夏磐夫，高 亮

徐工集團(tuán)道路機(jī)械事業(yè)部，江蘇 徐州 221004

導(dǎo)語(yǔ)：

隨著計(jì)算機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，芯片處理速度和信息傳遞速度飛速增長(zhǎng)，這些技術(shù)的進(jìn)步使無(wú)人駕駛設(shè)備的成本大幅降低，可操作性增強(qiáng)。無(wú)人駕駛設(shè)備活躍在施工現(xiàn)場(chǎng)，這種原本只存在于電影中的科幻場(chǎng)景，正快步向我們走來(lái)。本次我們就來(lái)了解一種無(wú)人駕駛壓路機(jī)的設(shè)計(jì)思路。

壓實(shí)工地上一片忙碌，一臺(tái)臺(tái)壓路機(jī)井然有序，魚貫而行，只要有壓實(shí)需求它們隨時(shí)可以進(jìn)入最佳狀態(tài)，不知疲倦、保質(zhì)保量地完成工作，而這一切也許不需要駕駛員登機(jī)操作，取而代之的是無(wú)人駕駛壓路機(jī)技術(shù)。近幾年不論在行業(yè)展會(huì)還是一些試驗(yàn)場(chǎng)地，甚至在一些施工項(xiàng)目中，無(wú)人駕駛壓路機(jī)都表現(xiàn)出了勃勃生機(jī)。

振動(dòng)壓路機(jī)作為工程機(jī)械的重要組成部分，在市政建設(shè)、交通水利中均扮演著不可或缺的角色[1-3]，目前已有改裝型無(wú)人駕駛振動(dòng)壓路機(jī)在大壩工程上投入試用[4]。隨著新技術(shù)革命與高新技術(shù)的發(fā)展，壓路機(jī)產(chǎn)品向無(wú)人化方向發(fā)展成為趨勢(shì)。為此，本文結(jié)合壓路機(jī)本身特點(diǎn)簡(jiǎn)要分析了壓路機(jī)無(wú)人駕駛的功能實(shí)現(xiàn)方式。

為了實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)無(wú)人駕駛，基于功能分析法，我們先總結(jié)一下振動(dòng)壓路機(jī)的使用特點(diǎn)——振動(dòng)、低速、具有碾壓施工工藝，以及功能控制要求——振動(dòng)、行走、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和輔助控制。按無(wú)人駕駛設(shè)備仿人類控制要求，壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛功能應(yīng)采用差分GPS技術(shù)、角位移傳感器、超聲波雷達(dá)和“IF-THEN”決策系統(tǒng)等。

01 振動(dòng)壓路機(jī)使用特點(diǎn)和功能控制要求

作為以增加工作介質(zhì)密實(shí)度為主要用途的施工機(jī)械，振動(dòng)壓路機(jī)具有以下使用特點(diǎn)。

（1）利用振動(dòng)完成壓實(shí)。振動(dòng)壓路機(jī)以其發(fā)出的振動(dòng)載荷使土顆粒處于高頻振動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)壓路機(jī)本身的重量形成對(duì)地作用力，迫使這些顆粒重新排列而密實(shí)[5]。振動(dòng)壓實(shí)能影響到鋪層更深處，提高壓實(shí)效率。

（2）工作速度低。雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓速度約為5 km·h－1，單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓速度約為3 km·h－1。

（3）區(qū)域壓實(shí)，往復(fù)作業(yè)。以區(qū)域壓實(shí)為目標(biāo)，壓路機(jī)運(yùn)行距離短，碾壓時(shí)需要對(duì)每一碾壓道反復(fù)碾壓多遍，作業(yè)工況重復(fù)、復(fù)雜性低，為了保證不同碾壓道之間無(wú)縫連接，要求有碾壓重合度，通常不小于12 cm。

（4）碾壓工藝固定。壓實(shí)作業(yè)最關(guān)鍵的衡量指標(biāo)是壓實(shí)度，而影響壓實(shí)度的因素有填料的力學(xué)性質(zhì)及含水量、鋪層松鋪厚度以及底層的強(qiáng)度，為方便質(zhì)量控制，需要先做試驗(yàn)段獲得最佳施工工藝，正式壓實(shí)時(shí)通過(guò)過(guò)程控制保證最終結(jié)果。對(duì)壓路機(jī)而言，需要嚴(yán)格執(zhí)行碾壓施工工藝。

傳統(tǒng)振動(dòng)壓路機(jī)功能控制包括振動(dòng)控制、行走控制、轉(zhuǎn)向控制、制動(dòng)控制及其他輔助控制，如整機(jī)供電、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等，如表1所示。與汽車相比，振動(dòng)控制是振動(dòng)壓路機(jī)獨(dú)有的。

02 壓路機(jī)無(wú)人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)人駕駛是指以計(jì)算機(jī)為中心構(gòu)建的智能系統(tǒng)，賦予設(shè)備環(huán)境感知、規(guī)劃、自動(dòng)控制的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)仿人類駕駛[6]，要實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)無(wú)人駕駛功能，無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)至少需要接管表1中序號(hào)1~4涉及的壓路機(jī)振動(dòng)、行走、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)功能。據(jù)此構(gòu)建簡(jiǎn)單單機(jī)振動(dòng)壓路機(jī)無(wú)人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)，如表2所示，該架構(gòu)可通過(guò)機(jī)載GPS接收機(jī)、角位移傳感器、超聲波雷達(dá)賦予壓路機(jī)感知周圍環(huán)境和自身狀態(tài)的能力，結(jié)合施工區(qū)域信息、碾壓施工工藝信息自動(dòng)規(guī)劃進(jìn)場(chǎng)軌跡、碾壓軌跡和糾偏措施，自動(dòng)控制壓路機(jī)行走、轉(zhuǎn)向、振動(dòng)、避障功能，從而使壓路機(jī)能完成限定區(qū)域、限定條件下的無(wú)人駕駛。

表1 壓路機(jī)常用功能控制方式

無(wú)人駕駛是指以計(jì)算機(jī)為中心構(gòu)建的智能系統(tǒng)，賦予設(shè)備環(huán)境感知、規(guī)劃、自動(dòng)控制的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)仿人類駕駛。

表2 簡(jiǎn)單單機(jī)無(wú)人駕駛振動(dòng)壓路機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

以下結(jié)合功能實(shí)現(xiàn)分析壓路機(jī)單機(jī)無(wú)人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)（表2）的特色。

（1）區(qū)域定位

壓路機(jī)對(duì)壓實(shí)區(qū)域進(jìn)行定位時(shí)需要壓實(shí)區(qū)域各拐點(diǎn)高精度定位坐標(biāo)（經(jīng)緯度）。該坐標(biāo)可以通過(guò)高精度手持GPS定位儀或者通過(guò)壓路機(jī)自身的定位功能采集獲得，相對(duì)而言，如果通過(guò)壓路機(jī)自身定位功能采集需要在壓實(shí)前將壓路機(jī)行駛到所有拐點(diǎn)上記錄定位坐標(biāo)，雖然可以節(jié)省1臺(tái)高精度手持GPS定位儀，但操作起來(lái)較為繁瑣。

定位硬件采用機(jī)載GPS接收機(jī)，且必須結(jié)合GPS基準(zhǔn)臺(tái)利用差分GPS技術(shù)進(jìn)行定位。顯然，區(qū)域壓實(shí)要求相鄰兩碾壓道的碾壓重疊量不小于12 cm，僅采用機(jī)載GPS時(shí)定位精度為米級(jí)，必然導(dǎo)致相鄰碾壓道不重疊而造成漏壓，而采用差分GPS技術(shù)能將定位精度精確到2 cm左右，完全能滿足重疊量要求。

（2）移動(dòng)定位

移動(dòng)定位完全依賴機(jī)載GPS接收機(jī)、不再采用IMU。這是因?yàn)閴郝窓C(jī)的振動(dòng)碾壓速度一般不超過(guò)5 km·h－1，遠(yuǎn)小于汽車100 km·h－1的行駛速度，移動(dòng)定位的要求也就遠(yuǎn)低于汽車。假設(shè)GPS定位頻率為10 Hz、壓路機(jī)碾壓速度為5 km·h－1時(shí)，兩次定位之間壓路機(jī)僅行駛13.8 cm，即壓路機(jī)每行駛13.8 cm，無(wú)人駕駛系統(tǒng)就能根據(jù)自身所在的位置進(jìn)行一次控制（方向盤轉(zhuǎn)角）計(jì)算，這種控制頻率下的行駛效果已基本能夠滿足壓路機(jī)使用要求，無(wú)需再配合采用IMU提高定位頻率。另一方面，壓路機(jī)短距離轉(zhuǎn)運(yùn)速度通常設(shè)定在10 km·h－1，僅采用機(jī)載GPS時(shí)壓路機(jī)每行駛27.6 cm才能進(jìn)行一次控制，移動(dòng)精度可能稍有不足，考慮到轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)可以通過(guò)人工駕駛或者通過(guò)限定無(wú)人駕駛短距離轉(zhuǎn)運(yùn)速度至5 km·h－1以下實(shí)現(xiàn)，限定條件下簡(jiǎn)單單機(jī)無(wú)人駕駛系統(tǒng)可以完全依賴機(jī)載GPS接收機(jī)進(jìn)行移動(dòng)定位。

（3）姿態(tài)感知

壓路機(jī)需要用GPS接收機(jī)配合角位移傳感器感知姿態(tài)。通常壓路機(jī)采用鉸接轉(zhuǎn)向而非類似汽車的前輪轉(zhuǎn)向，壓路機(jī)的姿態(tài)包括前車架姿態(tài)和后車架姿態(tài)，需要利用固定在前車架上的2個(gè)GPS接收機(jī)獲得的位置數(shù)據(jù)確定前車架的位置和航向，需要利用布置在轉(zhuǎn)向十字軸上的角位移傳感器或者轉(zhuǎn)向油缸上的位移傳感器測(cè)量出前、后車架的夾角，從而獲得后車架的位置，進(jìn)而獲得整車的姿態(tài)。

（4）障礙感知

障礙感知完全依賴超聲波雷達(dá)獲得。壓路機(jī)碾壓速度為5 km·h－1，遠(yuǎn)小于汽車100 km·h－1的行駛速度，按標(biāo)準(zhǔn)要求，行駛速度5 km·h－1時(shí)壓路機(jī)制動(dòng)距離應(yīng)不大于2.17 m，而目前超聲波雷達(dá)的探測(cè)距離能達(dá)到2~4 m，選用探測(cè)距離約4 m的超聲波雷達(dá)就基本能滿足壓路機(jī)碾壓工作時(shí)的避障要求。相對(duì)而言，多線激光雷達(dá)對(duì)于空間的測(cè)量非常精準(zhǔn)，但硬件成本高昂，用在壓路機(jī)上并不經(jīng)濟(jì)，而以視覺(jué)為主導(dǎo)的相機(jī)、超聲波雷達(dá)方案需要專業(yè)的視頻、圖像分析軟件，更適合大規(guī)模產(chǎn)品，多品種小批量壓路機(jī)產(chǎn)品則無(wú)法通過(guò)分?jǐn)偨档统杀尽?/p>

（5）規(guī)劃軟件

采用“IF-THEN”決策系統(tǒng)，依靠具體的規(guī)則編程。通過(guò)進(jìn)場(chǎng)規(guī)劃出壓路機(jī)當(dāng)前位置到施工區(qū)域碾壓起點(diǎn)間的進(jìn)場(chǎng)軌跡，通過(guò)碾壓規(guī)劃出施工區(qū)域內(nèi)碾壓起點(diǎn)到碾壓終點(diǎn)的碾壓軌跡，并將碾壓施工工藝融入到碾壓軌跡中，決定碾壓軌跡線上每一點(diǎn)的碾壓方式（靜碾、大振還是小振），通過(guò)糾偏規(guī)劃出實(shí)際軌跡與預(yù)設(shè)軌跡出現(xiàn)差異時(shí)的糾偏措施，確認(rèn)是跟蹤航向還是預(yù)瞄跟蹤航向等[7]。

與汽車相比，壓路機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜性低，本質(zhì)上碾壓施工工藝就是碾壓的規(guī)則，以規(guī)則為基礎(chǔ)，嚴(yán)格按進(jìn)場(chǎng)規(guī)劃、碾壓規(guī)劃、糾偏規(guī)劃實(shí)現(xiàn)循跡碾壓，并按避障規(guī)劃執(zhí)行避讓基本能滿足碾壓和避障要求，控制更加簡(jiǎn)單。同時(shí)，基于深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)數(shù)據(jù)依賴性極強(qiáng)，尚處于初級(jí)階段的壓路機(jī)無(wú)人駕駛尚未積累足夠的數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在壓路機(jī)上并不適用。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)壓路機(jī)使用特點(diǎn)、功能控制需求進(jìn)行分析，獲得一種無(wú)人駕駛壓路機(jī)單機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)，并結(jié)合壓路機(jī)本身特點(diǎn)和功能實(shí)現(xiàn)分析了壓路機(jī)單機(jī)無(wú)人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)的特色，提出壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛功能的基本要求：差分GPS技術(shù)、角位移傳感器、超聲波雷達(dá)和“IFTHEN”決策系統(tǒng)等。

（6）規(guī)劃硬件

采用工控機(jī)，利用總線結(jié)構(gòu)和壓路機(jī)上的控制器連接下發(fā)各種控制指令，接管行走、轉(zhuǎn)向、振動(dòng)、制動(dòng)功能。

底層控制方面采用基于規(guī)劃-跟蹤的間接控制，執(zhí)行硬件接收控制器下發(fā)的各種控制信號(hào)，該前進(jìn)前進(jìn)、該剎車剎車、該轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向、該大振大振，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。

（7）執(zhí)行硬件

優(yōu)選電控硬件，其中行走速度和轉(zhuǎn)向角度需要無(wú)級(jí)調(diào)整，采用電控比例泵和電控比例轉(zhuǎn)向閥，振動(dòng)有不振、大振和小振三種選擇。選用開關(guān)量的電控兩點(diǎn)振動(dòng)泵，制動(dòng)有減速和緊急制動(dòng)兩種方式，減速通過(guò)控制電控比例泵的排量實(shí)現(xiàn)，緊急制動(dòng)通過(guò)制動(dòng)器的開啟和閉合實(shí)現(xiàn)。

其他輔助控制方面，整機(jī)供電、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等均需要人工輔助，同現(xiàn)有壓路機(jī)。信號(hào)控制和運(yùn)行狀態(tài)在無(wú)人駕駛時(shí)無(wú)顯示，在人工駕駛時(shí)同現(xiàn)有壓路機(jī)。

到達(dá)山頂，總有幾條路可以選擇，無(wú)人駕駛也是。適用于不同工況，可以選用不同的無(wú)人駕駛方案，形成不同的無(wú)人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)。無(wú)人駕駛技術(shù)方案的成本不同，其智能化程度也有不同。顯然，更智能的無(wú)人駕駛壓路機(jī)可以將表1中序號(hào)5涉及的輔助控制納入監(jiān)控，如將整機(jī)供電、發(fā)動(dòng)機(jī)控制納入自動(dòng)控制以減少人工干預(yù)，將壓路機(jī)運(yùn)行狀態(tài)納入監(jiān)控避免設(shè)備帶病運(yùn)行。可以將序號(hào)1~4涉及的壓路機(jī)振動(dòng)、行走、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)功能進(jìn)一步完善，如可以采用IMU提高移動(dòng)定位精度，以適應(yīng)行駛速度5 km·h－1以上的轉(zhuǎn)運(yùn)工況，可以采用激光雷達(dá)獲得更遠(yuǎn)距離的障礙信息，使制動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)，從而減少制動(dòng)對(duì)設(shè)備的沖擊并使設(shè)備運(yùn)行更加安全?？梢詫⒏嗟娜斯げ僮骷{入控制，如結(jié)合云端地圖使壓路機(jī)自動(dòng)進(jìn)入加油點(diǎn)加油或進(jìn)入檢修點(diǎn)檢修，結(jié)合遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控而將駕駛室完全取消等。

03 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人駕駛將得到飛速發(fā)展，本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)壓路機(jī)使用特點(diǎn)、功能控制需求進(jìn)行分析，獲得一種無(wú)人駕駛壓路機(jī)單機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)，并結(jié)合壓路機(jī)本身特點(diǎn)和功能實(shí)現(xiàn)分析了壓路機(jī)單機(jī)無(wú)人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)的特色，提出壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛功能的基本要求：差分GPS技術(shù)、角位移傳感器、超聲波雷達(dá)和“IFTHEN”決策系統(tǒng)等。