冲击压路机自动驾驶控制系统及方法与流程
本发明涉及一种自动驾驶控制系统及方法，更具体的说，尤其涉及一种冲击压路机自动驾驶控制系统及方法。
背景技术：
冲击压路机，也称为冲击式压路机，是隶属于压路机的一种新型的拖式压路机，由牵引车和冲击碾组成。冲击压路机通过装载机牵引，利用冲击碾自身的重量和前进时的冲击力，对水泥路面、路基进行破碎和压实。为达到较好的压实效果，施工规范中明确要求冲击压路机工作时的行驶速度不低于10km/h。通过多次碾压，冲击式压路机能产生非常好的压实效果，因此在公路、铁路、水坝、飞机场等建筑工地得到了广泛的应用。但是，由于冲击碾通常为三边形或五边形结构，在压实过程初期，会先将路面压成“搓衣板”式的起伏路面。
冲击压路机的作业过程具备三个特点：1)在一个固定区域内进行多次的重复运动；2)其运动轨迹需要覆盖指定区域；3)第二遍压实过程中，冲击压路机会因为路面不平而产生大幅度的起伏运动，从而造成驾驶员疲劳，且极易引发职业伤病。
技术实现要素：
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种冲击压路机自动驾驶控制系统及方法。
本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统，其特征在于：包括冲击碾、牵引车、智能驾驶控制器、定位基站、手持监控终端和无线路由器，冲击碾与牵引车相连接，智能驾驶控制器设置于牵引车上，用于驱使牵引车自动行驶以带动冲击碾实现对路基的破碎或压实；定位基站位于工作路段中，智能驾驶控制器通过获取定位基站的信号，实现对冲击压路机的定位；无线路由器设置于工作路段，手持监控终端经无线路由器实现与智能驾驶控制器的自组网，手持监控终端实现对冲击压路机工作过程的监视。
本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统，所述智能驾驶控制器由微控制器及与其相连接的差分gps接收机、惯性测量单元imu、激光雷达、超声波避障传感器、监控摄像头、油门控制单元、方向控制单元、刹车控制单元和无线网络单元组成，微控制器经差分gps接收器获取定位基站的位置信号，以实现对冲击压路机的定位，经激光雷达或超声波避障传感器检测牵引车前方的障碍物信息，经监控摄像头采集牵引车前方的图像信息，经无线网络单元、无线路由器实现与手持监控终端的自组网，经油门控制单元、方向控制单元、刹车控制单元分别对牵引车的行驶速度、行驶方向和减速停车进行控制，经惯性测量单元imu获取冲击压路的姿态信息；所述激光雷达经二维云台设置于迁移车上。
本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统，包括直流伺服电机、方向盘齿轮和驱动齿轮，方向盘齿轮固定于牵引车的方向盘转轴上，驱动齿轮与方向盘齿轮相啮合，直流伺服电机经电磁离合器驱使驱动齿轮进行转动；智能驾驶控制系统经角度传感器检测牵引车的转向角。
本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统的控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
a).施工路径学习，人工驾驶牵引车沿施工区域进行学习，在行驶的过车中，智能驾驶控制器根据获取的位置坐标信息，记录施工区域的作业起点、作业终点，在施工区域中存在涵洞的情况下，则记录涵洞起点、涵洞终点；并将获取的坐标点信息发送至手持控制终端；b).规划运行路径，通过手持监控终端设置冲击压路机的行驶速度、压实遍数、错轮宽度、施工路面宽度、转弯半径参数，根据设置的参数规划出冲击压路机的运行路径；c).自动驾驶和碾压，智能驾驶控制器根据规划的运行路径，控制冲击压路机进行自动作业；当前方遇到障碍物或运行至涵洞起点时，自动进行减速操作，当障碍物距离达到最小刹车距离时，自动刹车并发出报警信号至手持监控终端；当障碍物消失后，自动启动冲击压路机继续作业；当一定时间内障碍物没有消失，或者其他原因导致停车而不具备重新启动条件时，则发出报警信息至手持监控终端，请求人工干预；d).人工干预，施工过程中现场施工人员可根据路面平整度，利用手持监控终端对车速进行调整，当调头方式设定为人工调头时，当到达调头位置时，由工人驾驶牵引车进行调头操作。
本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统的控制方法，步骤a)中，设所获取的第i个标记点的gps坐标为(bi,li,hi)，根据高斯投影正算公式解算出第i个标记点的高斯平面坐标(xi,yi)：
公式(1)中，角度均为弧度，l″＝l-l0，l0为中央子午线经度；n为子午圈曲率半径，e为椭球的第一偏心率，记a、b分别为椭球的长短半径，f为椭球扁率，w为第一辅助系数；
a0,a2,a4,a6,a8为基本常量，按公式(3)计算：
其中：m0,m2,m4,m6,m8为基本常量，按如下公式计算：
本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统的控制方法，步骤b)中，设在高斯坐标系下某个路段的作业起点坐标为(x0,y0)，作业终点的坐标为(x1,y2)，所述的规划运行路径通过以下步骤来实现：
b-1).直线段轨迹方程，在起点为(x0,y0)、终点为(x1,y2)的路段为直线路段的情况下，可确定冲击压路机的行驶轨迹方程ax+by+c＝0的相关参数为：
b-2).转弯路段轨迹规划，记设定的最小转弯半径为rmin、重叠距离为lol、施工路面宽度为w，则：
b-2-1).如果
b-2-2).如果
b-2-3).如果
b-3).自动驾驶控制，在直线路段行驶过程中，冲击压路机的轨迹误差计算公式为：
其中，(x,y)为冲击压路机行驶过程中所获取的位置坐标；
转弯过程中的轨迹误差计算公司为：
根据误差derr，采用基于模糊pid控制算法进行冲击压路机轨迹跟踪控制。
本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统的控制方法，步骤c)中，智能驾驶控制器通过激光雷达传感器测量牵引车与前方障碍物距离的方法如下：
c-1).计算牵引车静态情况下的姿态，智能驾驶控制器经惯性测量单元imu中的加速度传感器得到牵引车的三轴加速度(ax,ay,az)，然后利用欧拉角公式计算牵引车的横倾角φ和纵倾角θ：
通过差分gps接收器得到牵引车运动的方向角ψ；
利用四元数和欧拉角公式，得到的初始四元数为：
c-2).获取牵引车动态情况下的姿态，四元数的更新方程为：
公式(10)中，ωx、ωy、ωz为经惯性测量单元imu获取的实时三轴角速度值；
进而，得到牵引车动态情况下的载体姿态为：
c-3).利用二阶互补滤波算法对各传感器数据进行融合处理，其自适应修正算法的时域方程可表示为：
其中，
c-4).激光雷达姿态矫正，利用二维平台驱使激光雷达进行纵倾角为
本发明的有益效果是：本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统，通过在冲击压路机的工作路段设置定位基站，使得智能驾驶控制器可实现对压路机的精准定位，以实现准确的路径规划；智能驾驶控制器经无线路由器实现与定位基站的自组网，以使智能驾驶控制器采集的路径关键点上传至手持终端，且手持终端规划的运行路径传输至智能驾驶控制器，智能驾驶控制器根据获取的压路机的位置坐标、转向角，来对压路机的行驶方向、行驶速度进行控制，以及压路机按照规划的作业路径行驶。
本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统的控制方法，首先人工驾驶牵引车在施工区域进行学习，以获取作业起点、终点以及涵洞起点、终点，然后在手持监控终端上根据设置的冲击压路机的参数，规划出压路机的工作路径；然后，由智能驾驶控制器根据检测的障碍物距离、是否位于涵洞起始点来控制压路机的自动运行，实现了冲击压路在工作路段的多次重复运动作业，替代了以往的人工驾驶，避免了人员在冲击压路机上颠簸而引发的职业伤病，提高了工作效率，降低了劳动成本。
附图说明
图1为本发明的冲击压路机的结构示意图；
图2为本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统的原理图；
图3为本发明中智能驾驶控制器的工作原理图；
图4为本发明中牵引车的转向控制结构图；
图5为本发明中冲击压路机的运行路径规划原理图。
图中：1冲击碾，2牵引车，3智能驾驶控制器，4定位基站，5手持监控终端，6无线路由器，7方向盘，8方向盘转轴，9方向盘齿轮，10驱动齿轮。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明的冲击压路机的结构示意图，所示的冲击压路机由冲击碾1和牵引车2组成，冲击碾1悬挂于牵引车2的后方，以便牵引车2带动冲击碾1进行运动。所示的冲击碾1为三边形，亦可为五边形，在冲击碾1随牵引车2运动的过程中，冲击碾1依靠自身的重量对水泥路面进行破碎，或者对路基路面进行压实。
如图2所示，给出了本发明的冲击压路机自动驾驶控制系统的原理图，其由冲击压路机、定位基站4、智能驾驶控制器3、手持监控终端5和无线路由器6组成，定位基站4设置于工作路段的中部区域，用于实现冲击压路机的精准定位，在采用差分gps接收器的情况下，定位精度可达±1cm。智能驾驶控制器3设置于牵引车2上，智能驾驶控制器3可实现对牵引车2的运行参数检测，如位置信息、转向角和运行速度，并可对冲击压路机的行驶路径进行自动控制。手持监控终端5用于规划冲击压路机的行驶路径，并对压力机的运行状态参数进行显示，以实现对压路机运行状态的监控。无线路由器6设置有工作路段，以使手持监控终端5经无线路由器6与智能驾驶控制器3进行自组网。
如图3所示，给出了本发明中智能驾驶控制器的工作原理图，可见，所示的智能驾驶控制器3可实现方向控制及检测、油门控制及检测、刹车可控制及检测，并具有无线路由器、差分gps接收器、超声波避障、激光雷达、摄像头。智能驾驶控制器1由微控制器及与其相连接的差分gps接收机、惯性测量单元imu、激光雷达、超声波避障传感器、监控摄像头、油门控制单元、方向控制单元、刹车控制单元和无线网络单元组成，微控制器经差分gps接收器获取定位基站的位置信号，以实现对冲击压路机的定位，经激光雷达或超声波避障传感器检测牵引车前方的障碍物信息，经监控摄像头采集牵引车前方的图像信息，经无线网络单元、无线路由器(6)实现与手持监控终端的自组网，经油门控制单元、方向控制单元、刹车控制单元分别对牵引车的行驶速度、行驶方向和减速停车进行控制，经惯性测量单元imu获取冲击压路的姿态信息；所述激光雷达经二维云台设置于迁移车上。
如图4所示，给出了本发明中牵引车的转向控制结构图，方向盘通过直流伺服电机带动旋转，车辆转向角度通过安装在转向轴上的角度传感器反馈给控制系统，电机与驱动齿轮间安装有电磁离合器，当人工驾驶情况下，可通过电磁离合器将驱动电机与方向盘系统脱离，以减轻人工驾驶时的方向盘阻力。
如图5所示，给出了本发明中冲击压路机的运行路径规划原理图，其通过以下步骤来实现：
a).施工路径学习，人工驾驶牵引车沿施工区域进行学习，在行驶的过车中，智能驾驶控制器根据获取的位置坐标信息，记录施工区域的作业起点、作业终点，在施工区域中存在涵洞的情况下，则记录涵洞起点、涵洞终点；并将获取的坐标点信息发送至手持控制终端；
步骤a)中，设所获取的第i个标记点的gps坐标为(bi,li,hi)，根据高斯投影正算公式解算出第i个标记点的高斯平面坐标(xi,yi)：
公式(1)中，角度均为弧度，l″＝l-l0，l0为中央子午线经度；n为子午圈曲率半径，e为椭球的第一偏心率，记a、b分别为椭球的长短半径，f为椭球扁率，w为第一辅助系数；
a0,a2,a4,a6,a8为基本常量，按公式(3)计算：
其中：m0,m2,m4,m6,m8为基本常量，按如下公式计算：
b).规划运行路径，通过手持监控终端设置冲击压路机的行驶速度、压实遍数、错轮宽度、施工路面宽度、转弯半径参数，根据设置的参数规划出冲击压路机的运行路径；
步骤b)中，设在高斯坐标系下某个路段的作业起点坐标为(x0,y0)，作业终点的坐标为(x1,y2)，所述的规划运行路径通过以下步骤来实现：
b-1).直线段轨迹方程，在起点为(x0,y0)、终点为(x1,y2)的路段为直线路段的情况下，可确定冲击压路机的行驶轨迹方程ax+by+c＝0的相关参数为：
b-2).转弯路段轨迹规划，记设定的最小转弯半径为rmin、重叠距离为lol、施工路面宽度为w，则：
b-2-1).如果
b-2-2).如果
b-2-3).如果
b-3).自动驾驶控制，在直线路段行驶过程中，冲击压路机的轨迹误差计算公式为：
其中，(x,y)为冲击压路机行驶过程中所获取的位置坐标；
转弯过程中的轨迹误差计算公司为：
根据误差derr，采用基于模糊pid控制算法进行冲击压路机轨迹跟踪控制。
c).自动驾驶和碾压，智能驾驶控制器根据规划的运行路径，控制冲击压路机进行自动作业；当前方遇到障碍物或运行至涵洞起点时，自动进行减速操作，当障碍物距离达到最小刹车距离时，自动刹车并发出报警信号至手持监控终端；当障碍物消失后，自动启动冲击压路机继续作业；当一定时间内障碍物没有消失，或者其他原因导致停车而不具备重新启动条件时，则发出报警信息至手持监控终端，请求人工干预；
冲击压力机的冲击碾自身重量很多，可达16t。正常工作的冲击压路机在紧急制动时，最小刹车距离一般都不小于10m。本发明中选用激光雷达传感器测量牵引车与前方障碍物的距离。但是当路面存在起伏时，激光雷达的测量结果非常容易产生非常大的波动，容易造成不必要的减速。
步骤c)中，智能驾驶控制器通过激光雷达传感器测量牵引车与前方障碍物距离的方法如下：
c-1).计算牵引车静态情况下的姿态，智能驾驶控制器经惯性测量单元imu中的加速度传感器得到牵引车的三轴加速度(ax,ay,az)，然后利用欧拉角公式计算牵引车的横倾角φ和纵倾角θ：
通过差分gps接收器得到牵引车运动的方向角ψ；
利用四元数和欧拉角公式，得到的初始四元数为：
c-2).获取牵引车动态情况下的姿态，四元数的更新方程为：
公式(10)中，ωx、ωy、ωz为经惯性测量单元imu获取的实时三轴角速度值；
进而，得到牵引车动态情况下的载体姿态为：
c-3).利用二阶互补滤波算法对各传感器数据进行融合处理，其自适应修正算法的时域方程可表示为：
其中，
c-4).激光雷达姿态矫正，利用二维平台驱使激光雷达进行纵倾角为
d).人工干预，施工过程中现场施工人员可根据路面平整度，利用手持监控终端对车速进行调整，当调头方式设定为人工调头时，当到达调头位置时，由工人驾驶牵引车进行调头操作。
当障碍物与牵引车距离小于设定值时，应当进行减速或停车。当车辆处于起伏运动中时，会由于车辆姿态不再处于水平状态，会导致测量到的障碍物距离产生非常大的偏差。本发明中的激光雷达通过两轴平台固定在车体上，当解算出车体的纵倾角和横倾角后，通过二维云台快速运动抵消车体低频的起伏运动，从而达到对避障数据校准的目的。并将二维云台的自身的姿态角引入到前方障碍物距离的计算中，从而最大程度上保证障碍物测量的准确性。
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