本发明属于土石坝自动化施工机械设备领域，具体涉及一种振动碾压机无人驾驶系统。
背景技术
在土石坝施工过程中，压实度是衡量施工质量的重要标准。土石坝的压实过程主要是通过人工驾驶振动碾压机在摊铺好的坝料上以一定施工参数进行碾压来实现。当前对压实过程的控制主要经历了传统压实控制、数字化压实控制和智能压实控制三个阶段。传统压实控制方法：在土石坝碾压施工过程中，首先通过现场的碾压实验来确定碾压参数(如：铺料厚度，碾压遍数，行车速度和碾轮激振力等)，然后通过现场施工组织人员与碾压机驾驶员的配合来对指定碾压面进行施工作业。数字化压实控制方法：通过现场的碾压实验来确定碾压参数(如：铺料厚度，碾压遍数，行车速度和碾轮激振力等)，然后通过在碾压机上架设gps定位设备，rtk基站、卫星、总控中心等实现对碾压机运行参数的实时监控。智能压实控制方法是目前压实控制领域研究的热点。当前智能压实控制的研究思路主要是在碾压机碾轮上安装加速度传感器、在碾压机上安装gps等设备，通过对加速度信号的实时分析，得到碾压轨迹上的压实度值。之后将实时压实度值与gps信息进行集成生成可视化的碾压面压实度云图来指导现场施工人员进行压实作业。
人工驾驶碾压机容易出现错距不规范、碾压机行车超速、机械利用率不高等无法避免的缺陷。上述压实过程控制方法只能在人工碾压之后对压实过程产生的质量问题进行事后补救，没有从源头上对压实过程进行控制。
无人驾驶技术是当前的热点，用无人驾驶系统替代驾驶员人工操控，可以将碾压机驾驶员从繁重的重复性劳动中解放出来，消除了施工过程中人为因素对大坝施工质量的干扰，有效规范碾压机施工参数，提高施工效率等，具有不可估量的前景。然而无人驾驶技术在水利工程施工中还没有成熟的应用，目前仍处于科研探索阶段。当前的一些研究成果没有考虑水利工程施工中无人驾驶和道路无人驾驶的差异性，因此再具体应用时很难达到理想效果。
技术实现要素：
本发明为克服现有技术的不足，提出一种适用于土石坝碾压作业的无人驾驶系统，该系统可以根据仓面实时压实度动态调整碾压机作业路径实现碾压机的智能控制，可以实现自动驾驶和远程遥控驾驶自由切换，可以将仓面施工作业信息可视化展现给施工操作人员，可以通过图像识别技术和雷达避障技术对障碍物协同避障。
本发明为解决上述技术问题所提出的技术方案为：一种振动碾压机无人驾驶系统，主要由载体和远程遥控模块构成，所述载体上搭载感知模块、机载控制器、机械控制模块，所述载体为振动碾压机；
所述感知模块感知振动碾压机的位姿信息、仓面施工作业信息和周围障碍物探测信息并将数据实时传输至所述机载控制器；
所述机载控制器用于对所述感知模块传输数据进行分析处理，向所述机械控制模块发送指令，与所述远程遥控模块进行实时通信；所述机载控制器是内嵌如下算法：a坐标补偿算法；b快速傅里叶变换算法(fft)；c图像识别算法；d避障信息融合算法的高性能工控机；
所述机械控制模块接收指令后通过机械装置控制碾压机运行；
所述远程遥控模块与所述机载控制器实时通讯，现场施工人员通过所述远程遥控模块发送指令控制振动碾压机无人驾驶系统进行自动化作业；
所述感知模块包括：rtk-gps、惯性导航传感器、毫米波雷达、64线激光雷达、前后摄像头和加速度传感器。
所述感知模块感知振动碾压机的位姿信息，具体为：碾压机位置信息、碾压机速度信息、碾压机姿态信息，所述碾压机位姿信息由布置于碾压机顶的rtk-gps、惯性导航传感器得到：其中，rtk-gps通过卫星信号与差分信号联合解算可得到碾压机顶的位置信息和碾压机的速度信息；其中，惯性导航传感器可以得到碾压机姿态信息，包括碾压机航向和碾压机机身倾斜角度。
所述感知模块感知仓面施工作业信息，具体为：碾轮振动信号；所述碾轮振动信号由布置于碾压机碾轮中轴上的加速度传感器来获得，该信号的具体形式为碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列。
所述感知模块感知周围障碍物探测信息具体为：前后实时视频画面、64线激光雷达扫描信息、毫米波雷达探测信息；所述前后实时视频画面由布置于碾压机前后方的两个高清摄像机得到；所述64线激光雷达扫描信息由布置于碾压机顶中心位置的64线激光雷达得到；所述毫米波雷达探测信息由布置于碾压机前后方的多个毫米波雷达传感器得到。
所述机载控制器与远程遥控模块实时通信，其通信方式为：dtu无线数传通信；
所述机载控制器发送的实时数据为：碾压机的碾轮底部坐标、碾压机碾轮处的cv值、障碍物信息；
所述碾压机的碾轮底部坐标是由碾压机顶的位置信息、碾压机机身倾斜角度和碾压机几何尺寸通过坐标补偿算法计算得到，所述坐标补偿算法为：通过已知碾压机尺寸和横向纵向倾斜角度，由三角函数计算得到gps定位的横向和纵向补偿误差，通过gps定位值减去补偿误差得到碾轮底部与压实土石料接触面的厘米级高精度定位坐标；
所述碾压机碾轮处的cv值计算方法为：由加速度传感器所得到的碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列以1s为时间窗通过快速傅里叶变换算法(fft)得到加速度信号的频谱分析图，由二阶幅值与基幅之比乘以一个固定值500作为cv值；
所述障碍物信息为障碍物的类型、位置信息，图像识别算法对前后实时视频画面进行处理，将识别结果与64线激光雷达扫描信息和毫米波雷达探测信息输入避障信息融合算法，得到障碍物的类型、位置信息，机载控制器根据障碍物信息触发停车避障指令。
所述机载控制器接收到的远程遥控模块发送的指令和所述机载控制器向机械控制模块发送的指令为：打火、碾压机行车规划路径、碾压机运行速度、碾压机振动频率、停车、熄火、前进、后退；
所述机械控制模块包括：自动打火装置、航向控制装置、纵向控制装置、碾轮振动频率控制装置；
所述自动打火装置：用于接收自动打火、自动熄火指令，装置内置的控制器将指令转化为电信号控制舵机带动钥匙旋转，实现碾压机的自动打火、自动熄火；
所述航向控制装置：用于接收碾压机行车规划路径，计算规划路径与当前碾压机位置的差值通过内置的pid控制器将偏差转化为电信号，通过机械结构控制碾压机方向盘旋转调姿，实现碾压机自动转向，保证车辆沿着规划路径行进；
所述纵向控制装置：用于接收碾压机运行速度、前进、后退、停车指令，计算当前碾压机速度与指令的偏差通过内置的pid控制器将偏差转化为电信号，通过该装置的机械臂推拉碾压机档杆，实现碾压机的纵向控制，执行相应指令；
所述碾轮振动频率控制装置：用于接收碾压机振动频率指令，内置控制器将指令转化为电信号，控制碾压机碾轮内带动偏心轮旋转的电机的转速，实现碾压机碾轮振动频率的自由调节。
所述远程遥控模块为内置控制系统的平板电脑；所述控制系统操作步骤具体为：
(1)通过内置算法将接收到的碾压机的碾轮底部坐标、碾压机碾轮处的cv值进行处理得到仓面的压实度云图；
(2)实时显示碾压机的行车轨迹、规划路径、仓面施工信息(压实度)、障碍物信息地图和碾压机运行参数(碾压机位姿、碾压机运行速度)；
(3)实现人机交互，现场施工人员可以通过控制系统界面上的指令按钮控制振动碾压机无人驾驶系统进行自动化作业。
有益效果：本发明提出一种适用于土石坝压实作业的振动碾压机无人驾驶系统，其有益效果如下：
1、将现场碾压机驾驶员从繁重的重复性劳动中解放出来，节省大量人力。
2、通过无人振动碾压机自动化作业克服人为操作碾压机作业人为因素对大坝施工质量的干扰，全面提高土石坝压实作业的施工质量水平。
3、通过自动化施工作业提高施工效率加快施工进度。
4、本发明提出的振动碾压机无人驾驶系统通过机械控制模块模拟人工驾驶的操作过程，通过机械装置对碾压机进行控制，该方式不直接破坏碾压机原有机械及电路使得系统稳定性更强且不受碾压机型号限制。
5、提出一种压实度预测方法，能够对作业仓面的压实度进行实时分析，有利于现场人员实时准确把控仓面施工情况。
6、根据仓面实时压实度动态调整碾压机作业路径，作业路径的压实度控制相较于传统的固定遍数控制避免不必要的碾压作业，极大提高了振动碾压机无人驾驶系统碾压作业的施工效率。
7、自动驾驶和遥控驾驶自由切换，提高了振动碾压机无人驾驶系统的灵活性。
附图说明
图1振动碾压机无人驾驶系统构架图。
具体实施方式
下面结合附图和实施样例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示一种振动碾压机无人驾驶系统包括：振动碾压机、感知模块、机载控制器、机械控制模块、远程遥控模块。
振动碾压机是无人驾驶系统的载体，感知模块、机载控制器、机械控制模块搭载于振动碾压机上；感知模块用于感知振动碾压机的位姿信息、仓面施工作业信息和周围障碍物探测信息并将数据实时传输至机载控制器；机载控制器用于对数据进行分析处理、向机械控制模块发送指令、与远程遥控模块进行实时通信；机械控制模块接收指令后通过机械装置控制振动碾压机运行；远程遥控模块与机载控制器实时通讯，现场施工人员可通过远程遥控模块发送指令控制振动碾压机无人驾驶系统进行自动化作业。
感知模块包括：rtk-gps、惯性导航传感器、毫米波雷达、64线激光雷达、前后摄像头、加速度传感器。感知模块所感知的振动碾压机的位姿信息具体为：碾压机位置信息、碾压机速度信息、碾压机姿态信息。碾压机位姿信息由布置于碾压机顶的rtk-gps、惯性导航传感器得到。其中rtk-gps由流动站和基站组成，流动站置于碾压机机顶，gps天线接收卫星信号，差分天线接收基站发送的差分信号，通过卫星信号与差分信号联合解算得到碾压机顶的位置信息和碾压机的速度信息。惯性导航传感器置于碾压机机顶，通过内置的电子三轴仪和加速度传感器可以得到碾压机姿态信息，包括碾压机航向和碾压机机身倾斜角度。感知模块所感知的仓面施工作业信息具体为：碾轮振动信号。碾轮振动信号由布置于碾压机碾轮中轴上的加速度传感器来获得。该信号的具体形式为碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列。加速度传感器检测频率>100hz。感知模块所感知的周围障碍物探测信息具体为：前后实时视频画面、64线激光雷达扫描信息、毫米波雷达探测信息。前后实时视频画面由布置于碾压机前后方的两个高清摄像机得到；64线激光雷达扫描信息由布置于碾压机顶中心位置的64线激光雷达得到；毫米波雷达探测信息由布置于碾压机前后方的多个毫米波雷达传感器得到。
机载控制器是内嵌了：坐标补偿算法、快速傅里叶变换算法(fft)、图像识别算法、避障信息融合算法的高性能工控机。机载控制器与远程遥控模块实时通信，其通信方式为：dtu无线数传通信。机载控制器发送的实时数据为：碾压机的碾轮底部坐标、碾压机碾轮处的cv值、障碍物信息。碾压机的碾轮底部坐标是由碾压机顶的位置信息、碾压机机身倾斜角度和碾压机几何尺寸通过坐标补偿算法计算得到。坐标补偿算法为：通过已知碾压机尺寸和横向纵向倾斜角度，由三角函数计算得到gps定位的横向和纵向补偿误差，通过gps定位值减去补偿误差得到碾轮底部与压实土石料接触面的厘米级高精度定位坐标。碾压机碾轮处的cv值计算方法为：由加速度传感器所得到的碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列以1s为时间窗通过快速傅里叶变换算法(fft)得到加速度信号的频谱分析图，由二阶幅值与基幅之比乘以一个固定值500作为cv值。障碍物信息为障碍物的类型、位置信息。图像识别算法对前后实时视频画面进行处理，将识别结果与64线激光雷达扫描信息和毫米波雷达探测信息输入避障信息融合算法，得到障碍物的类型、位置信息。机载控制器根据障碍物信息触发停车避障指令。机载控制器接收到的远程遥控模块发送的指令和所述机载控制器向机械控制模块发送的指令为：打火、碾压机行车规划路径、碾压机运行速度、碾压机振动频率、停车、熄火、前进、后退。
机械控制模块包括：自动打火装置、航向控制装置、纵向控制装置、碾轮振动频率控制装置。自动打火装置用于接收自动打火、自动熄火指令，装置内置的控制器将指令转化为电信号控制舵机带动钥匙旋转，实现碾压机的自动打火、自动熄火。航向控制装置用于接收碾压机行车规划路径，计算规划路径与当前碾压机位置的差值通过内置的pid控制器将偏差转化为电信号，通过机械结构控制碾压机方向盘旋转调姿，实现碾压机自动转向，保证车辆沿着规划路径行进。纵向控制装置用于接收碾压机运行速度、前进、后退、停车指令，计算当前碾压机速度与指令的偏差通过内置的pid控制器将偏差转化为电信号，通过该装置的机械臂推拉碾压机档杆，实现碾压机的纵向控制，执行相应指令。碾轮振动频率控制装置用于接收碾压机振动频率指令，内置控制器将指令转化为电信号，控制碾压机碾轮内带动偏心轮旋转的电机的转速，实现碾压机碾轮振动频率的自由调节。
远程遥控模块为内置控制系统的平板电脑。控制系统的功能具体为：通过内置算法将接收到的碾压机的碾轮底部坐标、碾压机碾轮处的cv值进行处理得到仓面的压实度云图；实时显示碾压机的行车轨迹、规划路径、仓面施工信息(压实度)、障碍物信息地图和碾压机运行参数(碾压机位姿、碾压机运行速度)；实现人机交互，现场施工人员可以通过控制系统界面上的指令按钮控制振动碾压机无人驾驶系统进行自动化作业。仓面的压实度云图的生成方法为：通过碾压机碾轮底部实时位置坐标可获得碾压机运行的历史轨迹，通过对轨迹按照碾轮宽度进行拓宽，可得到整个仓面的碾压遍数云图，进而计算仓面任一点的碾压遍数n。在仓面施工过程中质检人员会在碾压作业仓面随机抽样质检点通过坑检法对该点的压实度p进行试验测量，通过把质检点的位置坐标作为标签，可以得到质检点的碾压遍数n、碾轮振动性态指标cv和压实度值p数据。将该数据分为输入数据(n,cv)和输出数据(p)，输入支持向量机模型(取支持向量机为一个例子，回归预测类算法及其改进算法都可以进行替换)进行训练，通过训练就可以得到可以预测仓面任意一点压实度p的预测模型。需要注意的是，该模型的训练样本并不是一成不变的，随着大坝施工的进行，更多的质检点数据被定期加入训练集，模型通过定期更新训练集，来实现对压实度预测精度的提高。通过这样的方法，就可以获得仓面任意一点的压实度p值，因此就可以生成施工仓面的实时压实度云图。碾压机规划路径的生成方法为：根据仓面边界及碾轮宽度和错距宽度等间隔的生成平行于坝轴线的路径。碾压机在单条路径上往复碾压直到路径上任一点压实度都满足设计标准及切换下一条路径继续碾压作业。控制系统界面包含：开仓仓面边界录入、碾压机运行参数录入(碾轮宽度、错距宽度、速度，碾轮振动状态)、路径规划、碾压机打火、碾压机熄火、碾压机紧急停车、碾压机自动作业、人工遥控等指令按钮。
振动碾压机无人驾驶系统进行一个仓面的碾压作业的操作步骤如下：
a)操作员手持平板电脑，在控制系统界面中输入待碾仓面轮廓线，碾压机运行参数，碾轮宽度；
b)点击路径规划，自动生成碾压机规划路径；
c)检查无误点击碾压机自动作业，碾压机沿规划路径进行碾压作业；
d)可切换人工遥控模式，该模式一旦启动自动屏蔽自动碾压指令；
e)自动碾压作业完成，操作员观察压实度云图，确认仓面压实度满足要求即点击碾压机熄火完成自动碾压作业；
f)若通过观察压实度云图发现仓面存在漏碾欠碾区域，操作员通过点击人工遥控对仓面进行补碾，回到e步骤。