無人駕駛壓路機主動防撞系統研究

王 彤 李強明

（1.江蘇東交智控科技集團股份有限公司，江蘇南京 210000；2.江蘇省交通運輸廳公路事業發展中心，江蘇南京 210000）

無人駕駛壓路機的最大特點是實現路基碾壓的無人化施工，避免人為因素對施工質量的影響，可以夜間施工，有效縮短工期。無人駕駛壓路機遇到緊急情況時，無法像人一樣去思考，采取多方面的緊急措施，無人駕駛壓路機的施工安全是必須解決的問題[1]。壓路機在碾壓過程中，施工工作面一般不會出現固定障礙物，只有可以移動的生命體，如施工人員、施工區域過往的人員、附近村鎮的牲畜等移動障礙物。需要設置環境識別與自動防撞系統，對移動障礙物進行智能識別，進行避讓。無人駕駛壓路機在碾壓過程中的行駛控制受碾壓工藝影響，碾壓過程有固定的軌跡和遍數，遇到移動的障礙物時，不能選擇繞行，否則會造成其他區域過壓或正常施工路線漏壓，造成施工質量缺陷[2]。因此無人駕駛壓路機需要采取制動措施，在移動障礙物離開或遠離后，重新啟動，繼續工作。壓路機自重較大，在路基工作面上采取緊急制動措施時，會造成路基填土擁集，導致碾壓路基出現波浪，無人駕駛壓路機遇到移動障礙物時應設置反應區域，保證壓路機平穩減速，在障礙物面前一定距離內平穩制動。

1 無人駕駛壓路機主動防撞預警系統設計

1.1 系統結構與組成

無人駕駛壓路機主動防撞預警系統主要由路域施工環境監測部分、壓路機控制決策部分、壓路機安全行為執行部分組成。路域施工環境檢測部分對壓路機自身狀態與施工區域的障礙物進行監測感知，將感知的數據實時傳送至壓路機控制決策部分，對數據進行處理，判斷施工區域的安全性，最后將判斷信息發送至壓路機安全行為執行部分，根據信息內容進行報警、減速、剎車等控制。

1.2 路域施工環境監測

路域施工環境監測主要通過目標探測傳感器進行，采集壓路機與施工區域障礙物的關系，包括相對位置、速度、方位等。目標探測傳感器是路域施工環境監測的核心部分，主要包括毫米波雷達傳感器、視覺傳感器、超聲波傳感器、激光雷達傳感器等。

（1）毫米波雷達傳感器通過發射天線裝置向施工區域發射電磁波信號，電磁波信號遇到障礙物發生反射，由接受天線接受反射信號，對反射信號的處理、分析，獲得壓路機與施工區域障礙物的相對位置、速度、方位。目前，在無人車障礙物探測領域，24 GHz和77 GHz的雷達傳感器較為常用，障礙物識別范圍可達200 m，探測精度可靠，整體上滿足壓路機無人駕駛對施工區域障礙物識別的要求。

（2）視覺傳感器主要有單眼攝像頭和立體攝像頭兩種，均可以對施工區域障礙物進行識別，但視覺傳感器受光照影響大，壓路機碾壓施工產生的揚塵會降低障礙物識別的精度，在光照不足的情況下，視覺傳感器探測距離會極大降低，無法滿足夜間施工場景。

（3）超聲波傳感器的工作原理類似聲吶，傳感器向施工區域發射超聲波，超聲波遇到障礙物發生反射，對反超聲波信號的處理、分析，獲得壓路機與施工區域障礙物的相對位置、速度、方位。但超聲波傳感器存在頻率范圍較小、驅動電壓高、靈敏度小、探測距離短等缺陷，常用于普通汽車的倒車安全預警，不適用于無人駕駛壓路機的障礙物識別。

（4）激光雷達傳感器利用激光作為障礙物探測介質，技術難度相對較高，惡劣天氣時性能下降明顯，其在無人駕駛壓路機的障礙物識別方面的應用受到一定限制。

1.3 壓路機控制決策

壓路機控制決策部分對壓路機及施工區域的障礙物信息進行處理、分析、識別、判斷，并將識別的信息傳送至壓路機安全行為執行部分。壓路機控制決策部分需對壓路機所處的施工環境、壓路機工作狀態等危險性進行辨別，并根據壓路機設定安全條件，作出應急處置措施的判斷，可以根據移動障礙物靠近壓路機不同的范圍，將不同程度的報警信號及執行信號傳送至壓路機安全行為執行部分。

1.4 壓路機安全行為執行

在壓路機的施工過程中，遇到移動雜物時，可以通過聲光報警模塊進行聲音及閃光報警提示，提示附近人員注意安全，或將牲畜驅離壓路機附近。檢測到移動障礙物靠近壓路機時，系統會通過執行模塊，自行采取減速、制動等措施。

2 障礙物避讓控制決策研究

壓路機獲取施工區域環境信息后，如在碾壓路徑上識別存在障礙物，將觸發壓路機制動措施，不會進行路徑躲避規劃。因為，壓路機碾壓施工為了保證壓實質量必須按規劃路徑行駛，規避障礙物繞行將無法保證碾壓效果。當行駛路徑上的障礙物為施工人員、施工區域過往的人員、附近村鎮的牲畜等移動障礙物時，碾壓設備必須等障礙物離開后繼續前進。合理地制定安全控制策略，可以提高壓路機的施工效率、安全性及可靠性。

2.1 壓路機施工區域風險等級劃分

壓路機施工區域風險等級劃分是避讓控制策略的核心，壓路機運行環境較為單一，可以將壓路機的中心點作為施工安全區域劃分的參考點。本文壓路機的研究對象為徐工XS263J單鋼輪振動壓路機，其長×寬約為6.0 m×2.3 m。

壓路機施工區域分析等級劃分如圖1所示。

圖1 壓路機施工區域分析等級劃分示意圖

距離壓路機任意一點小于2 m的區域風險等級為Ⅰ級，碾壓路徑上距離壓路機任意一點大于2 m且小于10 m區域的風險等級為Ⅱ級，碾壓路徑區域以外距離壓路機任意一點大于2 m的且小于10 m的區域的風險等級為Ⅲ級，距離壓路機任意一點大于10 m區域的風險等級為Ⅳ級。

2.2 移動障礙物避讓控制策略

移動障礙物進入Ⅳ級風險區域時，壓路機處于安全狀態，控制執行模塊不采取任何報警措施。

移動障礙物進入Ⅲ級風險區域時，壓路機處于相對安全狀態。環境感知模塊判定移動障礙物正在遠離壓路機時，控制執行模塊不采取任何報警措施；環境感知模塊判定移動障礙物正在接近壓路機時，控制執行模塊啟動警示系統，進行聲光報警。

移動障礙物進入Ⅱ級風險區域時，壓路機處于危險性狀態，控制執行模塊啟動執行機構，開始減速，警示系統啟動聲光報警。

移動障礙物進入Ⅰ級風險區域時，壓路機處于極具危險性狀態，控制執行模塊啟動執行機構，壓路機剎車制動并停止，警示系統啟動聲光報警且報警程度加重。

壓路機障礙物避讓控制決策如表1所示。

表1 壓路機障礙物避讓控制決策

3 主動防撞系統試驗測試

3.1 工程簡介

為了驗證主動防撞系統的效果，選取420省道金湖段建設工程作為試驗測試場地。試驗段落具體為K6+300到K7+500，試驗段無構造物施工，路基連續性。

3.2 系統安裝調試

在無人駕駛壓路機的前后安裝毫米波雷達、聲光預警系統、行系統總組成等硬件設備。為了實現壓路機的無人駕駛控制，需要在試驗場內安裝定位基站，且基站周圍無遮擋，基站覆蓋范圍包括整個測試區域，為保證測試效果，將車輛定位信號收發裝置安裝在車輛頂部。

3.3 效果驗證

通過現場測試試驗發現，無人駕駛壓路機可以對移動障礙物進行識別，并按照移動障礙物避讓控制策略采取應對措施。無人駕駛壓路機以10 km/h行走時，可以對周圍障礙物進行自動識別，且自動控制車速并避障，避障精度在80 cm內，對人員識別聲音警示距離為10 m內，緊急情況自動減速并預警距離為2～10 m，緊急停車距障礙物安全距離為0.8～1.5 m。

4 結論

本文對無人駕駛壓路機環境感知與主動防撞的技術進行研究，設計主動防撞預警系統，形成了障礙物避讓控制決策策略。主動防撞預警系統實現無人駕駛壓路機對移動障礙物的智能識別，做到高精度避障，解決壓路機無人駕駛技術的安全問題。