正文2012.5.6

北华大学学士学位论文第1章 绪论1.1 课题来源及研究的目的和意义课题来源：本课题来源于国家重大基础建设工程项目特殊地域环境结构材料实验装置项目的自动实验车子课题。到2010年底我国新建高速公路达到2.4万公里以上，总里程达到6.5万公里以上，乡村公路里程已经突破10万公里。随着我国道路基础设施建设的迅猛发展，在道路建设过程中大量新技术得以应用，大量的基础理论得以拓展，但是同时也遇到了一系列的难题和工程瓶颈问题。路面材料的加速加载实验能够对不同结构材料的路面在不同的环境和不同车辆载荷作用下的相关特性进行模拟，能够有效的解决上述道路工程的一些难题和工程瓶颈问题。目前我国自行研制和引进的路面材料加速加载实验装置虽然解决了工程上的部分问题，但是还不能准确的模拟不同环境的特点和多场耦合特性，实验结果往往与实际情况存在较大差异，因此，迫切的需要针对不同地区（东北冰冻地区、南方多雨地区、西北高紫外辐射地区）不同环境，不同轴载不同车速的全尺寸路面加速加载实验装置。本课题旨在对路面材料加速加载实验装置中的自动实验车进行研究。它能够在各种环境因素的耦合作用下，能按照预设的实验要求和轨迹长时间地自动运行，对各种路面材料进行加速加载实验。1.2 路面加速加载装置的国内外发展现状室内小型实验由于实件模型与基体的较大差异，使得实验的结果与真实的路面状况相关性较差，无法满足研究的需求。为了更好地模拟真实的路面状况，了解荷载作用下路面的结构行为，明确路面的损坏机理以进行合理的设计，有效地预测各种损坏的发生，及时地指导路面的管理与养护，国内外开展了一系列的足尺加速加载实验。1.2.1 路面加速加载设备的国外发展现状路面的足尺加速加载装置主要分为以下几种：(1) 重载卡车加载 建于1993年，位于MnRoad的中间路段的明尼苏达实验路采用标准实验卡车进行加速加载实验，如图1.1所示，实验路为2条闭合的环道，分别长4.8km和4km，较长的环道用于研究大量交通状况下路面特性，较小的环道用于研究少量交通状况下路面特性。图1.1 美国MnROAD实验路4(2) 固定轨道加速加载设备 西班牙马德里的道路研究中心(CEDEX)实验道系统如图1.2所示。该设备在一个固定轨道的环道上运行，加载载荷通过2个实验车以单轮或者双轮绕环道运行施加，加载载荷范围为11t15t，最高运行速度为60km/h。实验路面修建在U形混凝上槽的直线段，直线段长度为25m，槽宽8m，深度为2m，可以进行温度和湿度的控制。图1.2 西班牙CEDEX实验道91.2.2 路面加速加载装置的国内发展现状国内路面材料加速加载实验研究主要有：(1) 长安大学重车模拟器加速加载设备 2007年长安大学引进了南非研发的可移动直道重车模拟器(HVS)如图1-8所示，该设备采用液压方式进行加载，加载时实验路面长度能够达到20m，并且该设备能够在现役路面上运行，运行时最大速度为20km/h 。图1.3 长安理工大学引进重车模拟器(2) 长沙理工大学直道加速加载设备 长沙理工大学采用重力加载实验车进行加速加载实验，加载车由导向车予以导向，直线单项或往复加载，加载范围3t7t，加载实验时最高车速为30km/h 。(3) 哈尔滨工业大学直道加速加载设备 哈尔滨工业大学交通学院直线式加速加载实验设备可以对不同的路面结构和桥梁结构进行相关加载实验，加载设备由起重机、导向加载架导向轮等组成，采用重力加载的方式进行加载实验。通过以上的介绍可以看出，足尺加速加载实验有了长足的发展，各种类型的加速加载设备同时并存。1.2.3 不同加速加载装置的对比分析表1.1 不同加速加载装置的对比分析APT的类型优点局限性现场试验路实际的交通载荷；实际的路面施工质量；多个试验段；置信度高荷载“加速”的程度有限；无法控制气候；难以控制载荷和速度；位置无法移动环形试验道高速操作；能控制载荷；“加速”的程度高；受力简单；多个试验段；部分环境控制当半径较小时有剪应力；一段路面损坏后将影响其他段；路面施工困难；位置无法移动直线型试验道单向或双向加载，载荷容易控制；可以移动；可以用于实际道路的路面实验；实际的路面施工质量；部分环境控制；路段损坏后不会影响其他路段速度有限；受力简单异形试验道实际的路面施工质量；部分环境控制；荷载容易控制速度一般；一般路段损坏后可能会影响其他路段；受力比较复杂；位置无法移动其他受力简单；可控制气候；路段损坏后不会影响其他路段；荷载控制容易模拟程度有限；路面施工困难；位置无法移动总体来说，在上述的各种足尺加速加载设备中，存在着以下几个问题：1) 直线型加速加载设备较多，但是其载荷和速度较低，具有一定局限性；2) 环形加速加载设备是通过围绕环形实验道中心支柱转动的车轮来施加荷载，可以达到较高的加载速度。但是环形实验道半径较小时横向剪切力很难避免，实验情况和材料破坏模式与真实的受力状况不符；3) 目前加速加载设备均存在实验时环境模拟的单一性问题，不能实现多场耦合的模拟。综上所述，虽然现今国内外加速加载设备种类较多，但普遍加载速度偏低、没有实现同不同环境的多场耦合，难以满足当前交通荷载和复杂环境条件下材料服役安全评价需要，因此针对现有设备的不足开发出具有更好应用价值的足尺加速加载设备。1.3 本课题的主要研究内容本课题针对路面材料加速加载装置中最重要的路面加速加载自动实验车，采用自上而下的设计与研究方法，设计自动实验车的系统构成和系统各部分结构。本课题研究的主要内容如下：1) 根据项目要求，确定路面加速加载自动实验车的相关性能指标与要求，确定主要系统构成，对路面加速加载自动实验车的各个系统进行系统设计，确定主要参数，对非购买件进行设计。2) 设计加速加载自动实验车的控制系统，研究自动实验车循迹导航控制。第2章 路面材料加速加载自动实验车的总体设计根据路面材料加速加载自动实验装置的总体设计方案和技术指标完成路面材料加速加载自动实验车的系统设计，研究自动实验车运行时需要主要解决的问题，设计自动实验车运行模式，建立实验车转向力学模型。2.1 自动实验车的设计需求分析为了更好的研究目前我国道路工程中路面材料损伤机理，对路面结构进行优化设计，我国将建设路面材料加速加载自动实验装置。路面材料加速加载实验装置的原理如图2.1所示，路面材料加速加载实验装置将建设成一个整体封闭的环道（图中未画出环道封顶），利用自动实验车在环道内自动运行实现对路面的加速加载。实验车环道图2.1 路面材料加速加载实验装置原理图路面材料加速加载实验装置主要由自动实验车加载系统、环境模拟控制系统、监测控制与检测分析系统和实验道系统等组成，如图2.2所示。图2.2 路面材料加速加载实验装置的结构组成示意图根据路面材料加速加载实验装置的实验原理与系统构成，确定了各个系统的主要功能：(1) 自动实验车加载系统 在各种不同环境作用下，能按照预设的实验要求和轨迹长时间地自动运行，对各种路面材料进行加载实验，并且能根据需要变更载荷和车速。(2) 环境模拟控制系统 能长时间模拟我国不同地区不同环境下道路服役工况，如东北冬季冰冻环境、南方春夏多雨环境、西北高原高紫外辐射环境等。(3) 实验道系统 为自动实验车提供运行加载的通道，同时通过保温隔热安全防护设计，使设定的环境条件便于控制，保证了实验装置具有较好的安全性和环保性。(4) 检测控制与检测分析系统 实时监控实验车的自动化运行，控制各环境模拟模块的实际工作状况，对各系统的信号进行集中采集、融合和传输，并通过各种实验检测、监测仪器获取路面材料的基本指标和性能参数，进行统一地处理和分析。由此可以看出，自动实验车是路面材料加速加载实验装置中必不可少重要的一部分。自动实验车在封闭的环道内运行，受到环道尺寸空间和其他系统的限制，对现有市场上的车型进行改装无法满足路面加速加载实验装置的要求，因此，需要针对路面加速加载实验装置的总体技术指标对自动实验车进行设计。2.2 自动实验车的系统构成路面加速加载自动实验装置的总体技术指标如表2.1所示。表2.1路面材料加速加载实验装置总体技术指标参数表系统技术指标实验道系统总长度(m)直道长度(m)环道长度(m)开挖深度(m)实验道宽度(m)200402806021207.54.5自动实验车系统轮距(m)轴距(m)运行方式轴载(kN)运行速度(km/h)1.43.1自动导航2522560环境模拟控制系统路面温度()结构内部温度()空气温度()降雨强度(mm/h)地下水位(m)紫外线强度(104W/cm2)-1560-530-405002520.25.0自动实验车的功能是在环境的耦合作用下实现对路面的加速加载，因此实验道系统也成为与实验车联系最为紧密的一部分，是自动实验车设计的基础。路面材料加速加载实验装置实验道如图2.3所示，实验道分为直道段和弯道段，将直道段作为实验路段，铺设不同类型的结构材料修成的路面。直道段两端各有5m的路段作为缓冲路段，属于非实验路段，如图2.3中红色区域所示。弯道段弯道段直道段图2.3 实验道组成由表2-1可以看出直道段长40m，弯道段长60m，实验道为封闭的环道，实验道道宽4.5m，高3.5m，实验道截面图如图2.4所示。图2.4 实验道截面图根据路面加速加载实验装置的总体技术指标，主要是实验道系统技术指标和实验车的系统功能确定自动实验车主要技术指标：1) 实验车具备载荷可变和速度可调功能，动力驱动系统能承受实验载荷调整范围为545t，运行速度调整范围为060km/h。最大载荷250kN时，运行速度可达20km/h。2) 车体尺寸为4.5m2.7m2.0m，轮胎内侧间距1.4m，轴间距为3.1m。实验车的动力系统应能在最高45t负重下进行长期的实验。3) 实验车能实现无人安全自动驾驶，还具有故障自动报警、紧急停车和防撞保护功能。根据自动实验车主要技术指标分析自动实验车在环道内运行时需要解决的几个关键问题：(1) 自动实验车动力驱动 自动实验车高速重载、长期运行，如何提供足够驱动力。(2) 自动实验车承载加载 自动实验车要求较大承载能力和较小的结构尺寸。(3) 自动实验车转弯侧翻 自动实验车在环道运行，当载荷和车速达到一定值时离心力过大导致实验车转弯时发生侧翻。(4) 自动实验车自动驾驶 自动实验车在环道内运行如何实现自动驾驶。根据自动实验车在环道运行时遇到的上述几个关键性问题，确定自动实验车主要系统构成如图2.5所示，自动实验车主要由动力驱动与转向系统、重载车架及加载系统、转弯辅助支撑系统和运行控制系统等组成。图2.5 自动实验车系统构成自动实验车各系统主要功能如下：(1) 动力驱动和转向系统 由架线电网供电和足够功率的交流变频调速牵引电机及其控制装置构成车辆的动力系统，变频调速牵引电机轴通过联轴节与减速驱动桥相连；电动机提供给自动实验车足够驱动力，使自动实验车能在要求的载荷和车速下长期运行，在弯道实现转弯。(2) 重载车架及加载系统 满足自动实验车的承载要求，方便载荷调节。(3) 转弯辅助支撑系统 在自动实验车转弯时起导向作用，防止实验车发生侧翻。(4) 运行控制系统 对自动实验车运行进行控制，实现环道内自动运行。2.3 自动实验车运行方案设计自动实验车在运行时按照道路状况分为直道段和弯道段，实验车在直道段和弯道段均是自动驾驶，此时在弯道段由于高速重载可能会出现实验车与路面摩擦力不足以提供转向离心力的情况，即实验车发生侧翻。转弯辅助支撑系统的设计方案如图2.7所示，当转弯侧向离心加速度大于一定值时，自动实验车自身能提供的转向离心力不足，这时实验车外侧车轮与外墙墙体接触，依靠外墙墙体对自动实验车外侧侧向车轮的压力来提供转向离心力，并起到一定的导向作用。侧向车轮侧向车轮实验车外墙内墙图2.7 转弯辅助系统设计方案图转弯辅助支撑机构不仅有辅助转向、防止实验车侧翻、提供不足转向离心力的作用，还能减小实验车差速转向时车轮侧向力、减小轮胎磨损，而且当自动实验车出现轮胎爆胎、控制系统紊乱、停电等突发情况时还能起到防撞保护作用。因此自动实验车环道内运行时，在直道段依靠自动驾驶方式自动行驶；在弯道段，当转弯离心力不足时，依靠侧向车轮起导向和支撑作用行驶。2.4 本章小结本章对自动实验车进行了需求分析，根据项目总体技术指标确定了自动实验车主要技术指标和系统构成，分析了自动实验车各系统主要功能，确定了自动实验车运行方案。第3章 自动实验车控制系统的设计与循迹导航的研究前面几章对自动实验车的系统构成和系统结构进行了设计，建立了实验车稳态转向力学模型。本章将对自动实验车的控制系统进行设计，并且对循迹导航的控制算法进行研究。3.1 实验车控制系统设计如图4.1所示实验车运行控制系统由主控单元、图像视觉单元、通讯单元、PLC控制单元、驱动与跟踪转向控制单元、制动控制单元等几部分组成。实现自动驾驶时，主控单元利用车载数传接收控制指令，并通过PLC控制单元实现相应的运行和制动控制。运行控制模块里程计、位移传感器定位导航车载数传图像视觉单元CCD摄像机环境传感器试验车控制系统路径跟踪位姿纠正任务控制执行、制动主控单元遥控方式自控方式图4.1试验车运行控制系统结构组成示意图下面介绍主要系统：A、主控单元，即小车的车载计算机。本车采用工控机来实现。主要的任务是对车体进行总体控制，是小车的“神经中枢”。B、图像视觉单元，也就是车体的引导方式。本文采用视觉引导，通过CDC摄像头获取道路图像，经过处理图像得到导引信息。C、通讯单元，因为本车为单独的一个体系，因此通讯主要是工控机与控制部件以及传感器间的信号的传输。D、PLC控制单元，是运行控制系统重要组成，它从车载工控机获取和执行控制命令，并将从传感器组中获取的车行驶速度等运行信息发送给工控机。E、驱动与转向系统，主要由驱动电机，减速器，车轮组成。本车采用交流伺服电机，减速器。前轮两个车轮采用独立驱动，两轮差速实现车辆的转向。3.1.1 实验车控制单元的设计3.1.1.1 PLC控制模块PLC控制单元是运行控制系统重要组成，它从车载工控机获取和执行控制命令，并将从传感器组中获取的车行驶速度等运行信息发送给工控机。要求其具有如下功能：1) 执行程控程序，完成对交流伺服控制单元的控制，实现实验车的自动驾驶。2) 读取各个传感器采集的信息，然后将采集到的信息传送至车载工控机；3) 读取车载工控机下达指令的或控制台用户进行的操作命令，进行与之相对应设置或控制；4) 保障系统的安全性，实验车出现故障时及时准确的实现控制制动单元实现紧急制动。其功能模块划分如图4.2所示。主要由几个模块组成：通讯模块遥控运动控制模块信息检测与处理模块遥控程控切换模块程控自动运动控制模块输出模块指示模块图4.2 PLC控制单元功能模块1) 通信模块：负责控制室与工控机之间的通信；2) 遥控模块：实现对自动实验车运行的遥控控制；3) 程控自动控制模块：实验车自动运行时不同运行方式的自动控制；4) 遥控程控切换模块：切换实验车运行方式；5) 信息检测与处理模块：负责运行速度、车轮转角等信息的获取；6) 输出模块：输出各种继电器、伺服控制器及制动单元的控制信号；7) 指示模块：指示灯与蜂鸣报警。系统采用欧姆龙CP1H系列PLC，PLC可靠性高、结构模块化、编程简单，但人机交互性差，需要解决PLC与上位机通信问题。CP1H系列PLC与上位机的串口通信方式采用上位链接方式，CH1P与上位机的连接如图4.3所示，使用RS-232C端口选件板CP1W-CIF01与PC机串口连接，由PC机发布上位链接指令（C模式指令）或FINS指令，进行PLC的I/O存储器的读写、或动作模式的变更及强制置位/复位等各种控制，由PLC发出FINS指令，给PC机发送数据和信息。图4.3 CH1P与上位机的连接3.1.1.2 交流伺服控制模块实验车的驱动控制模块如图4.4所示，采用两个交流伺服电机作为前驱动轮动力来源，这样，只要分别控制两个驱动轮的转速，就可以使实验车按照所要求的方向和速度移动。为了实时检测左右轮的转速，在左右驱动轮处各安装了一个转速传感器。交流伺服电机在伺服控制器的控制下，带动车轮加速、减速或匀速运动。伺服控制器要具有与工控机的通讯能力，由车载工控机或控制台进行数字化控制，要求电机低转速时能输出大转矩，电机转速为零时能保持电机转矩，特殊情况下起制动作用。当实验车处于程控模式或遥控模式的操作时，伺服控制器利用PLC给出速度值控制电动机动作。图4.4 实验车驱动控制模块3.1.1.3 视觉图像处理模块3.2 实验车循迹导向的研究3.2.1 运动学模型如图4.6 所示，在图像处理窗口内找到标识线左右边缘像素点坐标，求出其实际对应的图像点坐标（在OWXWYW坐标系中）。为了便于分析车体相对标识线的位置情况，将OWXWYW坐标系变换为OWXWYW坐标系，变换关系为： (1) OadHWXWXWYWYWl图像窗口路标OWOW图4.6实际标识线图像导航参数提取简图式中，W与H分别为图像处理窗口矩形的下底和高。以图像处理区域中的第i行为例，获得标识线左右边缘点和的坐标，在根据式(1)的坐标变换关系，将和变换为和进而计算得到中心线上的对应点的坐标，即： (2) 扫描j行后，得到j个点的坐标。得到图像处理区域内中心线上的对应点坐标后，应用最小二乘法拟合出中心线的方程： （3）则O点坐标为方程(3)有两个未知量和，选取行图像数据，由最小二乘法可得： （4）其中，代表图像数据所在的行数，代表各行路标图像中心线处于图像窗口内的列数综上：车身原点处相对于标识线的角度偏差和位置偏差分别为： (5) (6)在此规定直线相对于轴正向左偏时为正，反之为负；沿轴正向偏移时为正，反之为负。从而由式(5)和式(6)得到车体导航参数和。3.2.2 控制系统工作原理3.2.2.1 控制目标通过对试验车跟踪控制过程的分析可知，要使试验车能按照预定的路线运行，主要使车身原点处相对于标识线的角度偏差和位置偏差分别为零。3.2.2.2 控制原理（1）驱动系统自动试验车的驱动系统主要是由电机将轴的旋转运动输入到变速箱，然后变速箱的输出轴控制轮子转动，从而驱动整个试验车的运动，试验车转向通过左、右轮子的差速运动来实现。左右电机分别由两个电机驱动器驱动，电机轴各配有一个光电编码器，用于转速的反馈。光电编码器和电机驱动器分别接入运动控制卡。运动控制卡输出信号给电机驱动器，同时可以读取光电编码器的反馈值，实现闭环控制，如图4.7所示。图4.7 驱动控制框图（2）控制器选择结合自动引导车在实际运行中跟踪路径多变的特点，模糊控制和最优控制结合的方式，控制方式的切换是通过切换开关来实现的。在偏差较大的时候，采用模糊控制策略，其切换闭值，的选择为: ，或倍的图像宽度;而在偏差较小时，即和倍的图像宽度时，采用最优控制策略，控制器框图如图4.8所示。图 4.8 控制系统框图3.2.2.3 控制系统的设计（1） 最优控制器设计最优控制器可以采用位置偏差 和方向角, 2 个参数作为控制器的输入，如下图4.9控制框图。通过反馈的速度来调节角度偏差和位置偏差，最后通过两轮差速达到纠偏的目的。所以，转向最优控制器应具有如下形式： （7）其中，为系统参考输人；为控制器输出，即转向轮转角的某种函数；、为侧向偏差及方位偏差；为状态反馈增益。a路径信息Ud左电机驱动器右电机驱动器左电机右电机试验车视觉系统最优控制器器图 4.9 最优控制系统框图 由于状态方程的建立存在着线性化问题 ，因此，当方向角大于一定值时控制精度将受到影响。若车辆在运动过程中的纵轴中心线与路径坐标系中 轴的夹角较小 且只考虑对路径位置偏差 和方向角 的控制，因此，其线性化方程为： (8)式中：车辆运动速度， m/s，为左右车轮的运动速度 ，m/sL 左右车轮轮距， m设，则状态方程为: (9)从方程(9)可知系统有两个零开环极点，是开环不稳定的。但系统是可控可观测的，故可通过状态反馈来任意配置极点的办法使系统稳定。方程(9)有如下通用形式: (10)其中为系统的状态变量，是控制器输出。因系统的转向机构的物理结构限制，控制器输出不能取为无限大，所以控制器设计的目标是在受限的控制量情况下，使状态变量趋向极小，故采用二次型设计最优控制器，即： (11)式中 维正半定状态加权矩阵维正定控制加权矩阵求尼卡提方程： (12)的解，得最优状态反馈控制增益为： (13)当引入状态反馈后 系统变为闭环反馈控制系统，其状态方程为： (14)（2） 模糊控制器设计模糊控制就是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制的基本原理可由下图4.10表示，它的核心部分是模糊控制器，如图中虚线框中部分所示。模糊控制器aa转向轮转角角位移传感器A/DCCD导航图像图像采集卡计算机模糊量化处理模糊控制规则模糊推理非模糊化处理D/A运动控制卡电机驱动器电机转向轮图4.10 模糊控制器的输入/输出和转向关系图根据以上的分析，下面我们对模糊控制器的建立进行研讨：l 模糊控制器的输入输出变量模糊控制器的语言变量是以自然语言形式，而不是以数值形式给出的变量。自动实验车的自动控制可归结为横向角度偏差和位置偏差的控制。控制的目的就是使偏差量逐渐趋于零，即: (15)因此我们选取模糊控制的输入变量为位置偏差和方向偏差,输出变量为纠偏控制量纠偏角。这种双输入单输出模糊控制结构。l 输入精确量的模糊化输入变量的基本论域依据试验道宽度和试验车车体长度确定。本文试验道宽度450cm，车体长度为450cm，取位置偏差的基本论域定为方向偏差的基本论域为，输出变量的基本论域，输入输出变量的模糊论域均为: 。输入输出变量模糊化时，位置偏差、角度偏差、纠偏角在其论域上分别定义七个模糊子集负大截距偏差(NB)，负中截距偏差(NM)，负小截距偏差(