华侨大学林添良教授重载移动机械绿色智能驱动控制团队：基于环境识别的电动工程机械无人驾驶行走方法丨JME封面文章

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工程机械是工业建设的重要支柱，主要应用于大型工程施工现场，在国防建设、交通运输、矿山开采、城市建设等重要领域起着不可替代的作用。无人驾驶指车辆在行驶过程中完全由无人驾驶系统控制，不需驾驶员操作即可在所有环境条件和道路情况下完成作业。工程机械作业环境恶劣，经常伴有振动、高温和粉尘等情况，驾驶员工作过程往往伴有极高的风险性；部分工程机械作业过程存在较高的重复性，某些作业任务仅需在固定区域内重复相同动作。为降低工程机械作业的风险，节约劳动力成本，工程机械无人驾驶的实现具有重要意义。

针对工程机械工况的复杂性和履带式工程机械行走速度不高的特点，华侨大学林添良教授重载移动机械绿色智能驱动控制团队在《机械工程学报》2021年第10期以封面文章的形式发表了《基于环境识别的电动工程机械无人驾驶行走方法》一文，团队设计了基于摄像头的端到端决策系统，系统可有效简化决策过程，提高系统运行过程中的数据处理速度。整个系统分为两部分：路况信息获取处理、控制信号获取。

路况信息获取处理即利用本文提出的实时语义分割网络对由摄像头获取的路况信息进行分割，本文在CamVid公开数据集对语义分割网络模型进行了预训练，并将完成训练的网络模型导入Udacity self-driving-car-simulator无人驾驶模拟仿真平台进行模拟行驶测试。

路况信息获取是指通过语义分割结果输出车辆控制信号，在CamVid数据集上完成预训练后，利用迁移学习导出获得的权重，将模型最后的上采样层换为全局池化网络，再接全连接神经网络输出控制信号，在自采数据集上进行微调训练进行200个回合后完成训练。

为验证系统在实际整机上的效果，系统在电动履带挖掘机的无人驾驶平台进行了基于单目摄像头传感器平台的非结构化道路无人驾驶行走试验。

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引用本文

林添良, 姚瑜, 许文杰, 付胜杰, 任好玲, 陈其怀. 基于环境识别的电动工程机械无人驾驶行走方法[J].机械工程学报, 2021,57(10): 42-49.

LINTianliang, YAO Yu, XU Wenjie, FU Shengjie, REN Haoling, CHEN Qihuai. DriverlessWalking Method of Electric Construction Machinery Based on EnvironmentRecognition[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(10): 42-49.

结果

（1）在CamVid数据集上的测试结果

本文所提出的Ours1，Ours2网络的参数量分别为0.34、0.45，远小于SegNet、DenseNet56等其他网络；平均IoU为60.7、61.1；分割准确率为89.3%、89.1%高于Enet、SegNet、DenseNet56。

（2）模拟行驶测试结果

直线路段：模型预测值在0附近小幅度徘徊，车辆始终保持直线方向行驶；转弯路段：模型预测值可选择较佳的入弯时间，转向角度较为准确，转弯后回正的延迟在50ms内；多种干扰路段：模型有较好的鲁棒性和抗干扰性，保证了行驶任务的顺利完成。

（3）整机试验测试结果

直线行驶试验中，挖掘机可沿指定直线部分自动驾驶，车身平稳，无突然加速，减速情况。

转弯试验中，车辆可进行90°的直角转弯，转弯过程平稳，角度准确，且因预测值的平稳性，降低了履带式挖掘机的抖动，增加了传感器平台摄像头获取图像的质量，提高了预测效果。

进行偏离回正试验中，挖掘机可在30°以内的偏离情况下自动回正，回正时间与角度成正相关；偏离在30°至35°之间时，挖掘机在一定程度上可以回正，回正次数随着角度增大而减少；偏离在35°以上角度时，单目相机视野发生变化，由于训练的过拟合导致挖掘机不能及时回正。

结论

本文针对工程机械作业的行走控制特点，提出了一种基于摄像头的端到端工程机械无人驾驶系统，系统通过语义分割算法进行环境识别，采用端到端决策系统获取控制信号，从而控制工程机械实现行走、转弯、回正等功能。通过在Udacity开源模拟器与实际车辆上进行试验，证明该系统具有较好的预测性能，可实现工程机械的正常行走，具有良好的鲁棒性，抗干扰性。

前景与应用

当前工程机械自动驾驶实现的作业场景大多为矿山、港口等封闭环境，车辆行驶路线固定、作业任务单一，处理紧急情况的能力较差。总体而言，当前工程机械自动驾驶方面的研究还有大量空白，开展针对工程机械的自动驾驶技术研究具有极高的学术意义和工程意义。

主创简介

林添良，1983年出生，博士，教授，博士生导师，机械工程学会高级会员，中国液压专业委员会秘书长。入选福建省雏鹰计划青年拔尖人才、福建省杰青、福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划，厦门市拔尖人才、泉州市青年拔尖人才项目等，先后获得福建省五四青年奖章、泉州市五一劳动奖章、五四青年奖章、厦门市五四青年奖章等。2011年7月至今在华侨大学机电及自动化学院从事工程机械流绿色智能驱动与传动技术、电液元件及系统的创新设计的教学科研工作。主持国家重点研发计划项目、国家基金、国际合作项目等科研项目23项。出版专著2本《工程机械节能技术及应用》和《电动挖掘机关键技术及应用》；出版教材1本《液压传动》；第一作者或通信作者发表论文50余篇，SCI/EI收录论文34篇，其中TOP期刊论文11篇，单篇论文最高影响因子为12.11；6篇论文为流体传动与控制领域引用次数较高的论文；获会议最佳论文2篇。授权发明专利30余项，并完成专利转让3项；先后攻克了多动力耦合驱动、纯电驱动、能量回收和高效电液驱动等关键技术，在国内外率先将多项节能技术应用于工程机械，研制了多台具有自主知识产权的节能型工程机械样机。

团队介绍

华侨大学移动机械绿色智能驱动控制研究团队围绕工程机械、重型车辆等典型移动机械的节能减排和智能化核心关键技术，在机电液多动力耦合、能量回收与再释放一体化、高效电液驱动与控制、智能驱动与控制等方面开展了系统的创新研究工作，先后攻克了多动力复合驱动及能量流动态优化、电驱-液驱刚柔耦合协同控制、高功率密度和高能量密度相结合的电液复合储能与释放匹配、基于压力补偿的溢流损耗和节流损耗回收系统与控制等核心关键技术难题，突破整机能效提升有限的瓶颈，研制了高功率密度变转速电机泵、多动力耦合箱、液压反馈型电机控制器等全球首批新能源工程机械专用零部件，研制了系列化国内外领先的混合动力挖掘机/重型叉车、电动挖掘机/装载机/叉车、能量回收型起重机/旋挖钻机等数十种机型，在北上广等城市的地铁施工、绿色矿场、智慧港口等绿色施工中发挥了重要作用，为工程机械行业的可持续发展发挥了重要作用，为我国早日实现双碳远景目标做出了贡献。

*研究方向

（1）移动机械绿色节能技术

1）动力节能技术：纯电驱动、液电复合驱动、液压混合动力、油电混合动力等。

2）能量回收技术：机械臂势能回收、制动动能回收、液压节流压差能量回收、溢流损耗回收等。

3）高效电液驱动系统：分布式驱动、新型流量匹配技术、泵控技术、变频定量泵技术、负载口独立控制、矩阵液压控制技术。

（2）工程机械智能化关键技术

无人驾驶、远程遥控、自动作业、智能诊断

（3）绿色智能关键元件与系统的集成创新

直线EHA、旋转EHA、比例插装溢流阀，比例插装节流阀，分布式柱塞式泵，高功率高频响电机泵，溢流节流一体化阀，无压差损耗溢流阀、新能源电机及液压反馈型电机控制器、高压管理单元、整机VCU等。

*主要成果

近五年，承担了国家重点研发计划项目、国家基金、国际合作项目、重大产学研项目等科研项目56项；获省科技进步奖二等奖1项，国际发明展览会金奖1项及国家级金课1项；发表高质量论文80余篇，出版专著3部，教材1部；授权国家发明专利60余项（转让3项），参与制定标准4项。

*行业服务

研发成果已广泛应用于Hitachi、徐工集团、华南重工机械制造有限公司、厦工重工有限公司、英轩重工股份有限公司、福龙马等行业内领军企业的多种产品中。

编辑：金程    校对：张彤

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