автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматическая следящая система контроля высотных и угловых характеристик автомобильных дорог

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ

ь ИНСТИТУТ

ГЕХН^^^ИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

(^Е

ФАКУЛЬТЕТ ДОРОЖНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН КАФЕДРА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

На правах рукописи УДК 681.5:621.878

ЧЕРНОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

АВТОМАТИЧЕСКАЯ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ВЫСОТНЫХ И УГЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Специальность - 05.13.07 "Автоматизация технологических процессов

и производств в строительстве"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

МОСКВА, 1998

Рабата выполнена в Московском Государственном Автомобильно-Дорожном Институте (Технический Университет)

Научный .руководитель доктор технических наук, профессор

Суворов Д.Н.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Васьковский А.М.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ван A.B.

Ведущая организация АО ЦНИИОМТП

Защита состоится " /О " ¿/■¿¿<?'с, 1998 г. в I & часов

аудитория № на заседании специализированного Совета Д.053.30.07

при Московском Государственном Автомобильно-Дорожном Институте (Технический Университет) по адресу: 125829 ГСП А-47, Москва, Ленинградский проспект, д. 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ(ТУ).

Автореферат разослан " $ " 1998 г.

Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес Совета Института.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент .7 Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В первую очередь актуальность работы определяется накопленным за последние годы значительным недоремонтом дорог и отсутствие объективной информации о их состоянии. Исследование РОСДОРНИИ по некоторым маршрутам федеральной сети в 1996 г. показывает, что уровень безопасности движения связанный с состоянием дорожного покрытия почти на половине проверенных маршрутах характеризуется низким и даже критическим уровнем.

На неровных покрытиях возникают чрезмерные колебания транспортного средства, усложняющие условия вождения и отрицательно сказывающиеся на комфортабельности движения и состоянии техники.

Вместе с тем, в условиях острой нехватки денежных средств дорожным органам особый упор необходимо сделать на содержании дорог и в первую очередь - на своевременное устранение мелких деформаций и разрушений (трещин, выбоин, и.т.д.). Именно так поддерживают свою сеть дорожные администрации США, Канады, Германии, Японии и др. стран.

Паспортизация существующей сети автомобильных дорог так же является важной народно хозяйственной задачей. Контроль геометрических характеристик автомобильных дорог является важнейшей составной частью задачи паспортизации. Учитывая значительную. • протяженность отечественной дорожной сети и низкий начальный этап выполнения контрольно-измерительных работ, без широкой автоматизации процессов измерения и обработки результатов получить достоверные данные о состоянии сети автомобильных дорог в приемлемые сроки невозможно. Традиционные методы решения данных задач не обладают необходимой производительностью. В тоже время оперативная информация о состоянии сети автомобильных дорог позволяет правильно распределить ресурсы для повышения безопасности движения и пропускной способности дорог.

Цель работы.

Целью работы является разработка и исследование автоматической системы контроля для измерения и анализа геометрических параметров дорожного покрытия для применения на этапах строительства и эксплуатации дорог.

•Для достижения поставленной задачи необходимо также решить следующие задачи:

• провести анализ существующих методов и систем контроля геометрических параметров автодорог;

з

• разработать методы контроля обеспечивающие измерение продольного и поперечного профилей дорожного покрытия;

• разработать аналитическую модель измерительного комплекса и определить необходимые соотношения между измеряемыми параметрами и геометрическими параметрами автомобильных дорог;

• • разработать подсистему контроля положения подвижной платформы относительно базовой точки на основе следящей системы, обеспечивающей соосность источника и приёмника луча, рассчитать её устойчивость;

- • разработать структуру и модули автоматической цифровой системы сбора и предварительной обработки информации, а также необходимые алгоритмы;

• • провести метрологическое исследование разработанной измерительной системы.

Методы исследования.

В работе использованы методы математического моделирования, теории ' автоматических систем, синтеза дискретных систем, теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы.

• разработан новый метод контроля геометрических параметров дорожного покрытия с применением лазерного излучателя с цилиндрическим способом развертки лазерного луча, существенно расширяющем возможности его использования;

• создана математическая модель позволяющий провести расчет элементов конструкции и оптимизация её параметров для новой системы, определять основные технические характеристики системы и исследовать её в.различньрс.ситуациях при эксплуатации;

• разработана методика и алгоритмы управления процессом измерения и обработки результатов;

Практическая ценность работы.

' ' • создана микропроцессорная, модульная система контроля геометрических параметров автомобильных дорог, существенно повышающими производительность и качество работ;

' • ориГинальнь!Й способ развертки лазерного луча позволяет применять данную систему даже в городских условиях благодаря минимальной вероятности попадания лазерного луча £ органы зрения.

• разработаны методы борьбы с паразитным влиянием внешней освещенности на результаты измерений; - -

• определены значения точности измерений профиля дорожного покрытия, быстродействия т.е. производительности системы автоматического управления в процессе измерения;

• разработаны структура базы данных и алгоритмы функционирования систем автоматики на приёмнике и источнике лазерного луча, протоколы обмена информации по телеметрии.

• разработанная следящая, координирующая система может быть использована при управлении строительно - дорожными машинами.

Реализация результатов работы.

Разработанное устройство готовится к лабораторным испытаниям. Результаты исследования используются в учебном процессе МАДИ ТУ.

К защите представляются:

• модульная система автоматического управления измерениями геометрических параметров автомобильных дорог;

• методы расчёта геометрических параметров автомобильных дорог по результатам измерения положения" подвижной платформы;

• методика представления результатов для. принятия решения по ремонту или реконструкции промеренного участка дорожного полотна;

• алгоритмы управления измерительным комплексом и обработка информации.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на 54,55 и 56 научно - методических и научно - исследовательских конференциях МАДЩТУ) (Москва 1996,1997,1998 г.). Результаты работы докладывались и обсуждались на III международной конференций "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" (Курск, 1997). Материалы VII научно - практической конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Владимир, 1997).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 3 статьи.

Обьем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы - 83 источника, приложений и содержит 156 страниц машинописного текста, 38 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследований.

Первая глава.

Проведен анализ геометрических характеристик автомобильных дорог - виды дефектов поверхности покрытия дорог и причины их возникновения. Рассмотрено понятие ровности дороги и математические выражения позволяющие числено определять характеристики дорог и влияние этих характеристик на комфортабельность и безопасность движения. Приведен общий подход к методу оценки качества дорожного покрытия.

Рассмотрены методы и приборы контроля геометрических характеристик автомобильных дорог. Классификация приборов произведена по следующим категориям:

• регистрирующие неровности; приборы импульсного действия;

• приборы инерционного действия;

• приборы для контроля ровности в поперечном профиле дороги.

Далее приведен подробный анализ и классификация современных автоматических систем контроля на основе использования пучка лазерного излучения как направляющей линии или лазерной плоскости для правильной фиксации заданного уровня, направления, уклона и т.п. Здесь описаны отечественные и зарубежные системы со стандартным пучком излучения: ЛВ-5М, Далгрейд, 1X3-1, ЬО-2, НКТ1-400; со сканирующим лазерным пучком излучения: СКП-1, САУЛ-1, Геоплан 300, Пикколо, ЛОС-2, 01ЛЧЗ КР-2.

Анализ этих систем позволяет сделать вывод о необходимости создания более производительной и удобной в эксплуатации системы.

В завершении первой главы сформулированы задачи данной диссертационной работы.

Вторая глава.

Вторая глава посвящена разработке системь1 автоматического контроля. Конструктивно система состоит из двух автомобилей, на одном из которых установлен передатчик, а на другом приёмник. Автомобиль с передатчиком неподвижен в процессе измерения, а автомобиль, оснащенный приёмником, перемещается по поверхности измеряемой дороги. При этом с помощью лазерного луча фиксируется положение автомобиля, оснащенного приёмником.

В данной работе предлагается усовершенствованный вариант использования лазерного луча. Луч отслеживает текущее местоположение измерительного приемника путем дискретного изменения углов в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно собственного начального положения излучателя. Преимуществами такого метода являются: компактность аппаратуры, малая зависимость от геометрических факторов взаимного расположения приемника и источника светового луча (практически для работы такой системы достаточно чтобы приемник и источник находились в зоне видимости друг друга), существенное уменьшение вероятности попадания лазерного луча в органы зрения человека так как источник луча в каждый момент времени направлен непосредственно на приемник, возможность "непрерывного" контроля текущего положения объекта, так как излучатель и приемник постоянно взаимодействуют друг с другом, а не периодически, как при круговой развертке. В целом использование лазера для геодезических работ дает большую точность и дискретность измерений. Последнее позволяет эффективно измерять параметры профиля контролируемой поверхности.

Проведена разработка источника и приёмника лазерного пучка.

Рис. 1. Функциональная схема.

В общем виде функциональная схема предлагаемой системы представлена на-Рис. 1. Здесь луч 4 лазера 1 развертывается в цилиндроид вращения 5 при помощи системы зеркал 2. Диаметр цилиндроида составляет 20 см. Текущее направление луча определяется тремя тягами продольного перемещения 3 (на рисунке показаны только два). Приемником служит сферический экран б (диаметром 40 см.) с, установленными в фокусе, тремя

фотоэлементами 7. Фотоэлементы снабжены коллиматорами л сориентированы таким образом, что каждый осматривает свою треть экрана. Для сохранения нормали и соосности между источником и приёмником луча, на экране установлены такие же тяги 8 продольного перемещения как fja источнике. Защитный кожух 9 предохраняет устройства от пыли, дождя

и-Т.'/Ь ...

Рис. 2 показывает как отклонение луча сказывается на перераспределении светового потока в различных секторах экрана.

Так как свет в каждом секторе измеряется соответствующим фотоэлементом, то отношения сигналов от них будут зависеть от отклонения

проекции луча от центра. Если отклонение превышает заданное значение радиуса цилиндроида вращения, то срабатывают механизмы слежения, установленные на приемнике и источнике и ось луча снова оказывается близко к центру отражателя.

При этом в измерения вводится необходимая поправка и процесс повторяется до тех пор, пока приемник не достигнет заданного положения или не выйдет из зоны прямой видимости излучателя. Затем, на необходимое расстояние, перемещается передатчик и.т.д. Между двумя устройствами поддерживается непрерывная дуплексная связь по радиоканалу, а управление шаговыми двигателями и проведение измерений осуществляются при помощи двух микроЭВМ на приёмнике и источнике светового сигнала.

Для пояснения математической сущности методики измерений представим, что 1(г) - распределение интенсивности света развернутого луча лазера на расстоянии г от оси светового пучка в бесконечно малый промежуток времени. Для упрощения примем значение г = const при

Параболический отражатель

Проекция луча при отсутствии отклонения

Проекция луча при

возникновении

отклонения

Фотоэлементы

Области осматриваемые фотоэлементами

Рис. 2 . Схема работы отражателя.

I0 = Jl(r)dr> Jl(r)dr-95%,

о о

тогда; толщина светового кольца на отражателе будет составлять 2г , а интеграл света будет равен:

Ir= 4rcR,rI0)

где ^ - радиус проекции луча. Доля света Р от , попадающего на область любого фотоэлемента вычисляется по формуле:

2 arceos

■ R 2 + d2

P(d) = -

2dR,

360

где - радиус области фотоэлемента, d - расстояние между центрами окружностей и Я/. Если центр Я/ находится в начале координат, то d = •\/х2 + у2, где х и у - координаты центра окружности Щ.

Для иллюстрации

рассмотренных формул на Рис.3 приведен график зависимости доли света на любом фотоэлементе от перемещения луча. Здесь принято, что 10 см.

Из приведенной

зависимости видно, что в широком- диапазоне график имеет практически линейный характер, что существенно упрощает процесс калибровки, наладки системы,

математических "он-

лайновых" вычислений при эксплуатации и существенно улучшает точность измерений.

При движении автомобиля из-за неровности дороги, действия рессор и амортизаторов изменяется положение кузова автомобиля относительно поверхности покрытия дороги, что вносит существенные ошибки в результаты измерений.

В данном проекте разработана подсистема контроля положения подвижной платформы относительно поверхности покрытия. > Эта подсистема измеряет положение плоскости автомобиля относительно дороги и передает полученные данные в общую систему обработки для коррекции измерений.

Ч.......А'..............'Й.......ГС...........Ц"""Ч'6'.....Ч'а.....й

с1,(ст)

Рис. 3. Функция доли света.

Для реализации этого метода используются три линейки с закрепленными на них ультразвуковыми датчиками Рис. 4. Линейки закреплены спереди и сзади автомобиля. Всего использовано 30 ультразвуковых датчиков, которые распределены по двум задним и одной передней линейкам. Датчики расположены с шагом 100мм и измеряют расстояние между корпусом автомобиля и поверхностью дороги. Текущее положение кузова определяется по усредненным значениям измерений каждой из трех линеек. Усреднение необходимо для компенсации неровности поверхности покрытия автомобильной дороги.

Дополнительным преимуществом данного метода является то, что, используя тот же набор датчиков, можно производить контроль ровности покрытия дороги в узлах сетки с шагом 100* 100мм (Рис.4) по оси движения автомобиля.

Расстояние между машинами определяется по сдвигу фазы светового сигнала, прошедшего через радиоканал обратно на источник сигнала.

Третья глава.

В третьей главе представлен алгоритм обработки результатов контроля геометрических характеристик автомобильных дорог состоящий из трех модулей ввода результатов, полученных при исследовании автомобильной дороги (Рис.5).

Первый модуль - " модуль контроля геометрических параметров автомобильных дорог". В этом модуле собирается информация, полученная от лазерной системы измерений и с датчика продольного уклона. С лазерной системы приходят данные о двух углах: угол в горизонтальной плоскости и угол в вертикальной плоскости. Эти два угла дают возможность определить положение радиус-вектора в пространстве. С датчика продольного уклона в систему контроля приходит значение третьего угла.

Второй модуль - "модуль контроля положения автомобиля относительного дороги". В - этом модуле накапливаются результаты измерений с тридцати датчиков, установленных спереди и сзади машины. Датчики определяют расстояние от плоскости кузова до поверхности дороги, а также неровность поверхности автомобильной дороги.

Третий модуль - "модуль общесистемных параметров автомобильной дороги". Этот модуль связан с двумя предыдущими, так как в нем рассматривается время и пройденный путь. С датчика расстояния приходят значения о пройденном пути. Для синхронизации всех блоков используют время и пройденный путь. Все три модуля с исходными результатами поступают в систему обработки результатов.

п

Рис. 5. Блок-схема формирования результатов для системы обработки.

Далее результаты распределяются по назначению между системами расчета продольного угла, поперечного угла, видимости, радиуса кривой, уклона виража и системой неровности для автомобильной дороги.

Для каждой характеристики автомобильной дороги составляется таблица значений, полученных результатов при измерениях геометрических характеристик дорог. Далее по формулам вычисляются "чистые" значения всех параметров системы. В конечном итоге составляется одна общая таблица с параметрами геометрических характеристик автомобильных дорог, причём все параметры синхронизируются по времени и расстоянию. То есть, для определенного значения времени или расстояния будет соответствовать строка с нужными параметрами ( продольный угол, поперечный угол, неровность, уклон виража, радиус кривой и видимость).

Приведены основные аналитические соотношения, результаты метрологических исследований, устойчивости и выходные формы представления результатов.

Четвертая глава.

Четвертая глава посвящена разработке структурной схемы контроля и выбору элементной базы: лазера, фотоэлементов, датчиков ультразвукового контроля, системы телеметрии, вычислительных и периферийных блоков для создания системы автоматики.

Приложения.

В приложении приведены рисунки и таблицы поясняющие работу автоматической системы контроля высотных отметок, влияние отдельных геометрических факторов на характеристики измерений, основные математические и геометрические соотношения.

Общие выводы по работе

1. Необходимо создание новых высокопроизводительных автоматизированных систем контроля, способных в кратчайшие сроки произвести мониторинг большого числа федеральных дорог.

2. Проведен анализ предшествовавших работ, который позволил выявить в качестве перспективного направления развития геодезических систем для целей контроля качества дорожного покрытия использование следящих лазерных детекторов.

3. Разработана новая конструкция и схема функционирования системы слежения за относительными перемещениями приёмника и источника лазерного луча в 3-х мерном пространстве к источнику.

4. Разработана методика и - подсистема определения положения подвижной платформы относительно исследуемой поверхности, выявлена возможность применения подсистемы для измерения микронеровностей дорожного покрытия.

5. Разработаны аналитические модели связи измеряемых параметров с геометрическими характеристиками автомобильных дорог позволяющий однозначно определять положение подвижной платформы в пространстве и разработать на её основе алгоритм обработки данных.

6. Составлены алгоритмы представления результатов измерений и форме готовых отчетов для инженерно - технического персонала производящих ремонт автодорог.

7. Метрологические расчеты показали, что внедрение экспериментальной системы автоматического контроля качества' позволит значительно повысить производительность, точность, информационное наполнение и наглядность результатов измерения.

Основные положения диссертации изложены в

работах:

1. Суворов Д.Н., Чернов Д.В. Система непрерывного лазерного контроля высотных отметок. Сборник научных трудов МАДИ(ТУ). "Автоматический контроль и управление технологическими процессами в строительном производстве", - Москва, МАДИ, 1998г.

2. Суворов Д.Н., Чернов Д.В. Система непрерывного лазерного контроля высотных отметок. Материалы III международной конференции. "Оптико - электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации". - Курск, КГТУ, 1997г.

3. Суворов Д.Н., Чернов Д.В. Система непрерывного лазерного контроля высотных отметок. Материалы VII научно - практической конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" Владимир, 1997г.