無人駕駛壓路機在路基施工中的應用

周春風 王彤

摘要：壓路機的施工水平是路基質量的重要保障，但是目前壓路機施工面臨著漏壓、欠壓、過壓等問題，同時壓路機強烈的振動環境，對操作人員的身心健康造成極大損壞。基于此，本文結合高精度衛星定位技術、計算技術、傳感技術，開發無人駕駛壓路機，實現了壓路機的無人駕駛精準作業。為路基的無人施工奠定基礎。

關鍵詞：路基施工;壓路機;無人駕駛;精準作業

中圖分類號：U415? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）07-0000-00

0前言

國內對工程機械無人駕駛技術的研究起步相對國外較晚，總體發展水平也落后于西方發達國家。國內的研究單位主要有哈爾濱工程大學、國防科技大學、浙江大學、上海交通大學等高等院校和中科院沈陽自動化研究所等科研機構。2002年，國內首次成功研制W102DZ型高性能無人駕駛振動壓路機[1]。隨后相繼開發了“高性能無人駕駛壓路機”系統[2]，并在此基礎之上，討論了無人駕駛壓路機中的串口通信。近年來隨著技術的不斷積累，無人駕駛壓路機已慢慢走向施工現場。

1無人駕駛關鍵技術

壓路機無人駕駛的目標是：在無人干預的情況下，壓路機通過預先設定的軌跡路線對地面進行壓實，當行駛途中遇到障礙物，根據障礙物相對車輛距離、速度等狀態自行判斷行為方式，包括繼續行駛、降低速度和緊急制動等。實現無人駕駛的關鍵技術模塊包括傳感器技術、定位技術、車輛控制技術和計算機控制單元模塊。

1.1 車輛控制技術

車輛控制技術是實現自動駕駛的硬件基礎，這里的控制技術指車輛通過上層發出的某些數字或者模擬的信號來控制車輛的某些行為，上層通常代表電腦一類的控制單元。車輛控制行為又可分為以下幾個模塊：

（1）縱向控制：車輛的驅動和制動控制，常見接口有控制車輛的速度、加速度、發動機或者輪端的扭矩;

（2）橫向控制：控制車輛的轉向，常見接口一般有兩種，一種是通過控制方向盤的扭矩對方向盤進行操控，另外一種直接控制方向盤的角度和轉速度;

（3）功能性控制：區別于車輛的線控系統（橫向控制和縱向控制）之外，功能性控制包括檔位控制、轉向燈控制、雙閃燈控制等，這些控制與線性控制的區別是前者為定量控制、功能性控制為定性控制;

（4）信號反饋模塊：在控制系統對車輛作出相關操控指示后，車輛自身需要對這些操作指令作出相應的反饋，幫助開發人員確定車輛是否處于正常工作狀態。反饋模塊包括但不限于車輛行駛狀態提醒，車輛接管提醒，車速、輪速、擺角控制提醒，車門狀態、燈光狀態提醒，報錯提醒等;

（5）通訊接口：目前大部分車輛都是以CAN總線作為通訊接口，個別車輛采用車載以太網作為控制接口。

1.2 傳感器模塊

傳感器是實現自動駕駛硬件系統的必要組成部分之一，車輛本體可以看做自動駕駛的一個最基本的傳感器，其提供了車輛的基本信息。對于車輛以外的環境信息則需要通過布置在車身上的傳感器進行捕獲。常用傳感器包括：攝像頭、激光雷達、超聲波雷達、毫米波雷達以及慣導組合技術。

1.3 計算模塊

計算模塊也是車輛的決策模塊，目前比較成熟的方案是使用工控機，這種方法比較方便，適合自動駕駛初期的算法開發與驗證，但是難以實現量產;使用第三方提供的研發平臺，例如NVIDIA提供的Drive PX2，但是從經驗上看其定制化不足，容易造成資源浪費或者資源不足等問題;自研研發平臺，可完全滿足自主化定制需求。

2無人駕駛系統總體設計

2.1 系統組成

無人駕駛壓路機系統包括傳感器模塊、電源動力模塊、驅動模塊、機械執行模塊，使壓路機在作業過程中實現路徑保持功能、自動轉向功能、自動避障功能、自動緊急制動功能、自動啟停功能等。

2.2 路徑規劃

利用邊界收縮的方法取得路基施工段落內的最大內接四邊形，再對該四邊形進行幾何法規劃，如圖1所示，已知作業區域的長為L、寬為B、碾壓軌跡寬度為D，將a點設為坐標原點，ab方向為壓路機施工初始航向，da為壓路機駛入工作區域邊界和后退方向施工邊界，壓路機寬度的一半且da方向上靠近a點處的位置為施工初始位置，記為頂點的坐標O'（x0，y0），bc為前進方向施工邊界，cd為駛離施工區域外側邊界，利用編碼器獲取壓路機鉸鏈的轉角φ，完成變道轉角的計算。根據壓實遍數、疊輪要求，實現壓路機在abcd所構成區域完成往復式壓實作業。

無人駕駛壓路機施工路徑規劃是以施工區域的坐標為基礎的，由于路基任意施工段落可作為一個近似的長方形，且以隨機的角度處在平面坐標中，如果直接用長方形內的坐標規劃路徑較為復雜，需要將實際位置的長方形進行坐標轉換，即以O'為坐標原點，L邊轉換為y軸，B邊轉換為x軸形成標準平面坐標系。即由x'O'y'坐標轉換為xOy坐標，如圖2所示。由于已知路基施工段落尺寸數據，壓路機每道要求疊輪1/2，可以求得在該路基施工段落進行的碾壓道數k：

k=|（B-D）/（D?2）|

如圖2所示，由幾何關系可得圖中所標各點的坐標：Ak（kD/2，0），Bk（kD/2，L）。即得到了該施工段落區域的關鍵點信息，碾壓路徑直線段為（A_1 B_1 ） ?，（A_2 B_2 ） ?，（A_3 B_3 ） ?，…，（A_k B_k ） ?。壓路機變道路徑弧線段為（A_1 C_1 ） ?，（A_2 C_2 ） ?，（A_3 C_3 ） ?，…，（A_（k-1） C_（k-1） ） ?。壓路機按照（A_1 B_1 ） ?→（B_1 A_1 ） ?→（A_1 C_1 ） ?→（C_1 A_2 ） ?→（A_2 B_2 ） ?→（B_2 A_2 ） ?→（A_2 C_2 ） ?→（C_2 A_3 ） ?…→（A_（k-1） C_（k-1） ） ?→（C_（k-1） A_k ） ?→（A_k B_k ） ?→（B_k A_k ） ?的順序依次行走即可完成路基施工段落區域的路徑全覆蓋。

一般情況下，路基施工前需要進行試驗段，確定碾壓遍數n，且往復一次算為一遍，因此壓路機的實際碾壓路徑為（（A_1 B_1 ） ?→（B_1 A_1 ） ?）×n→（A_1 C_1 ） ?→（C_1 A_2 ） ?→（（A_2 B_2 ） ?→（B_2 A_2 ） ?）×n→（A_2 C_2 ） ?→（C_2 A_3 ） ?…→（A_（k-1） C_（k-1） ） ?→（C_（k-1） A_k ） ?→（（A_k B_k ） ?→（B_k A_k ） ?）×n。在路徑規劃中每道碾壓軌跡都是由起終點坐標控制的，如A1B1就是由A1（D/2，0），B1（D/2，L）控制，由于無人駕駛壓路機的行駛軌跡是由GNSS高精度定位技術控制，為了增加行駛軌跡的控制精度，需要在A1B1上加密控制點，使路線中的每一個控制點都對碾壓過程產生糾偏信號，進行行駛軌跡的調整，因此本項目在碾壓路徑中，每間隔1m增加一個控制點，即AkBk生成的控制路徑點為（kD/2，0）→（kD/2，1）→（kD/2，2）→（kD/2，3）→…→（kD/2，L-1）→Bk（kD/2，L）。BkAk生成的控制路徑點為（kD/2，L）→（kD/2，L-1）→（kD/2，L-2）→…→（kD/2，2）→（kD/2，1）→（kD/2，0）。

3無人駕駛壓路機場內試驗

3.1 安裝定位系統

（1）在場內選擇合適位置安裝定位基站、要求基站周圍無遮擋，基站覆蓋范圍包括整個測試區域。

（2）車輛安裝定位信號收發裝置，為保證測試效果，選擇安裝在車輛頂部。

3.2 測試結果

本次測試分為直線測試和往返跑測試兩種，測試相關結果如圖3所示，其中直線工作過程中，橫向偏差不大于1cm，往返測試重復定位精度小于2cm，完全滿足施工要求。

4結論

無人駕駛壓路機實現了路基碾壓施工的速度、碾壓遍數、振頻、振幅、搭接寬度等施工參數的精確與標準控制，保證施工質量的均勻性，避免了返工，也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，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 陳羅星.W1102DZ型高性能無人駕駛振動壓路機[J].工程機械，2017（7）：12-13.

[2] 王學寧.基于模糊理論的參數自適應PID智能控制系統[J].農機化研究，2019，41（5）：39-44.

收稿日期：2020-06-08

作者簡介：周春風（1983—），男，江蘇徐州人，本科，工程師，研究方向：新材料、新工藝、智慧工地建設。

Application of Unmanned Road Roller in Roadbed Construction

ZHOU Chunfeng，WANG Tong

（Jiangsu Dongjiao Intelligent Control Technology Group Co.， Ltd.， Nanjing Jiangsu? 210000）

Abstract： The construction level of the road roller is an important guarantee for the quality of the roadbed. However， the current road roller construction is facing problems such as leakage， undervoltage， and overpressure. At the same time， the strong vibration environment of the road roller causes great damage to the physical and mental health of the operators.Based on this， this article combines high-precision satellite positioning technology， computing technology， and sensing technology to develop unmanned road rollers， and realizes the precise operation of unmanned road rollers.Lay the foundation for unmanned construction of roadbed.

Keywords： roadbed construction; road roller; unmanned driving; precision operation