堅實冰雪厚度檢測系統試驗

莊騰飛 王俊發 李亞芹 邱新偉 王 銳 龐秀巖

堅實冰雪厚度檢測系統試驗

莊騰飛 王俊發 李亞芹 邱新偉 王 銳 龐秀巖

利用隨行浮動方法設計出堅實冰雪厚度檢測系統，對檢測系統進行了三維模型分析。方案確定選用GY-25角度傳感器，對檢測系統進行編程、測試，通過程序分析實時反饋顯示測量的堅實冰雪厚度變化值。試驗檢測分析發現：該檢測系統能夠實時反饋檢測厚度，反饋速度快，檢測精度高，為堅實冰雪厚度實際檢測提供重要參考。

我國北方地區冬季降雪量大，氣溫低，冬季道路經車輛反復碾壓或融凍后形成路面堅實冰雪，由于冰雪厚度差異大、密度高、硬度大、清除時耗能費時。目前清除這類冰雪機械主要通過銑削、鏟剁等方式進行作業，清除時均未對待除冰雪的厚度進行測量，作業時除雪效率低，刀具磨損快，而且還會對路面造成一定程度的破壞，降低道路使用壽命。在銑削式冰雪清除試驗裝置上設計了實時反饋待除冰雪厚度的檢測系統，可實現堅實冰雪的厚度實時檢測。

檢測原理

圖1　檢測系統三維圖

圖2　檢測系統的原理圖

運用Pro/E三維建模軟件進行模型分析，冰雪厚度檢測系統三維模型如圖1所示。堅實冰雪厚度檢測系統利用隨動桿上的GY-25角度傳感器對隨動桿與連接端水平夾角進行測量。GY-25角度傳感器能測量三個軸角度值，根據試驗要求，編程時只對Y軸測得的俯仰角角度變化值進行實時輸出。試驗前先清除0.6m2冰雪，使隨動桿垂直路面即試驗角度初值為90°，這樣可排除路面坡度對檢測精度的影響。試驗時隨動桿在待除冰雪表面移動，作業過程中設定隨動桿與水平方向的夾角為θ，其檢測原理如圖2所示。

1.臥式軸承座；2.上端蓋；3.下端蓋；4.伸出板；5.斜支撐板；6.機架下前側板；7.角度傳感器；8.萬向輪；9.U型卡；10. 隨動桿；11.連接軸；12軸承。

由檢測原理分析可得式：

式中：Δh為測得的冰雪厚度；

h為隨動桿的長度；

θ為實時測量隨動桿與連接端水平夾角的角度值。

利用式（1）運用Arduino進行編程，通過程序中的函數計算輸出實時檢測冰雪層厚度。

厚度檢測系統試驗

為驗證試驗原理和試驗的可行性，對檢測系統進行了實驗室的檢測試驗。由于季節原因，在試驗時用壓實土壤代替堅實冰雪進行試驗。試驗中分別取10個點作為參考點，進行多次試驗，通過多點多次試驗分析厚度檢測系統的性能。

試驗設備

試驗選取圖3所示的GY-25角度傳感器，以串口TTL全雙工方式與上位機進行通信。GY-25主要技術參數如表1所示，試驗時檢測系統接線如4所示。

表1　GY-25角度傳感器主要參數

1.數據線；2.DFRduino Romeo板；3.GY-25角度傳感器；4.連接線。

Arduino編程

通過Arduino軟件對角度傳感器進行驅動并編程，實時測量角度傳感器角度值的變化并通過式（1）實時計算并反饋出測量壓實土壤的厚度值。部分程序如下：

圖3　GY-25角度傳感器

圖4　檢測系統實驗室接線圖

圖5　檢測系統檢測厚度數值

試驗結果及分析

試驗選取10個參考點，分5組采用多點多次對比分析，通過檢測系統在10個參考點測得的厚度與實際厚度進行比較，得出檢測系統的測量誤差。10個參考點的實際厚度分別為：26mm；30mm；33mm；36mm；40mm；43mm；45mm；47mm；51mm；53mm。試驗檢測結果如圖5所示。

通過試驗結果可知，參考點實時檢測結果與實際厚度的檢測對比誤差均在3mm以內，認為檢測厚度準確可靠。同時，試驗發現檢測系統數值反饋快，穩定性好，具有一定的適用性和應用性。

結語

創建了厚度檢測系統的三維模型，對檢測原理進行了分析。完成了對GY-52角度傳感器驅動，并通過Arduino軟件編程實現壓實土壤的實時厚度檢測。

進行了多組厚度檢測試驗，試驗分析發現，該檢測系統檢測誤差在3mm以內，響應速度快，穩定性好。

通過壓實土壤的實時厚度檢測初步試驗，探索了冰雪的厚度檢測，為后續根據冰雪厚度測量值進行除雪刀具深度自動調節奠定基礎。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.009