一种铰接式无人碾压施工机器人及其工作方法

本发明涉及机器人，更具体的说是涉及一种铰接式无人碾压施工机器人及其工作方法。

背景技术：

1、为了提高道路施工质量和效率，解决振动压路机施工中存在的问题，需要设计开发无人驾驶振动压路机。无人驾驶压路机可以实现24小时不停机施工，提高施工效率，同时减少驾驶员疲劳和安全风险。此外，无人驾驶压路机还可以通过多级安全防范措施和实时监测，提高施工安全性。例如以下几个方案：

2、1、公开号为cn116164740a的发明专利“一种多传感器融合的多场景无人驾驶振动压路机”，通过使用gps、rgb相机、轮式里程计、惯性测量单元等传感器融合定位的方式使得压路机无人驾驶模式得以切换，适应于多种场景下的无人高精度碾压作业。

3、2、公开号为cn110499696a的发明专利“一种路面自主施工机器人”，采用控制系统接管压路机所用电路控制信号的方式，实现压路机的自动驾驶，不仅能实现遥控作业还能实现人为规划下的自动作业。除此之外，还有类似的压路机无人驾驶技术，如：公开号为cn105002810a的发明专利“一种碾压机器人”、公开号为cn211340302u的实用新型专利“无人驾驶压路机碾压系统”、公开号为cn113512924a的发明专利“一种外挂式压路机无人辅助驾驶系统”等。

4、现有的无人驾驶压路机系统的验证方案主要以下几种：

5、1.仿真模拟验证：在电脑上将控制算法通过第三方仿真软件(例如adams、edems等)进行仿真，运行仿真软件，使程序算法在搭建的虚拟环境下运行程序仿真，以此来验证无人碾压施工控制算法可行性。这种验证方式的优点是环境限制小、参数调节容易、开发效率高；缺点是若参数设置不够精确，仿真与真实环境相差较远，可靠性较低。

6、2.小比例模型验证：对小比例压路机模型进行改造，加装传感器、通信部件、动力源等等，将控制算法写入单片机运行，在实验室环境验证控制算法的可靠性。这种验证方式的优点是验证环境为现实环境，可靠性较仿真而言得以提高，且开发成本方面也较实机改装得以降低；缺点是若动力源采用电动元件，而实车的执行元件为液压元件，电动元件的响应速度快、延时低，而液压元件的响应速度慢、延时高，因此在将控制算法转移上实车时，其控制算法的可靠性不高；若引用液压元器件，模型体积以及整车成本上则大幅度提高。

7、3.实机改装验证：对原有的压路机进行改造，将控制算法写入工控机，运用工控机对压路机方向盘、油门等进行实时控制并安装无线通信设备，运转程序并与上位机数据交互，以此验证无人碾压施工控制算法的可行性。这种验证方式的优点是环境真实，算法验证的可靠性高；缺点是开发成本高且受试验场地限制，开发效率较低。

8、因此，如何克服现有的无人驾驶压路机系统的验证方案的缺点，提供一种低成本、高可靠性的无人碾压机器人，为无人压路机控制算法提供验证平台是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种铰接式无人碾压施工机器人及其工作方法，解决了背景技术存在的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种铰接式无人碾压施工机器人，包括：电动压路机底盘以及安设于电动压路机底盘上的姿态测量单元、传感器及通讯单元、动力单元、控制与电机驱动单元、电源单元；

4、姿态测量单元，用于测量压路机姿态；

5、传感器及通讯单元，用于收集压路机的行驶数据、完成信息交互；

6、动力单元，用于给予压路机前进及转向动力，驱动压路机完成施工；

7、控制与电机驱动单元，用于对动力单元进行控制以完成压路机的前进及转向运动；

8、电源单元分别与姿态测量单元、传感器及通讯单元、动力单元、控制与电机驱动单元连接，提供电能。

9、可选的，电动压路机底盘包括：前车架、前车支架、前钢轮、后车支架、后车底盘；

10、前车架与前钢轮之间采用轴连接；前车支架固定于前车架上端；前车架后端与后车底盘前端铰接；后车支架刚性连接于后车底盘上，且后车支架分为三层。

11、可选的，姿态测量单元包括：前车姿态测量单元与后车姿态测量单元；

12、前车姿态测量单元固定在前车支架上，用于测量压路机前车姿态；后车姿态测量单元固定于后车支架的最上层，用于测量压路机后车姿态。

13、可选的，传感器及通讯单元包括：超声波传感器、uwb标签、uwb基站、通讯天线、机载人机交互面板、中控平台；

14、超声波传感器固定于前车架的前方两侧，用于感知前方障碍物；

15、uwb标签固定于前车架正前方，且uwb标签与uwb基站配合用于给予控制算法对压路机进行定位；

16、通讯天线、机载人机交互面板均位于后车支架的最上层，用于与中控平台进行信息交互，完成命令下发、数据收集的任务。

17、可选的，动力单元包括：齿轮驱动系统、齿轮转向系统，均位于后车底盘上方；

18、齿轮驱动系统包括第一减速齿轮、传动轴、第二减速齿轮、直流电机，第一减速齿轮与传动轴之间、传动轴与轮胎之间、第二减速齿轮与直流电机之间的输出轴均为刚性连接，第一减速齿轮与第二减速齿轮啮合，直流电机、传动轴、轮胎依次连接；

19、齿轮转向系统包括步进电机与前车齿轮，前车齿轮与步进电机输出轴上装配的齿轮啮合。

20、可选的，控制与电机驱动单元包括：主控板、底层控制器；

21、主控板安装于后车支架的中间层，用于接收传感器及通讯信号，并运用控制算法对底层控制器下发控制指令；

22、底层控制器位于后车支架的最底层，用于根据主控板的控制指令控制动力单元完成压路机的前进及转向运动。

23、可选的，电源单元包括：电池及电源管理模块，均位于后车支架的中间层，用于为姿态测量单元、传感器及通讯单元、动力单元、控制与电机驱动单元提供不同电压的电力来源并统计执行器能耗。

24、一种如上所述的铰接式无人碾压施工机器人的工作方法，包括：

25、将压路机转向执行机构简化为一阶惯性单元数学模型；

26、采集压路机实车液压执行器数据；

27、运用液压执行器数据对一阶惯性单元数学模型进行参数辨识，得到完整模型后引入底层控制器；

28、将顶层规划及控制算法导入主控板并通过中控平台下发作业任务及作业路径，在无人碾压施工机器人的循迹控制过程中采集循迹数据并通过通讯天线上传中控平台；

29、通过对多组不同控制算法的作业数据进行收集并对比，确定最适合的循迹算法及参数。

30、可选的，一阶惯性单元数学模型的计算方式为：

31、

32、式中：ang(k)表示转向步进电机的目标转向角度；i表示步进电机转向齿轮减速比；k表示一阶惯性转向单元的惯性增益；δt表示采样时间间隔；γ(k表示目标铰接角；t表示一阶惯性转向单元的时间常数；ang(k-1)表示上一时刻的步进电机目标转向角度。

33、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种铰接式无人碾压施工机器人及其工作方法，机器人体积小、重量轻，可以在实验室室内环境下进行无人碾压施工算法实验，使用其进行前期算法验证，降低研发人员和工程师的工作强度，提高研发效率，降低研发成本。具体优化效果如下：

34、(1)本发明采用一阶惯性模型加纯电动方案代替成本高昂的液压与元器件，既能体现实车液压元件执行慢、延时高的特点，提高了算法验证的可靠度，又节约了成本；

35、(2)本发明采用uwb超宽带室内定位方案，相较于gps定位对实验场地的适应性更强，定位精度更高，抗干扰能力更强；

36、(3)本发明采用多种传感器，可以对机器人在循迹过程中的状态进行多角度评估，进而对循迹算法、规划算法等进行针对性改善。