水利施工振动碾压机自动驾驶系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利施工机械技术领域，特别涉及一种水利施工振动碾压机自动驾驶系统与方法。
【背景技术】
[0002]我国水利工程建设已经实现机械化，对于土石方、碾压混凝土等填筑工程，由于振动碾压机具有压实效果好、生产效率高等优点得到了广泛应用。但水利工程施工工艺复杂、作业条件差以及操作单一枯燥，振动碾压机操作人员容易出现操作失误或误差，造成作业面筑坝料压实密度不足，影响施工建设质量。
[0003]为了减少振动碾压机操作人员劳动强度、提高碾压机施工质量，最早长沙矿山研究院于1995年研制成功了遥控无人驾驶重达19吨的大型振动压路机，并应用于矿山道路建设。这台无人驾驶设备由控制台的无线电发射装置发射信号，机载装置接受信号并控制机器完成各种作业。国外没有相应的重型无人驾驶碾压机，仅1998年出现一台自重2吨的无人驾驶压路机。随后国防大学与湖南湘潭江麓工程机械有限公司联合于2000年自主研制成功了重为12.6吨高性能无人驾驶振动压路机，在施工范围内能够自主完成点火、起步、变速、转向、倒车、停车等基本操作，尤其是能够根据施工场地的软硬程度调整振动等级，有效地提高了施工效率和压实质量。以上国内研制的两种无人驾驶振动碾压机都要求操作人员在百米范围之内具备通视条件遥控作业。由于无人驾驶振动碾压机没有自动导航功能，行驶轨迹控制精度不高，且不能实现远距离遥控功能。
[0004]近年来，宝马、三一重工等国内外企业研究以振动参数自动调节控制技术为核心，以计算机、通讯网络以及GPS为基础，进行压实信息实时采集、处理、分析和管理综合振动碾压机系统。这种智能压实技术借助机上传感系统对压实作业过程与环境进行连续的控制和一定的分析，自动提取最佳控制参数，并在实施过程中判断压实效果，进行修正，从而使压实作业始终处于最佳状态。通常现场布点测试压实质量很难发现较软和较硬地面区域及其与平均坚硬程度间的差异，而采用连续压实控制技术可使整个作业面压实质量得到连续监测和控制。
[0005]为了解决水利工程土石坝填筑碾压施工过程缺乏连续监控技术的难题，武汉大学、天津大学先后研制了土石填筑工程施工质量差分GPS监控系统。这项技术通过土石料碾压试验事先确定土石料压实需要的碾压遍数，然后通过实时监控安装在碾压机上的GPS流动站，并每秒依次将检测数据即振动碾压机的位置、行驶轨迹、碾压遍数可以非常精确地记录、存储，尤其重要的是可以对检测资料进行分析，计算出碾压参数。通过GPS系统监控振动碾压机压实作业减少了施工干扰，提高了施工效率。这项技术已经在我国土石坝、碾压混凝土坝等填筑施工中得到成功应用。最近，清华大学发明了一种智能碾压机器人，基于GPS、土石料密实度在线检测技术以及压实新理论，可以类似人那样依据碾压材料自适应调整碾压机振动参数，具有智能化特征。
[0006]振动碾压机装配GPS系统虽然可根据碾压轨迹、碾压遍数保障施工质量，但还没有技术方法主动避免相邻作业面间出现漏碾、交叉重复碾压等现象，即无法对碾压机行驶轨迹进行精确控制。这些问题同样存在于前述无人驾驶振动碾压机施工作业。对于漏碾需要事后进行补充碾压，但对于重复碾压则将造成过压的施工问题。这些困难问题出现的原因是施工碾压作业完全由碾压机驾驶员经验操控，依靠作业面划线作为导航标记，完全没有尚精度导航等技术辅助驾驶。因此，振动礙压机的自动化施工技术有待提尚。
[0007]目前，汽车行业自动驾驶技术发展迅速，尤其是无人驾驶技术得到了广大汽车厂商和互联网公司的重视，以谷歌的无人驾驶汽车最为突出。但由于公路交通路况复杂、相关配套技术设施不成熟等因素限制，目前无人驾驶汽车还没有得到实际应用。除航空领域无人机自动驾驶技术成熟外，农业领域拖拉机的自动驾驶技术发展也较为成熟。美国天宝、拓普康的自动导航驾驶设备应用较为广泛。国内华南农业大学、福田雷沃重工也先后成功研制了基于RTK-GPS自动导航控制系统，解决了“播行不直、接行不准”的瓶颈问题。拖拉机自动驾驶系统只需驾驶员控制油门、制动刹车踏板，不需掌握方向，导航系统一次设定，长期使用，实现了农业精细化作业。
[0008]水利工程建设不同于农业耕作、航空飞行等领域。后者由于作业环境固定，都可以采用事先准备的电子地图规划导航线路，特别是制定的导航路线可以重复使用；而前者水利工程建设的特点是作业面环境随着工程建设进程不断变化，导致规划导航线路需要跟踪建设场地作业面地图，而所需场地工作面地图并不是事先确定的，需要根据施工进度确定。因此，水利工程振动碾压机施工自动导航系统需要根据工程建设进度与作业场地不断规划更新作业面地图与导航线路。目前国内外水利工程领域还没有相应的振动碾压机导航控制系统以及自动驾驶技术。
【发明内容】
[0009]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种水利施工振动碾压机自动驾驶系统与方法，可实现振动碾压机精确导航自动驾驶与遥控驾驶技术，且与人工驾驶兼容。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0011 ] 一种水利施工振动碾压机自动驾驶系统，包括远程监控装置和机载自动导航控制装置，远程监控装置制定导航线路，实时接收机载自动导航控制装置反馈的各种状态信息和紧急请求信息，向机载自动导航控制装置实时发送控制指令；
[0012]机载自动导航控制装置实时采集振动碾压机的状态信息并向远程监控装置反馈，接收远程监控装置发送的导航线路实现自动导航，接收控制指令实现遥控驾驶；
[0013]所述状态信息包括振动碾压机当前的位置、速度、与障碍物的距离、转向轮转角度数以及作业环境视频图像；
[0014]所述控制指令包括振动碾压机的上电、点火、启动、转向、油门、刹车以及熄火。
[0015]本发明控制对象为一台普通振动碾压机，具有人工操纵的方向盘、油门、刹车、档位等基本装置，同时具有上电、点火、启动、熄火等装置；可选配碾压密实度在线检测装置以及碾压机振动参数自动调节装置，实现智能压实作业。
[0016]所述远程监控装置与机载自动导航控制装置之间通过无线通讯实现信息和指令的传输，机载自动导航控制装置各部分之间，以及与附近其它施工设备间也通过无线通讯交换信息。具体的通讯装置有两种方式，一种是用于移动速度较慢的施工作业参与设备之间通信，另一种用于遥控信息的传输。
[0017]所述远程监控装置装备有当前建设工程的3D数字模型，以按工程建设进度适时进行人机交互操作生成施工作业面数字地图，并基于作业面数字地图规划设计振动碾压机导航线路。
[0018]具体地，远程监控装置由装有工程建设3D数字模型、遥控程序的计算机系统组成，能在远离作业现场的终端指挥、控制整个压实作业的施工过程；实时接收振动碾压机状态、位置、远程作业场面视频等信息；远程发送碾压机上电、点火、启动、熄火等遥控指令；作业遇到障碍物需要改变作业方向、调节行驶速度时，发出预警请求信号，通过人机结合发送操控振动碾压机转向、油门、刹车等装置的遥控指令；根据工程的3D数字模型与施工建造进度，适时剖切3D数字模型获得作业面数字地图，规划振动碾压机作业直线、曲线导航线路，并实时以无线通讯方式传输至机载自动控制系统。
[0019]所述远程监控装置实时显示反馈的行驶状态与周边环境视频，在紧急或特殊情况下进行人机交互远程操控振动碾压机作业。
[0020]所述机载自动导航控制装置包括:
[0021]RTK-GPS基准站与流动站，用于获取振动碾压机当前位