一种道路裂缝自主灌缝修补方法及系统

本发明涉及道路养护工程，具体涉及一种道路裂缝自主灌缝修补方法及系统。

背景技术：

1、路面裂缝是道路病害中最早期、最普遍的形式。当前，国内大部分裂缝灌缝作业仍由人工完成，存在效率低、质量依赖工人经验、安全风险高等突出问题。为此，业内已提出多种自动化替代方案。例如，基于xy龙门架的自动灌缝车通过在龙门架上安装导轨和喷头，由顶部摄像头识别裂缝二维坐标并控制喷头按xy方向移动注胶。又如，基于遥控或预设轨迹的灌缝小车通过底盘移动带动喷枪沿裂缝行进修补。然而，上述现有方案仍存在以下不足：

2、一方面，现有方案的喷枪运动局限于二维平面，无法适应道路路拱、坡度等具有三维高度变化的路面环境，当喷头随路面高度变化时易导致注胶偏离或密封胶溅射。另一方面，现有方案的路径规划仅针对简单线性裂缝，当面对网状裂缝或多分支裂缝时，难以规划出兼顾遍历完整性与执行能耗的修补顺序，容易导致频繁抬枪、重复路径等问题。

3、综上所述，急需一种道路裂缝自主灌缝修补方法及系统以解决或者至少部分解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种道路裂缝自主灌缝修补方法，以解决三维路面环境下对复杂网状裂缝进行高效、低能耗修补的自主灌缝的问题，具体技术方案如下：

2、一种道路裂缝自主灌缝修补方法，包括以下步骤：

3、s1、获取路面裂缝的多维状态特征点云，所述多维状态特征点云包括裂缝骨架线的三维空间坐标信息以及裂缝物理宽度信息；

4、s2：基于所述多维状态特征点云，构建以裂缝段为节点、以裂缝段之间的空间转移动作为边的全连通拓扑图网络，并利用蚁群算法在所述全连通拓扑图网络上进行路径寻优，输出遍历全部裂缝段的最优修补路径；

5、s3：根据所述最优修补路径及所述多维状态特征点云，生成包含空间位姿序列、出胶量指令和实时补偿灌缝喷枪在

z轴方向补偿量的协同作业脚本。

6、优选地，所述步骤s1中获取裂缝骨架线的三维空间坐标信息及裂缝物理宽度信息的具体方法包括：

7、s11：获取道路路面的rgb图像和深度图像；

8、s12：对所述rgb图像进行实例分割，得到裂缝区域的二值化掩码；

9、s13：对所述二值化掩码进行欧氏距离变换，获取掩码区域内各像素点到掩码边缘的距离；

10、s14：对所述二值化掩码进行形态学细化处理，提取由单像素构成的裂缝骨架线，裂缝骨架线上像素点到掩码边缘距离的两倍值作为像素点对应的裂缝物理宽度表征值；

11、s15：将所述裂缝骨架线的像素坐标映射至所述深度图像，结合相机内参进行三维逆映射，生成裂缝骨架线的三维空间坐标；

12、将所述裂缝物理宽度表征值映射至所述深度图像，结合相机内参进行三维逆映射，生成裂缝骨架线的真实裂缝宽度值；

13、s16：将所述裂缝骨架线各像素点对应的裂缝物理真实宽度值与三维空间坐标进行关联，生成所述多维状态特征点云。

14、优选地，所述步骤s2中构建全连通拓扑图网络具体包括：

15、将经细化处理后的每条裂缝段定义为拓扑图网络的一个节点；

16、将灌缝喷枪从任一裂缝段转移至另一裂缝段的空间转移动作定义为拓扑图网络的边，从而构建任意两个节点之间均存在连通路径的全连通拓扑图网络。

17、优选地，所述步骤s2中利用蚁群算法以最小化综合能耗代价值为目标，生成最优修补路径；其中综合能耗代价值表示为：

18、

19、其中，为从裂缝段转移至裂缝段的综合能耗代价值；

20、为布尔变量，表征裂缝段与裂缝段在物理上是否直接连通；当时表示物理连通，当时表示物理不连通；不等于，表示除之外的任意一条未经过的裂缝；

21、为裂缝段的

实际物理长度；

22、表示裂缝段与裂缝段之间第种转移策略的空间直线距离；

23、所述转移策略包括裂缝段的终点到裂缝段的起点或裂缝段的终点到裂缝段的终点两种，表示其中的任意一种转移策略；

24、为转弯惩罚代价，，为裂缝段与裂缝段在交汇点处的局部切向量夹角；

25、为抬升惩罚代价，当裂缝段与裂缝段物理不连通时，，当物理连通时；为机械臂执行一次z轴跨越动作的固定升降做功；

26、为表征机械臂及底盘平动时单位距离能耗的转换系数，为表征机械臂姿态调整时单位偏转角能耗的转换系数。

27、优选地，所述步骤s2中利用蚁群算法进行路径寻优时，第只虚拟蚂蚁由当前裂缝段选择转移到候选的裂缝段的转移概率表示为：

28、

29、

30、其中，为第次迭代时从裂缝段到裂缝段的路径上的信息素浓度，为信息素启发因子，为期望启发因子，为第只虚拟蚂蚁尚未访问的裂缝节点集合；为综合能耗代价值的倒数；为求和遍历变量，用于遍历未访问的裂缝节点集合中的任意一个裂缝节点。

31、优选地，在每次迭代以后选择综合能耗代价值最低的路径进行信息素浓度的正反馈更新，更新公式为：

32、

33、

34、其中，为信息素挥发系数，为信息素增量，为信息素强度常数，为本次迭代中最优路径的综合能耗代价值。

35、优选地，所述步骤s3中生成协同作业脚本的具体方法包括：

36、对所述多维状态特征点云进行降采样，提取裂缝骨架线的空间位置控制点；

37、将空间位置控制点的三维坐标与其对应的裂缝物理宽度信息作为四维输入数据，进行b样条曲线拟合，得到平滑的修补轨迹线，同时将修补轨迹线上各点的裂缝物理宽度信息编译为出胶量控制参数；

38、基于所述修补轨迹线的空间距离与曲率对平滑的修补轨迹线进行切分，结合所述最优修补路径，生成包含空间位姿序列、出胶量指令和实时补偿灌缝喷枪在

z轴方向的补偿量的协同作业脚本。

39、优选地，所述步骤s3中实时补偿灌缝喷枪在

z轴方向上的位置采用阻抗控制策略，基于灌缝喷枪与路面之间的接触力偏差量，采用阻抗控制策略计算，其

z轴补偿量满足如下关系：

40、

41、其中，为惯性质量，为阻尼参数，为刚度参数，为灌缝喷枪的实际接触力与期望接触力之间的偏差量；为补偿灌缝喷枪在

z轴方向上的加速度；为补偿灌缝喷枪在

z轴方向上的速度；为补偿灌缝喷枪在

z轴方向上的位移。

42、优选地，在执行完所述步骤s3之后，还包括步骤s4：

43、s4：评价步骤，对修补完成后的裂缝进行修补覆盖率计算，当修补覆盖率大于等于预设阈值时判定修补合格，否则触发补充修补流程。

44、另一方面，本技术还提供一种道路裂缝自主灌缝修补系统，包括：

45、移动底盘；

46、多自由度机械臂，设置于所述移动底盘上，其末端安装有灌缝喷枪；

47、感知模块，包括深度相机，用于获取路面rgb图像和深度图像；

48、控制模块，与所述感知模块、所述多自由度机械臂及所述灌缝喷枪信号连接，所述控制模块包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述的道路裂缝自主灌缝修补方法的步骤；

49、所述灌缝喷枪包括喷枪本体和挤出电机，所述挤出电机的转速受控于所述控制模块输出的出胶量指令。

50、应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

51、本发明以裂缝的二维语义掩码为数据源头，通过欧氏距离变换获取各像素点对应的物理缝宽，再将骨架像素坐标结合深度图与相机内参逆映射至三维空间，构建出由三维空间坐标和物理缝宽构成的多维状态特征点云。该技术手段无需重建海量全局环境点云，即能以极低的算力开销精准获得裂缝的三维位姿与真实物理宽度，大幅释放工控机算力压力，同时为后续路径规划与变量注胶提供了完备而精准的工艺数据。

52、本发明将物理拓扑图映射为以裂缝段为节点、以空间转移动作为边的全连通拓扑图网络，使虚拟蚂蚁可在任意裂缝节点间自由游走，从根本上避免了传统蚁群算法面对非连通裂缝网络时容易陷入局部死锁的问题，实现全部裂缝分支的完整遍历；同时，本发明设计了融合移动距离、转弯角度、z轴抬升做功的能耗代价函数，使规划结果反映机械臂的真实作业能耗而非仅优化路径几何长度，显著减少频繁抬枪与重复路径，降低作业能耗、提升作业效率。

53、本发明将裂缝物理宽度作为第四维坐标，与三维空间坐标共同输入b样条核函数进行联合平滑拟合，生成空间位移与出胶量在时序上同步的协同作业脚本。该脚本同时驱动机械臂按轨迹扫掠、挤出电机按缝宽变量注胶，实现宽缝大排量、细缝小排量的自适应修补，保障了全路况下灌缝的饱满度与工程质量一致性。

54、本发明在执行层引入z轴阻抗控制的力位混合伺服机制，构建x-y平面刚性位置导引、z轴柔性阻抗顺应的控制架构，使重载机械臂能够在颠簸路面上实现高频的免碰撞动态贴合，杜绝刚性过载导致的伺服系统碰撞地面损伤，显著延长末端工具的使用寿命。

55、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其他的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。