隧道檢測車并聯(lián)車載穩(wěn)定平臺系統(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)雖已投入工程應用，但是還有眾多技術升級工作需要開展。公路隧道內(nèi)部光照強度有限，視覺采集系統(tǒng)對外界環(huán)境的適應性降低，不同設計時速下的隧道斷面尺寸不同、檢測車行駛過程中不可避免地左右搖擺、路面顛簸等外界多維擾動等原因[2]，這些都會導致襯砌表面與視覺采集系統(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、激光光源等視覺采集設備的最佳工作范圍之外，無法獲取圖像，嚴重影響后期圖像處理與病害識別。

圖1 山西交科隧道檢測車

因此，在視覺采集系統(tǒng)和檢測車之間添加一套車載穩(wěn)定平臺系統(tǒng)[3]，實時檢測光學系統(tǒng)與被測隧道襯砌之間的距離，通過控制系統(tǒng)實時補償運動量，間接調(diào)整光學系統(tǒng)參數(shù)，從而達到快速調(diào)焦、高質量獲取圖像的目標。

本文搭建了六自由度并聯(lián)機器人系統(tǒng)，用于實現(xiàn)空間運動模擬和慣性穩(wěn)定兩個功能，主要作用如下：

a）空間運動模擬器 利用并聯(lián)機器人可實現(xiàn)空間多自由運動的特點，模擬車輛行駛過程中各項運動參數(shù)，為目前研發(fā)團隊開展機器視覺技術研究方向提供試驗平臺，可直接應用于視覺采集系統(tǒng)受車輛多維搖擺下的數(shù)學建模、擾動作用影響、圖像采集效果等研究內(nèi)容。同時也可應用于搭建交通行為與交通安全模擬試驗平臺，為研究道路設計性能等交通安全評價測試項目提供模擬條件。

圖2 同濟大學駕駛模擬器

b）慣性穩(wěn)定平臺 數(shù)字相機、激光雷達等高精度傳感器廣泛應用于交通檢測、設計、測繪等領域中，但是受車輛、無人機等載體振動影響，傳感器的采集精度會下降，嚴重影響圖像采集精度。利用并聯(lián)機器人可實現(xiàn)多軸聯(lián)動補償?shù)膬?yōu)點，擬開展慣性穩(wěn)定平臺研究工作，用于不同路況下隔離地面對車載設備的多維位姿擾動，為其提供較為穩(wěn)定的工作環(huán)境，為目前研發(fā)團隊開展交通智能裝備研究方向提供平臺。該平臺直接針對隧道檢測車載視覺采集系統(tǒng)，通過補償車體三維移動和三維轉動以提高其測量精度，進一步提升隧道檢測車對不同路況的適應性。

圖3 慣性穩(wěn)定平臺

1 總體方案設計

六自由度并聯(lián)機器人主要由機械臺體、測量系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)組成，其中機械臺體由運動平臺、固定平臺、運動副和6 組驅動分支組成；測量系統(tǒng)主要由5 組編碼器和一個光柵尺組成；電氣控制系統(tǒng)由Trio 控制器、松下控制器、伺服電機、電腦及相關電氣配件構成。

圖4 并聯(lián)機器人系統(tǒng)試驗樣機

研制的六自由度并聯(lián)機器人系統(tǒng)如圖4 所示，由并聯(lián)機器人和控制柜兩部分構成。機械臺體1.6 m×1.8 m，最低1.2 m，最高1.7 m，操作臺1.2 m×0.8 m，高1.7 m。設備的角自由度為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）具有實時、精確測量車體搖擺及升沉參數(shù)功能。

b）具有實時、精確測量圖像采集系統(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、橫傾運動。

d）能夠補償行車過程中圖像采集系統(tǒng)與隧道墻壁間距離變化。

e）在不啟動測量系統(tǒng)的情況下，還可在電控系統(tǒng)的驅動下開展運動模擬功能，在平整道路下模擬多種復雜路況，為隧道檢測系統(tǒng)的魯棒性試驗提供支撐。

f）具有自檢、測試功能。

g）具有多層級安全防護措施。

1.2 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)主要由基座、動平臺、6 個運動分支以及一個檢測分支組成。其中基座為框架式焊接結構，與隧道檢測車車體底板連接。動平臺采用7075T651鋁合金加工而成。運動分支由電動缸、球形鉸鏈、上鉸座、下鉸座等組成。電動缸結構相同，且其兩端采用相同的球形鉸鏈，結構簡單，互換性強。球形鉸鏈具有精度高、轉動范圍大、所需安裝空間小等優(yōu)點，如圖5 所示。基座與動平臺上設有上鉸座、下鉸座用于球形鉸鏈的安裝，控制箱位于臺體內(nèi)部，可有效節(jié)約設備占地空間，便與車上安裝。檢測分支由胡克鉸、缸套、活塞桿以及編碼器安裝支架等組成，檢測分支可實現(xiàn)系統(tǒng)位姿的準確檢測。

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)領域廣泛應用的英國TRIO 公司的高性能運動控制器實現(xiàn)對車載穩(wěn)定平臺的可靠控制，電氣系統(tǒng)結構如圖6 所示。

TRIO 控制器只有一個編程界面，利用Motion Perfect 軟件使運動控制器的設置、檢測、調(diào)試和使用變得更加簡單。利用其中的CAM 指令可以將復雜的運動控制策略用較為簡單的程序表達，只需要將運動規(guī)律以公式的形式輸入到程序中，設置好時間、加速度、位移等變量，即可計算出系統(tǒng)中各個運動軸的運動參數(shù)，省去了大量繁瑣的計算過程，同時便于校驗，免去了因為運動規(guī)律計算錯誤帶來的系統(tǒng)故障；同時，控制器便可利用其模塊化的設計，較為簡便地將多個驅動器、電機和反饋方式整合到一起，快速搭建復雜的運動控制系統(tǒng)。

圖6 電氣系統(tǒng)結構

為了提高系統(tǒng)響應的快速性，伺服系統(tǒng)選用了松下超高速網(wǎng)絡RTEX MINAS A6N 系列電機以及配套的全雙工超高速運動網(wǎng)絡Realtime Express(RTEX)，可滿足要求高速、高精度、高性能化的先進網(wǎng)絡伺服。同時，該系列對于軸數(shù)較多的機器實現(xiàn)了大幅節(jié)省配線和降低系統(tǒng)成本。

2 系統(tǒng)測試及結果

在實驗室內(nèi)，根據(jù)上述硬件進行了組裝調(diào)試，樣機系統(tǒng)如圖7 所示。

圖7 并聯(lián)機器人系統(tǒng)試驗樣機

a）完成了姿態(tài)測量傳感器的標定工作，確定了旋轉編碼器脈沖與姿態(tài)角度的換算關系，對誤差進行了標定，標定結果如表1 所示。根據(jù)測量結果，總體六自由度誤差均保持在0.5%以內(nèi)，該誤差結果可以保證平臺運行過程中姿態(tài)精度。

表1 六自由度重復定位精度誤差

b）為了進一步驗證本文理論分析的正確性，為后續(xù)結構優(yōu)化及控制算法搭建奠定基礎，將車輛中搭載的陀螺儀采集到的數(shù)據(jù)進行了采集，根據(jù)并聯(lián)機器人系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，建立輸入與輸出的映射關系，計算得到在特定運動規(guī)律中6 個自由度的運動分量，并將生成的運動分量傳輸?shù)絋RIO 控制器中，利用其中的凸輪功能計算得到每一時刻6 個軸的運行速度與位移，進而控制各電動缸動作。同時通過軟件讀取平臺的位移，如圖8 所示，圖中1 號為通過車載陀螺儀數(shù)據(jù)反算得到的平臺位移曲線，2 號、3 號線為實際仿真結果，通過對比可以得到仿真結果與實際數(shù)據(jù)基本吻合，這也驗證了本文分析方法的正確性。

圖8 仿真結果對比曲線

3 結語

本文提出了隧道檢測車并聯(lián)車載穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的設計方法，并對其實施方法與工作原理進行了闡述。根據(jù)檢測任務需求，對系統(tǒng)的硬件設備選型依據(jù)進行了詳細的介紹。最終在實驗室進行了系統(tǒng)搭建，并且通過檢測車搭載的陀螺儀得到實際的車輛振動數(shù)據(jù)，通過并聯(lián)機器人平臺進行了模擬仿真，初步達到了穩(wěn)定平臺的指標要求。對于遇到的問題，需要在后續(xù)試驗中改進和完善。