振動碾無人駕駛技術(shù)的研發(fā)與工程應用

韓　興/中國水利水電第五工程局有限公司

【摘　要】　堆石壩碾壓施工的常規(guī)做法是駕駛員在車上操作，施工中存在控制精度不高、施工效率低、質(zhì)量難以保證、強烈振動環(huán)境影響操作人員健康等問題。為提高控制精度，確保施工質(zhì)量，減小勞動強度及提高施工效率，本文依托長河壩大壩工程，論述了國內(nèi)首次研制的無人駕駛振動碾技術(shù)，在施工中實現(xiàn)了無人駕駛振動碾機群的自動化、信息化與智能化一體控制的研發(fā)過程、原理及應用成果。

【關(guān)鍵詞】　堆石壩　振動碾　無人駕駛　精確碾壓　智能控制　應用成果

1　概述

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河干流水電梯級開發(fā)的第10級電站。該電站水庫正常蓄水位1690.00m，總庫容為10.75億m3，電站總裝機容量為2600MW。攔河大壩為礫石土直心墻堆石壩，最大壩高240m，且修建在60～70m的深厚覆蓋層之上，是國內(nèi)外建在覆蓋層上的最高壩。

大壩填筑總量約3417萬m3，受“4·20”蘆山地震等多種因素的影響，填筑開始時間較合同時間滯后3個月，工程首個度汛工期尤為緊張，而統(tǒng)計大壩度汛前單層最大碾壓面積達17.23萬m2，碾壓設備投入量要求巨大。碾壓設備配置與管理是確保施工質(zhì)量與保障進度履約的關(guān)鍵。為確保施工質(zhì)量，工程施工前通過生產(chǎn)性碾壓試驗最終確定的各種壩料的碾壓參數(shù)見表1。

長河壩大壩工程采用了GPG數(shù)字化大壩碾壓實時監(jiān)控，對施工全過程進行監(jiān)測和預警控制，該系統(tǒng)具有全方位實時監(jiān)控各項碾壓參數(shù)（碾壓遍數(shù)、速度、激振力、碾壓厚度）的功能，能夠有效避免漏碾、欠壓現(xiàn)象。同時，系統(tǒng)設計有人工控制碾壓超速行駛報警功能，使超速碾壓可有效控制。但在施工中監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，人工駕駛控制振動碾碾壓平均速度僅為2km/h，較設計行駛速度偏低20％，且人工控制搭接寬度控制精度較差，漏碾返工或搭接寬度過大等影響大壩施工質(zhì)量和施工降效等問題。為使碾壓施工實現(xiàn)精準控制，確保施工質(zhì)量，提高施工效率，使振動碾駕駛員從單調(diào)、乏味、高強度的碾壓作業(yè)中解脫出來，我們研究開發(fā)了振動碾機身電氣及液壓自動控制系統(tǒng)，集成應用衛(wèi)星導航定位、狀態(tài)監(jiān)測與反饋控制、超聲波環(huán)境感知等技術(shù)，實現(xiàn)了振動碾壓機械的無人駕駛精確碾壓機群作業(yè)。

2　振動碾自動控制系統(tǒng)方案

2.1　系統(tǒng)架構(gòu)

振動碾自動控制系統(tǒng)是主要由工控機、遙控器、車載控制器形成的程序控制系統(tǒng)；以實現(xiàn)行駛、振動、轉(zhuǎn)向、制動等自動控制的振動碾機身控制系統(tǒng)；以GPS定位、角度編碼器、傾角傳感器等形成的導航與姿態(tài)補償系；以及加裝在車身的超聲波傳感器形成的環(huán)境識別與自動避讓系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)設計架構(gòu)如圖1所示。

2.2　程序控制系統(tǒng)

工控機作為改造電控系統(tǒng)中的控制終端，主要負責振動碾工作狀態(tài)的實時監(jiān)控和系統(tǒng)工作參數(shù)的設定。車載控制器是振動碾改造電控系統(tǒng)的核心控制器，主要功能分為信號采集及處理功能、邏輯運算及路徑控制功能和輸出驅(qū)動功能。根據(jù)工控機和遙控器的指令實現(xiàn)振動碾的行駛與振動控制。同時，車載控制器還負責GPS數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)的采集及處理，并結(jié)合工控機設定的工作參數(shù)進行作業(yè)路徑的規(guī)劃和自動路徑跟蹤。

路徑規(guī)劃采用的方式為：設定工作區(qū)域的四個角點（如圖2中A、B、C、D點所示），根據(jù)這四個角點來確定作業(yè)區(qū)域的邊界；然后設定當前或最近的角點作為起點（圖2中設定A為起點），再設定車身前進方向的角點來確定作業(yè)的方向（圖2中設定從A至B）。完成設定后，控制器會自動根據(jù)設定的起點和方向來計算直線行駛的航向，并計算出所需碾壓的軌跡數(shù)量（圖2中軌跡數(shù)為④），待啟動自動程序后控制器會根據(jù)所計算的航向完成設定區(qū)域內(nèi)所需碾壓軌跡的自動碾壓作業(yè)。

設計的無線遙控器采用主副配置形式。主遙控器為智能化程度較高的集成遙控器，該遙控器能實現(xiàn)對至少4臺振動碾機群的自動控制。副遙控器是非智能的人工控制遙控器，用以避免智能程度系統(tǒng)故障對作業(yè)過程的安全風險，可實現(xiàn)振動碾的緊急制動功能。

2.3　機身控制系統(tǒng)

振動碾機身控制系統(tǒng)的主要工作原理為：對原車的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行改造，在原車轉(zhuǎn)向器部分增加電磁截止閥來實現(xiàn)原車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)與改造轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的切換。截止閥不通電時，轉(zhuǎn)向泵輸出油液經(jīng)液壓轉(zhuǎn)向器到轉(zhuǎn)向油缸，即為原車的人工轉(zhuǎn)向方式。截止閥通電時，轉(zhuǎn)向泵輸出油液經(jīng)比例節(jié)流閥和電磁換向閥與平衡閥后到轉(zhuǎn)向油缸。通過控制比例節(jié)流閥線圈的電流，可以改變比例閥的開度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向速度的調(diào)節(jié)。通過控制電磁換向閥兩端不同的線圈通電，控制轉(zhuǎn)向油缸的伸縮，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向方向的自動控制。轉(zhuǎn)向角度由安裝在車身鉸接點的角度編碼器進行采集，實現(xiàn)前后車架之間車身轉(zhuǎn)角的反饋。

將原來的手動操縱手柄改為電控手柄。自動控制器采集手柄不同位置輸出的模擬量值來進行前進/后退的判斷與行駛速度的控制。通過控制加裝的行駛電控比例閥兩端線圈的電流，改變比例閥的開度，改變泵的斜盤角度和泵的輸出排量，實現(xiàn)了振動碾自動行駛速度的控制。通過控制比例閥兩端不同的線圈通電，改變了泵的液流輸出方向，從而實現(xiàn)了振動碾行駛方向的控制。

2.4　導航與姿態(tài)補償系統(tǒng)

導航與姿態(tài)補償系統(tǒng)是實現(xiàn)振動碾自動行駛和自動轉(zhuǎn)向以及控制精度的關(guān)鍵。要實現(xiàn)自動導航，振動碾的位置和行駛方向這兩個信息的獲取需要借助于GPS位置接收機和GPS航向接收機。

角度編碼器：由于振動碾為鉸接轉(zhuǎn)向形式，在實現(xiàn)振動碾自動作業(yè)路線跟蹤控制的過程中，需要采集鋼輪與車身之間的轉(zhuǎn)角信息來檢測車身的位姿。轉(zhuǎn)角由安裝在車身鉸接點的角度編碼器進行采集，角度編碼器輸出信號通過CAN總線輸入到控制器。

傾斜傳感器：為解決振動碾自動作業(yè)過程中，工作路面狀況惡劣，車身傾斜導致的GPS定位位置與車身實際位置偏移。在振動鋼輪一側(cè)增加設計安裝了傾角傳感器，提高了振動碾自動作業(yè)的精度。

2.5　環(huán)境識別與自動避讓系統(tǒng)

系統(tǒng)設計了環(huán)境識別與自動避讓系統(tǒng)，利用超聲波傳感器檢測車身周圍是否有人或物體靠近，當在一定范圍內(nèi)檢測到有人或物體靠近時，振動碾能自動停止作業(yè)，待物體遠離后繼續(xù)完成作業(yè)。在振動碾前后方各均勻布置了三個超聲波傳感器。

3　現(xiàn)場的技術(shù)改進

振動碾經(jīng)過首次改造完成后，經(jīng)生產(chǎn)試驗，發(fā)現(xiàn)的問題如下：

（1）振動碾在靜碾狀態(tài)，可基本完成完整的行駛、轉(zhuǎn)向功能，一般偏差值可控制在50cm內(nèi)，精度尚不能滿足生產(chǎn)要求。

（2）靜碾行駛試驗過程中最大直線偏差達197cm，振動碾在行駛過程中位置出現(xiàn)偏差時，存在糾偏不及時甚至不能糾偏回位的情況。

（3）振動碾在激振狀態(tài)行駛過程偏差過大，不能完成完整的碾壓作業(yè)。

通過現(xiàn)場試驗，驗證了振動碾技改的自動控制系統(tǒng)基本實現(xiàn)了振動碾自動行駛、轉(zhuǎn)向的自動控制，但應用的控制精度及糾偏方式亟待解決，經(jīng)討論研究提出的解決方案如下。

3.1　定位設備的安裝位置調(diào)整

1.原方案定位設備的安裝及程序計算方式

原方案GPS導航定位系統(tǒng)安裝于振動碾駕駛室頂部，在其頂部一前一后布置，兩個定位設備的點徑距124cm。自動控制程序的定位及航向是以振輪為基準的，原方案定位設備測量的定位坐標為駕駛室坐標需轉(zhuǎn)換為鋼輪坐標，轉(zhuǎn)換公式見式（1），對應振輪的航向也許利用駕駛室航向進行轉(zhuǎn)換。

式中：x0，y0為定位設備測量的原始坐標值；x1，y1為轉(zhuǎn)換后的鋼輪坐標值；W為車身寬度的1/2；L為從鉸接點到鋼輪中心的直線距離；?為鋼輪的側(cè)傾角；θ為鋼輪的俯仰角；Ψ為鋼輪的航向角。

2.定位設備的安裝及程序調(diào)整方案

為進一步提高設備碾壓精度，對定位設備的安裝位置進行調(diào)整改進，直接將定位設備安裝于振動碾的振輪框架上。

方案調(diào)整后兩套定位設備安裝于振動碾振輪框架平臺兩側(cè)，水平徑距180cm相比原駕駛室頂?shù)陌惭b距離增長近60cm，可有效降低定位系統(tǒng)本身偏差對航向定位的影響，從而提高作業(yè)精度。改進后定位設備測量的航向角直接為鋼輪航向角，所以不需要進行轉(zhuǎn)換。測量的定位坐標只需進行傾角補償即可。較原方案更直接減少了中間影響因素，提高了反應時間。

3.2　定位設備的選型

考慮到定位設備的精度會影響自動作業(yè)的控制精度，分別選取N71J型和SPS型兩套定位設備進行測試。對比兩套定位設備輸出的坐標曲線，可以看出雖然兩套設備輸出坐標都趨近于線性，而SPS型設備輸出坐標其線性度明顯比N71J型設備輸出坐標的線性度要好，如圖3和圖4所示。

自動控制程序控制靜碾手工測量偏差試驗獲得N71J型定位設備直線偏差可控制在±30cm以內(nèi)，而SPS型設備偏差可控制在±20cm以內(nèi)；在振碾狀態(tài)下N71J型定位設備直線偏差達±40～50cm，而SPS型設備偏差可控制在±30cm以內(nèi)。采用SPS型設備具有更高的作業(yè)精度。

3.3　糾偏程序的調(diào)整

1.原方案糾偏控制原理

為確保碾壓過程及時進行糾偏，原方案程序中設計有路徑跟蹤控制程序，其糾偏原理為：根據(jù)GPS設備反饋的位置坐標來計算振動碾的橫向偏差，并結(jié)合當前航向與直線航向的航向偏差來動態(tài)調(diào)整振動碾的轉(zhuǎn)向角度，實現(xiàn)對設定直線的跟蹤。

2.調(diào)整后糾偏控制程序

新的路徑控制方案采用基于航向的直線跟蹤控制算法：根據(jù)GPS設備反饋的位置坐標來預估振動碾所需要的航向，并與測得的車身實時航向進行比較，計算航向誤差。根據(jù)航向誤差來動態(tài)調(diào)整振動碾的轉(zhuǎn)向角度，實現(xiàn)對設定直線的跟蹤。

基于航向的直線跟蹤算法沒有直接計算橫向誤差，而是將橫向誤差的計算轉(zhuǎn)換為所需航向的計算，降低了算法的誤差敏感度，提高了自動作業(yè)的控制精度。

4　工程應用

首臺振動碾完成技術(shù)改造后，現(xiàn)場進行了應用試驗，典型的試驗場地為25m×8m的長方形區(qū)域，場地表面平整度±30cm，振動碾分4條軌跡碾壓，沿每條軌跡標準線每5m布置一個偏差測點，偏差值偏向上游為負，偏向下游為正。試驗設定碾壓速度2.7km/h，靜碾2遍+振碾4遍，主要試驗偏差值記錄見表2。

試驗結(jié)果如圖5所示。

實踐證明，振動碾自動控制碾壓直線偏差值基本控制在±10cm，最大偏差值不超過30cm，碾壓速度偏差控制在±0.1km/h，考慮一定的搭接寬度，一次碾壓合格率完全能夠滿足質(zhì)量要求。首臺振動碾在長河壩電站進行了長達7個月的實踐應用，在運行過程中，對振動碾的程序又進行了系列改進：

（1）新增了自動尋址功能。振動碾可在自動記錄自當前位置到作業(yè)起點的作業(yè)情況。

（2）作業(yè)區(qū)域新增坐標系選擇功能。通過程序設定建立世界坐標系與施工坐標系的換算關(guān)系，可實現(xiàn)不同工地坐標的錄入。

（3）新增循環(huán)次數(shù)的設定功能。可實現(xiàn)對各條碾壓車道的連續(xù)碾壓遍數(shù)設定。

（4）系統(tǒng)增設了安全自鎖功能。當振動碾機身出現(xiàn)油料不足或機械故障故障時，振動碾會自動停止作業(yè)。

為進一步擴大實用效果，后續(xù)又改造了4臺振動碾，實現(xiàn)了5臺無人駕駛振動碾的機群化作業(yè)。通過近5000h的應用，成效如下：

1）質(zhì)量控制：避免漏壓、欠壓、超壓，確保一次碾壓合格率（均值97.1％）。

2）施工效率：對比人工駕駛作業(yè)施工效率提高約10.6％，同時可縮短間歇時間約20％。

3）安全風險：可降低人為影響和夜間施工安全風險。

4）勞動保護：可有效減少振動環(huán)境下對人體損傷。

5　結(jié)語

振動碾無人駕駛技術(shù)首次實現(xiàn)了施工機械無人駕駛，實現(xiàn)了振動碾行駛速度、碾壓遍數(shù)、搭接寬度等的精確控制，可采用導入測量坐標或機身定位完成作業(yè)區(qū)域的設定，通過顯示控制器實現(xiàn)作業(yè)區(qū)域、作業(yè)環(huán)境、施工參數(shù)及行駛狀態(tài)等的實時顯示與數(shù)據(jù)記錄。無人駕駛系統(tǒng)充分考慮到振動碾機身（油料不足或機械故障）及外部環(huán)境影響等影響作業(yè)安全因素，實現(xiàn)了環(huán)境自動識別與自動制動、避讓。振動碾無人駕駛技術(shù)的實現(xiàn)，避免了強烈振動環(huán)境對操作人員的傷害，保護了操作人員的健康。該技術(shù)目前已獲得相應專利，具有大中型土石方工程碾壓的通用性，推動了施工機械裝備的技術(shù)進步，經(jīng)濟和社會效益顯著，具有較廣闊的推廣應用前景。