姚進(jìn)強(qiáng)，陳小燕，董玉超

（浙江省交通集團(tuán)檢測(cè)科技有限公司，浙江 杭州 310030）

1 前言

養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)環(huán)境惡劣，強(qiáng)烈的振動(dòng)、轟鳴的噪聲、飛揚(yáng)的塵埃粉末、高溫環(huán)境，甚至突如其來(lái)的意外都會(huì)嚴(yán)重危及駕駛員的身心健康乃至生命，另外，駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全性和舒適性問(wèn)題亟待解決?？焖侔l(fā)展的無(wú)人駕駛汽車帶來(lái)重要啟示，工程機(jī)械固有的人工操作方式已經(jīng)滿足不了人們對(duì)上述方面的需求，養(yǎng)護(hù)施工亟須遠(yuǎn)程操控乃至無(wú)人化的智能工程機(jī)械。

現(xiàn)有拌和廠中大多采用手動(dòng)操作的工程機(jī)械進(jìn)行上料及卸料作業(yè)，通過(guò)對(duì)拌和廠作業(yè)流程的調(diào)研，選擇最普及、操控單元最多、操作要求較高的傳統(tǒng)工程機(jī)械裝載機(jī)進(jìn)行智能化改造，作為拌和廠工程機(jī)械智能化改造的突破口，并解決以下三項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題，技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 技術(shù)框架圖

（1）作業(yè)場(chǎng)地環(huán)境感知。實(shí)時(shí)感知作業(yè)場(chǎng)地環(huán)境、砂石料的體姿和裝載機(jī)上料過(guò)程中周圍環(huán)境變化，并實(shí)時(shí)推送識(shí)別事件。

（2）裝載機(jī)智能作業(yè)。當(dāng)接收到啟動(dòng)信號(hào)后，裝載機(jī)沿預(yù)設(shè)的路徑行駛，邊緣計(jì)算及控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行路線偏離修正，使得裝載機(jī)到達(dá)指定的上卸料區(qū)域，并通過(guò)機(jī)械臂及鏟斗的控制實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)的上卸料作業(yè)。

（3）智能安全保障。裝載機(jī)運(yùn)輸過(guò)程中實(shí)時(shí)感知自身位置、車體與墻壁、料倉(cāng)、料斗以及移動(dòng)物體的距離和相對(duì)位置，并實(shí)時(shí)判斷異常信號(hào)信息，實(shí)現(xiàn)異常情況下的緊急制動(dòng)和安全保障。

2 智能化作業(yè)設(shè)計(jì)

2.1 作業(yè)場(chǎng)地智能化設(shè)計(jì)

裝載機(jī)在遠(yuǎn)程駕駛或者自動(dòng)駕駛的過(guò)程中，無(wú)法近距離感知地面的情況。如果地面出現(xiàn)積水，軟坑或過(guò)于光滑的情況，將會(huì)導(dǎo)致裝載機(jī)行駛出現(xiàn)偏差；積水可能在裝載機(jī)行駛過(guò)程中濺起落在傳感器上，使車上的傳感器失效。環(huán)境中如果出現(xiàn)鏡面材料，則會(huì)影響激光雷達(dá)的測(cè)量精度導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確，也可能影響攝像頭的識(shí)別導(dǎo)致錯(cuò)誤識(shí)別，降低裝載機(jī)行駛的安全性，降低算法的魯棒性。

因此，對(duì)場(chǎng)地要求環(huán)境封閉結(jié)構(gòu)化，場(chǎng)地應(yīng)進(jìn)行混凝土硬化處理，硬化承載力滿足場(chǎng)內(nèi)作業(yè)要求。場(chǎng)地硬化須滿足排水要求，不留積水的要求，面層排水坡度不小于1.5%，場(chǎng)地平面需要盡量水平平整，地表坑洞直徑不得大于2cm。場(chǎng)地四周設(shè)置磚砌排水溝，排水溝底面采用M7.5 水泥砂漿抹面，場(chǎng)地環(huán)境中盡量減少使用鏡面材質(zhì)，以免對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)采集造成干擾。在場(chǎng)地設(shè)置標(biāo)示牌，提醒場(chǎng)內(nèi)的工作人員保證作業(yè)安全，安全標(biāo)志必須符合國(guó)家相關(guān)規(guī)定，其大小為800×600mm。同時(shí)，無(wú)人駕駛作為一項(xiàng)正在發(fā)展中的技術(shù)，在使用的時(shí)候應(yīng)當(dāng)以安全為首要原則，不同的操作區(qū)域須有明確的作業(yè)規(guī)定和編碼，確保場(chǎng)地作業(yè)的安全，如圖2 所示。

圖2 拌和廠區(qū)域劃分及編碼示意圖

2.2 裝載機(jī)智能化設(shè)計(jì)

為了研制低成本、高可靠的智能化裝載機(jī)，裝載機(jī)的智能化設(shè)計(jì)方案適用于任何車型，通過(guò)在裝載機(jī)上加裝各類電控模塊和PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)的遙控操作和手動(dòng)操作并用。智能化裝載機(jī)改造為一種電控模塊改造，在裝載機(jī)的操作室中包含電控轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電控油門機(jī)構(gòu)、電控剎車機(jī)構(gòu)、電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)、電控鏟斗機(jī)構(gòu)以及電控手剎機(jī)構(gòu)，各機(jī)構(gòu)控制指令值如表1 所示。

表1 裝載機(jī)機(jī)械控制指令值

其中，轉(zhuǎn)向裝置是最復(fù)雜的一個(gè)裝置，由多個(gè)機(jī)構(gòu)相連，需要精確地控制角度，并在轉(zhuǎn)動(dòng)處設(shè)置角度傳感器，改裝方案電控轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 電控轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖

電控油門機(jī)構(gòu)裝置將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成油門的移動(dòng)，并通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置完成轉(zhuǎn)換，電控油門機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電控油門機(jī)構(gòu)示意圖

電控剎車機(jī)構(gòu)裝置將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成剎車的轉(zhuǎn)動(dòng)，電控剎車機(jī)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 電控剎車機(jī)構(gòu)示意圖

電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)裝置能夠?qū)㈦姍C(jī)驅(qū)動(dòng)換擋撥桿，切換到設(shè)定的檔位，過(guò)程須確保檔位的正確性。換擋操作相當(dāng)于一個(gè)跳變的過(guò)程，完成檔位切換后電機(jī)應(yīng)立即松開(kāi)驅(qū)動(dòng)，防止對(duì)變速箱的損傷，電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)示意圖

電控鏟斗機(jī)構(gòu)能夠同時(shí)操控兩個(gè)撥桿，需要兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)并相互配合，以實(shí)現(xiàn)“鏟”和“放”的動(dòng)作，電控鏟斗機(jī)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 電控鏟斗機(jī)構(gòu)示意圖

電控手剎機(jī)構(gòu)有“0”或“1”兩種狀態(tài)，應(yīng)在裝載機(jī)停車后通過(guò)電機(jī)拉起手剎，在行駛前放下手剎，電控手剎機(jī)構(gòu)如圖8 所示。

2.3 智能安全保障設(shè)計(jì)

裝載機(jī)在拌和廠內(nèi)的主要作業(yè)流程分為點(diǎn)火啟動(dòng)、前進(jìn)至上料區(qū)、自動(dòng)上料、前進(jìn)至卸料區(qū)、完成卸料、回到起點(diǎn)六個(gè)步驟。各個(gè)環(huán)節(jié)的作業(yè)流程都會(huì)涉及人員、設(shè)備、操作等不同方面的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（1）人員方面。裝載機(jī)智能行駛時(shí)，作業(yè)區(qū)域不能出現(xiàn)人員，且應(yīng)在場(chǎng)內(nèi)設(shè)置環(huán)境感知裝置和警報(bào)，選用事件檢測(cè)器對(duì)裝載機(jī)周圍人員進(jìn)行檢測(cè)。

（2）設(shè)備方面。重點(diǎn)關(guān)注裝載機(jī)在行駛過(guò)程的安全保障，其中所有設(shè)備的故障碼和網(wǎng)絡(luò)通訊延遲的定時(shí)判斷和診斷尤為關(guān)鍵。

（3）操作方面。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝載機(jī)作業(yè)位置、行駛軌跡和異常操作，及時(shí)響應(yīng)并對(duì)其修正。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 環(huán)境感知系統(tǒng)

環(huán)境感知系統(tǒng)對(duì)拌和廠不同區(qū)域進(jìn)行識(shí)別定位和物料體積的檢測(cè)。以激光雷達(dá)、相機(jī)、微處理器為感知模組，單個(gè)模組可對(duì)識(shí)別范圍內(nèi)的場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，通過(guò)對(duì)多個(gè)感知模組采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并計(jì)算，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的還原顯示。將16 線激光雷達(dá)傳感器和慣性測(cè)量單元IMU 固定在裝載機(jī)頂部，對(duì)拌和廠進(jìn)行掃描，獲得大量的點(diǎn)云幀。通過(guò)點(diǎn)云的配準(zhǔn)技術(shù)，對(duì)篩選后的全部點(diǎn)云幀進(jìn)行合并，生成一張完整的三維地圖，如圖9 所示。

點(diǎn)云的配準(zhǔn)應(yīng)用了正態(tài)分布變換NDT(Normal Distribution Transform)，利用最優(yōu)化技術(shù)確定兩點(diǎn)云之間的最優(yōu)匹配。

如圖10 所示，為兩幀料倉(cāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)前后效果比對(duì)圖。左側(cè)為未進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)前，兩幀點(diǎn)云交錯(cuò)并有多處雜亂；右側(cè)為通過(guò)正態(tài)分布變換算法進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)后，兩幀點(diǎn)云中的平面以及對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)能較好地?cái)M合。

為了計(jì)算物料的體積，應(yīng)將激光雷達(dá)點(diǎn)云變換到三維地圖坐標(biāo)系，再對(duì)激光雷達(dá)點(diǎn)云進(jìn)行校正。激光雷達(dá)點(diǎn)云的校正工作由兩部分組成：（1）料倉(cāng)左右模組的點(diǎn)云校正及完整的點(diǎn)云拼接；（2）將拼接完整的點(diǎn)云校正投影到預(yù)先構(gòu)建的三維地圖。通過(guò)激光雷達(dá)和相機(jī)的融合，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)可視化到圖像。圖11為激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與相機(jī)圖像數(shù)據(jù)融合的結(jié)果，同時(shí)保留了圖像信息以及三維信息。圖11（a）和圖11（b）分別為激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，圖11（c）為激光雷達(dá)與相機(jī)數(shù)據(jù)融合圖。

圖11 激光雷達(dá)與相機(jī)數(shù)據(jù)融合圖

3.2 裝載機(jī)智能駕駛系統(tǒng)

裝載機(jī)智能駕駛系統(tǒng)主要包括裝載機(jī)、邊緣計(jì)算工控機(jī)、前后避障雷達(dá)、激光定位雷達(dá)、相機(jī)、全向大功率基站、無(wú)線遙控器、場(chǎng)地監(jiān)控中心，安裝效果如圖12 所示。

圖12 安裝效果圖

其中，裝載機(jī)是智能駕駛主體設(shè)備；邊緣計(jì)算工控機(jī)用于數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)融合、算法運(yùn)算和信號(hào)控制；前后避障雷達(dá)用于實(shí)時(shí)掃描現(xiàn)場(chǎng)情況，得出障礙物信息距離方向等數(shù)據(jù)；激光定位雷達(dá)用于定位裝載機(jī)位置；相機(jī)為無(wú)線視頻攝像頭，用于識(shí)別和回傳當(dāng)前的環(huán)境圖像；全向大功率基站用于提供無(wú)線局域網(wǎng)通訊；無(wú)線遙控器用于加強(qiáng)裝載機(jī)的安全控制，若程序出錯(cuò)，可通過(guò)無(wú)線遙控器急停按鈕急停裝載機(jī)；場(chǎng)地監(jiān)控中心主要實(shí)現(xiàn)對(duì)智能駕駛裝載機(jī)狀態(tài)顯示和控制，如圖13 所示。

圖13 場(chǎng)地動(dòng)態(tài)監(jiān)控界面

裝載機(jī)智能行駛通過(guò)預(yù)先訓(xùn)練好的指令集模型執(zhí)行路徑規(guī)劃，PLC 接收指令后依次向?qū)?yīng)的電機(jī)發(fā)送電信號(hào)，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得裝載機(jī)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)及動(dòng)臂料斗的抬升下降。

3.3 智能安全保障系統(tǒng)

智能安全保障系統(tǒng)是保證整個(gè)智能化作業(yè)過(guò)程處于安全狀態(tài)的重要手段。通過(guò)視頻圖像判斷、異常操作判斷、設(shè)備故障碼判斷、異常通訊判斷和緊急制動(dòng)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)系統(tǒng)的安全作業(yè)。

智能安全保障系統(tǒng)每隔0.1s 對(duì)異常操作信號(hào)和設(shè)備故障碼進(jìn)行一次數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和定位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差，并調(diào)用響應(yīng)策略。通過(guò)異常通訊判斷，實(shí)時(shí)獲取通訊信號(hào)狀況，如果出現(xiàn)設(shè)備故障碼或網(wǎng)絡(luò)延遲30ms 以上，則啟動(dòng)緊急制動(dòng)。

通過(guò)YOLOv4 算法，實(shí)時(shí)判斷視頻圖像中有無(wú)人員和障礙物，如出現(xiàn)人員，則啟動(dòng)緊急制動(dòng)，并通過(guò)異常警報(bào)裝置驅(qū)使人員撤離作業(yè)區(qū)域；如果出現(xiàn)障礙物，基于激光雷達(dá)對(duì)障礙物進(jìn)行評(píng)價(jià)，并經(jīng)過(guò)安全距離模型的計(jì)算和判斷，合理地選擇緊急制動(dòng)或者轉(zhuǎn)向操作。

通過(guò)激光雷達(dá)SLAM 建圖定位，并利用環(huán)境感知系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取裝載機(jī)相對(duì)位置及周圍異常變化，形成動(dòng)態(tài)模型，如圖14 所示。此外，當(dāng)感知作業(yè)區(qū)域能見(jiàn)度小于5m 時(shí)，激光雷達(dá)精度受到較大影響，則啟動(dòng)緊急制動(dòng)。

圖14 裝載機(jī)在行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)模型

4 結(jié)語(yǔ)

依托金麗溫高速公路麗水養(yǎng)護(hù)救援中心拌和廠場(chǎng)地，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。拌和廠場(chǎng)地占地面積13850.73m2，滿足智能駕駛對(duì)場(chǎng)地的要求，測(cè)試應(yīng)用時(shí)采用封閉結(jié)構(gòu)化環(huán)境。從環(huán)境的適配、裝載機(jī)的改裝、自動(dòng)駕駛算法等方面進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了拌和廠地上卸料的智能駕駛系統(tǒng)及方法的可行性和潛在的應(yīng)用價(jià)值。

研發(fā)的裝載機(jī)智能駕駛系統(tǒng)，具有成本低、安裝方便、可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，依據(jù)無(wú)人駕駛等級(jí)的分類標(biāo)準(zhǔn)，裝載機(jī)可以在特定環(huán)境實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，拌和廠場(chǎng)地為靜態(tài)高精地圖，地圖精度達(dá)到0.2 ～0.5m，且地圖的形態(tài)是通過(guò)靜態(tài)地圖和動(dòng)態(tài)信息相結(jié)合，具有主動(dòng)避障急停功能，滿足無(wú)人駕駛L3 等級(jí)要求。