振動壓路機無人駕駛探析＊

沈 旭，徐有軍

（南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188）

壓實機械按其壓實原理不同可以分為靜力式壓路機、夯實機械和振動壓路機三種。其中振動壓路機因具有壓實效率高、壓實效果好等優點，被廣泛使用在路橋和水利等施工建設之中。傳統振動壓路機的工作特點是“重復性、規律性、工作環境單一性”，其操作比較簡單，操作人員易疲勞，操作環境比較惡劣，作業品質相對不高。因此，基于目前國內外工程機械市場對智能操控系統的需求旺盛和廣闊的市場前景，同時也是為了提高機械設備工作效率、改善作業環境以及節約大量的人工成本，對傳統振動壓路機進行智能化升級改造，達到對振動壓路機基本操作的遠程控制，實現無人駕駛作業，具有較強的現實意義和應用價值。

1 振動壓路機無人駕駛研究的關鍵技術

眾所周知，無人駕駛主要是指以計算機為核心而構建的智能系統，賦予設備具有環境感知、規劃、自動控制的能力從而實現仿人類駕駛[1]。無人駕駛的根本目的即是在無人干預的情況下，振動壓路機沿著預先設定的路線或軌跡對需要碾壓的路面進行壓實，同時可以根據周圍環境和自身狀態等自行判斷和改變行為方式。實現振動壓路機無人駕駛的關鍵技術主要包括傳感器技術模塊、定位技術模塊、車輛控制技術模塊和計算機控制單元模塊。

1.1 傳感器技術模塊

在無人駕駛技術中，因為壓路機需要用GPS 或北斗系統接收機配合角位移傳感器感知姿態（包括前車架姿態、后車架姿態及整車姿態），同時還需依賴超聲波雷達或多線激光雷達甚至視覺技術感知障礙，因此傳感器是實現壓路機自動駕駛硬件系統必不可少的組成部分。壓路機機身之外的環境信息需要通過布置在機身上的傳感器獲得。一般而言，常用傳感器包括以下幾種：①攝像頭；②激光雷達；③超聲波雷達；④毫米波雷達；⑤慣導組合技術等。

1.2 定位技術模塊

定位技術模塊主要包括區域定位和移動定位。為了滿足壓路機碾壓重疊量的要求，在碾壓區域進行定位時需要提供區域內各拐點高精度即經緯度定位坐標。區域定位的定位硬件一般采用帶有差分技術的機載GPS或北斗接收器。因為振動壓路機工作時的碾壓速度相比汽車而言小很多，其移動定位的要求也遠低于汽車，因此就單機無人駕駛振動壓路機而言，其移動定位基本依賴機載GPS 或北斗接收器即可（壓路機機群作業暫不贅述）。

1.3 車輛控制技術模塊

該模塊是壓路機實現自動駕駛的硬件基礎，主要指壓路機通過上層（如電腦等控制單元）發出的數字信號或者模擬信號來控制壓路機的行為。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角度來控制壓路機的轉向。②縱向控制模塊。通過控制壓路機的速度、加速度或者扭矩等對壓路機進行驅動控制或制動控制。③功能性控制模塊。其為定性控制，包括檔位控制、各類信號燈控制等。④信號反饋模塊。該模塊主要作用是有助于專業技術人員確定車輛是否處于正常工作狀態，如壓路機行駛狀態、接管狀態、車速、擺角、車門和燈光狀態提醒等。⑤通訊接口模塊。主要有CAN總線通訊接口或車載以太網控制接口等[2]。

1.4 計算機控制單元模塊

該模塊為壓路機的決策模塊。由于壓路機作業工況的復雜性與汽車相比相對較低，一般采用“IF-THEN”決策系統，依據具體規則編程。主要包括：①規劃軟件。即碾壓施工工藝[3]（見圖1），嚴格按照進場規劃、碾壓規劃、糾偏規劃和避障規劃實施循跡碾壓。②規劃硬件。一般采用工控機、自研發平臺或第三方研發平臺以滿足計算機各類控制單元需求，實現壓路機無人駕駛作業。③執行硬件。由于振動壓路機具有不振、弱振和強振三種作業狀態，而其行走速度和轉向角度也需要無級調整，因此一般采用電控硬件。④輔助控制。如發動機操作的相關控制和供電等。

圖1 碾壓工藝路徑規劃示意圖

2 振動壓路機無人駕駛設計及無人駕駛改造

2.1 無人駕駛系統總體設計

無人駕駛系統設計的目的是利用PLC 來控制步進電機進而控制壓路機的運動，通過軟硬件設計進行實際接線和設置參數將PLC 及控制程序分別寫入相應主機，最終通過遙控使無人駕駛壓路機的作業效果達到人工駕駛的作業效果。該無人駕駛壓路機系統有：①系統組成。包括傳感器模塊、電源動力模塊、驅動模塊、機械執行模塊等，以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、自動緊急制動功能及自動啟停功能等。②路徑規劃。由于無人駕駛壓路機的施工路徑規劃是以施工區域坐標為基礎，在滿足壓實遍數、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的最大內接四邊形，再對該四邊形進行幾何法規劃等[4]。

2.2 振動壓路機無人駕駛改造

改造思路是通過開關量的控制，將傳統振動壓路機上原機械操作全部替換為電子操控。

2.2.1 壓路機自有設備改造

①轉向控制單元改造。將由人力轉動的方向盤帶動轉向閥轉動改造為由PLC 控制的電機帶動方向閥轉動。②前后進退控制單元改造。將手動伺服手柄替換為主令開關-操作手柄并接入PLC 接口，進而通過單軸步進電機驅動器控制步進推桿的前后運動。③油門控制單元改造。將油門控制手柄也更換為主令開關-操作手柄，通過PLC控制步進電機驅動器以控制油門開度大小。

2.2.2 控制系統硬件改造

壓路機控制系統的硬件主要包括車載計算機系統、伺服控制系統、無線遙控收發系統、監控系統和電源分配系統等。在安裝改造時要求具備遙控和預編程作業功能，實現自動化控制，同時保留原有人工駕駛操控功能。

2.2.3 控制系統軟件設計改造

控制系統的軟件設計改造主要包括：①PLC控制程序。主要涉及到遙控和手動前進后退、左右轉向、轉速控制部分的PLC 控制設計。②人機交互界面。為便于實現振動壓路機手動和遙控二個模式的相互轉換以及對壓路機的前進后退、左右轉向和油門的控制，必須設計人機界面，將各類信號和參數顯示在PC端的遠程遙控界面上[5]。

3 無人駕駛振動壓路機在路橋施工中的應用

在路橋施工中振動壓路機施工水平的高低是路基路面壓實質量的重要保證。然而傳統壓路機在碾壓過程中經常存在漏壓、欠壓和過壓等問題[6]，同時由于振動壓路機振動作業時周圍強烈的振動環境對施工操作人員的身心健康造成較大傷害，因此，開發或選用無人駕駛振動壓路機代替傳統振動壓路機進行碾壓事半功倍。一般而言，在場內選擇合適位置安裝覆蓋相關碾壓場地的定位基站，再通過振動壓路機上定位信號收發裝置即可實現無人駕駛碾壓作業。

近兩年來，三一重工、徐工集團等國際知名企業相繼開發了高精度GPS 或北斗衛星定位技術、計算技術以及傳感技術，實現了壓路機的無人駕駛精準作業。無人駕駛壓路機實現了碾壓速度、碾壓遍數、振動頻率、振動幅度以及重疊寬度等施工參數的精確與標準控制，極大地提高了施工質量和施工效率。例如在壓實作業中，徐工集團生產的無人駕駛壓路機可實現遠程操控、覆蓋電臺和微波達2kW之多，碾壓直線精度和重疊精度均達到5cm 之內，同時碾壓軌跡即時記錄、隨時查詢，還伴有遠程喚醒、設備休眠和RTK-GPS高精度定位以及自適應自動引導技術等諸多先進配置。通過自決策無人駕駛的應用，極大地降低了勞動強度，并保障全天24 h不間斷施工，進一步提高了施工效率和施工質量。

4 結語

條條大路通羅馬，無人駕駛也不例外。壓路機的作業工況不同、無人駕駛方案不同及技術成本不同，無人駕駛系統的架構和智能化程度的高低也不盡相同。隨著無人駕駛、人工智能、遠程控制、車聯網及5G 等技術在工程機械行業內的應用，必將為國內相關企業帶來新的機遇，加快和推動工程機械的智能化發展，屆時振動壓路機的自動駕駛技術、智能壓實技術和可視化技術甚至智能化操控管理平臺得以完全實現。