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(yōu)點，被廣泛使用在路橋和水利等施工建設(shè)之中。傳統(tǒng)振動壓路機的工作特點是“重復(fù)性、規(guī)律性、工作環(huán)境單一性”，其操作比較簡單，操作人員易疲勞，操作環(huán)境比較惡劣，作業(yè)品質(zhì)相對不高。因此，基于目前國內(nèi)外工程機械市場對智能操控系統(tǒng)的需求旺盛和廣闊的市場前景，同時也是為了提高機械設(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，對傳統(tǒng)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(xiàn)無人駕駛作業(yè)，具有較強的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

1 振動壓路機無人駕駛研究的關(guān)鍵技術(shù)

眾所周知，無人駕駛主要是指以計算機為核心而構(gòu)建的智能系統(tǒng)，賦予設(shè)備具有環(huán)境感知、規(guī)劃、自動控制的能力從而實現(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，振動壓路機沿著預(yù)先設(shè)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(jù)周圍環(huán)境和自身狀態(tài)等自行判斷和改變行為方式。實現(xiàn)振動壓路機無人駕駛的關(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)模塊和計算機控制單元模塊。

1.1 傳感器技術(shù)模塊

在無人駕駛技術(shù)中，因為壓路機需要用GPS 或北斗系統(tǒng)接收機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)），同時還需依賴超聲波雷達或多線激光雷達甚至視覺技術(shù)感知障礙，因此傳感器是實現(xiàn)壓路機自動駕駛硬件系統(tǒng)必不可少的組成部分。壓路機機身之外的環(huán)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(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)域定位和移動定位。為了滿足壓路機碾壓重疊量的要求，在碾壓區(qū)域進行定位時需要提供區(qū)域內(nèi)各拐點高精度即經(jīng)緯度定位坐標。區(qū)域定位的定位硬件一般采用帶有差分技術(shù)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(yè)暫不贅述）。

1.3 車輛控制技術(shù)模塊

該模塊是壓路機實現(xiàn)自動駕駛的硬件基礎(chǔ)，主要指壓路機通過上層（如電腦等控制單元）發(fā)出的數(shù)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(zhuǎn)角度來控制壓路機的轉(zhuǎn)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(qū)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(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(yè)工況的復(fù)雜性與汽車相比相對較低，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），嚴格按照進場規(guī)劃、碾壓規(guī)劃、糾偏規(guī)劃和避障規(guī)劃實施循跡碾壓。②規(guī)劃硬件。一般采用工控機、自研發(fā)平臺或第三方研發(fā)平臺以滿足計算機各類控制單元需求，實現(xiàn)壓路機無人駕駛作業(yè)。③執(zhí)行硬件。由于振動壓路機具有不振、弱振和強振三種作業(yè)狀態(tài)，而其行走速度和轉(zhuǎn)向角度也需要無級調(diào)整，因此一般采用電控硬件。④輔助控制。如發(fā)動機操作的相關(guān)控制和供電等。

圖1 碾壓工藝路徑規(guī)劃示意圖

2 振動壓路機無人駕駛設(shè)計及無人駕駛改造

2.1 無人駕駛系統(tǒng)總體設(shè)計

無人駕駛系統(tǒng)設(shè)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(shè)計進行實際接線和設(shè)置參數(shù)將PLC 及控制程序分別寫入相應(yīng)主機，最終通過遙控使無人駕駛壓路機的作業(yè)效果達到人工駕駛的作業(yè)效果。該無人駕駛壓路機系統(tǒng)有：①系統(tǒng)組成。包括傳感器模塊、電源動力模塊、驅(qū)動模塊、機械執(zhí)行模塊等，以使壓路機在作業(yè)過程中實現(xiàn)路徑保持功能、自動轉(zhuǎn)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(guī)劃。由于無人駕駛壓路機的施工路徑規(guī)劃是以施工區(qū)域坐標為基礎(chǔ)，在滿足壓實遍數(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，再對該四邊形進行幾何法規(guī)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(guān)量的控制，將傳統(tǒng)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(shè)備改造

①轉(zhuǎn)向控制單元改造。將由人力轉(zhuǎn)動的方向盤帶動轉(zhuǎn)向閥轉(zhuǎn)動改造為由PLC 控制的電機帶動方向閥轉(zhuǎn)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(guān)-操作手柄并接入PLC 接口，進而通過單軸步進電機驅(qū)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(guān)-操作手柄，通過PLC控制步進電機驅(qū)動器以控制油門開度大小。

2.2.2 控制系統(tǒng)硬件改造

壓路機控制系統(tǒng)的硬件主要包括車載計算機系統(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。在安裝改造時要求具備遙控和預(yù)編程作業(yè)功能，實現(xiàn)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(tǒng)軟件設(shè)計改造

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)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(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制部分的PLC 控制設(shè)計。②人機交互界面。為便于實現(xiàn)振動壓路機手動和遙控二個模式的相互轉(zhuǎn)換以及對壓路機的前進后退、左右轉(zhuǎn)向和油門的控制，必須設(shè)計人機界面，將各類信號和參數(shù)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(yīng)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(zhì)量的重要保證。然而傳統(tǒng)壓路機在碾壓過程中經(jīng)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(yè)時周圍強烈的振動環(huán)境對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壓路機代替?zhèn)鹘y(tǒng)振動壓路機進行碾壓事半功倍。一般而言，在場內(nèi)選擇合適位置安裝覆蓋相關(guān)碾壓場地的定位基站，再通過振動壓路機上定位信號收發(fā)裝置即可實現(xiàn)無人駕駛碾壓作業(yè)。

近兩年來，三一重工、徐工集團等國際知名企業(yè)相繼開發(fā)了高精度GPS 或北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、計算技術(shù)以及傳感技術(shù)，實現(xiàn)了壓路機的無人駕駛精準作業(yè)。無人駕駛壓路機實現(xiàn)了碾壓速度、碾壓遍數(shù)、振動頻率、振動幅度以及重疊寬度等施工參數(shù)的精確與標準控制，極大地提高了施工質(zhì)量和施工效率。例如在壓實作業(yè)中，徐工集團生產(chǎn)的無人駕駛壓路機可實現(xiàn)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(nèi)，同時碾壓軌跡即時記錄、隨時查詢，還伴有遠程喚醒、設(shè)備休眠和RTK-GPS高精度定位以及自適應(yīng)自動引導(dǎo)技術(shù)等諸多先進配置。通過自決策無人駕駛的應(yīng)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(zhì)量。

4 結(jié)語

條條大路通羅馬，無人駕駛也不例外。壓路機的作業(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、遠程控制、車聯(lián)網(wǎng)及5G 等技術(shù)在工程機械行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，必將為國內(nèi)相關(guān)企業(yè)帶來新的機遇，加快和推動工程機械的智能化發(fā)展，屆時振動壓路機的自動駕駛技術(shù)、智能壓實技術(shù)和可視化技術(shù)甚至智能化操控管理平臺得以完全實現(xiàn)。