振動(dòng)壓路機(jī)無人駕駛探析＊

沈 旭，徐有軍

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188）

壓實(shí)機(jī)械按其壓實(shí)原理不同可以分為靜力式壓路機(jī)、夯實(shí)機(jī)械和振動(dòng)壓路機(jī)三種。其中振動(dòng)壓路機(jī)因具有壓實(shí)效率高、壓實(shí)效果好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在路橋和水利等施工建設(shè)之中。傳統(tǒng)振動(dòng)壓路機(jī)的工作特點(diǎn)是“重復(fù)性、規(guī)律性、工作環(huán)境單一性”，其操作比較簡(jiǎn)單，操作人員易疲勞，操作環(huán)境比較惡劣，作業(yè)品質(zhì)相對(duì)不高。因此，基于目前國(guó)內(nèi)外工程機(jī)械市場(chǎng)對(duì)智能操控系統(tǒng)的需求旺盛和廣闊的市場(chǎng)前景，同時(shí)也是為了提高機(jī)械設(shè)備工作效率、改善作業(yè)環(huán)境以及節(jié)約大量的人工成本，對(duì)傳統(tǒng)振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行智能化升級(jí)改造，達(dá)到對(duì)振動(dòng)壓路機(jī)基本操作的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)無人駕駛作業(yè)，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 振動(dòng)壓路機(jī)無人駕駛研究的關(guān)鍵技術(shù)

眾所周知，無人駕駛主要是指以計(jì)算機(jī)為核心而構(gòu)建的智能系統(tǒng)，賦予設(shè)備具有環(huán)境感知、規(guī)劃、自動(dòng)控制的能力從而實(shí)現(xiàn)仿人類駕駛[1]。無人駕駛的根本目的即是在無人干預(yù)的情況下，振動(dòng)壓路機(jī)沿著預(yù)先設(shè)定的路線或軌跡對(duì)需要碾壓的路面進(jìn)行壓實(shí)，同時(shí)可以根據(jù)周圍環(huán)境和自身狀態(tài)等自行判斷和改變行為方式。實(shí)現(xiàn)振動(dòng)壓路機(jī)無人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)模塊、定位技術(shù)模塊、車輛控制技術(shù)模塊和計(jì)算機(jī)控制單元模塊。

1.1 傳感器技術(shù)模塊

在無人駕駛技術(shù)中，因?yàn)閴郝窓C(jī)需要用GPS 或北斗系統(tǒng)接收機(jī)配合角位移傳感器感知姿態(tài)（包括前車架姿態(tài)、后車架姿態(tài)及整車姿態(tài)），同時(shí)還需依賴超聲波雷達(dá)或多線激光雷達(dá)甚至視覺技術(shù)感知障礙，因此傳感器是實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)自動(dòng)駕駛硬件系統(tǒng)必不可少的組成部分。壓路機(jī)機(jī)身之外的環(huán)境信息需要通過布置在機(jī)身上的傳感器獲得。一般而言，常用傳感器包括以下幾種：①攝像頭；②激光雷達(dá)；③超聲波雷達(dá)；④毫米波雷達(dá)；⑤慣導(dǎo)組合技術(shù)等。

1.2 定位技術(shù)模塊

定位技術(shù)模塊主要包括區(qū)域定位和移動(dòng)定位。為了滿足壓路機(jī)碾壓重疊量的要求，在碾壓區(qū)域進(jìn)行定位時(shí)需要提供區(qū)域內(nèi)各拐點(diǎn)高精度即經(jīng)緯度定位坐標(biāo)。區(qū)域定位的定位硬件一般采用帶有差分技術(shù)的機(jī)載GPS或北斗接收器。因?yàn)檎駝?dòng)壓路機(jī)工作時(shí)的碾壓速度相比汽車而言小很多，其移動(dòng)定位的要求也遠(yuǎn)低于汽車，因此就單機(jī)無人駕駛振動(dòng)壓路機(jī)而言，其移動(dòng)定位基本依賴機(jī)載GPS 或北斗接收器即可（壓路機(jī)機(jī)群作業(yè)暫不贅述）。

1.3 車輛控制技術(shù)模塊

該模塊是壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的硬件基礎(chǔ)，主要指壓路機(jī)通過上層（如電腦等控制單元）發(fā)出的數(shù)字信號(hào)或者模擬信號(hào)來控制壓路機(jī)的行為。一般包括：①橫向控制模塊。主要是通過改變作用在方向盤上的扭矩或旋轉(zhuǎn)角度來控制壓路機(jī)的轉(zhuǎn)向。②縱向控制模塊。通過控制壓路機(jī)的速度、加速度或者扭矩等對(duì)壓路機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制或制動(dòng)控制。③功能性控制模塊。其為定性控制，包括檔位控制、各類信號(hào)燈控制等。④信號(hào)反饋模塊。該模塊主要作用是有助于專業(yè)技術(shù)人員確定車輛是否處于正常工作狀態(tài)，如壓路機(jī)行駛狀態(tài)、接管狀態(tài)、車速、擺角、車門和燈光狀態(tài)提醒等。⑤通訊接口模塊。主要有CAN總線通訊接口或車載以太網(wǎng)控制接口等[2]。

1.4 計(jì)算機(jī)控制單元模塊

該模塊為壓路機(jī)的決策模塊。由于壓路機(jī)作業(yè)工況的復(fù)雜性與汽車相比相對(duì)較低，一般采用“IF-THEN”決策系統(tǒng)，依據(jù)具體規(guī)則編程。主要包括：①規(guī)劃軟件。即碾壓施工工藝[3]（見圖1），嚴(yán)格按照進(jìn)場(chǎng)規(guī)劃、碾壓規(guī)劃、糾偏規(guī)劃和避障規(guī)劃實(shí)施循跡碾壓。②規(guī)劃硬件。一般采用工控機(jī)、自研發(fā)平臺(tái)或第三方研發(fā)平臺(tái)以滿足計(jì)算機(jī)各類控制單元需求，實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)無人駕駛作業(yè)。③執(zhí)行硬件。由于振動(dòng)壓路機(jī)具有不振、弱振和強(qiáng)振三種作業(yè)狀態(tài)，而其行走速度和轉(zhuǎn)向角度也需要無級(jí)調(diào)整，因此一般采用電控硬件。④輔助控制。如發(fā)動(dòng)機(jī)操作的相關(guān)控制和供電等。

圖1 碾壓工藝路徑規(guī)劃示意圖

2 振動(dòng)壓路機(jī)無人駕駛設(shè)計(jì)及無人駕駛改造

2.1 無人駕駛系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無人駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是利用PLC 來控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)而控制壓路機(jī)的運(yùn)動(dòng)，通過軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際接線和設(shè)置參數(shù)將PLC 及控制程序分別寫入相應(yīng)主機(jī)，最終通過遙控使無人駕駛壓路機(jī)的作業(yè)效果達(dá)到人工駕駛的作業(yè)效果。該無人駕駛壓路機(jī)系統(tǒng)有：①系統(tǒng)組成。包括傳感器模塊、電源動(dòng)力模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械執(zhí)行模塊等，以使壓路機(jī)在作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)路徑保持功能、自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能、自動(dòng)避障功能、自動(dòng)緊急制動(dòng)功能及自動(dòng)啟停功能等。②路徑規(guī)劃。由于無人駕駛壓路機(jī)的施工路徑規(guī)劃是以施工區(qū)域坐標(biāo)為基礎(chǔ)，在滿足壓實(shí)遍數(shù)、疊輪要求的前提下，利用邊界收縮的方法取得路基路面施工段內(nèi)的最大內(nèi)接四邊形，再對(duì)該四邊形進(jìn)行幾何法規(guī)劃等[4]。

2.2 振動(dòng)壓路機(jī)無人駕駛改造

改造思路是通過開關(guān)量的控制，將傳統(tǒng)振動(dòng)壓路機(jī)上原機(jī)械操作全部替換為電子操控。

2.2.1 壓路機(jī)自有設(shè)備改造

①轉(zhuǎn)向控制單元改造。將由人力轉(zhuǎn)動(dòng)的方向盤帶動(dòng)轉(zhuǎn)向閥轉(zhuǎn)動(dòng)改造為由PLC 控制的電機(jī)帶動(dòng)方向閥轉(zhuǎn)動(dòng)。②前后進(jìn)退控制單元改造。將手動(dòng)伺服手柄替換為主令開關(guān)-操作手柄并接入PLC 接口，進(jìn)而通過單軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)推桿的前后運(yùn)動(dòng)。③油門控制單元改造。將油門控制手柄也更換為主令開關(guān)-操作手柄，通過PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以控制油門開度大小。

2.2.2 控制系統(tǒng)硬件改造

壓路機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要包括車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、無線遙控收發(fā)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和電源分配系統(tǒng)等。在安裝改造時(shí)要求具備遙控和預(yù)編程作業(yè)功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，同時(shí)保留原有人工駕駛操控功能。

2.2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)改造

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)改造主要包括：①PLC控制程序。主要涉及到遙控和手動(dòng)前進(jìn)后退、左右轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制部分的PLC 控制設(shè)計(jì)。②人機(jī)交互界面。為便于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)壓路機(jī)手動(dòng)和遙控二個(gè)模式的相互轉(zhuǎn)換以及對(duì)壓路機(jī)的前進(jìn)后退、左右轉(zhuǎn)向和油門的控制，必須設(shè)計(jì)人機(jī)界面，將各類信號(hào)和參數(shù)顯示在PC端的遠(yuǎn)程遙控界面上[5]。

3 無人駕駛振動(dòng)壓路機(jī)在路橋施工中的應(yīng)用

在路橋施工中振動(dòng)壓路機(jī)施工水平的高低是路基路面壓實(shí)質(zhì)量的重要保證。然而傳統(tǒng)壓路機(jī)在碾壓過程中經(jīng)常存在漏壓、欠壓和過壓等問題[6]，同時(shí)由于振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)作業(yè)時(shí)周圍強(qiáng)烈的振動(dòng)環(huán)境對(duì)施工操作人員的身心健康造成較大傷害，因此，開發(fā)或選用無人駕駛振動(dòng)壓路機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓事半功倍。一般而言，在場(chǎng)內(nèi)選擇合適位置安裝覆蓋相關(guān)碾壓場(chǎng)地的定位基站，再通過振動(dòng)壓路機(jī)上定位信號(hào)收發(fā)裝置即可實(shí)現(xiàn)無人駕駛碾壓作業(yè)。

近兩年來，三一重工、徐工集團(tuán)等國(guó)際知名企業(yè)相繼開發(fā)了高精度GPS 或北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、計(jì)算技術(shù)以及傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壓路機(jī)的無人駕駛精準(zhǔn)作業(yè)。無人駕駛壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)了碾壓速度、碾壓遍數(shù)、振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度以及重疊寬度等施工參數(shù)的精確與標(biāo)準(zhǔn)控制，極大地提高了施工質(zhì)量和施工效率。例如在壓實(shí)作業(yè)中，徐工集團(tuán)生產(chǎn)的無人駕駛壓路機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、覆蓋電臺(tái)和微波達(dá)2kW之多，碾壓直線精度和重疊精度均達(dá)到5cm 之內(nèi)，同時(shí)碾壓軌跡即時(shí)記錄、隨時(shí)查詢，還伴有遠(yuǎn)程喚醒、設(shè)備休眠和RTK-GPS高精度定位以及自適應(yīng)自動(dòng)引導(dǎo)技術(shù)等諸多先進(jìn)配置。通過自決策無人駕駛的應(yīng)用，極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，并保障全天24 h不間斷施工，進(jìn)一步提高了施工效率和施工質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

條條大路通羅馬，無人駕駛也不例外。壓路機(jī)的作業(yè)工況不同、無人駕駛方案不同及技術(shù)成本不同，無人駕駛系統(tǒng)的架構(gòu)和智能化程度的高低也不盡相同。隨著無人駕駛、人工智能、遠(yuǎn)程控制、車聯(lián)網(wǎng)及5G 等技術(shù)在工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，必將為國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)帶來新的機(jī)遇，加快和推動(dòng)工程機(jī)械的智能化發(fā)展，屆時(shí)振動(dòng)壓路機(jī)的自動(dòng)駕駛技術(shù)、智能壓實(shí)技術(shù)和可視化技術(shù)甚至智能化操控管理平臺(tái)得以完全實(shí)現(xiàn)。