一种施工机械智能驾驶系统的制作方法

1.本实用新型涉及车辆无人驾驶技术领域，尤其涉及一种施工机械智能驾驶系统。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，无人驾驶汽车逐渐成为了汽车行业的发展趋势，许多车企也已在实验场地甚至实际道路上测试行驶，无人驾驶可以解放驾驶者的双手，将驾驶员从繁重的驾驶操作中解放出来，无人驾驶技术成为了研究的热点。
3.但是，目前还没有针对施工机械，特别是针对推土机的智能驾驶系统，施工机械作业过程还是采用传统的依靠人工操作的方式，其过程由于只能依靠人眼和经验进行判断，对驾驶员的技术要求较高，因此，用人成本高，在一些特别恶略的工作环境下，比如高温天气，驾驶员难以长时间胜任工作，影响施工效率。
4.因此，急需发展一种施工机械智能驾驶系统，可以适用于施工机械的无人驾驶作业，将驾驶员从繁重的驾驶操作中解放出来。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种施工机械智能驾驶系统，用以至少解决目前还没有针对施工机械的施工机械智能驾驶系统的技术问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供一种施工机械智能驾驶系统，用于施工机械的智能驾驶，包括：主控板、计算平台、车载ecu和障碍物信息获取装置，所述障碍物信息获取装置用于获取所述施工机械行驶环境的障碍物信息，所述计算平台对所述障碍物信息获取装置获取的障碍物信息进行障碍物识别并规划所述施工机械的行驶路径和作业行为，所述主控板获取所述计算平台的计算结果控制所述车载ecu，以使所述车载ecu控制所述施工机械行走和/或作业。
7.本实用新型提供一种施工机械智能驾驶系统，搭载在施工机械上，填充了目前没有用于施工机械的智能驾驶系统的空白，将驾驶员从繁重的驾驶操作中解放出来。
8.在一种可能实施的方式中，所述障碍物信息获取装置包括深度相机，所述深度相机设置在所述施工机械的车头前端的顶部，所述深度相机用于获取所述施工机械行驶环境的障碍物信息。
9.在一种可能实施的方式中，所述深度相机有至少四个，且分别设置在所述施工机械的四个侧面的顶部。
10.在一种可能实施的方式中，所述障碍物信息获取装置还包括3d激光雷达，所述3d激光雷达设置在所述施工机械的顶部，所述3d激光雷达用于获取所述施工机械行驶环境的障碍物信息。
11.在一种可能实施的方式中，所述主控板和所述车载ecu通过通信网络连接。
12.在一种可能实施的方式中，主控板和计算平台通过通信网络连接。
13.在一种可能实施的方式中，所述深度相机和所述计算平台通过数据线连接。
14.在一种可能实施的方式中，还包括交换机，所述3d激光雷达和所述计算平台均与所述交换机通过通信网络连接。
15.在一种可能实施的方式中，所述车载ecu通过控制所述施工机械的作业系统控制所述施工机械作业。
16.在一种可能实施的方式中，所述车载ecu通过控制所述施工机械的行走系统控制所述施工机械行走。
17.本实用新型提供一种施工机械智能驾驶系统，填充了目前没有用于施工机械的智能驾驶系统的空白，将驾驶员从繁重的驾驶操作中解放出来，实现了施工机械的无人驾驶作业，有利于提高施工作业的效率。
18.本实用新型提供的施工机械智能驾驶系统，针对施工机械的作业特点，通过设置所述障碍物信息获取装置获取施工机械行驶环境的障碍物信息，从而为所述计算平台规划施工机械的行驶路径和作业行为提供信息依据，避免施工机械行走或作业过程中发生安全事故。
19.本实用新型提供的施工机械智能驾驶系统，同时设置了所述3d激光雷达和所述深度相机，确保了障碍物检测任务的准确性，保证了施工机械无人化施工的安全性，避免由于所述3d激光雷达和所述深度相机其中的一个损坏而影响到施工机械使用的安全性，施工机械仍然可以正常获取和识别到障碍物，确保了施工机械无人驾驶施工作业的安全性。
20.除了上面所描述的本实用新型实施例解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本实用新型实施例提供的一种施工机械智能驾驶系统所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作进一步详细的说明。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本实用新型实施例提供的施工机械智能驾驶系统的控制框图；
23.图2为本实用新型实施例提供的施工机械智能驾驶系统的又一控制框图；
24.图3为本实用新型实施例提供的施工机械智能驾驶系统的3d激光雷达和计算平台连接关系图；
25.图4为本实用新型实施例提供的施工机械智能驾驶系统的施工机械结构示意图。
26.附图标记说明：
27.10-施工机械；
28.11-作业系统；
29.12-行走系统；
30.20-主控板；
31.30-计算平台；
32.40-车载ecu；
33.50-铲刀；
34.51-液压油缸；
35.60-障碍物信息获取装置；
36.61-深度相机；
37.62-3d激光雷达；
38.70-交换机；
39.80-履带。
具体实施方式
40.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
41.目前还没有针对施工机械，特别是针对推土机的智能驾驶系统，驾驶员只能凭借肉眼判断周围障碍物和依据自身经验进行作业操作，对驾驶员的技术要求较高，考虑到施工机械只有处于前进状态时才处于施工状态的作业特点，使得发展一种针对施工机械的施工机械智能驾驶系统成为可能。
42.鉴于上述背景，本实用新型提供的施工机械智能驾驶系统，设置了障碍物信息获取装置60用于获取施工机械10行驶环境的障碍物信息，并且设置了计算平台30基于障碍物信息获取装置60获取的障碍物信息进行障碍物识别并规划施工机械10的行驶路径和作业行为，主控板20获取计算平台30的计算结果，最终传输信号给车载ecu40控制施工机械10行走和/或作业。其中，车载ecu为车载电子控制单元(electronic control unit,ecu)是施工机械10专用的微机控制器。
43.下面参考附图描述本实用新型实施例提供的施工机械智能驾驶系统。
44.参考图1所示，本实用新型提供的一种施工机械智能驾驶系统，用于施工机械10的智能驾驶，包括：主控板20、计算平台30、车载ecu40和障碍物信息获取装置60，障碍物信息获取装置60用于获取施工机械10行驶环境的障碍物信息，计算平台30基于障碍物信息获取装置60获取的障碍物信息进行障碍物识别并规划施工机械10的行驶路径和作业行为，主控板20获取计算平台30的计算结果控制车载ecu40，以使车载ecu40控制施工机械10行走和/或作业。
45.本实用新型提供的一种施工机械智能驾驶系统，搭载在施工机械10上，填充了目前没有用于施工机械10的智能驾驶系统的空白，将驾驶员从繁重的驾驶操作中解放出来，实现了施工机械10的无人驾驶作业，有利于提高施工作业的效率。
46.本实用新型提供的一种施工机械智能驾驶系统，通过设置障碍物信息获取装置60获取施工机械10行驶环境的障碍物信息，从而为计算平台30进行识别障碍物和规划施工机械10的行驶路径和作业行为提供信息依据，避免施工机械10行走或作业过程中发生安全事故。
47.容易理解的是，施工机械10施工作业的行驶环境基本上都是在围栏围起来的区域
内进行，因此障碍物信息获取装置60的主要对象是施工场地内的施工机械和工人。计算平台30上具有人机交互界面，可以是显示屏，通过人工手动输入，进行启动该施工机械智能驾驶系统。
48.容易理解的是，本技术提供的施工机械智能驾驶系统，不限于用于推土机，也可用于压路机等其他的施工机械。
49.参考图2和图4所示，在一种可能实施的方式中，障碍物信息获取装置60包括深度相机61，深度相机61设置在施工机械10的车头前端的顶部，深度相机61用于获取施工机械10行驶环境的障碍物信息。
50.本实施例中，深度相机61设置在施工机械10的车头前端的顶部，使得深度相机61的视线无阻碍，深度相机61可以探测施工机械10的车头前向的障碍物，便于深度相机61进行障碍物检测。
51.在一种可能实施的方式中，深度相机61是一种获取场景深度方向上的信息的装置，深度相机61可以采用型号为d1010-50的深度相机，其内部集成了深度计算芯片，可以直接输出深度数据，识别深度可达10米，帧率最高可达60hz，深度误差在2％之内，自带的硬件双目帧同步、全局快门、自动白平衡提高了数据的易用性与可用性。
52.在另一种可能实施的方式中，深度相机61可以有至少四个，且分别设置在施工机械10的四个侧面的顶部。施工机械10为推土机时，四个深度相机61分别设置在施工机械10的四个侧面的顶部，从而使得深度相机61能够检测到处于推土机的铲刀50两侧的障碍物，以及铲刀50前侧的障碍物，实现对推土机的周围环境全方位检测，从而确保对推土机行驶环境的障碍物信息检测效果。
53.深度相机61的障碍物探测距离可达10米，视场角度为64
°
，且施工机械10在标准施工速度下的刹车距离为2m，因此深度相机61的探测距离满足安全施工的要求。
54.本实施例中，深度相机61工作时，深度数据的获取基于深度相机61的rgb双目，根据左右两个rgb双目获取的rgb图像的特征匹配情况与相机基线长度计算距离。深度相机61使用全局快门，基于双目结构光测距，并且内置惯性测量单元(international mathematical union，imu)，输出的rgb图像和深度图的输出分辨率与频率都较高，符合施工机械10的应用场景。
55.在一种可能实施的方式中，障碍物信息获取装置60还包括3d激光雷达62，3d激光雷达62设置在施工机械10的顶部，3d激光雷达62用于获取施工机械10行驶环境的障碍物信息。
56.在一种可能实施的方式中，3d激光雷达62可以采用型号为rs-lidar-16的3d激光雷达，其探测距离达150米，高达20％的目标反射率可保证百米外的暗色物体也可被获取。
57.计算平台30根据3d激光雷达62获取的障碍物的点云数据，计算360
°
范围内的障碍物信息，实现全方位的障碍物检测功能，且不受环境光的影响。
58.3d激光雷达62被安装在施工机械10的顶部，即施工机械10车身的最高处，使得3d激光雷达62的四周无遮挡，其探测距离最远可达150米，在360
°
范围全方位探测，从而实现全方位的障碍物检测功能。
59.深度相机61和3d激光雷达62均用于获取施工机械10行驶环境的障碍物信息，深度相机61获取施工机械10行驶环境的障碍物的图像信息，3d激光雷达62获取施工机械10行驶
环境的障碍物的点云数据，计算平台30根据3d激光雷达62获取的障碍物的点云数据、以及深度相机61获取的障碍物的图像信息都能够输出准确的障碍物类别信息和较为准确的障碍物距离信息。本实施例中同时设置了3d激光雷达62和深度相机61，保证了施工机械10无人化施工的安全性，确保了障碍物检测任务的准确性，避免由于3d激光雷达62和深度相机61其中的一个损坏而影响到施工机械10使用的安全性，施工机械10仍然可以正常获取和识别到障碍物，确保了施工机械10无人驾驶施工的安全性。
60.在一种可能实施的方式中，主控板20和车载ecu40通过通信网络连接。可以是主控板20和车载ecu40通过can网络实现通信连接，便于信号传输。can网络指的是控制器局域网络(controller area network，can)的简称。
61.在一种可能实施的方式中，主控板20和计算平台30通过通信网络连接。
62.可以是主控板20和计算平台30通过以太网实现通信连接，便于信号传输。
63.在一种可能实施的方式中，深度相机61和计算平台30通过数据线连接。可以是深度相机61和计算平台30通过usb数据线传输信号，其中，usb数据线为通用串行总线(universal serial bus，usb)。
64.在一种可能实施的方式中，参考图3所示，该施工机械智能驾驶系统还包括交换机70，3d激光雷达62和计算平台30均与交换机70通过通信网络连接。交换机70用于实现数据交换。
65.可以是3d激光雷达62和交换机70通过以太网实现通信连接，交换机70和计算平台30通过以太网实现通信连接，便于信号传输。
66.在一种可能实施的方式中，主控板20、计算平台30和交换机70可以是设置在施工机械10的机身部位。
67.计算平台30根据深度相机61获取的障碍物的图像信息能够输出准确的障碍物类别信息。可以是将深度相机61获取的障碍物的图像信息与计算平台30预设的障碍物的图像信息作对比、进行匹配，实现障碍物识别功能。
68.计算平台30根据3d激光雷达62获取的点云数据完成3d激光雷达62障碍物类别、距离、角度信息的计算。
69.3d激光雷达62给施工机械10提供360
°
的障碍物感知能力，3d激光雷达62获取的点云数据中每一帧激光雷达数据帧包含数万个激光反射点，需要提取出点云中的障碍物信息，可以利用利用点云目标识别技术，其中，点云目标识别技术包含点云预处理、点云分割与点云目标识别三大部分。
70.先是对3d激光雷达62获取的点云数据进行预处理，去除3d激光雷达62获取的车顶区域、底面等干扰点。由于3d激光雷达62获取的点云数据的数据量很大，为了加快计算速度，可以使用体素滤波器对点云进行降采样，其原则是在保证点云的整体分布和边缘信息的前提下，适当降低点云的密度。
71.然后对预处理后的点云数据进行点云分割，点云分割的目的是使点云变得结构化，即分离出点云中属于地面和各个障碍物的部分。可以初步分割出地面点云和障碍物点云，此时障碍物点云是所有障碍物的集合，再对障碍物点云进一步分割，从而获得若干结构化的障碍物独立点云，此时已经可以获得障碍物的距离、角度信息以及点云的边界框。
72.最后对点云分割步骤之后的每个障碍物的独立点云进行识别，基于深度学习的方
法，设计卷积神经网络，计算点云的shot、fpfh等特征子，融合特征训练分类器，从而实现点云目标的分类，可以是将每个障碍物的独立点云分别与计算平台30预设的障碍物信息作对比、进行匹配，实现障碍物识别。
73.在一种可能实施的方式中，参考图2和图4所示，施工机械10为推土机，车载ecu40通过控制施工机械10的作业系统11控制施工机械10作业；和/或车载ecu40通过控制施工机械10的行走系统12控制施工机械10行走。
74.在一种可能实施的方式中，施工机械10为推土机，推土机的铲刀50设置在推土机的前端，作业系统11用于驱动推土机的铲刀50作业，作业系统11采用现有的结构。
75.容易理解的是，施工机械10的行走可以是前进或者后退。施工机械10的行走系统12可以包括履带80和驱动该履带80动作行走的的驱动马达，车载ecu40通过控制施工机械10的驱动马达实现控制施工机械10行走。行走系统12采用现有的结构。
76.在一种可能实施的方式中，施工机械10为推土机，施工机械10的作业可以是铲刀50向前推土、铲刀50向上举起土或者铲刀50向下放下土等。作业系统11包括液压油缸51，液压油缸51动作实现施工机械10的铲刀50作业。车载ecu40通过控制施工机械10的液压油缸51动作实现控制施工机械10作业。
77.计算平台30规划施工机械10的行驶路径，可以是根据障碍物的类型选择绕过障碍物，也可以是停止工作等待障碍物离开后再前进。
78.例如在深度相机61和3d激光雷达62检测到施工机械10前方有施工机械时，计算平台30通过计算规划施工机械10的行驶路径可以是绕开该障碍物。在深度相机61和3d激光雷达62检测到施工机械10前方障碍物达到施工机械10安全距离范围内时，会立即停止施工机械10的运动和作业，直到障碍物离开安全距离之外。施工机械10为推土机，在深度相机61和3d激光雷达62检测到施工机械10前方仅有土堆时，计算平台30通过计算规划施工机械10的行驶路径为向前行驶，并进行推土作业。
79.本实施例提供的施工机械智能驾驶系统，搭载在施工机械10上，深度相机61和3d激光雷达62均用于获取施工机械10行驶环境的障碍物信息，其获取的施工机械10行驶环境的障碍物信息传输给计算平台30，计算平台30通过计算识别障碍物并规划施工机械10的行驶路径和作业行为，通过以太网网传输信号给主控板20，主控板20通过can网络将控制信号传输给车载ecu40，车载ecu40接收信号并控制施工机械10行走或作业。智能化程度高，安全实用。
80.这里需要说明的是，本技术涉及的数值和数值范围为近似值，受制造工艺的影响，可能会存在一定范围的误差，这部分误差本领域技术人员可以认为忽略不计。
81.在本实用新型的描述中，需要理解的是，所使用的术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“顶端”、“底端”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“轴向”、“周向”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或原件必须具有特定的方位、以特定的构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
82.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例
如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
83.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成为一体；可以是机械连接，也可以是电连接或者可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以使两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
84.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
85.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。