The use of autonomous driving systems in construction work
The use of autonomous driving systems in construction work
Abstract
The work describes the potential for using unmanned vehicles in construction work. An analysis is carried out of the areas of application for unmanned vehicles. The use of systems for autonomous vehicle control, using radar and lidar, is suggested. A system is examined which provides a panoramic view, with the ability to duplicate and eliminate "blind spots" when controlling autonomous vehicles. The use of artificial intelligence is proposed to ensure the precise positioning of the vehicle within the construction site.
The suggested approach to vehicle management will ensure that the work carried out is done safely.
1. Введение
В наше время общеизвестна тенденция к цифровизации и автоматизации во всех областях жизни. Одним из аспектов такого направления прогресса является развитие интерфейсов типа «машина — мир человека», то есть средств взаимодействия машин с реальным миром. Это и различные манипуляторы, и транспортные грузовые платформы, и беспилотный транспорт, и так далее . Такие системы массово применяются уже несколько десятилетий, так как позволяют автоматизировать те процессы, которые требуют физических действий и перемещений предметов: от сварочных автоматов на автомобильных заводах до роботов-доставщиков. Но несмотря на это, всё ещё обладают огромным потенциалом по расширению.
Искусственный интеллект (ИИ) на сегодняшний день затрагивает все больше аспектов нашей жизни от банальных чат-ботов до сложных систем анализа погоды . ИИ используется также и в транспорте, в данный момент испытываются системы автопилота для легковых автомобилей 5 уровня, а автопилоты уровня 2–4 уже ограничено передвигаются по городам . Использование систем автопилотирования активно осуществляется и в специальной технике (таблица 1). Использование подобных систем позволяет задавать траекторию движения, осуществлять автоматическую корректировку при сходе с курса.
Испытания системы автопилотирования проводятся также на дорогах общего пользования в том числе и в России, так с 2023 года компания NATRAC являющаяся дочерним предприятием автопроизводителя КАМАЗ преодолела 6 миллионов километров по трассе М11. За указанный период автопилот с уровнем автономности SAE 4 не был замечен ни в одном ДТП. Использование автопилота позволило в 2024 году перевезти 330 тысяч кубометров сжиженного газа, а за 2025 год было совершенно 5400 рейсов.
Таблица 1 - Уровни систем автопилотирования
Уровень автопилота | Роль водителя | Пример реализации |
0 | Водитель полностью контролирует автомобиль | Парктроники |
1 | Автоматические системы помогают водителю, но он все еще должен контролировать ситуацию | Круиз-контроль |
2 | Системы автомобиля могут ускоряться и замедляться, также необходим контроль водителя | Адаптивный круиз-контроль, Tesla autopilot |
3 | Системы автомобиля могут управлять движением автомобиля, но также необходимо контролировать | Mercedes-Benz Drive Pilot |
4 | Автономное вождение по конкретным маршрутам | Такси Waymo, автопилот компании NATRAC |
5 | Автономное пилотирование, без участия человека | Отсутствует серийная реализация |
2. Методы и принципы исследования
Использование автопилота в строительной технике происходит на закрытой площадке. Работа строительной техники должна быть максимально точна, ввиду зонирования рабочего пространства. Поэтому использование систем отслеживания местоположения способами, которые используются системами автопилотирования на дорогах общего пользования, ввиду низкой точности порядка 20 метров у системы ГЛОНАСС и 1,7 у GPS, системы автопилотирования для ориентирования в пространстве используют сложную систему датчиков, состоящую из камер и лидаров, такое «машинное зрение» позволяет реагировать на изменение обстановки , . Использование камер и лидаров в строительной технике затруднительно, ввиду высокой степени загрязненности мест проведения строительных работ, данный фактор обязывает следить за состоянием объектива камеры и очищать от загрязнений, также ввиду различных факторов, сложное навесное оборудование может быть повреждено , . Отказ от вышеописанных систем не представляется возможным, ввиду этого необходимо учесть наиболее вероятные развития событий.
Строительная площадка является местом повышенной опасности, ввиду наличия работающей техники и механизмов, возможности падения различных предметов на работающий персонала, воздействия вредных факторов и прочие факторы риска, которые могут навредить здоровью или отнять жизнь человека.
Подробнее рассмотрим фактор травматизма с транспортными средствами. В данную группу факторов попадают как столкновения автотранспорта с другими транспортными средствами, так и наезды на рабочих не находящихся за управлением транспортным средством , .
Одной из причин возникновения дорожно-транспортного происшествия является ограниченная видимость транспортных средств, эксплуатируемых на строительных работах, обзорность различных погрузчиков, экскаваторов и прочей специальной техники порой недостаточна для безопасной эксплуатации в условиях ограниченного пространства, также дополнительными факторами являются высокая звуковая зашумленность.
Для решения данной проблемы предлагается установить на корпус строительной техники комплекс камер с лидаром , . Данные, с которых планируется обрабатывать искусственным интеллектом на борту специальной техники.
На данный момент подобные решения представлены на карьерных самосвалах. Использующиеся там системы состоят из GPS трекера, который располагается на персонале, на технике в свою очередь размещается набор оборудования, который может отслеживать приближение GPS трекер, при приближении на определенную дистанцию срабатывают предупредительные сигнальные знаки (звучит звуковой сигнал и срабатывают световые индикаторы на технике). В качестве недостатков данной системы можно выделить централизованность, данные о приближении поступают сначала на сервер, после чего на саму технику, на данный процесс требуется порядка 5–10 секунд, а при средней скорости транспорта в местах разработки месторождений в 20 км/ч техника успеет преодолеть порядка 25–50 м. Вместе с тем дополнительно стоит отметить ранее выявленную погрешность системы GPS, вследствие которой для обеспечения удовлетворительной точности необходимо использовать стационарные базовые станции.
3. Основные результаты
Обзор строительного транспорта может ограничиваться конструкцией кабины и кузова, рабочим оборудованием (ковш у бульдозеров, стрелы у автокранов и тд.), внешними препятствиями и условиями среды.
Использование системы камер и лидара позволит улучшить обзор и предотвратить ряд возможных столкновений
При использовании предлагаемой системы технике не нужно будет передавать данные на сервер для обработки данных, решение будет приниматься на месте, конкретным транспортным средством, информация о предполагаемом действии будет передаваться на другие автомобили, оснащенные данной системой. Данный подход позволит децентрализовать поток данных, увеличит скорость принятия решения и повысит общую надежность, поскольку общий сервер является уязвимым звеном, выход из строя которого критическим образом скажется на общей степени функциональности системы (рис. 1).
Рисунок 1 - Принципиальная схема работы предлагаемой системы
В случае, если автомобилю необходимо прийти в движение, а в слепой зоне находится персонал, система автоматически выводит на монитор изображение зоны, в которой находится человек, срабатывает световая и звуковая индикация, а перед началом движения необходимо нажать на кнопку-индикатор, подтверждая ознакомление о нахождении персонала в опасной зоне.
Подобная система C2X (Car to X) применяется в Европе и США на дорогах общего пользования, но с определенными отличиями. Объектами взаимодействия являются автомобиль и различные объекты инфраструктуры. Разработки в данной сфере ведут такие автомобильные производители как AUDI, BMW, HONDA, NISSAN и другие. Суть данной системы заключается в передаче текущих данных о состоянии автомобиля, а именно скорости и ускорения автомобиля, резкое нажатие на педаль тормоза, скорости вращения отдельных колес.
Сравним параметры обзора систем с модификацией и без, для этого по справочным данным построим схемы обзора по зеркалам заднего вида, также учтем геометрические параметры автомобиля Урал-4320 и дополним справочные данные графическими построениями.
Введем ограничения. Скорость движения техники на строительной площадке ограничена 10 км/ч, время реакции водителя в среднем составляет от 1 до 2 секунд, примем среднее арифметическое 1,5 секунды. По известным формулам найдем расстояние, которое транспорт преодолеет прежде, чем остановиться.
S = V*t
Искомое значение 4,21 м, примем во внимание низкое качество дорожного покрытия на строительной площадке, наличие песка, гравия, строительный мусор и прочие загрязнения и обозначим, что для полной остановки грузовику понадобится 5 м, графически обозначим это на схеме.
Дополнительным ограничением примем рост работника в 175 см, данное значение является средним для мужчин. Относительно роста работника графически обозначим зоны видимости в передней полусфере.
Имея схему видимости, можно заметить, что значительная область является «слепой», с помощью программы автоматизированного проектирования «Компас 3Д» найдем процентное отношение видимой области. Нужный нам параметр составляет 54,223%.
Наиболее крупные зоны без обзора расположены по левому борту и на карме транспортного средства.
Схематично изобразим данный рисунок с камерами дополнительного обзора по обоим бортам, на карме и в передней части автомобиля, расположим камеры так, чтобы нивелировать «слепые зоны» (рис. 2).
Совмещенная схема обзора автомобиля Урал-4320:
1 – фронтальная камера обзора; 2 – боковые камеры обзора; 3 – задняя камера обзора; А – зона обзора фронтальной камеры; Б – зона обзора фронтальной и боковой камеры обзора; В – зона обзора боковой камеры; Г – зона обзора боковой камеры и задней камеры; Д – зона обзора задней камеры
4. Заключение
По полученным результатам можно сделать вывод, что внедрение дополнительной системы контроля слепых зон существенно повысит обзорность транспорта, а интеллектуальный помощник в случае приближения персонала не позволит совершить наезд на человека.
Предполагается, что рассматриваемая системы будет являться активной системой безопасности, и вмешиваться в управление транспортом при условии наличия человека на близком расстоянии при движении транспорта, а также уведомлять водителя о наличии в слепой зоне персонала.
Внедрение систем автоматизации на строительной площадке является перспективным направлением, использование подобной системы позволит обезопасить трудовой процесс специалистов, однако данное решение не является окончательным вариантом исполнения, в дальнейшем возможно будет включить в процесс стационарные камеры, которые находятся на стройке, в таком случае автомобиль будет знать, что находится на пути следования заблаговременно.