专利名称：摊铺机路沿跟踪行走控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及筑路机械领域，具体涉及可实现摊铺机恒速直线行走和路沿跟踪行走之控制装置。
背景技术：
在现有的道路施工过程中，摊铺机的行走控制是通过手动来实现的，操作人员根据眼睛的观察，需要不停地手动调整摊铺机转向电位器，以保证摊铺机按设定的方向行走。由于操作人员操作水平的差异，施工路面的平直度、定径转向等路面技术指标，有很大的人工操作的不确定因素，因此，这些指标在手工操作的方式下，在技术上变得很难得到保证。另一方面，操作员的注意力要求高度集中，随时根据路线方向，不断地调整摊铺机转向电位器，因此操作员的工作强度也较大，每摊铺100米偏差达20厘米。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是怎样实现摊铺机行走的恒速直线控制和跟踪路沿转向，以提高施工质量，降低操作者的劳动强度。
本实用新型的技术问题是通过下面的技术方案解决的。其特征在于它是在摊铺机下部前面位置设置一超声波传感器，该传感器通过工业现场总线与行走控制器相接。所述超声波传感器包括超声波探头、单片机、光电隔离器、现场总线驱动器及运算放大器，所述超声波探头设两个以上，其中一探头与其余探头正交，该探头通过光电隔离器与单片机一接口连接，其余探头经运算放大器、光电隔离器与单片机另一接口连接，同时，该单片机还通过光电隔离器与现场总线驱动器相连。
本实用新型利用超声波传感器测距和计算机自动控制技术，实现了摊铺机行走的恒速直线控制、跟踪路沿转向的实时控制，恒速直线行走速度的波动可稳定在±3转/分；在路沿跟踪行走控制模式下，摊铺机与路沿基准(路沿石、基准绳)距离之间的偏差可控制在±10毫米以内。这样施工路面的平整度和直线度较人工控制有了成倍地提高，摊铺机操作手的劳动强度有了大幅的降低，工作效率得到提高，同时保证了工程质量。
图1为本实用新型实施例结构总图；图2为本实用新型超声波传感器脉冲输入信号图；图3为本实用新型超声波传感器电路图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括三个部分超声波传感器1，行走控制器2和连接超声波传感器1和行走控制器2之现场总线3。其中超声波传感器1设置在摊铺机下部前面侧面位置，可设于料斗前端，它可完成路沿目标(路沿石、基准绳)与超声波传感器发射面之间距离的测量，并把测量结果经过滤波、校检之后发送到现场总线3；行走控制器2完成摊铺机恒速行走和路沿跟踪行走的自动控制；现场总线3用于超声波传感器1与行走控制器2之间，以及和其它现场总线节点之间的数据通讯。
超声波传感器1采用压电陶瓷作为超声波的发射器和接收器，当加上电压后，压电陶瓷受激以脉冲形式发出超声波(将电信号转变成声信号)；另外，压电陶瓷能将反射到接收平面上的超声波信号转变成电信号(将声信号转变成电信号)。在高电平期间，压电陶瓷受电压激发向外发射超声波；在低电平期间，压电陶瓷停止发射超声波，等待刚才发射出的超声波遇到障碍物后反射回的回波信号，当接收到回波信号时，压电陶瓷将回波信号转变成电平信号。因此，通过捕获输入脉冲信号高电平上升沿与回波信号高电平上升沿，就能测量出两者上升沿之间的时间差Δt。设该超声波在当时环境下在空气中传播的速度为v，则超声波传感器发射面与障碍物反射面之间的距离为d＝(Δt/2)×v。
如图3所示，超声波传感器1包括超声波探头8、单片机4、光电隔离器5、现场总线驱动器6及运算放大器7，所述超声波探头8设两个以上，其中一探头与其余探头呈正交状态，本实用新型实施例设六个，如图1所示，分别为超声波头8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6，其中超声波头8-1与地面成水平设置，用于确定基准距离L和补偿测量环境，其余超声波头8-2，8-3，8-4，8-5，8-6与地面垂直，可用于扩展超声波传感器在测量的宽度范围，以保证测量的准确性。单片机4为超声波传感器1中心部件，通过光电隔离器5分别与超声波头8、运算放大器7、现场总线驱动器6相连。
在脉冲输出方面，单片机4的P3口的(P3.2、P3.3)提供两路脉冲输出，经过两路光电隔离器5后，再经过两路运算放大器7，其中P3.2脚驱动超声波头8-1，P3.3脚同时驱动超声波头8-2，8-3，8-4，8-5，8-6。
在脉冲捕获输入方面，六个超声波头8的回声信号并联成一路输入，经过一路光电隔离器5后，从单片机4的P1口的脉冲捕获引脚P1.2脚输入。
在CAN通讯方面，单片机4的P1口的(P1.0、P1.1)提供CAN的发送和接收端，经过两路光电隔离器5，再经过CAN总线驱动器6提供CAN总线外部物理接口。
其工作过程如下首先给超声波头8-1施加如图2所示的输入信号(九个脉冲)，这样，超声波头8-1将会对上述输入信号的九个高电平(将产生九段超声波)，测得九个回波信号，得出九个时间差Δt，然后将这九个时间差Δt去掉最大的，去掉最小的，将剩下的七个时间差Δt取算术平均后作为超声波头8-1本次的测量值Δt1。
在超声波头8-1输入信号结束50毫秒之后，给超声波头8-2，8-3，8-4，8-5，8-6同时施加上述输入信号，这样超声波头8-2，8-3，8-4，8-5，8-6的回声会因为反射物距离的不同而先后反回，超声波传感器1只检测最新返回的回声信号，并计算返回时间差Δt。上述输入信号将得到九个返回时间差Δt，然后将这九个时间差Δt去掉最大的，去掉最小的，将剩下的七个时间差Δt取算术平均后作为超声波头8-2，8-3，8-4，8-5，8-6本次的测量值Δt2。
超声波头8-1的发射面到其反射面的距离是固定的，设定其距离为L，由第1步测量得到其回声时间差为Δt1，则超声波头8-2，8-3，8-4，8-5，8-6发射面与被测量物体之间的距离的计算公式如下d＝(Δt2/Δt1)×L。
由上述公式可知，超声波传感器1测量的距离与超声波声速无关，既与测量时环境的空气温度、空气湿度、空气压力、气流速度无关。
本实用新型行走控制器2首先从CAN总线获取摊铺机左右行走马达行走速度设定值、左右行走马达转速测量值、从超声波传感器1传送来的路沿距离测量值，然后根据这三个输入信号，经过PID计算，给出左右行走泵比例阀PWM信号输出值，控制摊铺机左右行走马达的转速，保证摊铺机恒速之线行走、路沿跟踪行走。
行走控制器有两种工作方式，其一是没有安装路沿超声波传感器的恒速行走控制工作方式，其二是安装了路沿超声波传感器的路沿跟踪行走控制工作方式。
本实用新型路沿跟踪行走控制由内、外两个闭环控制组成，内环称为稳速控制环，左、右行走马达各有一个稳速控制环，用于控制马达转速保持恒定，外环称为纠偏控制环，用于控制左、右马达转速差保持恒定。
在稳速控制环，采用前置一阶滞后滤波PID控制算法，具体算法如下一阶滞后滤波的差分方程为ek＝(1-α)ek+αek-1(1)其中ek为本次偏差采样值，ek和ek-1是本次和上次偏差滤波值。
基本PID控制的差分方程为
Δuk＝Kp(ek-ek-1)+NkKiek+Kd(ek-2ek-1+ek-2) (2)其中Δuk为本次增量输出值。ek、ek-1和ek-2是本次、上次和上上次偏差滤波值。kp是比例项系数，ki是积分项系数，kd是微分项系数。Nk是积分项变速系数，其表达示如下 在纠偏控制环，以左马达转速设定值与右马达转速设定值之差作为纠偏PID控制器的输入设定值vset，以左行走马达转速测量值与右行走马达转速测量值之差作为纠偏PID控制器的输入测量值vmeas，以(vset-vmeas)作为纠偏PID控制器的输入值。纠偏PID控制器的算法同表达式(1)，(2)，(3)。
本实用新型恒速行走控制由内、外两个闭环控制组成，内环称为稳速控制环，左、右行走马达各有一个稳速控制环，用于控制马达转速保持恒定，外环称为路沿跟踪控制环，用于控制车体沿着路沿方向行走。
在稳速控制环，采用前置一阶滞后滤波PID控制算法，具体算法见表达式(1)，(2)，(3)。
在路沿跟踪控制环，由路沿超声波传感器检测摊铺机车体与路沿之间的距离，然后与路沿距离设定值比较，其偏差作为路沿跟踪PID控制器的输入值，路沿PID控制器算法同表达式(1)，(2)，(3)本实用新型作为一个独立的专用控制装置，可独立完成摊铺机的恒速直线行走控制、路沿跟踪行走控制，同时可作为CAN总线上的一个节点，通过CAN总线通讯，与其它CAN总线节点进行信息交换。
权利要求1.一种摊铺机路沿跟踪行走控制装置，其特征在于它是在摊铺机下部前面位置设置一超声波传感器，该传感器通过工业现场总线与行走控制器相接。
2.根据权利要求1所述的摊铺机路沿跟踪行走控制装置，其特征在于超声波传感器包括超声波探头、单片机、光电隔离器、现场总线驱动器及运算放大器，所述超声波探头设两个以上，其中一探头通过光电隔离器与单片机一接口连接，其余探头经运算放大器、光电隔离器与单片机另一接口连接，同时，该单片机还通过光电隔离器与现场总线驱动器相连。
3.根据权利要求2所述的摊铺机路沿跟踪行走控制装置，其特征在于所述超声波探头中一探头与其余探头正交。
专利摘要一种摊铺机路沿跟踪行走控制装置，其特征在于它是在摊铺机下部前面位置设超声波传感器，该传感器通过工业现场总线与行走控制器相接。所述超声波传感器中超声波探头设两个以上，其中一探头与其余探头正交，该探头通过光电隔离器与单片机一接口连接，其余探头经运算放大器、光电隔离器与单片机另一接口连接，该单片机还通过光电隔离器与现场总线驱动器相连。本实用新型利用超声波传感器测距和计算机自动控制技术，实现了摊铺机行走恒速直线控制、跟踪路沿转向的实时控制，恒速直线行走速度波动小，摊铺机与路沿基准距离偏差可控制在±10毫米内，施工路面平整度和直线度成倍提高，操作手的劳动强度大幅降低，工作效率得到提高，同时保证了工程质量。
文档编号E01C19/00GK2673929SQ20042003493
公开日2005年1月26日 申请日期2004年1月18日 优先权日2004年1月18日
发明者李冰, 王动勤, 陈正祥 申请人:三一重工股份有限公司