CN111857157A - 一种用于振动压路机运动路径的调节方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及自动驾驶技术领域,特别涉及一种用于振动压路机运动路径的调节方法及控制系统。
背景技术
振动压路机是一种高效的压实机械,被广泛的用于道路和水坝的施工建设中。
振动压路机的前振动钢轮部分与后驱动车体之间通过中心销轴连接在一起。成振动轮既作为工作轮又作为行走轮,是振动振动压路机重要部件之一,主要由振动钢轮、激振机构、减振系统和行走机构等4大部分组成。
振动压路机在施工作业过程中为了满足压实工作要求,其激动机构产生剧烈振动,会令操作人员产生身体上的不适,为了避免振动对振动压路机操作者的影响,同时降低振动振动压路机的作业成本并提高振动压路机的工作效率,有必要设计一种用于振动压路机运动路径的调节方法及控制系统,减少振动压路机作业过程中产生的振动碾压误差。
发明内容
针对上述缺陷,本发明解决的技术问题在于,提供一种用于振动压路机运动路径的调节方法及控制系统,以解决现在技术所存在的振动压路机作业过程中产生较大的振动误差的问题。
本发明提供了一种用于压路机运动路径的调节方法,其特征在于,包括:
步骤1、规划设定直线的轨迹;
具体的是,所述步骤2包括:
步骤2.1、构建振动压路机整体运动模型:
步骤2.2、根据振动钢轮中心当前位置坐标与设定直线的轨迹上振动钢轮中心对应期望点坐标计算出横向误差el;,el=(xd-x)sinθd+(y-yd)cosθd,其中,(x,y)表示振动压路机振动钢轮中心的实际距离位置坐标,θ表示振动钢轮的实际航向角度,(xd,yd)表示跟踪直线轨迹上对应振动钢轮中心当前坐标的振动钢轮中心期望坐标,θd表示振动钢轮的期望航向角度,表示转角误差。
步骤2.3:根据横向误差el以及相应速度下所对应的预瞄距离l获得压路机所需航向,将压路机当前航向与压路机所需航向进行比较,得到航向误差eθ;eθ=θ-θd,其中,θ表示振动钢轮的实际航向角度,θd表示振动钢轮的期望航向角度。
具体的是,所述步骤3包括:
步骤3.1、构建转向系统的数学模型,并确定转向系统的传递函数,
其中,为车身转角与油缸输出位移之间的比例因子,ωh为液压动力转向系统的固有频率,s为拉普拉斯变量;δs为系统阻尼系数,Kq为比例调速阀的流量增益,I为比例调速阀电磁铁输入控制电流,Ctp为等效液压油缸总泄漏系数,Ve为等效液压油缸腔体总容积,E为油液体积弹性模量,Ap为等效液压油缸的作用面积;
步骤3.3、转向系统控制压路机车身转角的调节,达到期望的车身输出转角;
步骤3.4、车身输出转角经过压路机整体运动模型,调整压路机的行驶航向与位置坐标。
具体的是,步骤3中转向系统的控制方式包括模糊PID控制;
具体的是,压路机的行驶速度采用PID算法进行控制。
本发明还提供一种用于压路机运动的控制系统。包括用于调节压路机车身转向方向的转向系统;
所述转向系统包括:
定位组件,设置于压路机主体上用于检测振动钢轮中心当前的位置;
定向组件,设置于所述压路机主体上,用于检测压路机当前的航向;
角度编码器,设置于所述压路机主体上,用于实时检测压路机车身角度的变化量;
转向控制器,与所述定位组件、所述定向组件及所述角度编码器电连接,用于接收并处理所述定位组件、所述定向组件及所述角度编码器发出的电信号,并调节压路机车身转角。
优选地。该控制系统还包括用于控制压路机行驶方向与速度的行驶控制系统;
所述行驶控制系统包括:
导航仪,设置于所述压路机主体上,用于采集并输出所述压路机主体的实时速度以及与设定速度的偏差;
行驶控制器,与所述导航仪、所述压路机主体电连接,用于调节所述压路机主体的行驶速度或/和行驶方向。
由上述方案可知,本发明提供的一种用于振动压路机运动路径的调节方法及控制系统,与现有技术相比,通过本发明提供的调节方法实现了对振动误差的控制,在有较大初始横向误差的情况下,采用本方法的振动压路机的控制性能更好,且其控制误差具有较小的超调量及更短的相应的时间。本发明由转向控制器、定向组件、定位组件、角度编码器构成的转向系统能快速、准确的完成对振动压路机碾压过程中的方向的调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所使用的一种振动压路机结构示意图;
图2为本发明所使用的一种振动压路机的油缸输出位移与车身转角关系示意图;
图3为本发明实施例中输入变量隶属度函数形状示意图;
图4为本发明实施例中的比例调节参数p调整量的模糊控制规则示意图;
图5为本发明实施例中的积分调节参数i调整量的模糊控制规则示意图;
图6为本发明实施例中的微分调节参数d调整量的模糊控制规则示意图;
图7本发明实施例提供的一种用于振动压路机运动路径的调节方法的流程框架图一;
图8本发明实施例提供的一种用于振动压路机运动路径的调节方法的流程框架图二;
图9本发明实施例提供的一种用于振动压路机运动路径的调节方法的流程框架图三;
图10本发明实施例提供的一种用于振动压路机运动路径的调节方法的流程框架图四;
图11本发明实施例提供的一种用于振动压路机运动路径的调节方法的流程框架图五;
图12为本发明实施例提供的一种用于振动压路机的控制系统的行驶控制系统的结构框架图;
图13为一种用于振动压路机的控制系统的转向系统的结构框架图;
图中:1、定位组件;2、定向组件;3、角度编码器;4、转向控制器;5、位置数据采集仪;6、行驶控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请一并参阅图1至图13,现对本发明提供的一种用于振动压路机运动路径的调节方法进行说明。所述一种用于振动压路机运动路径的调节方法,包括以下步骤:
S1、规划跟踪直线的轨迹;
具体的是,跟踪直线的轨迹由起点坐标(xs,ys)和终点坐标(xe,ye)所决定,其表达式为:
(ye-ys)x+(xs-xe)y+xeys-xsye=0
跟踪误差的具体数学形式如下:
其中:(x,y)为压路机振动钢轮中心的实际距离位置坐标;θ为振动钢轮的实际航向角度;(xd,yd)为跟踪直线轨迹上对应振动钢轮中心当前坐标的振动钢轮中心期望坐标;θd为振动钢轮的期望航向角度;表示转角误差。
其中,ks表示调节系数,eθ表示航向误差,el表示横向误差,l表示预瞄距离,与el一一对应;
具体的是,所述S2包括以下步骤:
S2.1、构建压路机整体运动模型
具体的是,所述S2.1包括:
其中,(x1,y1)表示振动钢轮中心的坐标,(x2,y2)表示驱动车体中心的坐标,θ1和θ2分别表示振动钢轮和驱动车轮的航向;表示驱动车体中心与振动钢轮中心之间的转角,l表示振动钢轮或驱动车体中心到铰接点的距离。
需要说明的是,在式(1)中,振动钢轮到铰接点的距离与驱动车体中心到铰接点的距离相等,用l表示。构建的矢量qT选取振动钢轮的中心作为参考点。驱动车体中心的位置与航向可以通过振动钢轮中心的位置与航向并结合两者之间的转角得到。
S2.1.2、设定垂直于v1和v2方向的速度为零,得到公式
需要说明的是,压路机在结构上纵向对称,且轮胎和钢轮与地面是点接触,同时将压路机的运动简化为平面运动且不存在侧向和纵向滑移。因此,垂直v1和v2方向的速度为零。
S2.1.3、对式(1)求导并结合式(2),得到压路机整体运动模型,并以公式(3)的形式表示。
S2.2、根据振动钢轮中心当前位置坐标与跟踪直线的轨迹上振动钢轮中心对应期望点坐标计算出横向误差el;
el=(xd-x)sinθd+(y-yd)cosθd,其中,(x,y)表示振动压路机振动钢轮中心的实际距离位置坐标,θ表示振动钢轮的实际航向角度,(xd,yd)表示跟踪直线轨迹上对应振动钢轮中心当前坐标的振动钢轮中心期望坐标,θd表示振动钢轮的期望航向角度,表示转角误差,
S2.3:根据横向误差el以及相应速度下所对应的预瞄距离l获得压路机所需航向,将压路机当前航向与压路机所需航向进行比较,得到航向误差eθ;
eθ=θ-θd,
其中,θ表示振动钢轮的实际航向角度,θd表示振动钢轮的期望航向角度。
需要说明的是,调节系数ks根据李雅诺夫稳定性判别方法进行选定,选用合适的调节系数ks,可使航向误差eθ、横向误差el及转角误差趋向于零。
需要说明的是,压路机对指定直线的跟踪误差主要由航向误差eθ、横向误差el以及转角误差所决定。在实际直线跟踪时,航向误差eθ和转角误差较小,根据式(3)得到的压路机整体学模型并对其进行线性化,得到振动压路机直线跟踪误差线性化状态方程,如下所示:
具体的是,所述S3包括:
S3.1、构建转向系统的数学模型,并确定转向系统的传递函数
其中,为车身转角与油缸输出位移之间的比例因子,ωh为液压动力转向系统的固有频率,s为拉普拉斯变量;δs为系统阻尼系数,Kq为比例调速阀的流量增益,I为比例调速阀电磁铁输入控制电流,Ctp为等效液压油缸总泄漏系数,Ve为等效液压油缸腔体总容积,E为油液体积弹性模量,Ap为等效液压油缸的作用面积;
具体的是,所述S3.1包括:
S3.1.1、对转向系统做出简化假设;
具体的是,为了简化分析对转向系统做出以下假设:
(1)忽略电磁换向阀开启过程对转向系统动态特征的影响。
(2)油液的黏度、密度和弹性模量不随压力和温度的变化而变化。
(3)若干个转向油缸之间仅考虑力的耦合作用,若干个转向油缸之间的作用力视为干扰力。
S3.1.2、推导比例调速阀门输出流量qs
qs=KqI (4)
其中,Kq为比例调速阀的流量增益,I为比例调速阀电磁铁输入控制电流。
需要说明的是,此时比例调速阀门工作在线性区段。
S3.1.3、推导出流入等效液压油缸的流量qB
其中,pB为等效液压油缸负载压力,Ctp为等效液压油缸总泄漏系数,Ve为等效液压油缸腔体总容积,E为油液体积弹性模量,Ap为等效液压油缸的作用面积,Y为等效液压油缸输出位移。
S3.1.4、推导出转向液压油缸的扭矩平衡方程
其中,Jt表示等效负载的转动惯量;δp表示等效液压油缸黏性阻尼系数,TL表示转向过程中的转向阻力矩;pB1表示等效液压油缸作用力臂;pB2表示等效液压油缸输出压力;R表示等效液压油缸作用力臂。
S3.1.5、推导出转向系统的传递函数
其中,为车身转角与油缸输出位移之间的比例因子,ωh为液压动力转向系统的固有频率,s为拉普拉斯变量;δs为系统阻尼系数,Kq为比例调速阀的流量增益,I为比例调速阀电磁铁输入控制电流,Ctp为等效液压油缸总泄漏系数,Ve为等效液压油缸腔体总容积,E为油液体积弹性模量,Ap为等效液压油缸的作用面积;
需要说明的是,传递函数(7)由(4)-(6)联立并进行拉普拉斯变换,并忽略油的黏性阻尼得到。
S3.3、转向系统控制振动压路机车身转角的调节,达到期望的车身输出转角;
具体的是,转向控制器4根据计算出的期望转角变化量与角度编码器3检测的实时角度变化量得到角度偏差,并调节比例调速阀输入控制电流,通过压路机液压系统输出到转向油缸,实现压路机车身转角的调节,从而达到期望的输出车身转角。
S3.4、车身输出转角经过振动压路机整体运动模型,调整振动压路机的行驶航向与位置坐标。
作为本发明实施例的一种具体实施方式,请一并参阅图3至图11,步骤3中转向系统的控制方式包括模糊PID控制;
作为本发明实施例的一种具体实施方式,振动压路机的行驶速度采用PID算法进行控制。通过采用PID算法可使得振动压路机克服振动和路面不平状况的影响,能有效的保证振动压路机行驶速度稳定在设定速度。
在本实施例中,采用PID算法对振动压路车行驶速度进行控制,并通过安装在振动钢轮上的速度传感器实时采集振动压路机行驶速度来实现速度闭环控制。速度PID控制器的三个调节参数(比例调节参数kp、积分调节参数ki、微分调节参数kd)通过自动行驶实验来确定。
在本实施例中,比例调节参数p为3、积分调节参数i为0.5、微分调节参数kd为1,使得振动压路机实际作业速度稳定在设定速度。
本发明提供的一种用于振动压路机运动路径的调节方法,与现有技术相比,通过本发明提供的调节方法实现了对振动误差的控制,在有较大初始横向误差的情况下,采用本方法的振动压路机的控制性能更好,且其控制误差具有较小的超调量及更短的相应的时间。
本发明还提供一种用于振动压路机运动的控制系统。请一并参阅图12至图13,所述一种用于振动压路机运动的控制系统,包括用于调节振动压路机车身转向方向的转向系统;所述转向系统包括定位组件1、定向组件2、角度编码器3及转向控制器4,定位组件1设置于振动压路机主体上用于检测振动钢轮中心当前的位置;定向组件2设置于振动压路机主体上,用于检测振动压路机当前的航向;角度编码器3设置于振动压路机主体上,用于实时检测振动压路机车身角度的变化量;转向控制器4与定位组件1、定向组件2及角度编码器3电连接,用于接收并处理定位组件1、定向组件2及角度编码器3发出的电信号,并调节振动压路机车身转角。
根据定位组件1检测到的振动钢轮中心当前位置坐标与设定直线轨迹上振动钢轮中心对应期望点坐标计算出横向误差el;根据横向误差并结合相应速度下所对应的预瞄距离计算获得压路机所需航向。通过定向组件2检测得到的压路机当前航向与压路机所需航向进行比较,得到航向偏差;根据航向偏差计算出期望车身转角变化量,转向控制器4根据计算出的期望转角变化量与角度编码器3检测的实时角度变化量得到角度偏差,并调节比例调速阀输入控制电流,并通过压路机液压系统输出到转向油缸,实现压路机车身转角的调节,从而达到期望的输出车身转角。
本发明提供的一种用于振动压路机运动的控制系统,与现有技术相比,通过由转向控制器4、定向组件2、定位组件1、角度编码器3构成的转向系统能快速、准确的完成对振动压路机碾压过程中的方向的调节。
在本实施例中,转向控制器4包括以角度偏差及角度偏差的变化率作为模糊输入量,以控制电流的PID调整量Δkp、Δki及Δkd作为模糊输出量的模糊PID控制器。基于预瞄的航向跟踪模糊PID控制器控制效果更好,且模糊PID控制器控制误差具有更短的相应时间。
定义角度偏差的论域为[-24°,24°],角度偏差变化率的论域为[-9,9](°).s-1。两者的量化等级都为-3、-2、-1、0、1、2、3,则角度偏差的量化因子为0.125。角度偏差变化率的量化因子为0.33。
控制电流PID调整量Δkp的论域为[-0.3,0.3],Δki的论域为[-0.015,0.015],Δkd的论域为[-0.3,0.3],三者的量化因子都为1。
定义输入输出变量的模糊子集为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)。
作为本发明提供的一种用于振动压路机运动的控制系统的一种具体实施方式,请一并参阅图12及图13,该控制系统还包括用于控制振动压路机行驶方向与速度的行驶控制系统;行驶控制系统包括位置数据采集仪5及行驶控制器6,位置数据采集仪5设置于振动压路机主体上,用于采集并输出振动压路机主体的实时速度以及与设定速度的偏差;行驶控制器6与位置数据采集仪5、振动压路机主体电连接,用于调节振动压路机主体的行驶速度或/和行驶方向。行驶控制器6根据位置数据采集仪5(如GPS数据采集仪等)反馈的压路机实时速度与设定速度的偏差,调节控制阀两端线圈的电流,进而实现振动压路机自动行驶速度和方向的控制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处,各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
2.根据权利要求1所述的一种用于振动压路机运动路径的调节方法,其特征在于,所述步骤2包括:
步骤2.1、构建振动压路机整体运动模型:
步骤2.2、根据振动钢轮中心当前位置坐标与跟踪直线的轨迹上振动钢轮中心对应期望点坐标计算出横向误差el,el=(xd-x)sinθd+(y-yd)cosθd,其中,(x,y)表示振动压路机振动钢轮中心的实际距离位置坐标,θ表示振动钢轮的实际航向角度,(xd,yd)表示跟踪直线轨迹上对应振动钢轮中心当前坐标的振动钢轮中心期望坐标,θd表示振动钢轮的期望航向角度,表示转角误差;
步骤2.3:根据横向误差el以及相应速度下所对应的预瞄距离1获得振动压路机所需航向,将振动压路机当前航向与振动压路机所需航向进行比较,得到航向误差eθ,
3.根据权利要求2所述的一种用于振动压路机运动路径的调节方法,其特征在于,所述步骤3包括:
步骤3.1、构建转向系统的数学模型,并确定转向系统的传递函数:
其中,为车身转角与油缸输出位移之间的比例因子,ωh为液压动力转向系统的固有频率,s为拉普拉斯变量;δs为系统阻尼系数,Kq为比例调速阀的流量增益,I为比例调速阀电磁铁输入控制电流,Ctp为等效液压油缸总泄漏系数,Ve为等效液压油缸腔体总容积,E为油液体积弹性模量,Ap为等效液压油缸的作用面积;
步骤3.2、通过计算角度偏差
步骤3.3、转向系统控制振动压路机车身转角的调节,达到期望的车身输出转角;
步骤3.4、车身输出转角经过振动压路机整体运动模型,调整振动压路机的行驶航向与位置坐标。
5.根据权利要求1所述的一种用于振动压路机运动路径的调节方法,其特征在于:振动压路机的行驶速度采用PID算法进行控制。
6.一种用于振动压路机运动的控制系统,其特征在于:包括用于调节振动压路机车身转向方向的转向系统;
所述转向系统包括:
定位组件,设置于振动压路机主体上用于检测振动钢轮中心当前的位置;
定向组件,设置于所述振动压路机主体上,用于检测振动压路机当前的航向;
角度编码器,设置于所述振动压路机主体上,用于实时检测振动压路机车身角度的变化量;
转向控制器,与所述定位组件、所述定向组件及所述角度编码器电连接,用于接收并处理所述定位组件、所述定向组件及所述角度编码器发出的电信号,并调节振动压路机车身转角。
8.根据权利要求6所述的一种用于振动压路机运动路径的控制系统,其特征在于:该控制系统还包括用于控制振动压路机行驶方向与速度的行驶控制系统;
所述行驶控制系统包括:
位置数据采集仪,设置于所述振动压路机主体上,用于采集并输出所述振动压路机主体的实时速度以及与设定速度的偏差;
行驶控制器,与所述位置数据采集仪、所述振动压路机主体电连接,用于调节所述振动压路机主体的行驶速度或/和行驶方向。
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CN113050622A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-06-29 | 武汉光庭科技有限公司 | 无人压路机路径跟踪控制方法及系统、服务器及介质 |
CN113721454A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-11-30 | 吉林大学 | 一种铰接式车辆路径跟踪控制方法 |
CN115328135A (zh) * | 2022-08-16 | 2022-11-11 | 上海联适导航技术股份有限公司 | 划线机器人校准及划线方法、装置、电子设备及划线机器人 |
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2020
- 2020-08-03 CN CN202010768614.XA patent/CN111857157A/zh not_active Withdrawn
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