膠輪壓路機(jī)施工防撞系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)*

邱 欣， 徐文毅， 徐靜嫻， 洪皓玨， 林文巖

(1.浙江師范大學(xué) 道路與交通工程研究中心，浙江 金華 321004；2.金華市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，浙江 金華 321013)

0 引 言

膠輪壓路機(jī)是瀝青面層攤鋪施工作業(yè)中的常用裝備，存在設(shè)備質(zhì)量大、行進(jìn)速度快、往返操作頻繁、工作噪聲小、后側(cè)面視覺盲區(qū)大、需場地施工人員配合等作業(yè)特征，時常發(fā)生與施工作業(yè)人員的刮擦與碰撞事故，帶來無法挽回的經(jīng)濟(jì)與生命代價.如何根據(jù)膠輪壓路機(jī)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，研發(fā)相關(guān)主動防撞系統(tǒng)，最大程度減小施工作業(yè)事故是道路工程界迫切關(guān)心的熱點(diǎn)技術(shù)問題之一.

自20世紀(jì)90年代，智能交通系統(tǒng)(intelligent transport system，ITS)計(jì)劃已在世界范圍內(nèi)全面啟動，微波處理器及其電子元件集成水平得到了高度發(fā)展，微波雷達(dá)系統(tǒng)用于交通車輛的防撞預(yù)警也逐漸形成共識[1].在防撞雷達(dá)的研究熱潮中，德國、日本和美國等國家相繼研發(fā)出系列高性能防撞雷達(dá)產(chǎn)品，其中德國勞倫斯和奔馳公司聯(lián)合開發(fā)的車載防撞雷達(dá)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)障礙物與車輛之間距離及本車相對速度的感知；日本伊頓科技公司研制的60 GHz防撞雷達(dá)較德國在功能范圍、數(shù)據(jù)精度及設(shè)備敏感度等方面有了較大突破，可有效探測速度、距離和方位角等信息，并能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，實(shí)現(xiàn)車輛的安全制動；美國福特公司開發(fā)的防撞微波雷達(dá)系統(tǒng)也較為先進(jìn)，并已廣泛應(yīng)用在無人駕駛車輛上.然而，上述防撞系統(tǒng)的研發(fā)成本一直居高不下，未能得到廣泛的推廣，目前只在極少部分的高檔汽車中得到應(yīng)用[2].相對而言，國內(nèi)防撞雷達(dá)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用起步較晚，現(xiàn)階段企業(yè)和科研院所主要針對防撞雷達(dá)的某一模塊進(jìn)行研發(fā)，產(chǎn)品主要集中在以超聲波、激光和紅外檢測為控制方式的汽車防撞裝置中.李湘閩等[3]以毫米波作為發(fā)射波，通過發(fā)射固定頻率的周期三角波進(jìn)行波譜調(diào)制分析，研發(fā)了毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高精度感知與檢測目標(biāo)障礙物的功能.江蘇賽博電子有限公司將毫米波雷達(dá)與數(shù)字信號處理器相結(jié)合，成功研制了汽車?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)，能同時對20個探測器的信息進(jìn)行處理分析，虛警率為1%，最小檢測距離為1 m[4].

事實(shí)上，膠輪壓路機(jī)的運(yùn)行條件不同于一般路上的一般車輛，其所處的工地現(xiàn)場施工環(huán)境惡劣，噪聲干擾大，惡劣天氣帶來的影響也較為明顯.因此，對膠輪壓路機(jī)防撞預(yù)警系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力、測量范圍、響應(yīng)時間等性能指標(biāo)的要求也較高.然而，目前國內(nèi)外對于壓路機(jī)綜合防撞系統(tǒng)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還未開發(fā)出較為成熟、并能普遍推廣的施工機(jī)械防撞控制系統(tǒng)與裝置.膠輪壓路機(jī)防撞控制的關(guān)鍵在于能否實(shí)時準(zhǔn)確地探測膠輪壓路機(jī)周圍的目標(biāo)障礙物，能否在極短的時間內(nèi)精確地測量障礙物與壓路機(jī)之間的距離和相對速度，而瓶頸問題就是系統(tǒng)如何抑制噪聲干擾，并加強(qiáng)回波信號，進(jìn)而實(shí)施準(zhǔn)確檢測，降低虛警概率.因此，研發(fā)設(shè)計(jì)效率高、體積小、成本低的膠輪壓路機(jī)綜合防撞系統(tǒng)是解決瀝青路面施工過程中高頻作業(yè)事故的有效技術(shù)保障.基于此，筆者在掌握膠輪壓路機(jī)施工作業(yè)特征及其工作環(huán)境的基礎(chǔ)之上，根據(jù)已有的毫米波雷達(dá)、三維掃描激光傳感器及對地雷達(dá)的工作原理，提出了適用于膠輪壓路機(jī)的毫米波雷達(dá)測速系統(tǒng)、三維掃描激光定位系統(tǒng)及對地雷達(dá)測速系統(tǒng)，構(gòu)建了集毫米波雷達(dá)、三維掃描激光傳感器、對地雷達(dá)、信號處理器于一體的綜合防撞控制系統(tǒng)，并對各模塊的系統(tǒng)功能和工作原理進(jìn)行深入分析.研究成果以期為膠輪壓路機(jī)綜合防撞系統(tǒng)平臺的研發(fā)提供理論支撐，為最大程度地減少膠輪壓路機(jī)施工碰撞事故提供技術(shù)保障.

1 綜合防撞系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測、近距離目標(biāo)識別、安全制動距離感知、聲光報(bào)警與車輛制動操作等功能的實(shí)現(xiàn)，是有效設(shè)計(jì)膠輪壓路機(jī)防撞集成系統(tǒng)的必要條件.最新研究成果表明，在車輛行駛過程中,中遠(yuǎn)距離的判斷大多數(shù)使用毫米波雷達(dá)，車輛行進(jìn)速度的測量一般采用對地雷達(dá)，而對于近距離障礙物的檢測通常采用三維掃描激光傳感器[5].因此，針對膠輪壓路機(jī)的特殊施工條件和作業(yè)區(qū)范圍，將毫米波雷達(dá)傳感器、三維掃描激光傳感器及對地雷達(dá)傳感器進(jìn)行集成，結(jié)合信號處理系統(tǒng)(digital signal processor，DSP)信息反饋與識別算法，設(shè)計(jì)綜合防撞集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)預(yù)警與車輛制動，是有效幫助駕駛員最大程度保證施工安全、避免碰撞事故發(fā)生的有效方式.膠輪壓路機(jī)綜合防撞系統(tǒng)的集成構(gòu)架如圖1所示.膠輪壓路機(jī)開始施工時，毫米波雷達(dá)、三維掃描激光傳感器和對地雷達(dá)同時開始工作，毫米波雷達(dá)實(shí)時檢測車輛后方障礙物的距離，三維掃描激光傳感器實(shí)時監(jiān)測車輛兩側(cè)是否有人員闖入，對地雷達(dá)實(shí)時計(jì)算壓路機(jī)當(dāng)前的行駛速度.

圖1 膠輪壓路機(jī)防撞系統(tǒng)的集成構(gòu)架圖

雷達(dá)傳感器和激光傳感器將各自計(jì)算得出的信號傳入DSP系統(tǒng)進(jìn)行處理，再將信號傳入防撞預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行危險等級判斷[6].當(dāng)對地雷達(dá)計(jì)算出當(dāng)前車輛行駛速度大于設(shè)定閾值，且毫米波雷達(dá)檢測出后方障礙物與壓路機(jī)之間的距離小于安全距離時，防撞預(yù)警系統(tǒng)就判定當(dāng)前車輛處于危險狀態(tài)，進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒駕駛?cè)藛T采取制動操作；當(dāng)三維掃描激光傳感器檢測到壓路機(jī)的側(cè)方有人員闖入時，總控制系統(tǒng)強(qiáng)行制動車輛.膠輪壓路機(jī)集成防撞系統(tǒng)各傳感器安裝示意圖如圖2所示.

圖2 膠輪壓路機(jī)防撞系統(tǒng)傳感器安裝示意圖

2 毫米波雷達(dá)測距系統(tǒng)

2.1 測距系統(tǒng)的功能分析

在瀝青路面攤鋪施工過程中，嘈雜的施工環(huán)境或者機(jī)械故障等因素都會直接影響駕駛?cè)藛T對施工危險的判斷，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生.綜合防撞控制系統(tǒng)可以確保駕駛員在未及時制動的情況下，主動切斷控制電路及油路，強(qiáng)制進(jìn)行車輛制動或轉(zhuǎn)向控制.其中，毫米波雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時發(fā)射雷達(dá)信號并計(jì)算施工車輛與障礙物之間的距離.當(dāng)相對距離小于設(shè)定的閾值時立即進(jìn)行制動，大于設(shè)定的閾值時，不進(jìn)行制動，毫米波雷達(dá)繼續(xù)計(jì)算新的距離，直到施工結(jié)束.毫米波雷達(dá)由天線前端發(fā)射信號，當(dāng)信號遇到障礙物目標(biāo)后被目標(biāo)表面反射，目標(biāo)回波由天線接收并發(fā)送到混頻器.混頻器將發(fā)送的信號與回波信號進(jìn)行混合，并將混合信號發(fā)送回?cái)?shù)字處理電路[7].這些混合信號經(jīng)過放大、濾波和轉(zhuǎn)換后，得到差分頻率信號.數(shù)字處理電路通過離散傅氏變換的快速算法(fast Fourier transformation，F(xiàn)FT)，計(jì)算車輛與目標(biāo)的距離和方向，將結(jié)果送往終端.終端具有目標(biāo)指示、聲光告警、人機(jī)接口和車輛接口等4項(xiàng)功能.人機(jī)接口主要用于設(shè)定預(yù)警條件，車輛接口一方面可以得到車輛的速度信息，另一方面還可以向駕駛員提供目標(biāo)信息，其工作流程圖如圖3所示.

圖3 毫米波雷達(dá)工作流程圖

2.2 測距系統(tǒng)的工作原理

毫米波雷達(dá)測距是利用波長介于1～10 mm、頻率在30～300 GHz的電磁波，對障礙物表面進(jìn)行反射來測定障礙物位置與相對速度[8].根據(jù)毫米波雷達(dá)探測系統(tǒng)的功能要求，要求雷達(dá)同時對障礙物目標(biāo)的距離和方向進(jìn)行測量，并進(jìn)行坐標(biāo)回傳.雷達(dá)系統(tǒng)由天線、發(fā)射器、接收器、信號處理系統(tǒng)及終端等部分組成，其中接收器與發(fā)射器稱為高頻組件，組成結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 毫米波雷達(dá)組成結(jié)構(gòu)

雷達(dá)對目標(biāo)距離和速度的測量符合多普勒效應(yīng)原理，某一靜止目標(biāo)在某一t0時刻的瞬時反射信號如圖5所示.在混頻器中,混合發(fā)射信號與反射信號生成一個穩(wěn)定的差頻信號.此頻率越高，目標(biāo)的距離越遠(yuǎn)，二者的關(guān)系如式(1)所示.

圖5 毫米波雷達(dá)多普勒效應(yīng)原理圖

(1)

式(1)中：fD為差頻；R為目標(biāo)的距離；T為三角波調(diào)制周期；C0為光速；Δf為信號發(fā)射器發(fā)射頻率的變化范圍.多普勒頻率的計(jì)算公式如下：

(2)

式(2)中：f0為毫米波雷達(dá)的發(fā)射頻率；C0為光速；v為車輛運(yùn)動速度；α為運(yùn)動的實(shí)際方向與傳感器到目標(biāo)連線之間夾角的角度.同時，由于存在延遲效應(yīng)，將導(dǎo)致目標(biāo)的接收信號出現(xiàn)時間延遲fy，計(jì)算公式如下：

(3)

延遲效應(yīng)與多普勒效應(yīng)的關(guān)系如下:

fD↑+fD↓=2fy.

(4)

式(4)中：fD↑為三角波上升區(qū)域與接收信號的延遲頻率；fD↓為三角波下降區(qū)域與接收信號的延遲頻率.由上述4個公式聯(lián)立可得出距離R的計(jì)算公式，即

(5)

計(jì)算分析時，參數(shù)C0,T,Δf,f0為已知值，fD↑,fD↓可通過FFT算法獲得，最終得到距離R的值.

3 三維掃描激光定位系統(tǒng)

3.1 定位系統(tǒng)的功能分析

膠輪壓路機(jī)車身較高，駕駛?cè)藛T在駕駛室內(nèi)對側(cè)方有無人員闖入的判斷存在視覺盲區(qū)，容易造成施工事故.因此，需要在膠輪壓路機(jī)側(cè)方增設(shè)三維掃描激光傳感器，以自動感應(yīng)有無側(cè)方人員的進(jìn)入[9].若三維掃描激光傳感器檢測到有人員進(jìn)入，則傳感器將信號傳遞給總控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信號傳送給報(bào)警模塊，進(jìn)行聲光報(bào)警并切斷油路，實(shí)現(xiàn)緊急制動，避免事故發(fā)生；若無人員進(jìn)入，則不進(jìn)行制動，車輛繼續(xù)正常工作.

綜合防撞集成系統(tǒng)內(nèi)的三維掃描激光定位系統(tǒng)主要具有形狀檢測、圖形分析、無人搬運(yùn)車導(dǎo)航、導(dǎo)航實(shí)時監(jiān)控、物體位置測量等功能.三維掃描激光傳感器發(fā)射連續(xù)脈沖激光，通過照射高速旋轉(zhuǎn)立體鏡，在各個方向上形成反射脈沖激光，構(gòu)成穩(wěn)定的掃描區(qū)域.區(qū)域掃描主要實(shí)現(xiàn)以下2個功能：一是設(shè)置遠(yuǎn)近多個帶狀區(qū)域性保護(hù)區(qū)，當(dāng)有人員進(jìn)入保護(hù)區(qū)時對駕駛員進(jìn)行聲光報(bào)警以提醒駕駛?cè)耍欢菕呙杵鲗⒚總€測量點(diǎn)的距離和高度坐標(biāo)值傳送到信號處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物體輪廓呈現(xiàn)[10].

3.2 定位系統(tǒng)的工作原理

基于飛行時間法，三維掃描激光傳感器進(jìn)行測距分析，并獲取被測點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值[11].在三維激光傳感器的光學(xué)系統(tǒng)中有2個激光器，其發(fā)出的光能夠被耦合成光束.一束光直接進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)光纖，另一束光通過透射光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入到掃描頭內(nèi).掃描頭設(shè)置有旋轉(zhuǎn)臺，可控制激光掃描頭的旋轉(zhuǎn)方向和幅度.測量光束經(jīng)過旋轉(zhuǎn)臺后，照射在目標(biāo)表面并同時被反射，成為回波光束.反射的回波光束再次進(jìn)入接收系統(tǒng)，經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換處理后，被傳送到電路控制系統(tǒng)進(jìn)行信號處理[12].三維掃描激光器工作技術(shù)原理如圖6所示.

4 對地雷達(dá)測速系統(tǒng)

4.1 測速系統(tǒng)的功能分析

膠輪壓路機(jī)在工作過程中要保持一定的車速以避免自身的重力對瀝青攤鋪材料的影響，而在車速較高的情況下，若駕駛?cè)藛T未能及時進(jìn)行車輛制動，就會使施工事故發(fā)生的概率大幅度增加[13].因此，膠輪壓路機(jī)在施工過程中需要安裝對地雷達(dá)，以將對地雷達(dá)接收到的信號傳送到信號處理系統(tǒng)，計(jì)算本車車速，并結(jié)合毫米波雷達(dá)系統(tǒng)和三維掃描激光定位系統(tǒng)，判斷障礙物與本車之間是否存在危險及危險程度，進(jìn)而選擇相應(yīng)的制動措施，從而避免碰撞事故的發(fā)生.

圖6 三維激光雷達(dá)工作技術(shù)原理圖

一般來講，膠輪壓路機(jī)制動全過程由駕駛員反應(yīng)時間tf(tf∈[0，t1])、制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)時間tx(tx∈[t1，t2])、快速制動時間tk(tk∈[t2，t3])和穩(wěn)定制動時間tw(tw∈[t3，t4])等4個部分組成，其對應(yīng)的運(yùn)動形式包括勻速運(yùn)動、急劇制動、制動恒定等3個階段[14].制動全過程中的車速(v)和減速度(a)的變化規(guī)律如圖7和圖8所示.膠輪壓路機(jī)制動全過程安全距離(S)同時受到v和a的影響，可分別由對應(yīng)的3個階段計(jì)算獲取.

圖7 制動速度和時間關(guān)系圖 圖8 制動減速度和時間關(guān)系圖

1)勻速運(yùn)動階段.勻速運(yùn)動階段包括tf和tx時間段，此時壓路機(jī)沒有發(fā)生制動操作，仍以初速度v保持運(yùn)動，故行駛距離S1為

S1=v(tf+tx)=vt2.

(6)

2)急劇制動階段.在急劇制動階段，減速度基本呈線性增長，由圖8可以得出，任一時刻的減速度為

(7)

tk時間段內(nèi)任一時刻的速度為

(8)

制動距離Sk為

(9)

當(dāng)tk=t3時，急劇制動階段的行駛距離S2為

(10)

3)制動恒定階段.在制動恒定階段，減速度為固定值，可得tw時段的初速度等于tk時段的末速度,即當(dāng)tk=t3時,

(11)

穩(wěn)定制動階段tw時段的末速度v2為

(12)

由于tw時間段的末速度為零，所以

(13)

可得出制動距離S3為

(14)

由式(6)～式(14)可以得出制動距離S為

(15)

值得一提的是，速度和減速度可根據(jù)安裝的對地雷達(dá)測得，各反應(yīng)時間可根據(jù)制動系統(tǒng)及駕駛?cè)藛T的特征取不同的值，由此可確定防撞系統(tǒng)的最小報(bào)警距離.

4.2 測速系統(tǒng)的工作原理

對地雷達(dá)測速過程符合多普勒效應(yīng)原理，其組成主要有天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)總線等，其組成框圖如圖9所示.在膠輪壓路機(jī)行進(jìn)過程中，安裝在車底的對地雷達(dá)將發(fā)射電磁波，其與地面接觸后，將形成具有一定振幅和頻率的反射電磁波[15].多普勒雷達(dá)測速示意圖如圖10所示.

圖9 對地雷達(dá)組成框圖 圖10 多普勒雷達(dá)測速示意圖

多普勒頻率與車速的關(guān)系如式(2)所示，據(jù)此可以推導(dǎo)出壓路機(jī)速度的表達(dá)式為

(16)

5 信號處理系統(tǒng)

膠輪壓路機(jī)集成防撞系統(tǒng)優(yōu)勢發(fā)揮的關(guān)鍵在于DSP的穩(wěn)定性與精確性[16].在膠輪壓路機(jī)集成防撞系統(tǒng)中，DSP主要處理的是各傳感器接收的回波信號.然而，回波信號信息復(fù)雜，除了含有目標(biāo)障礙物的反射信號外，還包括各種干擾信號[17].為了提高信號處理的精度，膠輪壓路機(jī)集成防撞系統(tǒng)中的DSP模塊首先對回波信號進(jìn)行濾波處理，剔除不平穩(wěn)的信號；然后對固定地物雜波、運(yùn)動雜波及無規(guī)則噪聲進(jìn)行降噪處理.實(shí)際分析中，可分別采用固定對消法和門限法削弱施工現(xiàn)場的地物雜波和不規(guī)則熱噪聲，同時采用累加處理法提高信噪比，從而提高施工現(xiàn)場噪聲抑制率，提高檢測精度.

系統(tǒng)集成過程中采用的處理器為嵌入式處理器，主要由供電、信息采集、報(bào)警及制動4個模塊組成.供電模塊保證處理器能正常工作，信息采集模塊負(fù)責(zé)將雷達(dá)系統(tǒng)探測的信息進(jìn)行信號處理，并傳輸至處理器，處理器根據(jù)危險源的距離，啟動報(bào)警模塊或者制動模塊.嵌入式處理器組成結(jié)構(gòu)如圖11所示.

圖11 嵌入式處理器組成結(jié)構(gòu)框圖

6 結(jié) 論

本文從膠輪壓路機(jī)實(shí)際施工環(huán)境、作業(yè)特征及事故原因等因素出發(fā)，構(gòu)建集毫米波雷達(dá)、三維掃描激光傳感器、對地雷達(dá)、信號處理系統(tǒng)于一體的綜合防撞控制系統(tǒng)，并對各模塊的系統(tǒng)功能和工作原理進(jìn)行了系統(tǒng)分析，主要成果如下：

1)綜合分析了膠輪壓路機(jī)施工作業(yè)特點(diǎn)及產(chǎn)生碰撞事故的原因，根據(jù)膠輪壓路機(jī)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，提出了膠輪壓路機(jī)由遠(yuǎn)及近的二級防撞控制策略，闡明了毫米波雷達(dá)遠(yuǎn)距離偵測、三維掃描激光傳感器近距離感知的防撞預(yù)警條件.

2)系統(tǒng)地分析了毫米波雷達(dá)傳感器、三維掃描激光傳感器、對地雷達(dá)傳感器及信號處理系統(tǒng)的功能與工作原理，為膠輪壓路機(jī)綜合防撞集成系統(tǒng)的開發(fā)提供技術(shù)支撐.

3)提出了膠輪壓路機(jī)施工過程中安全制動距離的確定方法，明確了壓路機(jī)防撞雷達(dá)與激光信號處理的重點(diǎn)是減少干擾，準(zhǔn)確檢測回波信號；而測速和測距的關(guān)鍵是差頻信號的計(jì)算.