無人駕駛振動碾的開發及其在長河壩工程中的應用

韓 興

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

0 概 述

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，為大渡河干流水電梯級開發的第10級電站。該電站水庫正常蓄水位1 690 m，總庫容為10.75億m3，電站總裝機容量2 600 MW。攔河大壩為礫石土直心墻堆石壩，最大壩高240 m，且修建在60～70 m的深厚覆蓋層之上，其填筑總量約3 417萬m3，統計大壩填筑單層最大碾壓面積達17.23萬m2，各種壩料的碾壓參數如表1所示。

超大規模填筑體量，加之嚴格的填筑碾壓參數要求，使得大壩工程碾壓設備配置與管理成為確保施工質量與保障進度履約的關鍵。

長河壩大壩碾壓全過程應用了GPG數字化大壩碾壓實時監控系統，對施工全過程進行監測和預警控制，全方位實時監控各項碾壓參數的功能，避免漏碾、欠壓。該系統設計有人工控制碾壓超速行駛報警功能，使超速碾壓可有效控制。但在施工中人工駕駛控制振動碾碾壓平均速度僅為2 km/h，較設計行駛速度偏低20%，控制精度低，漏碾返工或搭接寬度過大、駕駛員勞動強度高、強烈的振動環境影響操作人員身體健康等問題不斷顯現。為使碾壓施工實現精準控制，確保施工質量，提高施工效率，使振動碾駕駛員從單調、乏味、高強度的碾壓作業中解脫出來，研究開發了振動碾機身電氣及液壓自動控制系統，集成應用了衛星導航定位、狀態監測與反饋控制、超聲波環境感知等技術，實現了振動碾壓機械的無人駕駛精確碾壓機群作業。

表1 長河壩水電站大壩各種填料填筑碾壓施工參數

圖1 振動碾自動控制系統架構示意

1 技術原理

1.1 系統總體架構

振動碾自動控制系統主要由以工控機、遙控器、車載控制器PLC(可編輯程序控制器Programmable Logic Controller)形成的程序控制系統；以實現行駛、振動、轉向、制動等自動控制的振動碾機身控制系統；以GPS定位、角度編碼器、傾角傳感器等形成的導航與姿態補償系；以及加裝在車身的超聲波傳感器形成的環境識別與自動避讓系統等組成。系統設計架構見圖1。圖中CAN、A1、D1為通訊協議，GPS設備輸出信號經過RS232轉CAN模塊的轉換，輸入到車載控制器。

1.2 程序控制系統

程序控制系統中工控機作為改造電控系統中的控制終端，主要負責振動碾工作狀態的實時監控和系統工作參數的設定。車載控制器是振動碾改造電控系統的核心控制器，主要功能分為信號采集及處理功能、邏輯運算及路徑控制功能和輸出驅動功能。根據工控機和遙控器的指令實現振動碾的行駛與振動控制。同時，車載控制器還負責GPS數據和傳感器數據的采集及處理，并結合工控機設定的工作參數進行作業路徑的規劃和自動路徑跟蹤。

路徑規劃采用的方式為：設定工作區域的4個角點(如圖2中A、B、C、D點所示)，根據這4個角點來確定作業區域的邊界，然后設定當前或最近的角點作為起點(圖2中設定A為起點)，再設定車身前進方向的角點來確定作業的方向(圖2中設定從A至B)。完成設定后，控制器會自動根據設定的起點和方向來計算直線行駛的航向，并計算出所需碾壓的軌跡數量(圖2中軌跡數為4)，待啟動自動程序后控制器會根據所計算的航向完成設定區域內所需碾壓軌跡的自動碾壓作業。

圖2 程序控制系統完成的路徑規劃圖(碾壓2遍)

設計的無線遙控器采用主副配置形式。主遙控器為智能化程度較高的集成遙控器，該遙控器能實現對至少4臺振動碾機群的自動控制。副遙控器是非智能的人工控制遙控器，用以避免智能程度系統故障對作業過程的安全風險，可實現振動碾的緊急制動功能。

為實現碾壓過程偏差及時糾偏，系統路徑控制方案采用基于航向的直線跟蹤控制算法：根據GPS設備反饋的位置坐標來預估振動碾所需要的航向，并與測得的車身實時航向進行比較，計算航向誤差。根據航向誤差來動態調整振動碾的轉向角度，實現對設定直線的跟蹤。

1.3 機身控制系統

振動碾機身控制系統的主要工作原理為：對原車的液壓轉向系統進行改造，在原車轉向器部分增加電磁截止閥來實現原車轉向液壓系統與改造轉向液壓系統的切換。截止閥不通電時，轉向泵輸出油液經液壓轉向器到轉向油缸，即為原車的人工轉向方式。截止閥通電時，轉向泵輸出油液經比例節流閥和電磁換向閥與平衡閥后到轉向油缸。通過控制比例節流閥線圈的電流，可以改變比例閥的開度，實現轉向速度的調節。通過控制電磁換向閥兩端不同的線圈通電，控制轉向油缸的伸縮，實現轉向方向的自動控制。轉向角度由安裝在車身鉸接點的角度編碼器進行采集，實現前后車架之間車身轉角的反饋。

將原來的手動操縱手柄改為電控手柄。自動控制器采集手柄不同位置輸出的模擬量值來進行前進/后退的判斷與行駛速度的控制。通過控制加裝的行駛電控比例閥兩端線圈的電流，改變比例閥的開度，改變泵的斜盤角度和泵的輸出排量，實現了振動碾自動行駛速度的控制。通過控制比例閥兩端不同的線圈通電，改變了泵的液流輸出方向，從而實現了振動碾行駛方向的控制。

1.4 導航與姿態補償系統

導航與姿態補償系統是實現振動碾自動行駛和自動轉向以及控制精度的關鍵。要實現自動導航，振動碾的位置和行駛方向這兩個信息的獲取需要借助于GPS位置接收機和GPS航向接收機。通過建立衛星、GPS基站、車載GPS流動站與自動控制系統間的聯系，實現振動碾位置、行駛速度、航向的定位與導航。

同時為進一步提高振動碾壓實際作業過程中可能出現的轉向和傾斜偏差影響作業精度等問題，系統設計了角度編碼器和傾斜傳感器。角度編碼器：由于振動碾為鉸接轉向形式，在實現振動碾自動作業路線跟蹤控制的過程中，需要采集鋼輪與車身之間的轉角信息來檢測車身的位姿。轉角由安裝在車身鉸接點的角度編碼器進行采集，角度編碼器輸出信號通過CAN總線輸入到控制器。傾斜傳感器：為解決振動碾自動作業過程中，工作路面狀況惡劣，車身傾斜導致的GPS定位位置與車身實際位置偏移。在振動鋼輪一側增加設計安裝了傾角傳感器，提高了振動碾自動作業的精度。

1.5 環境識別與自動避讓系統

考慮影響作業安全影響因素，系統設計了環境識別與自動避讓系統，利用超聲波傳感器檢測車身周圍是否有物體靠近，當在一定范圍內檢測到有物體靠近時，振動碾能自動停止作業，待物體遠離后能繼續完成作業。考慮到超聲波傳感器的檢測范圍和檢測對象(人、設備)在振動碾前方和后方各均勻布置了三個超聲波傳感器。超聲波傳感器檢測范圍的參數如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器檢測范圍的參數

2 工程應用

2.1 無人駕駛振動碾作業步驟

2.1.1 基礎配套設施

無人駕駛振動碾作業的需首先完整對振動碾的升級改造包括：機身液壓及點控系統改裝、搭載GPS接收發射裝置、搭載安全避障裝置、構建無人駕駛中控系統，并需在施工區域內規劃建設GPS信號基站等。

2.1.2 作業前的準備

無人駕駛振動碾施工的作業準備工作分為：設備運行狀態檢查及設備搭載的無人駕駛系統運行狀態檢查。設備運行狀態包括：設備水箱、油箱、交接班記錄等是否滿足作業要求。系統運行狀態包括：設備通電后工控機上電啟動打開上位機程序，檢查上位機通訊是否正常、衛星數量是否達到GPS定位要求(4顆以上衛星方能實現RTK狀態固定)、安全避障系統是否正常。工控機狀態監測界面見下圖4。

圖4 工控機狀態監測界面

2.1.3 作業區域及施工參數設定

碾壓作業區域邊界設定有兩種方法，可在工控機直接錄入測得的工地坐標完成作業區域的設定，亦可通過駕駛振動碾至作業區域邊界點，對振動碾機身定位直接錄入到工控機作業區域。完成邊界點錄入后，點擊“檢查參數”按鈕，顯示起始點和方向選擇按鈕后進行作業起始點和方向的確定。

值得注意的是：振動碾坐標錄入方法按照順時針或逆時針方向確定好碾壓區域的邊界點；人工駕駛振動碾，每到達一個區域，便按下“錄入”，記錄當前點坐標。振動碾剛到達時，GPS坐標數據可能不穩定，可稍等幾秒或多錄入幾次當前坐標。

上述操作完成后可在工控機上進行振動碾參數水位設置，包括：行駛速度、碾壓遍數、循環次數、換行距離、接行寬度等。完成參數設定后，點擊“發送”按鈕。當發送完成后，可以觀察“路徑監測”界面。路徑監測界面會出現相應碾壓作業面的區域面積。

2.1.4 碾壓作業

工作參數設置完成后，將振動碾剎車松開，并通過油門拉桿將振動碾發動機轉速調至2400r/min左右，將“就地/遠程”切換開關旋至遠程檔。在上位機狀態監控界面上，點擊自動模式，即可進行振動碾的無人駕駛模式，進行自動作業。碾壓作業過程中，遠程碾壓監控系統實施監控碾壓速度、碾壓狀態、行走軌跡等主要信息。在完成一個倉位碾壓施工作業后，無人駕駛振動碾會自動停止作業，可重復以上操作進行下一倉位碾壓施工作業。

當出現緊急情況時，可使用遠程遙控器對控制器進行緊急斷電，停止作業。若操作員正在設備內，中控機界面上設有緊急停止按鈕，操作員可按下緊急停止按鈕，使振動碾緊急停止來進行避險。

2.2 應用效果

首臺振動碾完成技術改造后，現場進行了應用試驗，典型的試驗場地為25 m×8 m的長方形區域，場地表面平整度±30 cm，振動碾分4條軌跡碾壓，沿每條軌跡標準線每5 m布置一個偏差測點，偏差值偏向上游為負，偏向下游為正。試驗設定碾壓速度2.7 km/h，靜碾2遍+振碾4遍，主要試驗偏差值記錄見下表2，行駛速度隨時間變化關系見圖5。

表2 無人駕駛振動碾自動碾壓偏差值記錄 cm

圖5 堆石區振碾前進作業速度-時間關系曲線

實踐證明，振動碾自動控制碾壓直線偏差值基本控制在±10cm，最大偏差值不超過30cm，碾壓速度偏差控制在±0.1km/h，考慮一定的搭接寬度，一次碾壓合格率完全能夠滿足質量要求。首臺振動碾在長河壩電站進行了長達7個月的實踐應用，在運行過程中，對振動碾的程序又進行了系列改進：①新增了自動尋址功能，振動碾可在自動記錄自當前位置到作業起點的作業情況；②作業區域新增坐標系選擇功能：通過程序設定建立世界坐標系與施工坐標系的換算關系，可實現不同工地坐標的錄入；③新增循環次數的設定功能：可實現對各條碾壓車道的連續碾壓遍數設定；④系統增設了安全自鎖功能：當振動碾機身出現油料不足或機械故障時，振動碾會自動停止作業。

為進一步擴大實用效果，后續又改造了4振動碾，實現了5臺無人駕駛振動碾的機群化作業。通過近5 000 h的應用，成效如下：質量控制，避免漏壓、欠壓、超壓，確保一次碾壓合格率(均值97.1%)；施工效率，對比人工駕駛作業施工效率提高約10.6%，同時可縮短間歇時間約20%；安全風險，可降低人為影響和夜間施工安全風險；勞動保護，可有效減少振動環境下對人體損傷。

3 結 語

振動碾無人駕駛技術首次實現了施工機械無人駕駛，實現了振動碾行駛速度、碾壓遍數、搭接寬度等的精確控制，可采用導入測量坐標或機身定位完成作業區域的設定，通過顯示控制器實現作業區域、作業環境、施工參數及行駛狀態等的實時顯示與數據記錄。無人駕駛系統充分考慮到振動碾機身(油料不足或機械故障)及外部環境影響等影響作業安全因素，實現了環境自動識別與自動制動、避讓。振動碾無人駕駛技術的實現，避免了強烈振動環境對操作人員的傷害，保護了操作人員的健康。該技術目前已獲相應專利，具有大中型土石方工程碾壓的通用性，推動了施工機械裝備的技術進步，經濟和社會效益顯著，具有較廣闊的推廣應用前景。

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