隧道檢測(cè)車并聯(lián)車載穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)研究

劉 博

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隧道智能檢測(cè)車[1]是山西交科自主研發(fā)的新產(chǎn)品，如圖1 所示，現(xiàn)雖已投入工程應(yīng)用，但是還有眾多技術(shù)升級(jí)工作需要開(kāi)展。公路隧道內(nèi)部光照強(qiáng)度有限，視覺(jué)采集系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性降低，不同設(shè)計(jì)時(shí)速下的隧道斷面尺寸不同、檢測(cè)車行駛過(guò)程中不可避免地左右搖擺、路面顛簸等外界多維擾動(dòng)等原因[2]，這些都會(huì)導(dǎo)致襯砌表面與視覺(jué)采集系統(tǒng)之間的距離發(fā)生變化，從而降低成像分辨率。在特殊情況下，甚至使隧道襯砌面位于數(shù)字相機(jī)、激光光源等視覺(jué)采集設(shè)備的最佳工作范圍之外，無(wú)法獲取圖像，嚴(yán)重影響后期圖像處理與病害識(shí)別。

圖1 山西交科隧道檢測(cè)車

因此，在視覺(jué)采集系統(tǒng)和檢測(cè)車之間添加一套車載穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)[3]，實(shí)時(shí)檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)與被測(cè)隧道襯砌之間的距離，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)量，間接調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，從而達(dá)到快速調(diào)焦、高質(zhì)量獲取圖像的目標(biāo)。

本文搭建了六自由度并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)模擬和慣性穩(wěn)定兩個(gè)功能，主要作用如下：

a）空間運(yùn)動(dòng)模擬器 利用并聯(lián)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)空間多自由運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，模擬車輛行駛過(guò)程中各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為目前研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究方向提供試驗(yàn)平臺(tái)，可直接應(yīng)用于視覺(jué)采集系統(tǒng)受車輛多維搖擺下的數(shù)學(xué)建模、擾動(dòng)作用影響、圖像采集效果等研究?jī)?nèi)容。同時(shí)也可應(yīng)用于搭建交通行為與交通安全模擬試驗(yàn)平臺(tái)，為研究道路設(shè)計(jì)性能等交通安全評(píng)價(jià)測(cè)試項(xiàng)目提供模擬條件。

圖2 同濟(jì)大學(xué)駕駛模擬器

b）慣性穩(wěn)定平臺(tái) 數(shù)字相機(jī)、激光雷達(dá)等高精度傳感器廣泛應(yīng)用于交通檢測(cè)、設(shè)計(jì)、測(cè)繪等領(lǐng)域中，但是受車輛、無(wú)人機(jī)等載體振動(dòng)影響，傳感器的采集精度會(huì)下降，嚴(yán)重影響圖像采集精度。利用并聯(lián)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，擬開(kāi)展慣性穩(wěn)定平臺(tái)研究工作，用于不同路況下隔離地面對(duì)車載設(shè)備的多維位姿擾動(dòng)，為其提供較為穩(wěn)定的工作環(huán)境，為目前研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展交通智能裝備研究方向提供平臺(tái)。該平臺(tái)直接針對(duì)隧道檢測(cè)車載視覺(jué)采集系統(tǒng)，通過(guò)補(bǔ)償車體三維移動(dòng)和三維轉(zhuǎn)動(dòng)以提高其測(cè)量精度，進(jìn)一步提升隧道檢測(cè)車對(duì)不同路況的適應(yīng)性。

圖3 慣性穩(wěn)定平臺(tái)

1 總體方案設(shè)計(jì)

六自由度并聯(lián)機(jī)器人主要由機(jī)械臺(tái)體、測(cè)量系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)組成，其中機(jī)械臺(tái)體由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)副和6 組驅(qū)動(dòng)分支組成；測(cè)量系統(tǒng)主要由5 組編碼器和一個(gè)光柵尺組成；電氣控制系統(tǒng)由Trio 控制器、松下控制器、伺服電機(jī)、電腦及相關(guān)電氣配件構(gòu)成。

圖4 并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)

研制的六自由度并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)如圖4 所示，由并聯(lián)機(jī)器人和控制柜兩部分構(gòu)成。機(jī)械臺(tái)體1.6 m×1.8 m，最低1.2 m，最高1.7 m，操作臺(tái)1.2 m×0.8 m，高1.7 m。設(shè)備的角自由度為20°，位移自由度為250 mm。

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要有如下功能：

a）具有實(shí)時(shí)、精確測(cè)量車體搖擺及升沉參數(shù)功能。

b）具有實(shí)時(shí)、精確測(cè)量圖像采集系統(tǒng)與隧道墻壁間距離功能。

c）能夠隔離因路面坡度造成的車體縱、橫傾運(yùn)動(dòng)。

d）能夠補(bǔ)償行車過(guò)程中圖像采集系統(tǒng)與隧道墻壁間距離變化。

e）在不啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的情況下，還可在電控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)展運(yùn)動(dòng)模擬功能，在平整道路下模擬多種復(fù)雜路況，為隧道檢測(cè)系統(tǒng)的魯棒性試驗(yàn)提供支撐。

f）具有自檢、測(cè)試功能。

g）具有多層級(jí)安全防護(hù)措施。

1.2 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)主要由基座、動(dòng)平臺(tái)、6 個(gè)運(yùn)動(dòng)分支以及一個(gè)檢測(cè)分支組成。其中基座為框架式焊接結(jié)構(gòu)，與隧道檢測(cè)車車體底板連接。動(dòng)平臺(tái)采用7075T651鋁合金加工而成。運(yùn)動(dòng)分支由電動(dòng)缸、球形鉸鏈、上鉸座、下鉸座等組成。電動(dòng)缸結(jié)構(gòu)相同，且其兩端采用相同的球形鉸鏈，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，互換性強(qiáng)。球形鉸鏈具有精度高、轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大、所需安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)，如圖5 所示。基座與動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有上鉸座、下鉸座用于球形鉸鏈的安裝，控制箱位于臺(tái)體內(nèi)部，可有效節(jié)約設(shè)備占地空間，便與車上安裝。檢測(cè)分支由胡克鉸、缸套、活塞桿以及編碼器安裝支架等組成，檢測(cè)分支可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位姿的準(zhǔn)確檢測(cè)。

圖5 球形鉸鏈

1.3 電氣控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)的核心部件選用在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的英國(guó)TRIO 公司的高性能運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)車載穩(wěn)定平臺(tái)的可靠控制，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

TRIO 控制器只有一個(gè)編程界面，利用Motion Perfect 軟件使運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)置、檢測(cè)、調(diào)試和使用變得更加簡(jiǎn)單。利用其中的CAM 指令可以將復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制策略用較為簡(jiǎn)單的程序表達(dá)，只需要將運(yùn)動(dòng)規(guī)律以公式的形式輸入到程序中，設(shè)置好時(shí)間、加速度、位移等變量，即可計(jì)算出系統(tǒng)中各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，省去了大量繁瑣的計(jì)算過(guò)程，同時(shí)便于校驗(yàn)，免去了因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算錯(cuò)誤帶來(lái)的系統(tǒng)故障；同時(shí)，控制器便可利用其模塊化的設(shè)計(jì)，較為簡(jiǎn)便地將多個(gè)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和反饋方式整合到一起，快速搭建復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖6 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，伺服系統(tǒng)選用了松下超高速網(wǎng)絡(luò)RTEX MINAS A6N 系列電機(jī)以及配套的全雙工超高速運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)Realtime Express(RTEX)，可滿足要求高速、高精度、高性能化的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)伺服。同時(shí)，該系列對(duì)于軸數(shù)較多的機(jī)器實(shí)現(xiàn)了大幅節(jié)省配線和降低系統(tǒng)成本。

2 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，根據(jù)上述硬件進(jìn)行了組裝調(diào)試，樣機(jī)系統(tǒng)如圖7 所示。

圖7 并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)

a）完成了姿態(tài)測(cè)量傳感器的標(biāo)定工作，確定了旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖與姿態(tài)角度的換算關(guān)系，對(duì)誤差進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表1 所示。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，總體六自由度誤差均保持在0.5%以內(nèi)，該誤差結(jié)果可以保證平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中姿態(tài)精度。

表1 六自由度重復(fù)定位精度誤差

b）為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文理論分析的正確性，為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制算法搭建奠定基礎(chǔ)，將車輛中搭載的陀螺儀采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，根據(jù)并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，建立輸入與輸出的映射關(guān)系，計(jì)算得到在特定運(yùn)動(dòng)規(guī)律中6 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)分量，并將生成的運(yùn)動(dòng)分量傳輸?shù)絋RIO 控制器中，利用其中的凸輪功能計(jì)算得到每一時(shí)刻6 個(gè)軸的運(yùn)行速度與位移，進(jìn)而控制各電動(dòng)缸動(dòng)作。同時(shí)通過(guò)軟件讀取平臺(tái)的位移，如圖8 所示，圖中1 號(hào)為通過(guò)車載陀螺儀數(shù)據(jù)反算得到的平臺(tái)位移曲線，2 號(hào)、3 號(hào)線為實(shí)際仿真結(jié)果，通過(guò)對(duì)比可以得到仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)基本吻合，這也驗(yàn)證了本文分析方法的正確性。

圖8 仿真結(jié)果對(duì)比曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了隧道檢測(cè)車并聯(lián)車載穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其實(shí)施方法與工作原理進(jìn)行了闡述。根據(jù)檢測(cè)任務(wù)需求，對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型依據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。最終在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了系統(tǒng)搭建，并且通過(guò)檢測(cè)車搭載的陀螺儀得到實(shí)際的車輛振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)并聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行了模擬仿真，初步達(dá)到了穩(wěn)定平臺(tái)的指標(biāo)要求。對(duì)于遇到的問(wèn)題，需要在后續(xù)試驗(yàn)中改進(jìn)和完善。