基于激光测距的过隧移动车辆自动导航系统
基于激光测距的过隧移动车辆自动导航系统
作者:王冬梅;游向荣;
在西部铁路客运专线施工建设中, 由于地理环境的限制,山岭隧道诸多,常规普通的运架设备,无法完成山岭隧道地区的桥梁运输与架设任务。因此移动车辆需集运输、架设任务于一体,对大吨位大体积的梁片进行梁场取梁、路基和隧道内运梁、桥头架梁等操作。决定移动车辆的作业率与安全性的关键点是:在重载情况下移动车辆能以正常平稳的速度安全无碰撞地穿越隧道,因此迫切需要解决大吨位移动车辆穿越隧道的自动导航问题。目前已有的移动车辆隧道内行走自动导航技术为图像识别与处理方法(即自动寻迹技术)。在隧道内中心位置拉一根白线,在箱梁移动车辆主机前后各设置一套照相装置,主机在隧道通行时,照相机对白线进行照相,将图像传到控制器,控制器根据照片中白线的位置判断主机在隧道内的位置,从而对走行轮组转向角度进行适当调整,使主机大致位于隧道中部位置,避免主机结构和所运箱梁与隧道壁发生接触碰撞, 达到自动导航的目的。该导航技术需要在隧道工程全部完工,隧道内中心位置白线保管完好的情况下,才能实现自动导航,且受光照条件影响较大。这对隧道施工条件与环境要求过于苛刻,无法适应施工现场的施工条件,另外,图像识别与处理所需硬件和软件费用很高,维护维修困难,这些都制约了其应用,并且实际应用效果不理想。鉴于上述传统技术的缺陷,研制一种低成本、高效率、高安全性的穿越隧道自动导航技术是十分必要的。本文采用基于激光测距仪扫描和实时路径规划的方法, 来解决移动车辆穿越隧道的自动导航问题。
1 系统整体设计方案
基于激光测距的自动导航系统是一个多变量、多回路的复杂系统,主要由以下几部分组成:激光测距系统,车体高度控制系统,梁片高度控制系统,导航速度控制系统。要使其达到最佳运行状态和安全生产,自动导航系统必须具备以下功能:
1)自动检测和控制功能,包括所载箱梁的高度、整个车体的高度、起重小车的位置以及走行轮组的转向角度的检测、车辆速度的控制。
2)自动保护和报警功能,当箱梁某一侧距离隧道壁过近时,能够发出自动减速或报警停车指令。
3)主机到达隧道入口时,能自动切换到隧道自动导航模式,穿过隧道到达出口后,能自动切换到正常走行模式。
4)能根据隧道实际路况自适应地设置高度、长度、距离等报警参数。
基于激光测距的移动车辆穿越隧道自动导航系统主要包括工程车辆控制器、卷筒编码器、均衡油缸测长传感器、走行轮组转向角度编码器及触摸屏等,包括:四个卷扬机及安装其上的编码器, 卷扬编码器安装在卷筒一端输出轴上, 随卷扬机同步运行, 用于测量起重小车提起箱梁的高度; 前后走行四组车架机构,每组车架前后均衡油缸上设置测长传感器,随均衡油缸同步伸缩,获取均衡油缸长度,从而确定整个车体的高度;前后车架走行轮组转向机构, 在每个走行轮组转向机构上装有转角编码器,走行过程中实时检测每个车轮的角度;前后走行四组车架机构外侧各轮组上端设置有多个垂直面向隧道内壁的激光测距传感器,用于检测主机与隧道壁的距离。
2 路径规划与导航控制
以路面的中心线作为移动车辆的期望驱动方向是一种安全有效的路径规划方法。本文所研究的移动车辆行驶速度不高,尤其在载重穿越隧道情况下行驶速度更低,且隧道一般变化平缓;因此可采用线性模型实时拟合隧道路面边缘。即:利用多个激测距传感器检测实时两侧的隧道壁, 采用线性模型实时拟合出安全路面的中心线, 并根据路面中心信息生成下一步运行的期望驱动方向。
当移动车辆开始作业时, 首先需要判断车辆是否进入隧道口, 此时当车辆头部两侧的激光测距传感器所检测的距离小于隧道的宽度时,可判断车辆进入隧道口。车辆控制器立即自动切换到隧道走行模式, 并根据上述相应的多个传感器对车辆的状态(载重、车体及箱梁高度、走行速度、轮组角度等)进行判断,并通过显示屏或报警系统给出相应提示。
2.1 车辆定位
为了保障移动车辆安全无碰撞地穿越隧道, 必须先确定出隧道壁相对于车体的位置。在车辆运行过程中,利用多个垂直面向隧道内壁的激光测距传感器对两侧隧道壁进行激光扫描。扫描结果是一组离散的数据点(d,φ);其中φ 表示扫描角度,d 表示表示在对应角度上最近目标的距离; 该数据点是以激光测距传感器为中的极坐标系表示的。当车辆进入隧道口时, 需进行初始定位控制以使主机与隧道壁保持一定的安全距离。主要利用车头车位左右两侧四个角上的激光测距传感器检测主机与隧道壁的距离, 主机前后车架轮组是独立转向的, 即主机前后车架分别依据各自的传感器检测到的与隧道壁的距离进行轮组转向控制, 使主机始终与隧道壁保持一定的安全距离。
设d1L、d1R表示车头与左右两侧隧道壁的间距,d2L、d2R表示车尾与左右两侧隧道壁间距,dmin表示最小的安全距离, 当车体与隧道壁间距小于dmin时就会发生碰撞危险;dmax表示绝对安全距离。当车辆刚进入隧道时, 需保障车体两侧与隧道壁的间距)。初始定位过程中轮组转向角度控制如下:
1)当d1L<d1R,且d1L<dmin,d1R>dmax时;则主机前部轮组前进右转角度α=(d1R-d1L)*δ,直至d1L、d1R∈(dmin,dmax)时,主机前部轮组右转向角度回零,即停止转向。
2)当d1L>d1R,且d1L<dmin,d1R>dmax时;则主机前部轮组前进左转角度α=(d1L-d1R)*δ,直至d1L、d1R∈(dmin,dmax)时,主机前部轮组左转向角度回零,即停止转向。
同理,根据车尾左右两侧与隧道壁间的距离d2L、d2R调整主机后部轮组前进左右转角度,以保障主机安全进入隧道口。
2.2 隧道壁边缘的提取与导航控制
当主机完全进入隧道后, 以路面的中心线作为主机运行的方向是一种安全高效的路径规划方法。设(di,φi),表示第i 个激光测距传感器的检测结果,i= 0.5*i180 π,i=0,1,…360。取激光测距传感器的安装位置为坐标系原点(0,0),车辆的轴向为Y 轴,则在直角坐标系下:xi=di*cosi,yi=di*sini。为了实时拟合出隧道路面的中心线, 需对扫描结数据进行中值滤波、分段、坐标变换等预处理,从而去掉数据中的不可靠点和孤点,以减小测量误差。由于隧道壁变化平缓,其曲率半径一般大于100m,且车辆移动速度缓慢,车速一般小于10km / h,因此,可以采用直线拟合方式分段拟合两侧隧道壁边缘线。从两侧隧道壁激光测距传感器的检测结果中, 采用比较的方法选取距离车体最近的若干检测结果作为该路段路径的拟合数据。
取(xL1,yL1), (xL2,yL2),… (xLn,yLn); (xR1,yR1), (xR2,yR2)… ,(xRn,yRn),分别为车体左右两侧隧道壁检测的数据点,利用最小二乘法拟合移动车辆的自动导航路径。设拟合直线方程为y=ax+b,则误差为:δi=yi-y,将y=ax+b 代入,求取a、b 使得误差δi=yi-axi-b 的平方和最小,即:ni = 1 Σδi=ni = 1 Σ (yi -axi-b)2 =min。从几何意义上讲,就是寻求逼近左右两侧隧道壁的直线。当n 越大,即采样点越多时,逼近精度往往越高,但考虑到计算量和运算时间,一般取n=6~8。最后根据左右两侧隧道壁的拟合直线求取路面的中心线作为移动车辆自动导航路径。
当移动车辆运输特大箱梁穿越隧道时,由于车体载重量大,且隧道内环境复杂,按路面中心线行驶过程中会产生偏离情况;需采用自适应模糊控制的方法实时调整车辆运行状态, 最终控制车辆实时快速跟踪路面的中心线安全穿越隧道。以上述拟合出的路面中心线作为车体运行的目标位置, 根据传感器检测的实际位置与目标位置进行比较, 得出车体运行的位置误差以及误差变化率作为模糊控制模块的输入量, 调节模糊PID 控制的系数,从而对左右轮组进行实时速度调节控制;最终达到车体沿着路面中心线安全顺利穿越隧道的目的。
3 试验
实验在我国东北地区吉图珲客专某连续路基隧道线路上进行,隧道长度为2000m,移动车辆长度为68m,宽度7.2m,共64 个轮胎,32 个转向架,以低于10km / h 速度穿越隧道,采样周期为100ms, 车辆在自动导航系统的控制下顺利安全通过隧道。在多次抽样试验中,车辆运行方向与路面中心线最大偏差为0.19m,最小偏差为0.13m;最大平均偏差0.1m,最小平均偏差0.04m。平均偏差较小,说明车辆穿越隧道时,自动导航控制达到了良好的效果。
4 结束语
本系统结构简单,经现场多次穿越各种隧道应用表明,具有良好的导航效果,减轻了作业人员的劳动强度,提高作业的安全性和效率。
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