CN109000660A - 基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，在施工区域四个顶角位置设置超宽带信号基站，在压路机车身顶部设置超宽带标签，并固定惯性测量单元，由四个超宽带信号基站位置信息获得压路机边界围栏区域，利用超宽带四点定位的方法获得压路机的位置，通过获取压路机初始位置，并利用压路机初始行进轨迹测量，获得压路机初始航向角；根据计算压路机驶入施工区域起始点位置和路径，完成压路机自主路径规划并驶入施工区域；因压路机双向碾压，根据施工需要的压实重复率，结合超宽带信号基站位置信息，规划压路机施工区域内的行驶路径。定位精度高，路径规划准确，满足不同工况下的定位要求，适用于导航卫星信号丢失工况的作业需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，属于工程机械和自动化技术领域。
背景技术
工程机械经常在地震、洪水、海啸等灾害现场以及高温、高寒、高海拔、高辐射的恶劣工况下施工，不仅施工效率低，而且操作人员常常还要冒着生命危险。利用无人技术优化现有工程机械可以提升施工质量、降低人员成本、减少安全隐患，并且为实现产业更新提供了重要依托。特别针对于工程机械中的压路机，其属于道路设备的范畴，广泛应用于公路、铁路、机场跑道、大坝、体育场等大型工程项目的填方压实作业，可以碾压沙性、半粘性及粘性土壤、路基稳定土及沥青混凝土路面层，具有极广阔的施工需求和较高的作业难度。压路机的标准化施工也是目前全世界各施工单位和机械生产厂亟需解决的问题，而全自动压路机为解决这一问题提供了有效保证。
实现全自动压路机自主施工前提是要准确获取自身位置。目前工程机械的主要定位方法是基于GPS定位或者GPS与里程计融合定位。由于依托于GPS设备定位，其本身存在误差，同时在信号遮挡的情况下，比如隧道、繁华的市区等特殊工况环境，GPS信号会迅速减弱甚至丢失，从而无法完成满足作业精度的自动化施工。利用超宽带技术，可以在局部工程环境中即使存在遮挡的情况下，实现定位精度的保证，从而利于保证工程车辆自主驾驶和施工任务完成的稳定性和可靠性。
目前无人压路机大多存在定位精度低、成本高等不足。专利公开号为CN106127177A公开了一种无人压路机，采用GPS对压路机进行定位，尚未考虑到当压路机在特殊环境下施工作业时GPS信号无法接收的问题，导致在隧道、桥梁下等特殊环境中无法作业的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，本发明提供一种基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，实现压路机可在不同工况下完成全自主施工作业，定位精度高，路径规划准确，能够满足压路机在不同工况下的定位需求，可适用于包括隧道施工等条件下的作业需求。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，特点是：在施工区域四个顶角位置设置超宽带信号基站，在压路机车身顶部设置超宽带标签，并固定惯性测量单元，由四个超宽带信号基站位置信息获得压路机边界围栏区域，利用超宽带四点定位的方法获得压路机的位置，通过获取压路机初始位置，并利用压路机初始行进轨迹测量，获得压路机初始航向角；根据计算压路机驶入施工区域起始点位置和路径，完成压路机自主路径规划并驶入施工区域；因压路机双向碾压，根据施工需要的压实重复率，结合超宽带信号基站位置信息，规划压路机施工区域内的行驶路径。
进一步地，上述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其中，在四边形施工区域顺时针方向四个顶点(A、B、C、D)设置超宽带信号基站，其中A点为定位信号发送基站(AP)，通过先期调试校准，获得四个基站的坐标位置，并设置超宽带信号A点基站作为坐标原点，以AB、BC、CD、DA设为施工区域围栏，即施工区域边界。
进一步地，上述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其中，通过预先获得的施工边界信息，根据压路机宽度，确定压路机施工阶段的初始位置和航向，利用坐标原点A作为世界坐标原点，两基站间路径AB方向为压路机施工初始航向，DA为压路机驶入工作区域边界和后退方向施工边界，压路机宽度的一半且DA方向上靠近A点出的位置为施工初始位置，BC为前进方向施工边界，CD为驶离施工区域外侧边界，压路机在ABCD所构成区域完成往复式压实作业。
进一步地，上述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其中，压路机启示状态通过超宽带获得相对A点位置坐标(x,y)，无法获得压路机的偏转角θ，θ为相对于DA逆时针方向夹角，利用压路机在启动阶段的移动，通过压路机位置坐标变化，获得压路机启动航向和启动位置，结合施工初始位置和估计航向信息，结合压路机运动学约束特性，通过使用A*算法估算出压路机进入施工区域的轨迹。
进一步地，上述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其中，根据施工初始位置和航向角，压路机在施工区域中第一段路径由施工初始点到施工驶离点，根据压实重复覆盖区域大小，计算第二段施工路径起始点，校正车辆位置和航向，为即将第二段倒车压实作业完成航向角的修正。
进一步地，上述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其中，当压路机驶出AD边界，即完成第二段路径施工作业，此后依据类似方法获得第三段路径的起始位置并校正航向，依次类推，根据施工区域大小完成后续各路段路径规划。
进一步地，上述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其中，CD段为施工外侧边界，为有效覆盖全部施工区域，最后一段施工路径需提升覆盖率，保证压路机对靠近边界侧的路面的压实作业。
进一步地，上述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其中，利用里程计和转向传感器获得压路机速度和摆角信息。
进一步地，上述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其中，通过压路机车顶配置的超宽带标签和惯性测量单元，结合压路机CAN总线的速度和转角信息，获得压路机初始航向角，利用超宽带定位获得车辆相对于坐标原点位置，并通过压路机运动速度和转角信息结合惯性测量单元数据，估算出压路机航向，获取压路机位置和姿态。
进一步地，上述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其中，利用压路机的位置和航向，相对于超宽带信号基站坐标位置，计算出施工起始点和起始方向，以及施工压实重复率，计算往复路径，实现压路机路径规划。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①实现压路机在不同工况下完成自主施工路径规划，在不同工况下完成全自主施工作业，定位精度高，路径规划准确，能够满足压路机在不同工况下的定位需求，可适用于桥梁下方、隧道内部等导航卫星信号丢失工况的作业需求；
②利用超宽带技术实现施工区域电子围栏设计，使压路机可以完成全自主施工，覆盖全部施工区域；
③压路机能够通过自动路径规划，实现双向压实作业，自动化和标准化程度高，降低了施工人员的工作量，提高施工质量，保证施工作业流程规范化。
附图说明
图1是压路机施工区域标定示意图；
图2是压路机施工入场路径规划示意图；
图3是压路机在施工过程中各路段路径规划示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。
本发明基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，在施工区域四个顶角位置设置超宽带信号基站，在压路机车身顶部设置超宽带标签，并固定惯性测量单元，由四个超宽带信号基站位置信息获得压路机边界围栏区域，利用超宽带四点定位的方法获得压路机的位置，通过获取压路机初始位置，并利用压路机初始行进轨迹测量，获得压路机初始航向角；根据计算压路机驶入施工区域起始点位置和路径，完成压路机自主路径规划并驶入施工区域；因压路机双向碾压，根据施工需要的压实重复率，结合超宽带信号基站位置信息，规划压路机施工区域内的行驶路径。
实施例：
在施工区域设置超宽带基站，计算区域边界，设置电子围栏。如图1所示，在四边形施工区域顺时针方向四个顶点(A、B、C、D)设置超宽带信号基站，其中A点为定位信号发送基站(AP)。通过先期调试校准，获得四个基站的坐标位置，并设置超宽带信号A点基站作为坐标原点，以AB、BC、CD、DA设为施工区域围栏，即施工区域边界。
利用施工区域边界信息，根据压路机宽度，确定压路机施工阶段的初始位置和航向。如图1所示，利用坐标原点A作为世界坐标原点，两基站间路径AB方向为压路机施工初始航向，DA为压路机驶入工作区域边界和后退方向施工边界，压路机宽度的一半且DA方向上靠近A点出的位置为施工初始位置。此外，BC为前进方向施工边界，CD为驶离施工区域外侧边界，压路机在ABCD所构成区域完成往复式压实作业。
由于压路机启动位置无法直接获取，且压路机启示状态只能通过超宽带获得相对A点位置坐标(x,y)，而无法获得压路机的偏转角θ，θ为相对于DA逆时针方向夹角，也是压路机在整个施工区域坐标系下的航向角。利用压路机在启动阶段的移动，通过压路机位置坐标变化，获得压路机启动航向和启动位置。如图2所示，结合施工初始位置和估计航向信息，结合压路机运动学约束特性，通过使用A*算法估算出压路机进入施工区域的轨迹，即压路机从启动位置到达施工初始位置，并完成施工初始航向的校正。
根据施工初始位置和航向角，压路机在施工区域中第一段路径由施工初始点到施工驶离点，如图3所示。根据压实重复覆盖区域大小和车辆运动学约束，计算出第二段施工路径起始点从而校正车辆位置和航向，为即将第二段倒车压实作业完成航向角的修正。当压路机驶出AD边界，即完成第二段路径施工作业，此后依据类似方法获得第三段路径的起始位置并校正航向，依次类推，根据施工区域大小完成后续各路段路径规划。CD段为施工外侧边界，为能够有效覆盖全部施工区域，最后一段施工路径需要提升覆盖率，保证压路机对靠近边界侧的路面的压实作业。
可利用里程计和转向传感器获得压路机速度和摆角信息，通过压路机车顶配置的超宽带标签和惯性测量单元，结合压路机CAN总线的速度和转角信息，获得压路机初始航向角，利用超宽带定位获得车辆相对于坐标原点位置，并通过压路机运动速度和转角信息结合惯性测量单元数据，估算出压路机航向，获取压路机位置和姿态。利用压路机的位置和航向，相对于超宽带信号基站坐标位置，计算出施工起始点和起始方向，以及施工压实重复率，计算往复路径，实现压路机路径规划。
本发明实现压路机在不同工况下完成自主施工路径规划，在不同工况下完成全自主施工作业，定位精度高，路径规划准确，能够满足压路机在不同工况下的定位需求，可适用于桥梁下方、隧道内部等导航卫星信号丢失工况的作业需求；利用超宽带技术实现施工区域电子围栏设计，使压路机可以完成全自主施工，覆盖全部施工区域；压路机能够通过自动路径规划，实现双向压实作业，自动化和标准化程度高，降低了施工人员的工作量，提高施工质量，保证施工作业流程规范化。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。
Claims (10)
1.基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其特征在于：在施工区域四个顶角位置设置超宽带信号基站，在压路机车身顶部设置超宽带标签，并固定惯性测量单元，由四个超宽带信号基站位置信息获得压路机边界围栏区域，利用超宽带四点定位的方法获得压路机的位置，通过获取压路机初始位置，并利用压路机初始行进轨迹测量，获得压路机初始航向角；根据计算压路机驶入施工区域起始点位置和路径，完成压路机自主路径规划并驶入施工区域；因压路机双向碾压，根据施工需要的压实重复率，结合超宽带信号基站位置信息，规划压路机施工区域内的行驶路径。
2.根据权利要求1所述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其特征在于：在四边形施工区域顺时针方向四个顶点(A、B、C、D)设置超宽带信号基站，其中A点为定位信号发送基站(AP)，通过先期调试校准，获得四个基站的坐标位置，并设置超宽带信号A点基站作为坐标原点，以AB、BC、CD、DA设为施工区域围栏，即施工区域边界。
3.根据权利要求2所述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其特征在于：通过预先获得的施工边界信息，根据压路机宽度，确定压路机施工阶段的初始位置和航向，利用坐标原点A作为世界坐标原点，两基站间路径AB方向为压路机施工初始航向，DA为压路机驶入工作区域边界和后退方向施工边界，压路机宽度的一半且DA方向上靠近A点出的位置为施工初始位置，BC为前进方向施工边界，CD为驶离施工区域外侧边界，压路机在ABCD所构成区域完成往复式压实作业。
4.根据权利要求2所述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其特征在于：压路机启示状态通过超宽带获得相对A点位置坐标(x,y)，无法获得压路机的偏转角θ，θ为相对于DA逆时针方向夹角，利用压路机在启动阶段的移动，通过压路机位置坐标变化，获得压路机启动航向和启动位置，结合施工初始位置和估计航向信息，结合压路机运动学约束特性，通过使用A*算法估算出压路机进入施工区域的轨迹。
5.根据权利要求2所述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其特征在于：根据施工初始位置和航向角，压路机在施工区域中第一段路径由施工初始点到施工驶离点，根据压实重复覆盖区域大小，计算第二段施工路径起始点，校正车辆位置和航向，为即将第二段倒车压实作业完成航向角的修正。
6.根据权利要求2所述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其特征在于：当压路机驶出AD边界，即完成第二段路径施工作业，此后依据类似方法获得第三段路径的起始位置并校正航向，依次类推，根据施工区域大小完成后续各路段路径规划。
7.根据权利要求2所述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其特征在于：CD段为施工外侧边界，为有效覆盖全部施工区域，最后一段施工路径需提升覆盖率，保证压路机对靠近边界侧的路面的压实作业。
8.根据权利要求1所述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其特征在于：利用里程计和转向传感器获得压路机速度和摆角信息。
9.根据权利要求1所述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其特征在于：通过压路机车顶配置的超宽带标签和惯性测量单元，结合压路机CAN总线的速度和转角信息，获得压路机初始航向角，利用超宽带定位获得车辆相对于坐标原点位置，并通过压路机运动速度和转角信息结合惯性测量单元数据，估算出压路机航向，获取压路机位置和姿态。
10.根据权利要求1所述的基于超宽带定位的全自动压路机施工路径规划方法，其特征在于：利用压路机的位置和航向，相对于超宽带信号基站坐标位置，计算出施工起始点和起始方向，以及施工压实重复率，计算往复路径，实现压路机路径规划。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Effective date of registration: 20190402 Address after: Room 525, Building 333 Xingpu Road, Suzhou Industrial Park, Jiangsu Province Applicant after: Zhongke Weiyi (Suzhou) Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: 215021 Linquan Street 399, Suzhou Industrial Park, Jiangsu Province Applicant before: SUZHOU LUTEGONG INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Application publication date: 20181214 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |