原标题：大坝填筑碾压施工无人驾驶技术的研究与应用摘要：近年来,使用高精度定位技术以及物联网技术,对土石坝填筑碾压施工历程开展了实时智能化监控系统的研发与应用研究,取得了较好的效果。如何使用无人驾驶碾压机械实现智能施工成为了研究人员关注的焦点。使用激光雷达、短波雷达、卫星定位等关键技术,研发了不改变施工机械油路、电路等控制系统以及机械结构的无人驾驶革新技术,能够实现自主施工情况感知、自主施工行为决议、自主施工行动执行的目的。
联合建设的土石坝填筑施工历程实时智能化监控系统,实现了大坝填筑碾压施工全历程智能化,有效保证了施工质量,提高了施工历程治理水平。土石坝填筑碾压施工无人驾驶技术通过在河南出山店水库大坝中的应用,验证了该技术的适用性与有效性,具有辽阔的推广应用空间。
关键词：无人驾驶系统; 情况感知; 路径计划; 自主执行; 土石坝填筑;作者简介：陈祖煜(1943—),男,中国科学院院士,教授级高级工程师,博士,研究偏向为水利工程和岩土工程。E-mail:chenzuyu@iwhr.com;赵宇飞(1979—),男,高级工程师,博士,主要从事岩土工程研究。E-mail:zhaoyf@iwhr.com;引用：陈祖煜，赵宇飞，邹斌，等.大坝填筑碾压施工无人驾驶技术的研究与应用［J］.水利水电技术，2019，50( 8) : 1-7.CHEN Zuyu，ZHAO Yufei，ZOU Bin，et al. Study and application of unmanned driving technology or filling and rolling construction ofearth-rockfill dam［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2019，50( 8) : 1-7.0 引言水利水电工程中,大坝作为最重要水工修建物,其作用主要是抬高水位,调整河流流量,保证整个工程的经济与社会效益有效发挥。这就要求大坝坝体有较好的稳定性和防渗性能,保证水库能在设计水位下恒久宁静可靠的运行。
在我国,土石坝是应用最广的大坝类型,从设计、施工等方面来说,它具有经济性好、施工技术简朴等优势,其填筑施工中的历程治理与质量把控,是影响其建设质量的关键。只管土石坝的建设技术已经很是成熟 ,可是在海内外已建土石坝还存在垫层区裂痕、面板脱空和裂痕、面板挤压破坏和严重渗漏等问题。
造成这些事故的最主要原因是施工历程质量控制不力导致的施工质量问题。通过调研可知,传统的土石方填筑施工治理主要以人工治理为主的,由于土石方填筑施工情况恶劣、事情面规模大,大坝漏碾、欠碾、错碾、过碾等现象经常发生。这些问题为工程后续运行历程中的变形、渗流、开裂等事故的发生埋下了隐患。
近十年来,海内外通过高精度卫星定位系统与物联技术的联合,对土石坝填筑历程实现了实时远程智能化监控。可是,由于多年的施工习惯难以一时改变、系统应用不适应现场施工历程治理流程等问题,这套技术应用的效果与发生的效益还不尽如人意。另外,由于绝大多数的系统的数据展示都在二维平面上举行,各个施工机械的事情位置、施工状态并不直观,应用效果欠佳。
在这种配景下,笔者联合云盘算、物联网、卫星定位等关键技术,以水利水电工程中大坝填筑施工历程实时智能精致化监控为系统基础,使用施工机械无人驾驶改装,开展了大坝填筑碾压施工历程的智能化关键技术研究。经由近三年的研究,联合河南出山店水库、西藏拉洛水利枢纽工程等项目,研发了大坝等土石方工程中的智能碾压施工技术。该技术能够基于现有碾压施工机械,在不改变控制油路、电路等控制系统的条件下,实现施工机械的无人驾驶施工,并在土方工程填筑碾压施工中举行实践,取得了很好的应用效果。1 碾压施工机械无人驾驶系统架构1.1 概 述随着盘算机技术、人工智能技术(系统工程、路径计划与车辆控制技术、车辆定位技术、传感器信息实时处置惩罚技术以及多传感器信息融合技术等)的生长,基于无人驾驶的大坝填筑智能碾压施工在工程中逐渐得以开发和应用。
大坝填筑智能碾压系统不仅具备加速、减速、制动、前进、退却以及转弯等通例的车辆功效,还具有情况感知、任务计划、路径计划、车辆控制、智能避障等类人行为的人工智能。这个庞大的动态系统由相互联系、相互作用的传感系统、控制系统、执行系统组成。
基于无人驾驶的大坝填筑智能碾压系统通过无线网络将碾压机械感知信息上传至云服务器,服务器通过信息综合分析后作出相应的行动(即操作控制端的下令),控制端的执行决议也是通过无线网络发送至碾压机械,执行相应的行动,从而到达了无人驾驶的目的(见图1)。图1 大坝填筑碾压机械无人驾驶系统设计框架基于无人驾驶的大坝填筑智能碾压施工机械包罗传感系统、决议系统和执行系统三个部门,接纳的是自上而下的阵列式体系架构,各系统之间模块化,并接纳无线网络举行系统间的数据传输,从而保证数据的实时性和完整性。
典型的具有无人驾驶功效的碾压机械如图2所示。图2 基于无人驾驶的大坝填筑智能碾压施工机械1.2 传感系统1.2.1 施工区域检测方法该系统使用三维激光雷达来举行施工面检测与施工区域障碍物识别。
在安装完激光雷达后首先用标定算法获取其相对碾压设备坐标系的空间位置转换关系,后续算法处置惩罚转换车辆坐标系下的点云获得碾压设备感兴趣区域的施工面边缘和障碍物信息,所检测的信息集成在局部栅格舆图中(见图3)。图3 车辆和雷达坐标系基于激光雷达扫描点在坝面的一连性,首先用相邻扫描点间的欧氏距离对点聚类,然后用加权移动平均值对每类点平滑滤波,再使用斜率将数据点支解成多段近似直线段,用最小二乘法对线段举行拟合。最后凭据线段的斜率和长度、高程信息从多条线段中选取行进门路。
该算法可实时、有效地从激光雷达扫描点中提取坝面行进轨迹区域(见图4)。图4 多线激光雷达原始扫描数据及提取效果1.2.2 路面障碍判别思量到大坝碾压事情面较粗拙,起伏较大,接纳多种方法获取栅格属性,最终融合获得完整的栅格舆图。该技术能适应碾压设备事情时的有较大和较频繁的俯仰和侧倾的特点,故能淘汰障碍误判率。
该方法联合相对高度,距离跳变和局部梯度等特征综合判断栅格属性,对施工情况下正障碍(其他事情人员与作业车辆等)和负障碍(坝面边缘、施工面边缘等)的检测具有高精度、高适应性的效果。如图5所示,图中点为激光点云,灰色区域为感兴趣区域,其中玄色栅格表现该栅格为施工面边缘或障碍物。图5 激光点云及栅格图1.2.3 基于栅格图的动态障碍物检测对任意一个全局栅格,如果该栅格在一连几帧中的属性都为占有状态,则该栅格很有可能为静态障碍物。通过对原始的贝叶斯理论历程举行修正,克服了状态转变历程中延迟时间较长的问题。
对栅格图中的每一个栅格划分盘算,获得全局栅格中的静态障碍物栅格,每一次局部栅格输入,都市对栅格更新一次。当前局部栅格图包罗了静态障碍物栅格和动态障碍物栅格,将局部和全局栅格图做差分,可以获得动态障碍物栅格。1.2.4 高清影像和毫米波雷达融合碾压设备是填筑碾压施工的重要要素。使用毫米波雷达和高清影像两种传感器融合,识别前方障碍物。
通过对传感器的位置和参数举行标定,确立毫米波雷达与机械视觉在空间上的坐标映射关系,将毫米波雷达获得的信息映射到图像上,融合深度学习的碾压设备识别效果,获取障碍物的位置和状态信息。1.3 决议系统填筑施工历程中,碾压路径计划是大坝填筑智能碾压焦点事情之一。在云服务器凭据碾压作业需求和碾压设备状态,举行统一调理、合理分配,实现有序、宁静、高效的无人驾驶碾压。
将所计划的路径,经无线网络传输至车载无人驾驶工控机,实时监控碾压设备根据计划的路径行驶。1.3.1 路径计划凭据大坝填筑施工相关技术要求,凭据碾压机械施工路径举行计划。
对于折线形碾压路径计划,需要输入的参数包罗碾压设备车前缓冲区、车后缓冲区、碾压轮宽度、碾压遍数、搭接宽度、碾压区域坐标以及设定的碾压速度与碾压历程中的振动频率要求等。计划区域包罗:碾压施工区域、车前缓冲区及车后缓冲区。其中,碾压施工区域为碾子碾过区域,车前及车后缓冲区用于保证施工厂地可容纳碾压设备。可计划多条碾压路径。
碾压时,碾压机械从图示第一条碾压轨迹开始向既定偏向行驶,行驶到路径终点退却回至起点。当完成碾压遍数之后,碾压机械转向跟踪第二条路径,开始向既定偏向行驶,到达路径终点后再举行倒车至起点。计划门路示意图如图6所示。
图6 折线形无人驾驶路径计划示意1.3.2 路径跟踪路径跟踪控制器吸收两方面的输入信号:一是计划模块的期望路径坐标点序列;二是由厘米级精度GNSS和双天线测向设备配合输出的碾压设备实时准确位置与航向信息。通过路径跟踪控制器运算处置惩罚后获得偏向盘转角,最终控制碾压设备根据期望路径行驶。路径跟踪模块原理如图7所示,内部软件模块集成了感知、跟踪、避障算法。
图7 路径跟踪模块原理1.3.3 障碍物避让决议碾压机械在获取情况信息后,在行驶路径上如果判断存在未标识的障碍物,则将触发停车等候,不会举行障碍物规避。这是因为碾压机械为保证压实效果必须按计划路径行驶,如举行避障将无法保证碾压效果。当行驶路径上的障碍物为人及车辆等移动障碍物或牢固障碍物时,必须等其脱离后,碾压设备才会继续前进。
当行驶路径上的障碍物为负障碍物时,则说明可能计划施工区域与实际施工区域存在差异,停车也可以保证车辆宁静。当行驶路径上存在标识的障碍物时,如沉降监测设备,将触发车辆绕行障碍物。
此种障碍物在路径计划时也可以将其计划在其他路径。1.4 执行系统碾压机械的利用机构因生产厂家或型号差别较为多样,执行机构需适应这种多样性。此外,在某些工况下碾压机械需举行人工驾驶,所以执行机构在保证自动驾驶功效的同时不能故障人工驾驶。以下为主要的执行机构,通过组合可适配差别碾压设备。
1.4.1 二维利用杆执行机构对于碾压设备档位不仅包罗纵向移动另有横向移动的情况,二维利用杆执行机构接纳双电机式结构,可以实现对单个利用杆的纵向及横向推动与定位。适用于手动挡、半自动及自动挡碾压机械的档位或行驶偏向控制。二维利用杆执行机构上的位置传感器可以将信息传回控制器形成闭环控制,如图8所示。图8 挡位执行机构1.4.2 离合、刹车机构以电机为动力源,使用钢丝拉线举行动力通报,实现对离合器、刹车的拉动与释放。
手动换挡及半自动换挡碾压机械的离合到场换挡历程,自动挡时离合执行机构空置。由于踏板通过拉线拉动,在人工驾驶时拉线处于放松状态,驾驶员踩踏踏板不会受到影响,执行机构如图9所示。
图9 离合、刹车执行机构1.4.3 油门执行机构油门执行机构为直线执行机构,通过快速夹具与油门手柄毗连,通过安装的直线执行机构凭据工控机的指令到达自动控制油门巨细的目的,机构如图10所示。图10 油门执行机构1.4.4 转向执行机构转向执行机构通过特殊机构将电灵活力通报到偏向盘底部,联合离合机构,具有自动驾驶及人工驾驶两种模式,人工驾驶中,可制止对驾驶员转动偏向盘的滋扰。整个转向执行机构如图11所示。
图11 偏向盘执行机构2 大坝填筑施工实际应用情况基于无人驾驶的大坝填筑智能碾压施工机械,根据大坝填筑施工技术要求,举行大坝填筑施工进度、质量监控。详细运行历程如图12所示。图12 大坝碾压施工机械无人驾驶系统运行历程2.1 监控系统无人驾驶实现联合建设的大坝碾压施工历程实时智能化监控系统,经由革新的碾压机械可以实现无人驾驶功效的碾压路径自动计划、碾压任务发送、碾压任务执行跟踪以及无人驾驶紧迫遥控停车等方面的操作,真正实现基于碾压机械无人驾驶技术的智能化填筑。
联合出山店水库工程建设,依托出山店水库大坝碾压施工历程实时智能化监控系统,使用无人驾驶技术,在大坝填筑施工中实现了施工机械凭据实际任务计划举行智能化施工。要实现大坝智能化施工的目的,需要在系统中举行无人驾驶碾压机械的主要机械信息录入,如最大速度、油门行程等,以及施工历程控制参数,如方法、路径类型、碾压遍次、搭边宽度等,如图13所示图13 碾压参数设置模板界面凭据实际大坝填筑工程中的施工区域几何特性,选择到场施工的碾压机械,则可以自动选择相关的车辆参数与施工控制参数,生成该施工机械在给定的施工区域内的施工路径。可在系统中举行施工路径实施模拟,通过实施模拟确认计划路径的正确性。形成的碾压路径如图14所示。
图14 折线型碾压路径的生成与施工模拟界面当计划的碾压路径正确地误时,可以通过系统中的任务公布界面(见图15),将该碾压任务实时传输至相关的碾压机械中,碾压机械上安装的中控机吸收到任务后,会反馈相关消息给系统,表现该任务已经被碾压设备所吸收。待碾压设备由驾驶员开到施工区域起点时,可以切换为无人驾驶模式,开始大坝相关区域的智能碾压施工。
图15 任务公布界面在出山店水库工程建设中,应用了研发的大坝填筑碾压施工机械无人驾驶技术,从应用情况可知,接纳施工机械无人驾驶技术举行的大坝填筑碾压施工,碾压轨迹平直规整(见图16),碾压速度平稳(与人工驾驶的碾压速度对比见图17),施工质量有了很大改善,施工效率有了显著提高。图16 碾压机械无人驾驶施工轨迹图17 碾压机械无人驾驶碾压速度与人工驾驶对比示意2.2 无人驾驶系统的优势通过出山店水库大坝填筑施工历程中应用施工机械无人驾驶技术,可知该技术具有以下几个方面的优势:(1)相较于人工驾驶施工机械举行大坝填筑施工,无人驾驶技术碾压历程平稳、碾压速度颠簸较小,碾压轨迹平直,能够严格根据施工参数举行大坝填筑的碾压施工。
(2)对于无人驾驶系统来说,能够适用于差别的施工情况,能够实现夜晚施工,有效提高施工效率,保证在有限的时间内保质保量完成大坝填筑碾压事情。(3)通过本文所提出的无人技术,能够不改变施工机械控制系统而实现无人驾驶功效,在最大水平上提升施工机械的事情效率,为大坝施工进度提供有效保障。3 结 论凭据现场实际碾压情况,联合车辆当前状态(即计划初始状态)、行为确定的期望目的状态、车辆运动学特性、横/纵向最大加速度指标等车辆参数,以及实际施工历程中的控制指标与尺度,实现大坝填筑智能碾压施工的闭合循环。该系统具有强大的适应性与移植性。
在不改变碾压施工机械控制系统情况下,岂论机械型号与状态,通过简朴的机械丈量与调整、软件调试分析之后,实现施工机械的无人驾驶功效。实际工程施工中,凭据碾压区域情况和车辆设置情况,实现了自主施工情况感知、自主施工行为决议、自主施工行动执行,保证了工程施工质量。
通过在出山店水库中大坝填筑施工历程中的应用,验证了开发的碾压机械无人驾驶技术的适用性,以及开发的大坝碾压施工历程实时智能化监控系统与无人驾驶技术相联合运行的可靠性。从实际工程应用情况可知,本文所提出的碾压机械无人驾驶技术,具有很好的移植性与通用性,在土石方工程中举行广泛推广,可以取得重要的经济与社会效益。基金项目：“十三五”国家重点研发计划(2018YFC0407000); 国家优秀青年科学基金项目(51722907); 中国水科院三型人才专项项目(GE0145B88201);水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文焦点期刊，面向海内外公然刊行。
本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护，以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主，同时也报道外洋的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
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