（机械电子工程专业论文）智能视频桥梁检测车探测机构轨迹规划的研究.pdfVIP

摘要 桥梁作为交通运输重要枢纽有着不可替代的作用。因此，桥梁健康诊断技术已成为重要 的研究领域。由于大多数桥梁的缺陷主要产生在桥梁底部。传统的桥梁底面缺陷检测方式是 通过大型桥梁检测车机械臂将检测人员输送到桥梁底部进行人工检测，这检测方法存在着很 多缺点，例如：检测质量、检测效率都难以保证。本文提出开发小型无载人智能视频桥梁检 测车，配以视频跟踪和图像检测手段对人员不易到达的桥梁底部进行自动检测。有望解决传 统检测方式的缺点。 本文设计了智能视频桥梁检测车的总体方案和四自由度探测机构的方案，由于四自由度 探测机构的性能对桥梁检测的质量起着决定性的作用，因此，对四自由度探测机构运动轨迹 进行规划是本文的研究重点。围绕四自由度探测机构的轨迹规划做了几方面的工作，其具体 内容和结果如下： 分析桥梁底面缺陷检测的基本要求( 探测机构能够安全地通过斜拉锁到达桥梁底部并且 保证探测机构能够最大限度地检测到桥梁底面每个地方) ，提出智能视频桥梁检测车的总体方 案，并且对四自由度探测机构进行设计。 根据机器人理论和运动学的基础，建立四自由度探测机构的运动学模型，并针对该模型 建立了其运动学方程求得逆运动学解。 根据探测机构视频头的运动特点( 视频头与被检测面保持一定的检测距离并且始终垂直 于被检测面) 和结合机器人轨迹规划的方法，选用三次b 样条进行轨迹规划，最后通过仿真 分析验证其结果的符合探测机构的检测要求。 为了保证探测机构视频头的检测质量，对探测机构的液压系统进行分析和建模，并使用 m a t i a b 的s j 叫1 j 1 i 工具进行仿真，仿真结果验证了该系统具有良好的轨迹跟踪性，保证了探 测机构视频头能稳定地沿着给定输入轨迹的运动，从而确保了检测质量。 关键词：智能视频桥梁检测车，探测机构，轨迹规划，运动学模型 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb r i d g ew l l i c hi st h ev i t a ll l i l l g ei i lt h c 仃如s p o n a 如ni sn o ts u b s t h u t a b l e n e r e f o r e ，t h es t u d y o fd e t e c t i v et e c l o g yh a sb e c o r n e 锄i m p o m m td o m a i l l m o s to ft 1 1 ec r a c 】【so fb r i d g ea r eo n 血e b o 仕0 mo fn t h ec o n v e m i o n a ld e t e c t i o ni n c t h o dt 1 1 a td c t e c t i o p e r s o n n e la r es e n tt 0t 1 1 eb o t t o mo f 嘶d g eb yl 盯g e s c a l em c c h a n i c a l 踟qo fb 瑚g e d e t e c 【i o nv e h i c ki sm a 咖a 1d e t e c 幻n t i l i s 眦m o d h a s1 1 1 a n yd i s a d v 眦鹋e ss u c ha sl o wd e t e c t i o nq u a m ya n d 血m c i e n td e t e c t i o n 1 1 1 i sm e s i sp u t f o n v a r di n t e m 萨n t v i d e ob d d g e - d c t e c t i o nv e l l i c i e ( b d v ) u s i i l gv i d e 0s c o u t 蛆di m a g e p r o c e s s i n gt e c l l n o l o g yd e t e c t _ 【i l eb o m o fb 峨ew h e r ei sh a r dt oi e a c hb y m n u a l ni sh o p e f l l lt 0 o v e r c o m ed i s a d v 姐t a g e so f t h ec o n v e n 【i o n a ld e t e c 豳n s c h e i n eo fi v b d va n d4 一d e g r e eo f 雠e d o md e t e c t i 0 - i i l c c h a n i s mi sd e s i g n e d b e c a u s ef i l n c t i o n o f t h ed e t e c t 沁n _ m e c h a l l i s m i sc m c i a l c o t h ed e t e c 廿o nq u a m y ，t l l e t r a j e c t o r y p i a l l n i n go f 4 一d e 伊e eo f 丘弓e d o md e t e c t i o n m e c h a n i s mi st h ef o c u so fs t u d yi i lt 1 1 i st 1 1 e s i s c o c e r i n gt h et r a j e c t o r yp l a 衄j i l g o f 4 一d e g r e eo f 丘e e d o md e t e c t b n - m e c h a n i s 驰m yw o r k i sf o c u so nt h ef 0 o w i n ga s p e c t s ： 1 kb a s i cd e t e c t i o nd c 瑚n do fb r i d g e - d e t e c n o nt h a tt h ed e t e c t i o i h n e c l l a n i s mp a s s e st h e c a b l c - s t a y e db r i d g es 删ya n dd e t e c t sa l i n o s te v e 州h e f ei sa n a l y z e d s c h e m eo “v b d vi sp u t f o r 、v a r da n d4 - d e 盯e eo f 曲e d o md e t e c t i o n _ 螂h a i l i s mi sd e s 塘n e d 0 nt h eb a s i so fm e o r yo fr o b o ta n d n e m t i c s ，t h ek i n e m 疵m o d e lo f4 一d e g r e eo f 的e d o m d e t e c t i 0 - i n e c h a n i s mi se s t a b b s h e d 时m i i l ga tt 1 1 i si 0 d c lt h ek i 工l e m i ce q u a t i o ni se s t a b s h e d ， f l l n h e rm o r e ，t h er e s u no f a n t k 缸e r m t i ce q u a c i o ni ss o l v e d a c c o r d i i 唱t or n o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t l l ev i d e oc o n c e n t r a t o ro f t i l ed e t e c t i o - 皿【e c h a i l i s ma n dm e t r 司e c t o r yp l a i l n i l l go fm b o t ，t h ec u b eb s p l i l l ei n t e r p o h c i o ni s s e l e c t e df o rm 旬e c t o r yp l a i l i l i n g f i n a l l yni sa c c o r dw i t ht h ed e i n a n do f b r i d g e d e t e c t i o nb ys i m u l a t i o 1 og u a r a m e et h eq u a h t yo fd e t c c t b n ，t h e 坶d r 砌cs y g t e mo f 出肥c t i o n _ m e c h a n i s mi sa n a l y z e da n d o d c l c d a n dm em 0 血l ei ss i i 衄1 a c e d b ys i 咖1 i n ko fm a c h b t h er e s u ho fs m l a t i o np r o v e d 恤t t h es y s t e mh a se x a c t 叫e c t o r yf o u o wc a p a b i l i t y t b e r e by ，证e n s u r e st i l a t t 1 1 ev i d e oc o n c e t r a t o r i n o v e sd 1 0 n gt h ep r e a s s 培n e dt r a j e c t o 珊f i i r t h e rm o r e ，g i l a m n t e e st h eq u a u t yo f d e t e c t i o n k e y w o r d ：i n t e m g e n t - v i d e 0b d d g e d e t e c t i o nv 毫h i c l e ，d e t e 曲n - m e c h a n i s 矾t r 旬e c t o r yp l a n n i l l g ， k i n e i n a t i c l o d e l 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着国家对交通建设的不断投入，公路桥梁的数量也在迅速增加，公路桥梁设施的检测 与维护已成为当务之急。桥梁的使用期一般为8 0 1 2 0 年，随着其服役时间的增加，桥梁 结构难免会出现各种各样的疲劳和损伤口l ，如钢筋锈蚀、冻融破坏和碱骨料反应等。这些损 伤都将导致混凝土的分层与破裂，从而引发坍塌等恶性事故，造成巨大的经济损失和人员伤 亡。由于桥梁早期破坏造成的灾难不断发生，对桥梁结构进行经常性的检查和健康诊断已受 到了广泛重视，并已成为国内外学术界、工程界的研究热点之一。对桥梁的结构损伤采取有 效手段进行监测、预测和控制，对确保交通枢纽的安全和正常运行是十分重要的口j 。 桥梁检测主要采用无损检测( 如x 射线探测、远红外热像、超声波和声波发射探测等) 方法获取桥梁结构内部的健康信息和分析结构裂缝的特性，以便了解桥梁长期疲劳损伤和外 部恶劣环境等因素造成的结构改变或损坏5 】 6 】。据不完全统计，混凝土桥梁的损坏有9 0 以 上是由裂缝引起的。因此，对桥梁裂缝进行长期的监测和寿命评估是十分重要的。 桥梁结构具有特殊性，绝大多数的结构裂缝产生在桥梁底部，同时由于桥梁结构形式的 复杂性，桥梁结构裂缝检测问题也日趋困难。当前国内外对于桥梁底部缺陷的诊断方法， 普遍采用人工定期检测的方法。具体实现是利用桥梁检测车将检测人员送到桥梁的底部，然 后通过伸臂机构沿着桥底运动输送检测人员到达指定的地方，利用肉眼或者检测工具进行缺 陷检测。这种方法存在的不足之处有：设备庞大，价格昂贵，灵活性差；人工检测，劳动强 度大，存在安全隐患；检测效率低，结果具有一定的主观性8 】；结构迥异的桥梁导致设备 不易到达的地方难以检测，复杂结构桥梁无法检测。 特别是近十几年来桥梁向着大跨度、宽桥面、公铁两用等方向发展，如广州的丫髻沙大 桥主跨达到3 6 0 米，桥宽3 2 4 米；开始修建的武汉天兴洲公铁两用长江大桥，全长4 6 5 7 米， 公路桥面全宽2 7 米，铁路桥宽1 6 - 8 米；正在加紧前期工作的港珠澳大桥全长预计3 0 公里等 【”，桥梁结构正变得宽、长、大、复杂，对桥梁结构裂缝的检测手段要求就越来越高，检测 难的问题更加突出，大跨度桥梁健康诊断技术已经成为一个亟待探索的研究领域。因此，对 桥梁的结构损伤采取有效手段进行监测、预测和控制，对确保交通枢纽的安全和正常运行是 十分重要的。 随着科学技术的进步，综合运用智能控制、遥感、计算机、光机电结合等技术，研发智 1 尸臻蔓监炎嚣工攀斓士掌筐豫交 熊瓿懈底黼测车l l 瞎醋v 证婚b 耐g 渤粼晒n 铡k ，简黎黼e l i v 其结橱示意圈l 一1 ， 将解涣鞋上灌越。该项霹是娄黼阉是辨研爨瀚遂蕊和热燕。智糍耩繁底帮梭瓣攀蓉用嚣载人 躺多蠡巍爱激蠖橇械饕为载壤，酝艇褪攘瓣踩嗣鞫爨箴瓣手鼗对人爨不翦篱逮的耩禁底部避 行囱动检溺。鼹黼，镶颈姘究慈圆黪上麟于赣的褥究方向。 鬻麓巍蘩耩鬃捻溯睾要素熟警豹搜索参数翔下：搏膂枫擒麓媾赢髀长跨壤1 8 黻，鞒割 下淀滚度5 熬，耩瑟溪开长壤塞黻，挢赢霄靛攘测霹获拶巷锯。蠢满避戳上技术参数要隶， 实现翻动梭测侔她，智能视频瓣粱稳测车亟篱解决的燕键控术及蘧感之一是辩何灵懑、安全、 纛簸毙实现多蓑节、多套痰震，怒大跨鏖瀚静鹫规糯搬探测祝擒靛瀵障运韵簿垒方整运动斡 孰邃蕊楚控制。枯甓瓤拇伸遗鹦、整囊饕簿工巷饕缀戚，其中差傺鹫和探浏枫麴瀚联合运动 竞成遴障运动翔垒区域轨迹遥动，本文蕃煎臻粼探测撬拘韵孰避规糍。 圈l * l 智艇观矮耩粱梭测牵示意醚 髓。l ls 漉溅黜参躐燃幽蓼撩嘁巍髂黼弦勰墟媳删娃蕊静v 磐麓撬颧褥粱蒜郝稔测牵的蓑键在于橇蜮臂豁矮墨备多个燕节、多裁臂虢艇畿够窦现太 行程离交博瓣，多角度的麓转，从蕊实现躲避祷墩等菇梅穗煎被搂鹱的桥鬃底妻蒌键康状蕊， 谶就设计多蜜舞壤囊豢概城髂缝褥，黠瓿撼篱豹黪糍瓶裂辩燮鸯硬惫嚣瓣淡的重鬟麴技术。 。褥前垒国莛有公辫蟒粱2 霉。4 万照、瓣醴。0 万筵米，其中特犬桥瓣l s 嗣鏖、抖l 。6 万筵岽。 | 广襄谢斑蒋大小桥粱热2 瀚5 6 鹰，悲长麈荚8 3 ；巷万惩臻。露嚣，桥梁蕊酃敲躺攮测黪科究王 稼程援阉署震禳多，橙溺装簧簿方法十分蓁磁。舞震大型褥黎底帮躺缺陷橙测装备嗣掼术躺 礴究器笈工作蕊有卡分重要酶意义。本文通邃对参翻奁度复杂槐槭特辩探测槐翰解孰迹勰划， 第一章绪论 为智能桥梁底部检测车的设计制造提供技术支持，将产生下述显著意义： ( 1 ) 设计出多自由度小型桥梁检测车的探测机构取代传统的人工目测，实现安全、可靠、 高效的桥梁底部缺陷自动检测作业，社会经济效益显著。 ( 2 ) 研究多关节探测机构的轨迹规划，推动工业机器人、无人探测及危险物处理等领域 的技术和装备的发展。 ( 3 ) 本项目技术先进，实现高新尖技术的融合，赶超国际先进科技水平，促进桥梁工程 技术发展。 本课题基于广东工业大学博士基金“全自动桥梁智能检测机械手的关键技术研究”，项目 批准号为0 5 3 0 0 3 ( 2 0 0 5 年1 月至2 0 0 6 年6 月) ，本课题的研究成果直接将为桥梁的检修 提供服务，能有效提高桥梁的寿命和减少其营运期间的安全隐患。它推动着桥梁底部缺陷检 测技术的发展，对提高底部缺陷检测效率和安全性将发挥重要的作用，具有良好的市场应用 前景和社会、经济效益。 1 2 国内外研究现状 轨迹规划是为实现既定目标而进行的整体规划，是一种全局路径规划。机器人轨迹规划 属于机器人低层规划，基本上不涉及人工智能问题，而是在机械手运动学和动力学的基础上， 讨论在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动的轨迹和轨迹生成方法。机械手在运动前，需要 明确是否一定要沿特定的路径运动，还要明确在运动过程中是否会碰到障碍物。如果对运动 物体的路径没有特殊的要求，则通常是每个关节按指定的平滑时间函数，同时从起点运动到 终点；如果一定要沿特定的路径。那么轨迹规划器应利用函数插值逼近预期的路径。 目前，轨迹规划研究对象主要有自主驾驶车辆( a v 一a u t o o o u sv e l l i c l e s ) 、水下无人 潜器( u u v s u n m a n n e d u n d e r s e a v e l l i c l e s ) 、工业机器手( 讧s i n d u s t r i a l m a n i p u l a t o r s ) 、 无人驾驶飞机( u a v s u n i i 瑚丑c d a c 血lv e l l i c l e s ) 和自主式行走机器人( 朋雌一a u t o n o n l o u s m 0 b 丑er d b o t ) 。其中，a 矿s 、u u v s 、u a v s 、a m r 的运动具有相似性，根据参考文献 1 0 至 【1 6 所述，可以简化成一个具有三轮( 两个驱动轮，一个方向轮) 的立方体在空间或平面上 运动，其轨迹运动可以通过控制方向轮的角度和中心点的坐标得以实现，而避障控制则是一 种基于主动感知行为即通过传感器对外界信息实时捕捉发现障碍物而进行的躲避障碍物并 完成既定目标运动的轨迹控制。对于这一类对象的研究开展较早、方法较多，轨迹规划优化 方法主要有标准的搜索算法胁和改进的d 算法【1 0 】、基于动态规划n e r b i 算法的最小熵估计 广东工业大学工学硕士学位论文 的局部规划1 等，避障控制方法主要有遗传算法路径规划方法n 2 ，人工神经网络和模糊控 制方法，改进势场法，电机神经元网络方法等。 工业机器手是属于另一种类型，由多自由度多关节组成，其运动范围受到自身结构的约 束，因此轨迹规划相对较为复杂。主要的轨迹规划方法有笛卡儿路径轨迹规划法，插值方法 中的三次多项式插值法、高阶多项式插值法、用抛物线过渡的线性插值法等。避障控制的研 究多针对关节型冗余机械手，方法主要有两种：一种是在高层进行路径规划，使机械手末端 通过离线路径规划来避开障碍物，这种方法能够保证全局优化，但是它不能实现在线控制； 另一种方法是通过机器人的控制器在线避障，算法主要有基于伪逆矩阵法，b a i l l i e u l 的 e x t e r d e dj a c o n a n 技术方法，边界椭圆法等【1 6 ，以及人工势场法、自适应模糊控制方法等。 具体应用有焊接机器人、喷涂机器人等。 以上研究和成果为智能视频桥梁检测车探测机构的研发提供了丰富的参考和有价值的 借鉴。探测机构是一种特殊的机器手，有别于以上研究中的工业用机器手，具有如下特点： 探测机构由多节组成；探测机构的末端轨迹要求能够覆盖桥底平面空间各点；运动轨迹的约 束为目标约束和距离约束。因此它的运动兼具以上两种研究对象的特点，轨迹规划较为特殊。 目前，国内外文献均无这种类似机构的研究和报道。 总体而言，视频桥梁检测车探测机构的轨迹规划的研究属于新的应用研究领域，有望 在桥梁底部自动检测和机械臂控制方面取得重大突破。将其应用于智能视频桥梁检测车， 具有重大的意义及社会经济效益。 1 3 本文的研究内容 本文的研究内容包括： ( 1 ) 根据桥梁检测的要求，确定桥梁捡测车的总体方案和探测机构的方案 ( 2 ) 根据机器人运动学理论，建立探测机构的运动学模型和雅可比公式； ( 3 ) 探讨轨迹规划的方法，对探测机构采用b 样条轨迹规划； ( 4 ) 探测机构轨迹规划的仿真实验。 第二章探测机构的设计 第二章探测机构的设计 智能视频桥梁检测车为桥梁底面缺陷检测服务，检测直接对象是桥梁底面，因此其探测 机构的视频头应满足能够达到桥梁底面任意位置的需要。为此，本章主要阐述内容有：桥梁 底面横截面模型及检测基本要求；机械臂的总体方案；探测机构的结构及运动特点。 2 1 桥梁底面横截面模型及检测基本要求 2 1 1 桥梁结构简介 近代，桥梁是以应用钢、水泥、钢筋混凝土及预应力混凝土等人工材料为标志。虽然， 我国近代桥梁建设起步较晚，但随着社会和经济发展，桥梁建设水平提高极大，到现在为止 已经和世界桥梁建设同步发展向着大跨度、宽桥面、公铁两层桥、结构新颖等迈进。 在近年来建设的大量桥梁中，广东省的番禺大桥横跨珠江，主桥桥面宽度为3 7 7 米，通 航净高3 4 米，是一种主桥为1 6 l 米+ 3 8 0 米+ 1 6 l 米三跨连续双塔空问双索面漂浮体系超宽斜 拉桥1 7 1 ；丫髻沙大桥横跨珠江，是一种主桥为7 6 米+ 3 6 0 米+ 7 6 米三跨连续自锚中承式钢 管混凝土拱桥，桥面侧向总宽度3 2 4 m 【1 ”；汕头海湾大桥，跨越汕头海湾，桥面总宽3 0 5 米， 主桥主跨5 1 8 米，通航净高3 8 米1 9 】；正在筹建的港珠澳大桥横跨珠江口，全长3 l 公里哪! 。 然而桥梁的特殊性和结构多样性给桥梁检测带来了技术难题。首先，桥梁处于悬空状态 中，上不着天，下不着地。其次，桥梁的结构形式多样，按照受力特点可分为五大类：索式 桥、拱式桥、悬索桥、斜拉桥和钢构桥，其主要区别在于桥梁支承形式不同( 吊、拉、挂、 分体支承、同体支承等方式) 、桥梁的桥墩之间跨距也各不相同；按照跨障不同可分为城市立 交桥、人行天桥、跨江桥、跨谷桥、跨海桥等，这些桥梁主要区别在于桥梁总长度、桥面宽 度、桥底悬空高度以及桥底介质各不相同。 2 1 2 桥梁底面横截面模型 尽管桥梁的结构形式多样，但桥梁表面和桥梁底面形式基本相同。为了增强刚度和结构 强度，桥梁底面通常有序的布置了结构加强筋，这些结构加强筋主要为平面和斜面形式，间 距及宽度各有不同。 根据现有桥梁的资料，建立桥梁底面横截面模型如图2 一l 所示。桥梁底面由斜面、平面 和竖直面组成，表现在横截面上为斜线、水平线和竖直线，桥梁底面的各轴方向如图所示。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 7 _ i 。 封群| 。：誊紧 图5 2 比例方向阀模块 f i g 5 - 2p r o p o m o n a id 打枷o n a l v e m o d l 】1 e 5 3 j 乐上_ m 大学上学坝士字恒诧又 a 、当z 0 时，电液比例阀工作在右位 姨= 一q 2 = q o 一) 型趔工 而 ( 5 5 ) vp q 3 一睁删卜如) 睁。 ( 5 6 ) q 3 = q 7 = q 2 = q 6 = ox ( 5 7 ) b 、当j 一扎 ( 5 1 0 ) 式中为阀节流口面积梯度，c d 为阀口流量系数，尸为液压油的密度，为死区位移。 ( 5 ) 液压马达模块 液压马达可看成是由进油腔液容c l 、马达液感l 、马达h 油腔液容c 2 组成。 ( 5 1 ) 液压马达液容c l 和c 2 液容c 1 的输入为q 3 和q 4 。输出为p 1 ，忽略液容c l 的泄漏。q 4 为马达运动而导致的 输入液容c 1 的等效流量。液容c l 的输入输出间的关系为： 日= 鲁胁舭 m ，为液容c 1 的体积，g = 鑫，为马达的转速，y 为马达的排量。 液容c 2 的输入为q 5 和q 6 ，输出为p 2 ，忽略液容c 2 的泄漏。q 5 为马达运动而导致的 输入液容c 2 的等效流量。液容c 2 的输入输出间的关系为： 己= 暴胁啪 ：为液容c 2 的体积，q 5 = 一珐。 ( 5 2 ) 液压马达液感l 液压马达的排量为y ，液感的等效转动惯量为，输入为只和只，输出为系统的加速度 堑三塞堡! 些! 丝垫兰堡型墼篁塞耋塞 丝、速度u 和位移o 。输入输出之间的生态系为： d f 塑：坚二墨幽! ( 5 1 3 ) d 2 p i j 加速度辈进行一次积分就得到速度。，速度。再进行一次积分就得到位移o 。 d f ( 6 ) 液压缸模块 同理，液压缸可看成是由进油腔液容c 1 、液压缸液感l 、回油腔液容c 2 组成。对于液 容c 1 和c 2 与上述液压马达的液容讨论一致。下面讨论液压缸液感l ： 将油缸的活塞当作一个液感l 来处理。这个液感l 的输入为油压p l 、油压p 2 、及负载f ， 忽略粘性负载。设油缸活塞液感l 的等效质量为m ，液容c l 和c 2 的有效工作面积分别为 a 1 和a 2 。则液感l 的输入和输出间的关系为： d = ( 只如一只 十五) ，m ( 5 1 4 ) 加速度a 进行一次积分就得到速度v ，速度v 再进行一次积分就得到位移y 。 ( 7 ) 控制器模块 假设控制器只采用位移伺服补偿，且采用相对比较简单的p d 控制策略，则控制器模块 输入输出之间的关系为。 “( s ) 一一( 1 + 去+ 抛( j ) 一删 5 _ 1 5 式中的y 伪系统的给定输入，y 为系统跟随的位移信号。 5 2 1 各模块仿真程序的建立 ( 1 ) 油源模块 图5 3 泵模块 f i g 5 - 3p u m pm o d u l o 5 5 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 泵与比例阀之问的油管 ( 3 ) 溢流阀 图5 4 油管模块 f i g 5 - 4 t 【am o d i 】1 e ”r 。 制! 旧 i f h p s m p a )“l p _ ( 4 ) 比例方向阀模块 图5 5 溢流阀模块 f 培5 5r e e f m o 叫e 图5 6 比例方向阀模块 f i g 5 6p r o p o m o n a ld i r e c 吐o n a l v em o d u i e 童三篓堑型堡塑坠丝塑型墼篁塞耋些 ( 5 ) 液压马达模块 ( 5 。1 ) 液压马达液容c 1 和c 2 模块 5 7 液压马达液容c 1 和c 2 模块 f 堙5 7h y d r a u u cm 嗽sf l u i dc 叩a c n yc 1a dc 2m o d l l l e ( 5 2 ) 液压马达液感l 5 8 液压马达液感l 模块 f i 粤5 - 8 脚如u h c m o i o r s l m o d u l e ( 6 ) 液压缸模块： 由于液压缸1 和液压缸2 的相同的组成模块是相同的，因此他们的仿真模块是一致的 只是负载不同，本文只给出液压缸l 的仿真模块。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 6 1 ) 液压缸液容c 1 和c 2 模块： 5 9 液压缸c 1 和c 2 模块 f i g5 9 h y d r a u n cc y h n d e r sr i l i dc 印a c i t yc 1 柚dc 2m o d u l c ( 6 2 ) 液压缸液感l ( 7 ) 控制器模块 5 1 0 液压缸液感l 模块 f 噜5 1 0h y d r a l l l i cc y d e r sh m a e 疵c tlm o d l 】l e p 吣c o n lr o ers a i u i a “o n 5 1 1 控制器模块 f i g5 1 1c o n 廿0 e rm o d m e 5 8 第五章探测机构轨迹规划的仿真实验 5 2 1 2 液压马达和液压缸的仿真子模块 液压缸1 液感l 的等效质量为6 5 蚝，液压缸2 液感l 的等效质量为的载荷为4 k g ， p = 8 7 0 船m 3 ，b 。= 7 0 0 m p a ；阀芯位移死区为2 0 ，t = 1 2 5 m s ，e = o 7 ，w = 2 3 3 m m ；溢流 阀的液导g = 8 0 u ( m 栅a ) ；泵到比例阀油管长度取2 m ，比例阀到液压缸油管长度取3 0 m ； 仿真的算法采用变步长的o d e 4 5 解算法。 将各个模块的连接起来，可得液压缸和液压马达的子模块。其中液压缸l 和2 的仿真子 模块相似，只给出液压缸1 的子模块。 ( 1 ) 液压马达的仿真子模块 ( 2 ) 液压缸的仿真子模块 5 1 2 液压马达模块 f i 晷5 1 2h y 曲1 l l i cm o t o rm o d l 】l e 5 1 3 液压缸模块 f i g 5 - 1 3h y d r a i l i i cc y h d d e rm o d u i e 5 9 广东工业大学工学硕士学位论文 5 2 1 3 总系统仿真模块 根据第三章和第四章所得的探测机构运动学的正逆解关系和上述所分析的各个子系统的 仿真模块，通过建立整个系统的模型可知道输入轨迹与输出轨迹的关系 5 3 仿真结果 5 1 4 系统仿真模块 f 培5 - 1 4s y s t e mm o d l l l e ( 1 ) 当液压马达输入为一正弦信号时它的输出和原信号的比较如图所示 。日 n 6 & 4 。，i 嫠。 司2 啊d 4 矗b 司日 ，一 i j 。 ii 辅$ 筘高 啼 z 、 i - _ - _ ? ! t 蛹入瞎 一t - t - _ 1 、 j 七i b h 一 秒 5 1 5 液压马达位移跟随曲线 f i g 5 一1 5c u r v eo f d i s p l a c e m e n tf 0 u o wo f h y d r a u u cm o t o r 第五章探测机构轨迹规划的仿真实验 ( 2 ) 当液压缸1 输入为一正弦信号时它的输出和原信号的比较如图所示 5 1 6 液压缸1 位移跟随曲线 f i g 5 1 6c u r v eo f d i s p l a c e m e 1f o u o w0 f h y 出a u n cc y l i i l d e r1 ( 3 ) 当液压缸2 输入为一正弦信号时它的输出和原信号的比较如图所示 5 1 7 液压缸2 位移跟随曲线 f i g5 1 7c l 】r v eo f d i s d a c e m e t f 0 o w0 f h y d r a l l l i cc y l i n d e r2 6 l 广东工业大学工学硕士学位论文 通过上述仿真实验，可知探测机构的液压缸和液压马达对输入量具有良好跟踪性输出， 符合控制精度和稳定性的要求，从而保证了探测机构视频头在桥梁检测时能沿着给定输入轨 迹进行检测运动，确保了探测机构视频头的检测质量。 5 4 本章小结 为验证探测机构视频头的轨迹跟踪性能，本章完成的主要工作内容有： ( 1 ) 探测机构液压系统的方案设计，对液压系统的元件进行选取； ( 2 ) 对液压系统各个模块进行建模； ( 3 ) 仿真程序的建立。 仿真结果良好的验证了探测机构各个关节能对输入轨迹进行良好的跟踪性能，从而保证 了视频头的检测的质量。 总结与展望 总结与展望 本文在充分了解国内外有关轨迹规划研究现状的基础上，对智能视频桥检测车探测机构 轨迹规划进行了深入的研究。针对桥梁底面缺陷检测的基本要求，对智能视频桥梁检测车探 测机构开展了轨迹规划的研究，主要完成的内容如下： ( 1 ) 、分析了桥梁底面的基本结构，建立了桥梁底面的模型，为使得探测机构能安全地 通过斜拉锁和实现桥梁底面大跨度全区域的检测，设计了智能视频桥梁检测车的总体方案， 同时，根据桥梁底面检测要求，选择合理探测机构的自由度数目和结构，设计出4 自由度探 测机构。 ( 2 ) 、为了研究探测机构各运动构件之间的关系，根据运动学基础和探测机构的结构特 点，建立桥梁检测车探测机构的运动学模型，并分析了其运动学的正解和逆解。同时，为了 得出探测机构视频头的运动速度对于各个关节速度的影响，探讨了探测机构的雅可比矩阵及 其求解方法。 ( 3 ) 、轨迹规划问题是在运动学的基础上，研究关节空间中，探测机构关节的轨迹和轨 迹生成方法。在分析探测机构视频头的检测运动特点和比较几种轨迹规划算法的基础上，对 探测机构关节采用三次b 样条插值法进行轨迹规划，三次b 样条插值法具有很好的分段处理 性，可以对轨迹进行局部调整，而不影响其他部分的轨迹，该法函数本身具有一阶导数和二 阶导数的连续性，从而使得探测机构运动平稳。最后，得出良好的仿真结果。 ( 4 ) 、为了确保视频头的检测质量，必须保证视频头稳定地沿着给定的输入轨迹运动， 为此，对探测机构的各个关节进行了仿真实验，先对探测机构的液压系统进行设计，探测机 构的液压系统进行建模，运用m a t l a b 的s i m u l i n k 模块对其模型进行仿真，验证了各关节 能对输入轨迹有良好的跟踪性能，从而确保了视频头能沿着给定的轨迹运动。 本课题到目前虽然完成了一定的工作，但基于人力、时间和实验条件的限制，探测机构 的轨迹规划方面还有许多不完善的地方，因此在以下方面展开研究，进行完善与提高： ( 1 ) 、本文对桥梁底面模型分析是基于最一般的形式，得出视频头的仿形轨迹为直线， 但实际上桥梁底面还存在着一些非直线的地方，例如：桥墩和底面连接处的圆形区域，因此， 进一步探讨桥梁底面的模型，使得探测机构的轨迹规划更具有一般性。 ( 2 ) 、在轨迹规划时，视频头的仿真轨迹都是已知的，但实际上在桥梁检测时其轨迹是 通过传感器不断地探测桥梁底面的边界点而更新仿形轨迹，因此，可进一部探讨桥梁检测车 广东工业大学工学硕士学位论文 的传感装置，有助分析轨迹的实时生成。 ( 3 ) 、本文只给出基于三次b 样条的轨迹规划的仿真，并在探测机构视频头的运动速度 为恒定的时候进行，因此，可进一步探讨多种规划方法的组合和变速度的规划。 参考文献 【l 】徐日批，王博义，赵家奎桥梁检验 m 北京：人民交通出版社，1 9 8 6 ( 2 l i z x ，c h a n ，t h t ，k o ，j m f a t i g u ea i l a l y s i sa i l dl i f ep r e d i c t i o no f b r i d g e sw i t h s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gd a t a j i n t e n l a t i o n a lj 0 u n l a lo ff a t ig l l e ，2 0 0 1 ，2 3 ( 1 ) ：4 5 5 3 3 】r i ，ya n db r e 1 l i n g w 0 0 d i n t a i n i n gr e l i a b “i t yo fc 0 n c r e t es t r u c t t l r es i ：r 0 l eo f i n s p e c t i 。n r e p a i r j j o u n l a lo fs t n l c t u r a lh g i n e e r i1 9 9 4 ，1 2 0 ( 3 ) ：8 2 4 _ 8 4 5 4 】m o r i ，ya 1 1 d b r e 1 l i n g o d ，m a i n t a i n i n g r e l i a b i l i t y o f c d n c r e t es t r u c t l l r e s i i ：0 p t i 蚰u 脚 i n s p e c t i o n r e p a i r j j o u n l a lo fs t r u c t u r a le n g i n e e r i n g ，1 9 9 4 ，1 2 0 ( 3 ) ，8 4 6 8 6 2 5 】章关永对结构材料和桥梁进行状态检测的现有技术 j 国外桥梁，2 0 0 0 ，( 2 ) ：l l 1 4 【6 朱海涛桥梁工程实用测量 m 北京：中国铁道出版社2 0 0 0 7 】裴强等桥梁健康监测及诊断研究综述 j 地震工程与工程振动2 0 0 3 ，2 3 ( 2 ) ：6 卜6 7 8 】h 主卫；z 婴里! ! ! 垫! ! ：! ! ! e i l 2 1 d ! ! ! ! z z ! y z 2 1 q q q 2 q z 31 ：n ! ! 交通合作 9 数据来源：省公路桥梁检测和旧桥加固技术交流会简报，2 0 0 3 一。卜2 0 【l o 灿e xy 枷a ，s 姐j i vs i g h ，a m o n ys t e m z a ne m c i e n to - 1 i n ep a l hp l a n n e rf o ro u t d o o r m o b i l er o b o t s 叽r 0 b o 血sa n da u t o n o l o u ss y s t e m s3 2 ( 2 0 0 0 ) 1 2 9 1 4 3 ， 1 1 】n r 0 y ，w b u r g a r d ，d f o x ，s t h r u n ，c o a s t a ln a v i g a t i o n m o b “er o b o tn a v i g a t i o n w i t h u n c e r t a i n t y i n d y n a m i ce n v i r o n m e n t s r ， i n ： p r o 。e e d i n g s o ft h ei e e e i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nr 0 b o t i c sa n da u t o m a t i o n 1 9 9 9 【l2 k a z u os u g i b a r aa n dj 0 1 i ls m i t h g e n e t i ca 1 9 0 r i t l l sf o ra d a p t i v em 0 t i o np l a n n i n go fa n a u t o n o 0 u s b i l er o b 。t s a p r o b l e 玎】si 髓t r a n s 觚 c m i t ，u 、s ，1 9 9 7 ，1 3 8 1 4 3 1 3 j 张明路，彭商贤，曹作良等用于移动机器人避障的人工神经网络和模糊逻辑控制技术 j 】 中国机械工程，1 9 9 7 ，8 ( 2 ) ：2 1 2 4 【1 4 】钟碧良，张棋，杨宜民基于改进势场法的足球机器人避障路径规划叨控制理论与应 用，2 0 0 3 ，2 0 ( 4 ) ：6 2 3 6 2 6 【1 5 】胡盛斌，罗均，龚振邦，黄欣微小型i a 飞行机器入主动避障控制研究 j 】上海大学学 报( 自然科学版) 2 0 0 3 ，9 ( 4 ) ：3 2 7 3 3 0 1 6 】封岸松，戴炬冗余自由度机械手的避障控制 j 机器人，2 0 0 2 ，2 4 ，3 ：2 1 3 2 1 6 1 7 】丛主巳；z ! 婴：b ! ! ! ：! ! m 虹i d g ! = 堂i i 题z 2 1 q 3 堑2 丝2 1 ：h 垫番禺大桥一一桥飞架创奇迹 粥 广东工业大学工学硕士学位论文 1 8 陈定春钢管混凝土拱桥结构设计探讨 r 上海：中国土木工程学会桥梁及结构工程学会 第十四届年会论文集 1 9 丛主卫；z b j ；：塾! 血：! ! ! e z k ! g i 垫! ! 旦墨i d 塑g i ! d 些g 垫：h ! ! 桥梁档案 2 0 鲢主巳；! 塑：! ! ! b 塑：! ! ! ! ! ! i 堂堂i ；b ! h i i ! ! 塑2 q q q 塑! q ；! ! h 地今明重点讨论 港珠澳大桥西岸落脚点广州日报2 0 0 5 4 1 2 1 英帆a s p e na e r i a l s 桥梁检测车 j 商用汽车，2 0 0 3 ，9 ：4 6 - 4 7 2 2 郭贵平，杨文明m 0 0 g 桥梁检测车 j 筑路机械与建筑机械化，2 0 0 0 ，1 7 ，3 ：1 3 1 4 【2 3 刘胜民梁检测作业车 j 商用汽车，2 0 0 3 ，9 ：4 4 4 5 【2 4 虹新型桥梁检测车 j 专用汽车，2 0 0 5 ，l ：2 6 2 6 2 5 刁启，王遐徐工新型桥梁检测车 j 工程机械与维修，2 0 0 4 ，4 ：1 0 6 一1 0 6 2 6 蔡自兴机器人学 m - 北京：清华大学出版社2 0 0 0 2 7 】王耀南机器人智能控制工程 m 北京：科学出版社2 0 0 3 【2 8 熊有伦等机器人学 m 北京机械工业出版社1 9 9 0 【2 9 p a d e nb k i n e m t i c sa n dc o n t r 0 1r o b o tm a n i p u l a t o r s d p h dt h e s i s ，d e p a r t m e n t o fe 1 e c t r i c a la n dc o p u t e rs c i e n c e s ，u n i v e r s n yo fc a l i f o r n i a ，b e r k e l e y ，1 9 8 6 3 0 】李昌德等机器人运动学的正问题及逆问题 r 南京：南京理工大学研究报告，1 9 9 1 3 1 董明晓，周以齐p u m a 机器人逆运动学求解新方法 j 组合机床与自动化加工技 术，2 0 0 0 ，1 0 ：1 9 2 1 3 2 】p a u l r p s h