一种无人驾驶碾压机控制系统

技术领域

本发明属于无人驾驶碾压机技术领域，特别是一种无人驾驶碾压机控制系统。

背景技术

碾压机是一种大型工程机械，广泛用于公路、铁路、机场跑道、大坝、等工程项目中填方压实作业。在作业过程中，依靠前刚体压辊自身大吨位重量及压辊内部的偏振机构产生的激振力对作业区域进行压实。

压实作业过程中，长时间工作在高振动和噪声环境下使驾驶员明显降效，不能完全精确的按照指令完成碾压施工的标准化作业，不利于施工质量和进度的高标准控制且严重危害身心健康，引发多种质量和安全问题。

压实作业用碾压机，其发展一般分为三个阶段：传统人工驾驶作业碾压机、智能压实装置和无人驾驶碾压机。

1、传统人工驾驶作业：驾驶员需在开启碾压机振动模式下反复碾压同一条带多次，进而以一定的搭接宽度转到第二条带继续碾压，直到规定的区域全部碾压完毕。

2、智能压实装置：给碾压机加装GPS-RTK定位系统、加速度传感器、通讯系统。根据碾压机振动响应来连续识别填筑体力学参数，再根据参数大小和分布自动调节碾压机工艺参数，进行优化压实作业。同时可通过通讯系统将运行的碾压机数据上传监控中心。

3、无人驾驶碾压机：随着国家战略方针《中国制造2025》的提出，人工智能和大数据领域飞速发展，智能工程机械迎来了发展的春天，当前国内外均开展了无人驾驶碾压机的研发。由于修坝、筑路等施工环境通常较为恶劣，因此无论在防尘等级上还是系统集成度、可靠性上对无人驾驶碾压机智能控制系统的要求都是很高的。虽然业内有一些科研机构在不断研究，但到目前都仍处于科研探索阶段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人驾驶碾压机控制系统,其系统集成度高、可靠性高，易于控制。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种无人驾驶碾压机控制系统，其包括

域控制器单元：接收信息感知单元的信息，通过对横纵向执行器的控制，实现对无人驾驶碾压机的控制；与远程监控单元进行信息交互，接受来自远程监控单元的指令；同时，对控制系统中各单元实时诊断，对无人驾驶碾压机运行状态进行诊断；

冗余控制器单元：监控域控制器单元，通过故障诊断功能判断域控制器所发生的重大硬件故障，及时切换主从关系；

定位单元：包括安装在驾驶室内部的GPS接收机、安装在无人驾驶碾压机前刚体上的前刚体定位天线，前刚体定位天线包括主天线和副天线，将差分定位天线安装在驾驶室顶部，当无人驾驶碾压机前进时，使用前刚体定位天线采集地坐标信息作为前进航向信息；当无人驾驶碾压机后退时，将前刚体定位天线采集的坐标信息融合铰接处角度传感器信息，基于碾压机平面运动学模型计算出后退航向，通过差分天线校正前述获取的位置坐标；

信息感知单元：包括由避障雷达、视觉系统、前后车身航姿传感器和角度传感器构成的多源异构传感器融合单元，角度传感器感知无人驾驶碾压机铰接处前刚体扭转角度；

远程监控单元：包括通信电台中心端和上位机操作界面；

执行器单元：为横纵向执行器；

稳压供电系统：为控制系统各单元进行供电。

而且，所述域控制器单元接收信息感知单元的信息包括：通过CAN总线获取的前后车身航姿传感器采集的车身姿态信息；通过串行接口获取GPS测得的无人驾驶碾压机前刚体位置坐标信息；通过AD采样得到当前无人驾驶碾压机铰接处前刚体的扭转角度信息，通过CAN总线获取避障雷达和视觉系统感知的360°障碍物信息，通过串行接口获取远程监控单元的动作指令。

而且，所述域控制器对横纵向执行器的控制过程为：接收远程监控单元的指令，无人驾驶碾压机进入待工作状态，对横纵向执行器进行对中处理，保证无人驾驶碾压机铰接点前后保持直线，保证行进手柄处于驻车停止位状态；进而，在无人驾驶碾压机工作过程中，通过接收信息感知单元的信息对横纵向执行器实时调节，保证无人驾驶碾压机的航向精度和车速控制。

而且，所述域控制器的诊断功能，包括对控制单元各个单元的工作状态实时诊断和无人驾驶碾压机整车运行状态诊断；当智能控制系统中各单元出现故障时，域控制器将故障码通过电台传送到远程监控单元，由远程监控单元的工作人员通过故障码信息进行维修和保养，当无人驾驶碾压机超过规定运行区域时，域控制器通过当前GPS定位坐标信息的判断，对无人驾驶碾压机执行停车制动，起到安全保障的作用。

而且，所述避障雷达和视觉系统分别安装在无人驾驶碾压机的刚体侧面和驾驶室顶部，通过感知工作环境中的障碍物信息，包括障碍物距离、速度、尺度等信息经CAN总线发送给域控制器，通过避障算法对无人驾驶碾压机的状态进行调整，无人驾驶碾压机的状态包括：后退、减速、临时停车、发动机熄火。

而且，前后车身航姿传感器安装在无人驾驶碾压机铰接点前后各一个，采集车身的侧倾、俯仰等姿态信息，通过GPS-航姿传感器的多源异构信息融合算法修正定位信息，由域控制器实时调节横纵向执行器，保证无人驾驶碾压机的轨迹跟踪精度。

而且，所述远程监控单元由工作人员通过上位机操作界面对指定的无人驾驶碾压机发送指令，通过通信电台中心端传送指令给对应编号的无人驾驶碾压机；无人驾驶碾压机在工作过程中，将信息感知单元的数据信息和域控制器诊断信息发送给通信电台中心端接收，工作人员可在上位机操作界面上查看。

而且，所述横纵向执行器的具体结构为：包括横向执行系统及纵向执行系统，横向执行系统包括方向盘及转向柱，纵向执行系统包括手柄、手柄支架及传动拨片，所述横向执行系统的转向柱分为转向柱上段及转向柱下段，在转向柱上段与转向柱下段之间设置转向电机，在转向柱上段、转向电机及转向柱下段外部均设置保护支架；所述纵向执行机构的传动拨片上固定安装一扇形齿，该扇形齿啮合驱动齿，该驱动齿与一换向电机输出轴连接安装；所述横向执行机构的转向柱下段与转向电机的电机轴之间连接安装万向节。

而且，所述稳压供电系统安装在驾驶室内部，为一个集成装置，其内部选用一进二出稳压模块、空气开关及专用连接器，将横纵向执行装置的供电和智能控制系统中其他单元分开供电，保障传感器供电电压稳定。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的无人驾驶碾压机控制系统，可实现无人驾驶碾压机的全面的控制，从域控制器单元和冗余控制单元作为整个控制系统的核心部件，起到多重作用到多源异构传感器的融合，提供精准定位和检测障碍物信息，电台和远程监控中心时时下发指令和上传数据信息，使无人驾驶碾压机自主化作业的实现成为可能。

2、本发明的无人驾驶碾压机控制系统，针对复杂作业环境设计，增设前后车身航姿传感器，通过算法的设计补偿和校正定位信息，可应用于多种碾压作业环境，保障作业精度，提高合格率。

3、本发明的无人驾驶碾压机控制系统，实现一机两用，可根据具体碾压施工情况选择人工驾驶模式或无人驾驶模式。

4、本发明的无人驾驶碾压机控制系统，可提高碾压施工的效率，实现24小时作业，使长时间工作在高振动和噪声环境下驾驶员解放出来，有利于保障人员的身心健康，有利于保障碾压施工质量和进度的高标准控制。

5、本发明的无人驾驶碾压机控制系统，其横纵执行器采用将横向执行系统的转向柱分为上、下两段，将转向电机设置于转向柱上段及转向柱下段之间的方式，实现由转向电机直接控制转向柱，进而实现通过转向电机控制液压系统来实现碾压机转向功能，转向电机通过角度控制器及电机控制器实现横向执行机构的高精度转向控制；采用纵向执行机构通过在传动拨片上固定安装一扇形齿，该扇形齿啮合驱动齿，驱动齿与换向电机输出轴连接安装，实现换向电机通过传动齿轮组对传动拨片的控制，进而实现对碾压机前进、后退及停止的自动控制；对横向执行系统及纵向执行系统均设置高精度的自动控制，同时不影响原有的人工操作，可根据具体碾压施工情况选择人工驾驶模式或无人驾驶模式。

6、本发明的无人驾驶碾压机控制系统，集控制系统、多元传感系统、执行系统、定位系统、远程信息交互系统和电源稳压系统于一体，功能覆盖广，模块化程度高，结构设计更紧凑，系统更稳定，安装更便捷的特点。

附图说明

图1为无人驾驶碾压机智控系统；

图2为无人驾驶碾压机智控系统的执行器单元的横向执行系统结构示意图；

图3为无人驾驶碾压机智控系统的执行器单元的纵向执行系统结构示意图。

附图标记说明

1-方向盘、2-转向柱上段、3-第三保护支架、4-角度控制器、5-转向电机、6-万向节、7-第二保护支架、8-转向柱下段、9-电机控制器、10-第一保护支架、11-手柄、12-手柄支架、13-传动拨片、14-螺栓、15-扇形齿、16-驱动齿、17-换向电机、18-电机固定支架、19-保护支架。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种无人驾驶碾压机控制系统，其包括

域控制器单元：接收信息感知单元的信息，通过对横纵向执行器的控制，实现对无人驾驶碾压机的控制；与远程监控单元进行信息交互，接受来自远程监控单元的指令；同时，对控制系统中各单元实时诊断，对无人驾驶碾压机运行状态进行诊断；

域控制器单元接收信息感知单元的信息包括：通过CAN总线获取的前后车身航姿传感器采集的车身姿态信息；通过串行接口获取GPS测得的无人驾驶碾压机前刚体位置坐标信息；通过AD采样得到当前无人驾驶碾压机铰接处前刚体的扭转角度信息，通过CAN总线获取避障雷达和视觉系统感知的360°障碍物信息，通过串行接口获取远程监控单元的动作指令。

域控制器对横纵向执行器的控制过程为：接收远程监控单元的指令，无人驾驶碾压机进入待工作状态，对横纵向执行器进行对中处理，保证无人驾驶碾压机铰接点前后保持直线，保证行进手柄处于驻车停止位状态；进而，在无人驾驶碾压机工作过程中，通过接收信息感知单元的信息对横纵向执行器实时调节，保证无人驾驶碾压机的航向精度和车速控制。

冗余控制器单元：监控域控制器单元，通过故障诊断功能判断域控制器所发生的重大硬件故障，及时切换主从关系。

域控制器的诊断功能，包括对控制单元各个单元的工作状态实时诊断和无人驾驶碾压机整车运行状态诊断；当智能控制系统中各单元出现故障时，域控制器将故障码通过电台传送到远程监控单元，由远程监控单元的工作人员通过故障码信息进行维修和保养，当无人驾驶碾压机超过规定运行区域时，域控制器通过当前GPS定位坐标信息的判断，对无人驾驶碾压机执行停车制动，起到安全保障的作用。

定位单元：包括安装在驾驶室内部的GPS接收机、安装在无人驾驶碾压机前刚体上的前刚体定位天线，前刚体定位天线包括主天线和副天线，将差分定位天线安装在驾驶室顶部，当无人驾驶碾压机前进时，使用前刚体定位天线采集地坐标信息作为前进航向信息；当无人驾驶碾压机后退时，将前刚体定位天线采集的坐标信息融合铰接处角度传感器信息，基于碾压机平面运动学模型计算出后退航向，通过差分天线校正前述获取的位置坐标；

避障雷达和视觉系统分别安装在无人驾驶碾压机的刚体侧面和驾驶室顶部，通过感知工作环境中的障碍物信息，包括障碍物距离、速度、尺度等信息经CAN总线发送给域控制器，通过避障算法对无人驾驶碾压机的状态进行调整，无人驾驶碾压机的状态包括：后退、减速、临时停车、发动机熄火。

避障算法为通过毫米波雷达检测障碍物信息后对车辆状态进行调整。具体为：当障碍物超过10米距离，车辆减速；当障碍物靠近且距离小于2米时，临时停车避让；当障碍物始终保持静止状态，则通过钥匙开关将发动机熄火。

信息感知单元：包括由避障雷达、视觉系统、前后车身航姿传感器和角度传感器构成的多源异构传感器融合单元，角度传感器感知无人驾驶碾压机铰接处前刚体扭转角度；后车身航姿传感器安装在无人驾驶碾压机铰接点前后各一个，采集车身的侧倾、俯仰等姿态信息，通过GPS-航姿传感器的多源异构信息融合算法修正定位信息，由域控制器实时调节横纵向执行器，保证无人驾驶碾压机的轨迹跟踪精度。

GPS-航姿传感器的多源异构信息融合算法。GPS采集的是车辆位置信息，航姿传感器采集的是车辆姿态信息，即侧倾、俯仰、横摆运动。由于碾压机运动过程中，受仓面大粒径块石影响会产生三种车身姿态，车身姿态的变化影响GPS定位信息的精确性。因此采用该种算法修正定位。该算法为自主研究的内容，但类似于市面上“惯性导航”产品内部的算法。

远程监控单元：包括通信电台中心端和上位机操作界面；远程监控单元由工作人员通过上位机操作界面对指定的无人驾驶碾压机发送指令，通过通信电台中心端传送指令给对应编号的无人驾驶碾压机；无人驾驶碾压机在工作过程中，将信息感知单元的数据信息和域控制器诊断信息发送给通信电台中心端接收，工作人员可在上位机操作界面上查看。

执行器单元：为横纵向执行器，如图2、3所示，包括横向执行系统及纵向执行系统，横向执行系统包括方向盘1及转向柱，纵向执行系统包括手柄、手柄支架及传动拨片。

横向执行系统的转向柱包括转向柱上段2及转向柱下段8，在转向柱上段与转向柱下段之间设置转向电机5，转向电机具有向上及向下的两个电机轴，横向执行机构的转向柱下段与转向电机下部的电机轴之间连接安装万向节6，电机轴上部的电机轴为花键轴，其与转向柱上段所制的花键套连接安装。在转向柱上段、转向电机及转向柱下段外部均设置保护支架。横向执行机构的转向柱下段外部、转向电机外部、转向柱上段外部分别固定安装第一保护支架10、第二保护支架7、及第三保护支架3。转向电机及其角度控制器4连接第一保护支架外部的电机控制器9。

通过将横向执行系统的转向柱分为上、下两段，将转向电机设置于转向柱上段及转向柱下段之间，实现由转向电机直接控制转向柱，进而实现通过转向电机控制液压系统来实现碾压机转向功能，转向电机通过角度控制器及电机控制器实现横向执行机构的高精度转向控制。

纵向执行系统包括原有车辆上的手柄11、手柄支架12及传动拨片13，传动拨片转动安装于手柄支架上，传动拨片上部与手柄连接，传动拨片下部与与传感器拉线连接，通过传感器拉线驱动车辆完成换挡操纵。在传动拨片上通过螺栓14固定安装一扇形齿15，该扇形齿啮合一驱动齿16，驱动齿与一换向电机17输出轴连接安装。

纵向执行机构的换向电机通过电机固定支架18与纵向执行机构的保护支架19连接。换向电机通过传动齿轮组对传动拨片的控制，进而实现对碾压机前进、后退及停止的自动控制。

稳压供电系统：为控制系统各单元进行供电。稳压供电系统安装在驾驶室内部，为一个集成装置，其内部选用一进二出稳压模块、空气开关及专用连接器，将横纵向执行装置的供电和智能控制系统中其他单元分开供电，保障传感器供电电压稳定。

尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。