾压，当所有栅格碾压遍数达到要求后，停止碾压。

2.根据权利要求1所述的一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，其特征在于，所述步骤S1中绘制道路二维平面图的具体步骤为：

S11：假设两中桩的坐标Z₁(X_z1，Y_z1)，Z₂(X_z2，Y_z2)，中桩Z₁的左右边距为W_L，W_R；

S12：对于直线段，计算Z₁，Z₂之间这段直线的方位角，计算公式如下

左边桩与中桩Z₁连线的方位角为

α_左＝α_z1，z2-90°，

右边桩与中桩Z₁连线的方位角为

α_右＝α_z1，z2+90°，

可计算出左边桩坐标为

右边桩坐标的计算公式为

根据上述公式计算出所有道路中的直线段的左右边桩坐标；

S13：对于圆曲线，采集左边桩与中桩的圆曲线在左边桩点的切线的方位角β，计算出左边桩的坐标为

右边桩坐标的计算公式为

S14：按照上述公式，计算出道路上所有的边桩坐标；

S15：在道路的直线路段，在平面图中直接直线连接边桩点，并标注边桩坐标；在道路的圆曲线路段，在平面图中根据圆曲线的半径R绘制道路的圆曲线路段，并标注边桩坐标，将缓和曲线当成多段不同半径R的圆曲线组成，实现对道路二维平面图的绘制。

3.根据权利要求1所述的一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，其特征在于，所述步骤S3中栅格法以及预约表的使用步骤为：

S31：将道路施工环境进行单元分割，将其用大小相等的方格表示出来；

S32：将压路机宽度的一半设置为栅格的边长；

S33：预约表是一个二维表格，该二维表格与栅格地图中的栅格一一对应，表格中空格记录着施工道路栅格地图的每个栅格的使用情况；

S34：预约表中的信息由中央控制系统存储更新，系统与所有压路机共享预约表中的信息，每个压路机在求解最佳路径时都通过车载电脑查询预约表的信息，了解路径中栅格的占用情况；中央控制系统每隔一段时间Δt更新一次预约表，将压路机的宽度设置为d，速度为v_压，Δt为

S35：如果栅格被占用，那么表格中相应位置会记录占用栅格的压路机的编号，通过查看预约表，知道栅格地图的状态，压路机不允许通过已被占用的栅格，对已被占用的栅格进行转向避让，然后回到原碾压带继续碾压；

S36：通过查看预约表，如果多个压路机将要占用同一个栅格，那么根据权重决定栅格的占用顺序；如果多个压路机拥有相同的权重，那么将随机决定占用栅格的顺序；

S37：预约表的二维表格与栅格地图一一对应，当压路机碾压栅格后，二维表格对应位置要对碾压遍数进行记录。

4.根据权利要求1所述的一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，其特征在于，所述步骤S4中基于动态加权的A*算法的具体步骤为：

S41：从开始栅格出发，压路机每次选择下一步要扩展的栅格时，都会估算自己与所在栅格相邻的栅格路径代价；

每个栅格的估算代价为

f(n)＝g(n)+w(n)*h(n)，

式中，g(n)为压路机从起始栅格移动到当前栅格n的真实代价，

为压路机r_i匀速行驶的速度，d为压路机从起始栅格到当前栅格n的真实距离；h(n)为启发式方程，计算压路机从当前栅格n移动到目标栅格的估算代价，

d_n为压路机从当前栅格n移动到目标栅格的最短估算距离，由于允许压路机朝任何方向移动，所以使用欧几里得距离，

(x₁，y₁)为当前节点在栅格地图中的横列和纵列，(x₂，y₂)为目标栅格的横列和纵列。

w(n)为动态权重，在t时刻，起始栅格和目标栅格之间的距离为S(t)，当

w(n)设为2，在刚开始搜索时，快速到达目标栅格所在区域更重要，此时对启发式函数增加权重，基于动态加权的A*算法会向终点扩展；当

w(n)设为0.8；

S42：得到周围栅格的估算代价后，选择一个估算代价最小的栅格进行扩展；

S43：道路施工由于部分栅格碾压完成，以及摊铺机位置的实时变化，起始栅格和目标栅格也在变化，进行直线往返碾压的压路机到达目标栅格之后，重新确定起始栅格和目标栅格，再进行S41和S42步骤；进行环形循环碾压的压路机到达目标栅格之后，换道，然后重新确定起始栅格和目标栅格，再进行S41和S42步骤；起始栅格为距离起始端最近且碾压未完成的栅格，目标栅格为与摊铺机保持着临界安全距离的栅格；所有栅格全部碾压完成后停止碾压；

S44：根据S41到S43，输出程序结果，即压路机初始行驶最优路径，上传至数据库，数据库中存有每台压路机的路径规划信息，并保持实时更新状态；

S45：每台压路机行驶前，压路机车载电脑读取数据库中初始路径程序，压路机行驶时执行初始路径程序。

5.根据权利要求4所述的一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，其特征在于，所述步骤S4中压路机采用直线往返碾压和环形循环碾压的具体方法为：

直线往返碾压是将压路机沿碾压带往返碾压工作；环形循环碾压是将压路机在碾压带沿摊铺方向碾压，在距离摊铺机临界安全距离位置处，换道后反向碾压，在与碾压带重叠1/3～1/2的相邻碾压带碾压工作，回到出发点后，按此轨迹循环碾压；各个相邻碾压带重叠轮迹宽度在1/3～1/2之间。

6.根据权利要求5所述的一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，其特征在于，所述步骤S4中使用二阶Bezier曲线对拐角进行平滑处理的具体方法为：

进行环形循环碾压的压路机有两条碾压带，当一条碾压带碾压到目标栅格时需要转弯换道到与碾压带重叠1/3～1/2的相邻碾压带继续碾压，转弯时容易在拐角出现尖峰，为了让压路机平稳行驶，同时减少在路径尖峰处不必要的能量损耗，使用二阶Bezier曲线对尖峰进行平滑处理；

将压路机开始转弯的位置记为P₀，转弯结束的位置记为P₂，压路机行驶到转弯的中间位置记为P₁，二阶Bezier曲线公式如下

B(t)＝(1-t)²P₀+2t(1-t)P₁+t²P₂，t∈[0，1]

随着t的增加，插值点慢慢从P₀以曲线形式拟合到P₂，压路机车载电脑读取二阶Bezier曲线程序，在转弯处执行程序，消除拐角尖峰。

7.根据权利要求4所述的一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，其特征在于，所述步骤S5中解决压路机之间的局部碰撞的具体步骤为：

S51：规定两个相邻压路机之间的安全距离l；

S52：压路机车载电脑通过定位传感器获取自身与相邻压路机的实时位置，两个相邻压路机t时刻在二维平面图所处的坐标分别为(x_1，t，y_1，t)和(x_2，t，y_2，t)；

S53：由压路机车载电脑计算相邻压路机之间的距离，若相邻压路机之间的距离小于等于安全距离l，即满足下面的公式，则压路机车载电脑启用安全作业避碰规则

S54：基于无人驾驶压路机任务分配的优先级设定安全作业避碰规则为：先出发的压路机优先级更高，同时出发的压路机优先级相同，把将要发生碰撞的栅格叫作碰撞栅格，如果是由于压路机速度不同导致的追尾碰撞，则速度更快的压路机进行转向避让，然后回到原碾压带继续碾压；如果压路机之间发生了对碰，优先级高的压路机正常通过碰撞栅格，优先级底的压路机转向避让，然后回到原碾压带继续碾压，如果优先级相同的压路机将要发生对碰，则随机让一辆压路机正常通过，另一辆压路机转向避让，然后回到原碾压带继续碾压。

8.根据权利要求1所述的一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：

S61：规定压路机与摊铺机之间的安全距离为w；

S62：压路机车载电脑通过定位传感器获取自身与摊铺机的实时位置，压路机和摊铺机t时刻在二维平面图所处的坐标为(x_1，t，y_1，t)，(x_2，t，y_2，t)；

S63：若压路机和摊铺机之间距离小于等于w，即满足下面公式，则需要让压路机减速或者反向碾压，使得压路机和摊铺机之间保持安全距离，如果压路机是通过反向碾压重新和摊铺机保持安全距离，那么重新确定开始栅格与目标栅格，按照步骤S4和S5规划路线，继续碾压工作；如果压路机通过减速重新和摊铺机保持安全距离，那么压路机r_i的改变，需要调整动态加权的A*算法中/>的值，再按照步骤S4和S5规划路线，继续碾压工作；

y_2，t-y_1，t≤w。

9.根据权利要求1所述的一种基于多机协同的道路施工路线动态规划方法，其特征在于，所述步骤S7中保证压路机不超压不欠压的具体方法为：

重新规划压路机的路径，各个压路机作业的碾压带与原先规划好的碾压带相同，调整压路机碾压的初始位置，初始位置设定为距离起始端最近且未被碾压完成的栅格，在基于动态加权的A*算法、二阶Bezier曲线和避碰规则作用下，沿着规划路径作业，保持与摊铺机的安全工作距离进行碾压作业，保证每一个栅格不欠压。