一种隧道施工作业车及其自动驾驶系统的制作方法

1.本发明涉及隧道施工装备领域，特别涉及一种隧道施工作业车及其自动驾驶系统。


背景技术：

2.为解决传统隧道施工方式所存在的施工进度慢、质量难以管控、安全风险高等问题，现有施工作业多采用隧道施工作业车辅助施工，该车常用于隧道超前作业、开挖作业、支护及结构作业等工序中，既能有效提升隧道施工效率和质量，又能够降低施工安全风险。
3.现有的隧道施工作业车，在高风险地质条件下，为了避免施工人员进隧道，可采取远程驾驶和远程操控的作业模式，但是这种远程作业模式对驾驶员以及网络要求较高。
4.因此，可对作业车驾驶系统进行升级，使其具有自动驾驶功能，可自行进行路径规划和自动驾驶，以进一步提高安全性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隧道施工作业车及其自动驾驶系统，多感知冗余单元能够多维度感知周围信息，获取的信息更全面，并能依序更全面地处理所获得的物理信息，使生成的感知环境指令更可靠、更稳定、更全面，利于提升整车的安全性。
6.本发明所提供的隧道施工作业车的自动驾驶系统，包括多感知冗余单元，多感知冗余单元包括：
7.环境采样模块，用于多维度获取所感知的施工环境或障碍物的物理信息；
8.预处理模块，用于将物理信息解析并转换成理想物理信息；
9.坐标转换模块，用于将理想物理信息中的各采样坐标统一转换到车身坐标系；
10.特征提取模块，用于提取理想物理信息的特征信息；
11.融合处理模块，用于将各特征信息融合后生成的感知环境指令控制对应的执行部件执行相应的动作。
12.优选的，环境采样模块包括长距激光雷达、短距激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达和摄像头。
13.优选的，还包括多传感融合定位单元，多传感融合定位单元包括：
14.定位采样模块，用于采集车体的当前定位信息；
15.定位预处理模块，用于将当前定位信息解析并转换成理想定位信息；
16.定位坐标转换模块，用于将理想定位信息中的各定位坐标统一转换到车身坐标系；
17.地图生成模块，用于根据接收的理想定位信息构建拓扑地图和点云特征地图；
18.融合定位模块，用于融合各拓扑地图与各点云特征地图以获取理想层级地图并控制对应的行走部件沿理想层级地图行走。
19.优选的，定位采样模块包括：
20.洞外定位模块，用于在洞外对车体进行定位；
21.洞内定位模块，用于在洞内对车体进行定位。
22.优选的，多感知冗余单元与多传感融合定位单元均还包括：
23.时间模块，用于收集并记录相连模块的感知时间；
24.支持模块，用于依据时间模块反馈的信号同步各相连模块的时间。
25.优选的，还包括路径规划单元，路径规划单元包括：
26.地图导入模块，用于导入理想层级地图；
27.规划预处理模块，用于对多感知冗余单元及多传感融合定位单元二者所输入的感知信息进行处理以获取理想规划策略；
28.规划路径模块，用于在根据导入的理想层级地图选择相应的理想转向模式之后通过调用相应的理想规划策略生成理想规划路径；
29.路径后处理模块，用于优化拼接相连的理想规划路径形成理想标注路径。
30.优选的，还包括：
31.数据解析模块，用于根据多感知冗余单元、多传感融合定位单元及路径规划单元三者反馈的信息获取车体的当前状态信息；
32.横向控制模块，用于根据当前状态信息计算车体的方向盘的当前转角；
33.纵向控制模块，用于根据输入的当前速度误差控制车体以理想加速度行驶。
34.优选的，还包括：
35.驾驶模式选择模块，用于根据驾驶选择按钮反馈的信号控制车体进入相应的驾驶模式；
36.执行控制模块，用于根据驾驶模式控制执行部件执行相应的动作。
37.优选的，还包括：
38.液压流量感知模块，用于感知油路的当前流量；
39.功率匹配模块，用于根据当前流量调整油门的开度直至与当前流量相匹配，并发动机的当前转速调整至匹配的预设转速。
40.本发明所提供的隧道施工作业车，包括上述任一项所述的自动驾驶系统。
41.相对于背景技术，本发明所提供的隧道施工作业车的自动驾驶系统，包括多感知冗余单元，多感知冗余单元包括环境采用模块、预处理模块、感知坐标处理模块、特征提取模块和融合处理模块，先利用环境采样模块多维度获取所感知的施工环境或障碍物的物理信息，再利用预处理模块将物理信息解析并转换成理想物理信息，然后利用坐标转换模块将理想物理信息中的各采样坐标统一转换到车身坐标系，接着利用特征提取模块提取理想物理信息的特征信息，最后利用融合处理模块将各特性信息融合后生成的感知环境指令控制对应的执行部件执行相应的动作。
42.由上述可知，上述多感知冗余单元能够多维度感知周围信息，获取信息的维度增多，获取的信息更全面，加之其各模块能依序更全面地处理所获得的物理信息，使最终生成的感知环境指令更可靠、更稳定、更全面，避免因获知的信息不全或信息处理不合理而造成隧道施工作业车反应不灵敏或误动作，安全风险降低，因此整车的安全性更高。
43.本发明所提供的隧道施工作业车，包括自动驾驶系统，具有相同的有益效果。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
45.图1为本发明一种具体实施例所提供的隧道施工作业车的自动驾驶系统的各单元布局图；
46.图2为本发明一种具体实施例所提供的隧道施工作业车的自动驾驶系统的通信模块在洞外及洞内的通信状态图。
47.附图标记如下：
48.车体1、长距激光雷达2、短距激光雷达3、超声波雷达4、摄像头5、rkt 天线6、uwb标签7、卫星通信模块8、uwb模块9和激光slam模块10。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
50.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
51.请参考图1和图2，图1为本发明一种具体实施例所提供的隧道施工作业车的自动驾驶系统的各单元布局图；图2为本发明一种具体实施例所提供的隧道施工作业车的自动驾驶系统在洞外及洞内的通信状态图。
52.本发明实施例公开了一种隧道施工作业车的自动驾驶系统，包括多感知冗余单元，可从多个维度感知施工环境或障碍物，为车体1在狭长、灰暗、粉尘等恶劣施工环境提供多层次环境信息或障碍物信息，控制精确更高，整车更安全。
53.多感知冗余单元包括环境采样模块、预处理模块、坐标转换模块、特征提取模块及融合处理模块。
54.其中，环境采样模块包含多种搭载于车体1不同部位的传感器，用于多维度获取所感知的施工环境或障碍物的物理信息，文中的物理信息可以是施工环境的天气情况、灰尘含量、光照情况等信息，还可以是障碍物的位置、体积、距离等信息。
55.环境采样模块具体包括长距激光雷达2、短距激光雷达3、毫米波雷达、超声波雷达4和摄像头5，长距离激光雷达可以设于车顶、车头及车尾等处，用于感知施工环境中长距离环境的三维信息。短距离激光雷达可以是设于车头和车尾处，用于感知近距离密集环境或障碍物，实现近距离补盲。毫米波雷达可设于车头及车尾处，用于弥补长距离激光雷达和短距离激光雷达在雨雾、灰尘等恶劣环境下感知不足问题，还可用于补充检测施工环境或障碍物，使感知的物理信息携带更多类型的感知信息，感应更灵敏，控制更准确。超声波雷达4主要设于车底，用于感知车底的道路状况及障碍物，使车底实现防碰撞。摄像头5设于车头及车顶，可感知施工环境颜色、障碍物类型、相对位置及体积，补偿前述各激光雷达的不足。
环境采样模块既通过增加传感器的类型和多维度设置各传感器来满足多维度感知需求，使物理信息携带的信息更全面，感应较灵敏，响应速度块，利于提升整车的安全性。
56.预处理模块用于解析物理信息，并将解析后的物理信息转换成理想物理信息，具体地，将物理信息的数值信息及图像信息进行格式解析、数据转化及除燥等处理。
57.坐标转换模块，用于将理想物理信息中的各采样坐标统一转换到车身坐标系，也即将环境采样模块的各传感器坐标统一转换到车身坐标系。
58.特征提取模块用于提取理想物理信息的特征信息，具体地，分别对环境采样模块的各传感器进行特征提取。特征信息可以是距离、图像、体积、颜色或光线等。
59.融合处理模块用于将各特性信息融合后生成的感知环境指令，再利用感知环境指令控制对应的执行部件执行相应的动作，例如控制车体1的转向盘转角以实现避障，或降低发送机转速以通过减速来防止车体1颠簸碰撞等。
60.多感知冗余单元还包括时间模块和支持模块，其中，时间模块用于收集并记录环境采样模块、预处理模块、坐标转换模块、特征提取模块及融合处理模块各模块的感知时间，支持模块用于依据时间模块反馈的信号同步与时间模块相连的各模块的时间，避免响应速度因感知时间不统一而减慢，利于执行部件及时反应动作，行车较安全。
61.本发明的自动驾驶系统还包括多传感融合定位单元，使车体1能够在洞外、洞内及过渡区均能实现高频、高精度定位。
62.多传感融合定位单元包括定位采样模块、定位预处理模块、定位坐标转换模块、地图匹配模块和融合定位模块，定位采样模块用于采集车体1的当前定位信息。当前定位信息包括车体1上所设的各传感器的坐标值。具体地，定位采样模块包括洞外定位模块和洞内定位模块，洞外定位模块用于在洞外对车体1进行定位，洞外定位模块采用惯导rtk(real-time kinematic，载波相位差分技术)进行绝对定位，实现厘米级高精度定位。洞内定位模块用于在洞内对车体1进行定位，洞内定位模块采用uwb(ultra wide band，超宽带技术)和激光slam(simultaneous localization and mapping，同步定位与建图技术)融合imu(inertial measurement unit，惯性测量单元)进行绝对定位，通过uwb 定位数据对激光slam进行后端优化，构建层级地图，建立拓扑地图及相关联的点云特征地图，如此车体1可通过拓扑地图进行粗略定位，然后再依据点云特征地图完成精准匹配定位，以此提高车体1在隧道内的定位精度，适于施工环境复杂且特殊的隧道。
63.其中，车顶设有rkt天线6，洞内定位模块包括uwb基站和设于车顶的 uwb标签7，uwb标签7将检测的信息实时反馈至uwb基站。
64.定位预处理模块即可对各激光雷达及imu反馈的信息进行格式解析和除去运动畸变等噪声，还可对uwb反馈的标签数据等进行格式解析和平滑滤波等，如此可将当前定位信息解析并转换成理想定位信息。
65.定位坐标转换模块用于将理想定位信息中的各定位坐标统一转换到车身坐标系。地图生成模块可根据接收的理想定位信息构建拓扑地图和点云特征地图，如此可在拓扑地图内检索点云特征地图，并提供相应的点云特征地图供激光slam模块10匹配定位使用。融合定位模块既能融合环境采样模块和定位采样模块二者的各传感器数据，融合各拓扑地图与各点云特征地图，实现地图的匹配定位，如此获取理想层级地图，并控制对应的行走部件沿理想层级地图行走，这样便可使车体1实现粗定位及精定位。
66.此外，多传感融合定位单元也包括时间模块和支持模块，其中，时间模块用于收集并记录定位采样模块、定位预处理模块、定位坐标转换模块、地图生成模块和融合定位模块各模块的感知时间，支持模块用于依据时间模块反馈的信号同步与时间模块相连的各模块的时间，利于相应的执行部件及时反应动作，行车较安全。
67.本发明的自动驾驶系统还包括路径规划单元，采用两级全局规划器，对结构化道路和非结构化道路进行给定起点，对若干中途点和终点的行进任务进行元素层面规划，结合道路交通状态、地图给定的速度及宽度限制等评估元素规划结果，并生成路径，为最后进行碰撞检测及曲线回归平滑提供条件。此外，路径规划单元还可根据障碍物的速度、类型及路况选择性地调用前轮和后轮，实现八字或蟹形的转向规划策略，同时评估路径及动力学约束，生成兼顾车辆安全与效率的规划路径，减少重规划步骤，提供系统实时性。
68.路径规划单元包括地图导入模块、规划预处理模块、规划路径模块及路径后处理模块，
69.地图导入模块用于导入高精度的理想层级地图，理想层级地图包括结构化道路和非结构化道路两区域的道路特征。规划预处理模块用于对多感知冗余单元及多传感融合定位单元二者所输入的感知信息进行处理，处理包括判断障碍物与自身关系和新规划所需输入的规划策略等，如此可获取理想规划策略。规划路径模块先根据导入的理想层级地图选择相应的理想转向模式，再通过调用相应的理想规划策略生成理想规划路径，如此可实现对结构化道路和非结构化道路调用不同的规划策略，生成合乎决策规则与安全的路径。路径后处理模块用于优化拼接相连的理想规划路径形成理想标注路径，具体地，路径后处理模块先对规划轨迹进行拼接、平滑处理，调用最优的动力学优化模型，依此对车辆行驶路径和状态进行优化，形成安全、稳定且高效的理想标注路径。理想标注路径通常包括车辆的理想行驶轨迹与目标行驶状态等信息。
70.本发明的自动驾驶系统还包括数据解析模块、横向控制模块和纵向控制模块，其中，数据解析模块用于接收多感知冗余单元、多传感融合定位单元及路径规划单元三者反馈的信息，并对接收的信息进行数据解析，获取车体1 的当前状态信息，当前状态信息包括车体1的路径规划信息、定位信息、转向模式信息、车轮转角信息等。横向控制模块根据当前状态信息所反馈的路径规划信息、定位信息、转向模式信息、车轮转角信息，利用横向闭环控制算法计算车体1的方向盘的当前转角，使车体1行驶过程中达到理想的位置和姿态要求。纵向控制模块根据当前状态信息所反馈的定位信息、目标车速信息及当前车速信息，获取目标车速信息与当前车速信息之间速度误差，再根据获取的速度误差利用纵向控制算法算出驱动马达档位、变速箱档位、油门踏板开度、制动踏板刻度和手刹状态等控制信息，从而控制车体1以理想加速度行驶，使车体1在对应的期望位置和姿态下以理想速度沿理想轨迹行驶。
71.本发明还包括驾驶模式选择模块和执行控制模块，车体1设有驾驶选择按钮，当触发驾驶选择按钮时，驾驶模式选择模块根据驾驶选择按钮反馈的信号控制车体1进入相应的驾驶模式，本发明中车体1有本地驾驶、远程驾驶和自动驾驶三种模式。当进入相应的驾驶模式时，执行控制模块控制车体1的转向油缸、刹车油缸、手刹油缸、档位油缸的伸缩，进而自动控制方向盘、档位、刹车、手刹、油门等执行部件执行相应的动作。
72.本发明的自动驾驶系统还包括线控底盘单元，线控底盘单元以液压控制为主，包
括线控驱动、线控转向、线控发动机、线控档位和安全系统，通过液压换向阀控制变速箱档位、马达档位、前后桥转向模式，使车体1在不同的驾驶模式下均能够实现前轮转向、后轮转向、八字转向或蟹形转向等模式。
73.当车体1进入本地驾驶模式时，液压转向器对转向油缸进行控制实现转向，电子油门对发动机转速进行控制实现车速调节，液压助力刹车踏板对刹车进行控制实现刹车，电子手刹对手刹油缸进行控制实现手动刹车。
74.当车体1进入远程驾驶模式或自动驾驶模式时，液压换向阀将转向油路切换为比例阀控制，利用比例阀对转向油缸的伸缩，实现自动转向。刹车油路同时通过比例阀和刹车踏板控制，根据反馈的障碍物距离信息等指令实现自动刹车。电子油门和电子手刹均切换至指令模式，可根据障碍物的位置信息自动启动手刹。但需注意的是，无论何种驾驶模式，驾驶室刹车需始终恒定有效，确保行车安全。
75.本发明的自动驾驶系统还包括液压流量感知模块和功率匹配模块，液压流量感知模块用于感知油路的当前流量，功率匹配模块根据当前流量自动调整油门的开度，直至油门的开度与油路的当前流量相匹配，再利用功率匹配算法计算发动机的转速，直至将发动机的当前转速调整至匹配的预设转速。
76.本发明的自动驾驶系统还包括通信模块，使多感知冗余单元、多传感融合定位单元、路径规划单元、线控底盘单元等各单元实现信息的接收与发送，隧道外采用卫星通信模块8，隧道内采用由uwb模块9与激光slam模块10组合而成的组合通信模块进行通信。
77.本发明还公开一种隧道施工作业车，包括上述自动驾驶系统，具有相同的有益效果。
78.以上对本发明所提供的隧道施工作业车及其自动驾驶系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。