智能駕駛技術在瀝青混凝土拌和廠的應用研究

姚進強，陳小燕，董玉超

（浙江省交通集團檢測科技有限公司，浙江 杭州 310030）

1 前言

養護施工作業環境惡劣，強烈的振動、轟鳴的噪聲、飛揚的塵埃粉末、高溫環境，甚至突如其來的意外都會嚴重危及駕駛員的身心健康乃至生命，另外，駕駛員勞動強度大，安全性和舒適性問題亟待解決。快速發展的無人駕駛汽車帶來重要啟示，工程機械固有的人工操作方式已經滿足不了人們對上述方面的需求，養護施工亟須遠程操控乃至無人化的智能工程機械。

現有拌和廠中大多采用手動操作的工程機械進行上料及卸料作業，通過對拌和廠作業流程的調研，選擇最普及、操控單元最多、操作要求較高的傳統工程機械裝載機進行智能化改造，作為拌和廠工程機械智能化改造的突破口，并解決以下三項關鍵問題，技術框架如圖1所示。

圖1 技術框架圖

（1）作業場地環境感知。實時感知作業場地環境、砂石料的體姿和裝載機上料過程中周圍環境變化，并實時推送識別事件。

（2）裝載機智能作業。當接收到啟動信號后，裝載機沿預設的路徑行駛，邊緣計算及控制系統實時進行路線偏離修正，使得裝載機到達指定的上卸料區域，并通過機械臂及鏟斗的控制實現裝載機的上卸料作業。

（3）智能安全保障。裝載機運輸過程中實時感知自身位置、車體與墻壁、料倉、料斗以及移動物體的距離和相對位置，并實時判斷異常信號信息，實現異常情況下的緊急制動和安全保障。

2 智能化作業設計

2.1 作業場地智能化設計

裝載機在遠程駕駛或者自動駕駛的過程中，無法近距離感知地面的情況。如果地面出現積水，軟坑或過于光滑的情況，將會導致裝載機行駛出現偏差；積水可能在裝載機行駛過程中濺起落在傳感器上，使車上的傳感器失效。環境中如果出現鏡面材料，則會影響激光雷達的測量精度導致定位不準確，也可能影響攝像頭的識別導致錯誤識別，降低裝載機行駛的安全性，降低算法的魯棒性。

因此，對場地要求環境封閉結構化，場地應進行混凝土硬化處理，硬化承載力滿足場內作業要求。場地硬化須滿足排水要求，不留積水的要求，面層排水坡度不小于1.5%，場地平面需要盡量水平平整，地表坑洞直徑不得大于2cm。場地四周設置磚砌排水溝，排水溝底面采用M7.5 水泥砂漿抹面，場地環境中盡量減少使用鏡面材質，以免對設備數據采集造成干擾。在場地設置標示牌，提醒場內的工作人員保證作業安全，安全標志必須符合國家相關規定，其大小為800×600mm。同時，無人駕駛作為一項正在發展中的技術，在使用的時候應當以安全為首要原則，不同的操作區域須有明確的作業規定和編碼，確保場地作業的安全，如圖2 所示。

圖2 拌和廠區域劃分及編碼示意圖

2.2 裝載機智能化設計

為了研制低成本、高可靠的智能化裝載機，裝載機的智能化設計方案適用于任何車型，通過在裝載機上加裝各類電控模塊和PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器控制系統，實現了裝載機的遙控操作和手動操作并用。智能化裝載機改造為一種電控模塊改造，在裝載機的操作室中包含電控轉向機構、電控油門機構、電控剎車機構、電控換擋機構、電控鏟斗機構以及電控手剎機構，各機構控制指令值如表1 所示。

表1 裝載機機械控制指令值

其中，轉向裝置是最復雜的一個裝置，由多個機構相連，需要精確地控制角度，并在轉動處設置角度傳感器，改裝方案電控轉向機構如圖3 所示。

圖3 電控轉向機構示意圖

電控油門機構裝置將電機的轉動轉換成油門的移動，并通過轉換裝置完成轉換，電控油門機構如圖4所示。

圖4 電控油門機構示意圖

電控剎車機構裝置將電機轉動轉換成剎車的轉動，電控剎車機構如圖5 所示。

圖5 電控剎車機構示意圖

電控換擋機構裝置能夠將電機驅動換擋撥桿，切換到設定的檔位，過程須確保檔位的正確性。換擋操作相當于一個跳變的過程，完成檔位切換后電機應立即松開驅動，防止對變速箱的損傷，電控換擋機構如圖6 所示。

圖6 電控換擋機構示意圖

電控鏟斗機構能夠同時操控兩個撥桿，需要兩個電機分別驅動并相互配合，以實現“鏟”和“放”的動作，電控鏟斗機構如圖7 所示。

圖7 電控鏟斗機構示意圖

電控手剎機構有“0”或“1”兩種狀態，應在裝載機停車后通過電機拉起手剎，在行駛前放下手剎，電控手剎機構如圖8 所示。

2.3 智能安全保障設計

裝載機在拌和廠內的主要作業流程分為點火啟動、前進至上料區、自動上料、前進至卸料區、完成卸料、回到起點六個步驟。各個環節的作業流程都會涉及人員、設備、操作等不同方面的安全風險。

（1）人員方面。裝載機智能行駛時，作業區域不能出現人員，且應在場內設置環境感知裝置和警報，選用事件檢測器對裝載機周圍人員進行檢測。

（2）設備方面。重點關注裝載機在行駛過程的安全保障，其中所有設備的故障碼和網絡通訊延遲的定時判斷和診斷尤為關鍵。

（3）操作方面。實時監測裝載機作業位置、行駛軌跡和異常操作，及時響應并對其修正。

3 系統實現

3.1 環境感知系統

環境感知系統對拌和廠不同區域進行識別定位和物料體積的檢測。以激光雷達、相機、微處理器為感知模組，單個模組可對識別范圍內的場景進行數據采集和處理，通過對多個感知模組采集到的數據進行整合并計算，實現真實場景的還原顯示。將16 線激光雷達傳感器和慣性測量單元IMU 固定在裝載機頂部，對拌和廠進行掃描，獲得大量的點云幀。通過點云的配準技術，對篩選后的全部點云幀進行合并，生成一張完整的三維地圖，如圖9 所示。

點云的配準應用了正態分布變換NDT(Normal Distribution Transform)，利用最優化技術確定兩點云之間的最優匹配。

如圖10 所示，為兩幀料倉點云數據配準前后效果比對圖。左側為未進行點云配準前，兩幀點云交錯并有多處雜亂；右側為通過正態分布變換算法進行點云配準后，兩幀點云中的平面以及對應的結構能較好地擬合。

為了計算物料的體積，應將激光雷達點云變換到三維地圖坐標系，再對激光雷達點云進行校正。激光雷達點云的校正工作由兩部分組成：（1）料倉左右模組的點云校正及完整的點云拼接；（2）將拼接完整的點云校正投影到預先構建的三維地圖。通過激光雷達和相機的融合，實現激光雷達點云的數據可視化到圖像。圖11為激光雷達點云數據與相機圖像數據融合的結果，同時保留了圖像信息以及三維信息。圖11（a）和圖11（b）分別為激光雷達點云數據和圖像數據，圖11（c）為激光雷達與相機數據融合圖。

圖11 激光雷達與相機數據融合圖

3.2 裝載機智能駕駛系統

裝載機智能駕駛系統主要包括裝載機、邊緣計算工控機、前后避障雷達、激光定位雷達、相機、全向大功率基站、無線遙控器、場地監控中心，安裝效果如圖12 所示。

圖12 安裝效果圖

其中，裝載機是智能駕駛主體設備；邊緣計算工控機用于數據接收、數據融合、算法運算和信號控制；前后避障雷達用于實時掃描現場情況，得出障礙物信息距離方向等數據；激光定位雷達用于定位裝載機位置；相機為無線視頻攝像頭，用于識別和回傳當前的環境圖像；全向大功率基站用于提供無線局域網通訊；無線遙控器用于加強裝載機的安全控制，若程序出錯，可通過無線遙控器急停按鈕急停裝載機；場地監控中心主要實現對智能駕駛裝載機狀態顯示和控制，如圖13 所示。

圖13 場地動態監控界面

裝載機智能行駛通過預先訓練好的指令集模型執行路徑規劃，PLC 接收指令后依次向對應的電機發送電信號，通過電機的轉動，使得裝載機實現前進后退、左轉右轉及動臂料斗的抬升下降。

3.3 智能安全保障系統

智能安全保障系統是保證整個智能化作業過程處于安全狀態的重要手段。通過視頻圖像判斷、異常操作判斷、設備故障碼判斷、異常通訊判斷和緊急制動執行，實現智能化作業系統的安全作業。

智能安全保障系統每隔0.1s 對異常操作信號和設備故障碼進行一次數據校準和定位，及時發現偏差，并調用響應策略。通過異常通訊判斷，實時獲取通訊信號狀況，如果出現設備故障碼或網絡延遲30ms 以上，則啟動緊急制動。

通過YOLOv4 算法，實時判斷視頻圖像中有無人員和障礙物，如出現人員，則啟動緊急制動，并通過異常警報裝置驅使人員撤離作業區域；如果出現障礙物，基于激光雷達對障礙物進行評價，并經過安全距離模型的計算和判斷，合理地選擇緊急制動或者轉向操作。

通過激光雷達SLAM 建圖定位，并利用環境感知系統，實時獲取裝載機相對位置及周圍異常變化，形成動態模型，如圖14 所示。此外，當感知作業區域能見度小于5m 時，激光雷達精度受到較大影響，則啟動緊急制動。

圖14 裝載機在行駛過程中的動態模型

4 結語

依托金麗溫高速公路麗水養護救援中心拌和廠場地，進行實驗應用。拌和廠場地占地面積13850.73m2，滿足智能駕駛對場地的要求，測試應用時采用封閉結構化環境。從環境的適配、裝載機的改裝、自動駕駛算法等方面進行測試，驗證了拌和廠地上卸料的智能駕駛系統及方法的可行性和潛在的應用價值。

研發的裝載機智能駕駛系統，具有成本低、安裝方便、可移植性強的特點，依據無人駕駛等級的分類標準，裝載機可以在特定環境實現自動駕駛，拌和廠場地為靜態高精地圖，地圖精度達到0.2 ～0.5m，且地圖的形態是通過靜態地圖和動態信息相結合，具有主動避障急停功能，滿足無人駕駛L3 等級要求。