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        無(wú)人駕駛壓路機(jī)主動(dòng)防撞系統(tǒng)研究

        2021-02-19 01:49:08李強(qiáng)明
        智能城市 2021年24期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域施工

        王 彤 李強(qiáng)明

        (1.江蘇東交智控科技集團(tuán)股份有限公司,江蘇南京 210000;2.江蘇省交通運(yùn)輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心,江蘇南京 210000)

        無(wú)人駕駛壓路機(jī)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)路基碾壓的無(wú)人化施工,避免人為因素對(duì)施工質(zhì)量的影響,可以夜間施工,有效縮短工期。無(wú)人駕駛壓路機(jī)遇到緊急情況時(shí),無(wú)法像人一樣去思考,采取多方面的緊急措施,無(wú)人駕駛壓路機(jī)的施工安全是必須解決的問(wèn)題[1]。壓路機(jī)在碾壓過(guò)程中,施工工作面一般不會(huì)出現(xiàn)固定障礙物,只有可以移動(dòng)的生命體,如施工人員、施工區(qū)域過(guò)往的人員、附近村鎮(zhèn)的牲畜等移動(dòng)障礙物。需要設(shè)置環(huán)境識(shí)別與自動(dòng)防撞系統(tǒng),對(duì)移動(dòng)障礙物進(jìn)行智能識(shí)別,進(jìn)行避讓。無(wú)人駕駛壓路機(jī)在碾壓過(guò)程中的行駛控制受碾壓工藝影響,碾壓過(guò)程有固定的軌跡和遍數(shù),遇到移動(dòng)的障礙物時(shí),不能選擇繞行,否則會(huì)造成其他區(qū)域過(guò)壓或正常施工路線漏壓,造成施工質(zhì)量缺陷[2]。因此無(wú)人駕駛壓路機(jī)需要采取制動(dòng)措施,在移動(dòng)障礙物離開(kāi)或遠(yuǎn)離后,重新啟動(dòng),繼續(xù)工作。壓路機(jī)自重較大,在路基工作面上采取緊急制動(dòng)措施時(shí),會(huì)造成路基填土擁集,導(dǎo)致碾壓路基出現(xiàn)波浪,無(wú)人駕駛壓路機(jī)遇到移動(dòng)障礙物時(shí)應(yīng)設(shè)置反應(yīng)區(qū)域,保證壓路機(jī)平穩(wěn)減速,在障礙物面前一定距離內(nèi)平穩(wěn)制動(dòng)。

        1 無(wú)人駕駛壓路機(jī)主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

        無(wú)人駕駛壓路機(jī)主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)主要由路域施工環(huán)境監(jiān)測(cè)部分、壓路機(jī)控制決策部分、壓路機(jī)安全行為執(zhí)行部分組成。路域施工環(huán)境檢測(cè)部分對(duì)壓路機(jī)自身狀態(tài)與施工區(qū)域的障礙物進(jìn)行監(jiān)測(cè)感知,將感知的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至壓路機(jī)控制決策部分,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,判斷施工區(qū)域的安全性,最后將判斷信息發(fā)送至壓路機(jī)安全行為執(zhí)行部分,根據(jù)信息內(nèi)容進(jìn)行報(bào)警、減速、剎車(chē)等控制。

        1.2 路域施工環(huán)境監(jiān)測(cè)

        路域施工環(huán)境監(jiān)測(cè)主要通過(guò)目標(biāo)探測(cè)傳感器進(jìn)行,采集壓路機(jī)與施工區(qū)域障礙物的關(guān)系,包括相對(duì)位置、速度、方位等。目標(biāo)探測(cè)傳感器是路域施工環(huán)境監(jiān)測(cè)的核心部分,主要包括毫米波雷達(dá)傳感器、視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、激光雷達(dá)傳感器等。

        (1)毫米波雷達(dá)傳感器通過(guò)發(fā)射天線裝置向施工區(qū)域發(fā)射電磁波信號(hào),電磁波信號(hào)遇到障礙物發(fā)生反射,由接受天線接受反射信號(hào),對(duì)反射信號(hào)的處理、分析,獲得壓路機(jī)與施工區(qū)域障礙物的相對(duì)位置、速度、方位。目前,在無(wú)人車(chē)障礙物探測(cè)領(lǐng)域,24 GHz和77 GHz的雷達(dá)傳感器較為常用,障礙物識(shí)別范圍可達(dá)200 m,探測(cè)精度可靠,整體上滿足壓路機(jī)無(wú)人駕駛對(duì)施工區(qū)域障礙物識(shí)別的要求。

        (2)視覺(jué)傳感器主要有單眼攝像頭和立體攝像頭兩種,均可以對(duì)施工區(qū)域障礙物進(jìn)行識(shí)別,但視覺(jué)傳感器受光照影響大,壓路機(jī)碾壓施工產(chǎn)生的揚(yáng)塵會(huì)降低障礙物識(shí)別的精度,在光照不足的情況下,視覺(jué)傳感器探測(cè)距離會(huì)極大降低,無(wú)法滿足夜間施工場(chǎng)景。

        (3)超聲波傳感器的工作原理類(lèi)似聲吶,傳感器向施工區(qū)域發(fā)射超聲波,超聲波遇到障礙物發(fā)生反射,對(duì)反超聲波信號(hào)的處理、分析,獲得壓路機(jī)與施工區(qū)域障礙物的相對(duì)位置、速度、方位。但超聲波傳感器存在頻率范圍較小、驅(qū)動(dòng)電壓高、靈敏度小、探測(cè)距離短等缺陷,常用于普通汽車(chē)的倒車(chē)安全預(yù)警,不適用于無(wú)人駕駛壓路機(jī)的障礙物識(shí)別。

        (4)激光雷達(dá)傳感器利用激光作為障礙物探測(cè)介質(zhì),技術(shù)難度相對(duì)較高,惡劣天氣時(shí)性能下降明顯,其在無(wú)人駕駛壓路機(jī)的障礙物識(shí)別方面的應(yīng)用受到一定限制。

        1.3 壓路機(jī)控制決策

        壓路機(jī)控制決策部分對(duì)壓路機(jī)及施工區(qū)域的障礙物信息進(jìn)行處理、分析、識(shí)別、判斷,并將識(shí)別的信息傳送至壓路機(jī)安全行為執(zhí)行部分。壓路機(jī)控制決策部分需對(duì)壓路機(jī)所處的施工環(huán)境、壓路機(jī)工作狀態(tài)等危險(xiǎn)性進(jìn)行辨別,并根據(jù)壓路機(jī)設(shè)定安全條件,作出應(yīng)急處置措施的判斷,可以根據(jù)移動(dòng)障礙物靠近壓路機(jī)不同的范圍,將不同程度的報(bào)警信號(hào)及執(zhí)行信號(hào)傳送至壓路機(jī)安全行為執(zhí)行部分。

        1.4 壓路機(jī)安全行為執(zhí)行

        在壓路機(jī)的施工過(guò)程中,遇到移動(dòng)雜物時(shí),可以通過(guò)聲光報(bào)警模塊進(jìn)行聲音及閃光報(bào)警提示,提示附近人員注意安全,或?qū)⑸篁?qū)離壓路機(jī)附近。檢測(cè)到移動(dòng)障礙物靠近壓路機(jī)時(shí),系統(tǒng)會(huì)通過(guò)執(zhí)行模塊,自行采取減速、制動(dòng)等措施。

        2 障礙物避讓控制決策研究

        壓路機(jī)獲取施工區(qū)域環(huán)境信息后,如在碾壓路徑上識(shí)別存在障礙物,將觸發(fā)壓路機(jī)制動(dòng)措施,不會(huì)進(jìn)行路徑躲避規(guī)劃。因?yàn)?,壓路機(jī)碾壓施工為了保證壓實(shí)質(zhì)量必須按規(guī)劃路徑行駛,規(guī)避障礙物繞行將無(wú)法保證碾壓效果。當(dāng)行駛路徑上的障礙物為施工人員、施工區(qū)域過(guò)往的人員、附近村鎮(zhèn)的牲畜等移動(dòng)障礙物時(shí),碾壓設(shè)備必須等障礙物離開(kāi)后繼續(xù)前進(jìn)。合理地制定安全控制策略,可以提高壓路機(jī)的施工效率、安全性及可靠性。

        2.1 壓路機(jī)施工區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

        壓路機(jī)施工區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分是避讓控制策略的核心,壓路機(jī)運(yùn)行環(huán)境較為單一,可以將壓路機(jī)的中心點(diǎn)作為施工安全區(qū)域劃分的參考點(diǎn)。本文壓路機(jī)的研究對(duì)象為徐工XS263J單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī),其長(zhǎng)×寬約為6.0 m×2.3 m。

        壓路機(jī)施工區(qū)域分析等級(jí)劃分如圖1所示。

        圖1 壓路機(jī)施工區(qū)域分析等級(jí)劃分示意圖

        距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)小于2 m的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí),碾壓路徑上距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)大于2 m且小于10 m區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí),碾壓路徑區(qū)域以外距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)大于2 m的且小于10 m的區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí),距離壓路機(jī)任意一點(diǎn)大于10 m區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

        2.2 移動(dòng)障礙物避讓控制策略

        移動(dòng)障礙物進(jìn)入Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí),壓路機(jī)處于安全狀態(tài),控制執(zhí)行模塊不采取任何報(bào)警措施。

        移動(dòng)障礙物進(jìn)入Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí),壓路機(jī)處于相對(duì)安全狀態(tài)。環(huán)境感知模塊判定移動(dòng)障礙物正在遠(yuǎn)離壓路機(jī)時(shí),控制執(zhí)行模塊不采取任何報(bào)警措施;環(huán)境感知模塊判定移動(dòng)障礙物正在接近壓路機(jī)時(shí),控制執(zhí)行模塊啟動(dòng)警示系統(tǒng),進(jìn)行聲光報(bào)警。

        移動(dòng)障礙物進(jìn)入Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí),壓路機(jī)處于危險(xiǎn)性狀態(tài),控制執(zhí)行模塊啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),開(kāi)始減速,警示系統(tǒng)啟動(dòng)聲光報(bào)警。

        移動(dòng)障礙物進(jìn)入Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí),壓路機(jī)處于極具危險(xiǎn)性狀態(tài),控制執(zhí)行模塊啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),壓路機(jī)剎車(chē)制動(dòng)并停止,警示系統(tǒng)啟動(dòng)聲光報(bào)警且報(bào)警程度加重。

        壓路機(jī)障礙物避讓控制決策如表1所示。

        表1 壓路機(jī)障礙物避讓控制決策

        3 主動(dòng)防撞系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試

        3.1 工程簡(jiǎn)介

        為了驗(yàn)證主動(dòng)防撞系統(tǒng)的效果,選取420省道金湖段建設(shè)工程作為試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地。試驗(yàn)段落具體為K6+300到K7+500,試驗(yàn)段無(wú)構(gòu)造物施工,路基連續(xù)性。

        3.2 系統(tǒng)安裝調(diào)試

        在無(wú)人駕駛壓路機(jī)的前后安裝毫米波雷達(dá)、聲光預(yù)警系統(tǒng)、行系統(tǒng)總組成等硬件設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)的無(wú)人駕駛控制,需要在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)安裝定位基站,且基站周?chē)鸁o(wú)遮擋,基站覆蓋范圍包括整個(gè)測(cè)試區(qū)域,為保證測(cè)試效果,將車(chē)輛定位信號(hào)收發(fā)裝置安裝在車(chē)輛頂部。

        3.3 效果驗(yàn)證

        通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),無(wú)人駕駛壓路機(jī)可以對(duì)移動(dòng)障礙物進(jìn)行識(shí)別,并按照移動(dòng)障礙物避讓控制策略采取應(yīng)對(duì)措施。無(wú)人駕駛壓路機(jī)以10 km/h行走時(shí),可以對(duì)周?chē)系K物進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別,且自動(dòng)控制車(chē)速并避障,避障精度在80 cm內(nèi),對(duì)人員識(shí)別聲音警示距離為10 m內(nèi),緊急情況自動(dòng)減速并預(yù)警距離為2~10 m,緊急停車(chē)距障礙物安全距離為0.8~1.5 m。

        4 結(jié)論

        本文對(duì)無(wú)人駕駛壓路機(jī)環(huán)境感知與主動(dòng)防撞的技術(shù)進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng),形成了障礙物避讓控制決策策略。主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛壓路機(jī)對(duì)移動(dòng)障礙物的智能識(shí)別,做到高精度避障,解決壓路機(jī)無(wú)人駕駛技術(shù)的安全問(wèn)題。

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