CN109736849A - 一种湿喷机智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种湿喷机智能控制系统。包括上位机控制系统和下位机控制系统；上位机控制系统和下位机控制系统之间参数与指令的发送与接收通过通讯系统来实现，所述上位机系统包括激光扫描仪和车载电脑；激光扫描仪设置在湿喷机车头部走台板上，车载电脑设置在湿喷机内；所述车载电脑控制激光扫描仪的伺服驱动。所述下位机系统包括臂架和车载控制器，臂架设置在湿喷机上，车载控制器设置在湿喷机内；所述车载控制器控制臂架运动。本发明，通过激光扫描获得隧道模型与湿喷机臂架的结构尺寸，通过算法处理，制定合理的臂架路径规划文件，通过建立的隧道模型与隧道设计图纸进行比对，自动生成轨迹规划文件和泵送规划文件。

Description

一种湿喷机智能控制系统

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种湿喷机智能控制系统。

背景技术

随着国家在基础设施建设上的稳步投入，隧道的施工量呈上升趋势，但是隧道施工存在着危险系数高、工作环境恶劣等特点，采用先进的自动化施工设备与施工方法是大势所趋。目前，在隧道施工现场，多采用湿喷机进行混凝土喷射作业，与干喷机相比，湿喷机具有作业粉尘小、喷射回弹量少、保护工作环境、节省原材料、提高喷层质量等优点，而且操作简单易维护。

但是，传统的湿喷机臂架控制一般都是手动控制，自动化程度低，喷涂效果差，大大降低了工作效率，影响了施工效果。

综上所述，急需一种湿喷机智能控制系统以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种湿喷机智能控制系统，以解决自动化程度低问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种湿喷机智能控制系统，包括上位机控制系统和下位机控制系统；上位机控制系统和下位机控制系统之间参数与指令的发送与接收通过通讯系统来实现；还包括遥控器，所述遥控器包括遥控器发送器和遥控器接收器，遥控器发送器发送系统的操作指令给遥控器接收器，遥控器接收器把操作指令传送给下位机控制系统。

所述上位机系统包括激光扫描仪和车载电脑；激光扫描仪设置在湿喷机车头部走台板上，车载电脑设置在湿喷机内；所述车载电脑控制激光扫描仪的伺服驱动。

所述下位机系统包括臂架和车载控制器，臂架设置在湿喷机上，车载控制器设置在湿喷机内；所述车载控制器控制臂架运动。

优选地，所述激光扫描仪为P型三维激光扫描仪，具有自定位功能，用以获得隧道待施工面的三维点云以及隧道模型和臂架的结构尺寸。

优选地，所述车载电脑内置MFC软件平台，用以实现激光扫描仪的伺服驱动控制、隧道文件的导入、三维激光点云的运算处理、臂架姿态的正解与逆解的运算、规划文件的生成、施工参数设计的输入、系统运行状态与报警的显示功能。

优选地，所述臂架具有以下动作中的至少一种动作：臂座回转、大臂俯仰、大臂伸缩、中臂俯仰、小臂回转、小臂伸缩、喷嘴回转、喷嘴摆动和喷嘴刷动。

优选地，所述臂架内安装有传感器，所述传感器包括旋转编码器和拉线传感器；所述旋转编码器数量为六个，分别安装在臂座回转、大臂俯仰、中臂俯仰、小臂回转、喷嘴回转，喷嘴摆动的关节上；所述拉线传感器的数量为两个，分别安装在大臂伸缩、小臂伸缩的基本臂上。

优选地，所述传感器还包括压力传感器，所述压力传感器的数量为四个，在臂架的大臂和小臂油缸伸缩油路的平衡阀上各安装两个。

优选地，所述车载控制器包括控制系统部分和电控系统部分；所述控制系统部分采用CAN网络结构，电控系统部分采用codesys编程，利用EPEC库函数进行电流的最大值、最小值，斜坡设置，直接输出pwm信号至臂架多路阀，控制臂架运动；

所述车载控制器还可以实现路径规划指令执行、故障自诊断和规划避障功能。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明中，通过激光扫描仪的自定位功能，完成算法处理与坐标系的转换，实现扫描仪、湿喷机臂架与喷头的定位与隧道的坐标系统一致并实现归一化处理的功能。通过三维激光扫描仪扫描隧道待施工面获得三维点云，通过软件的核心算法处理，生成隧道施工面的三维模型，用于轨迹规划的自动生成等。通过激光扫描获得隧道模型与湿喷机臂架的结构尺寸，通过算法处理，制定合理的臂架路径规划文件，通过建立的隧道模型与隧道设计图纸进行比对，自动生成轨迹规划文件和泵送规划文件。采用了规划避障，以通过三维激光扫描获得隧道施工面的表面尺寸情况，算法处理，生成科学合理的规划文件避开可能的臂架障碍物。通过工控机控制扫描仪伺服系统执行扫描动作。

(2)本发明中，建立隧道施工面与臂架系统的统一坐标系，通过臂架系统的喷头的正解，系统软件调用施工规划文件，导入到臂架系统的逆解方程中获得臂架姿态的最终目标值，控制臂架的智能化执行动作。通过运动学仿真获得臂架结构挠度值，在臂架控制算法加入挠度补偿的算法规划控制策略。接收上位机相应的规划文件指令，完成臂架驱动指定的姿态调整动作；智能控制器接收传感器数据并处理，达到臂架运动控制位置检测的目的；实现系统硬件与软件故障的自动报警功能，以指导售后人员或操作人员及时的进行故障排除。

(3)一种湿喷机智能控制系统，通过通讯系统实现上位机控制系统和下位机控制系统之间的参数与指令的发送与接收，实现系统功能的完整性；自动化程度高，大大节省了人力、物力，显著提高了工作效率。

(4)本发明中，自动对喷射过程中喷枪倾斜角度、泵送速度、速凝剂流量等数据进行统计并形成文档，形成喷射过程的可追溯性文件，可以用于后期工艺分析、工艺优化以及工艺认证。

(5)本发明中，臂架的实际位置可以通过传感器实时采集，软件界面上可以实时仿真臂架的实际位置，在隧道可见度很低的情况下，人工可以通过软件界面上的三维仿真实时了解臂架的实际位置。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是湿喷机智能控制系统总体技术路线示意图；

图2是湿喷机智能控制系统工作流程图；

图3是湿喷机定位原理示意图；

图4是湿喷机智能化控制系统电气原理框图；

图5是湿喷机智能化臂架软件功能；

图6是臂架结构尺寸示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1～图5，一种湿喷机智能控制系统，包括上位机控制系统和下位机控制系统；上位机控制系统和下位机控制系统之间参数与指令的发送与接收通过通讯系统来实现；还包括遥控器，所述遥控器包括遥控器发送器和遥控器接收器，遥控器发送器发送系统的操作指令给遥控器接收器，遥控器接收器把操作指令传送给下位机控制系统。

所述上位机系统包括激光扫描仪和车载电脑；激光扫描仪设置在湿喷机车头部走台板上，车载电脑设置在湿喷机内；所述车载电脑控制激光扫描仪的伺服驱动；

所述下位机系统包括臂架和车载控制器，臂架设置在湿喷机上，车载控制器设置在湿喷机内；所述车载控制器控制臂架运动；

所述激光扫描仪为P型三维激光扫描仪，具有自定位功能，用以获得隧道待施工面的三维点云以及隧道模型和臂架的结构尺寸。

湿喷机通过已安装好的三维激光扫描仪来实现自身在隧道内的定位，通过手持遥控控制扫描仪测量隧道内的两个已知坐标点P1、P2，并校验已知点P3，可以反算出车身零点的绝对坐标以及车身和隧道设计轴线的夹角φ、轴线偏移量D。将整车定位误差精确控制在5cm以内。通过轴线归一法可以将扫描仪的测量数据归一至隧道理想设计坐标系内，对臂架的运动控制也在该坐标系内进行，以便系统后续的精准控制，有效消除传统参考前一循环已喷面作为参考导致的累积误差，定位示意如图3所示。

在这个基础上，P型三维激光扫描仪可以直接输出隧道局部坐标系下的隧道三维点云信息，达到了隧道智能化设备及智能化施工对周围环境测量的需要。

O_laser为激光自身坐标系，其相对于基坐标O_laser的位置，以(x_laser,y_laser,z_laser,ψ,θ,φ)表示,通过上述定位技术，则可以得到x_laser,y_laser,z_laser，轴线的夹角φ，由于车身在测量之前调平，则横滚角ψ、俯仰角θ均为0，轴线夹角即为偏航角φ,则此六个值可以将激光坐标系相对于基坐标的位置和姿态定出。姿态转为矩阵，如下所示：

将隧道内已知点坐标、激光扫描仪坐标系和臂架坐标系全部归一至隧道设计图纸基准坐标系内，有利于数据处理和误差控制，实现轴线归一计算。

采用激光扫描仪对隧道轮廓进行扫描，沿着隧道轴向匀速连续直线扫描。直线扫描时上位机实时同步获取激光测距数据和扫描仪各轴的编码角度，单组数据的获取时间根据器件性能和硬件设计时间为1ms，按照扫描仪设计最大角速度10°/s，数据传输时间内扫描仪扫过的距离在30米处相邻采样点的最大间距为2.75cm，远小于系统6m情况下最小步距5cm的设计指标。整个隧道一次扫描时间不超过5min。

将扫描过程中实时采集的隧道截面离散点数据，生成可视化三维点云图，并可以通过插值和平滑滤波的方式生成连续轮廓模型，更加直观的表示隧道工况。用户可以对三维点云模型进行简单操作，比如通过按键查看指定断面的剖面图，或者显示指定两个断面之间的三维点云模型等，主要包含点云图生成与拼接两部分。

所述车载电脑内置MFC软件平台，用以实现激光扫描仪的伺服驱动控制、隧道文件的导入、三维激光点云的运算处理、臂架姿态的正解与逆解的运算、规划文件的生成、施工参数设计的输入、系统运行状态与报警的显示功能。

所述臂架具有以下动作中的至少一种动作：臂座回转、大臂俯仰、大臂伸缩、中臂俯仰、小臂回转、小臂伸缩、喷嘴回转、喷嘴摆动和喷嘴刷动。

所述臂架内安装有传感器，所述传感器包括旋转编码器和拉线传感器；所述旋转编码器数量为六个，分别安装在臂座回转、大臂俯仰、中臂俯仰、小臂回转、喷嘴回转，喷嘴摆动的关节上；所述拉线传感器的数量为两个，分别安装在大臂伸缩、小臂伸缩的基本臂上。

所述传感器还包括压力传感器，所述压力传感器的数量为四个，在臂架的大臂和小臂油缸伸缩油路的平衡阀上各安装两个。

臂架结构尺寸如图6所示，臂架运动学正解如下：

喷嘴末端点矩阵T_end＝T1*T2*T3*T4*T5*T6*T7*T8；

其中，Dbase_L1表示大臂的基本长度，length1表示大臂的伸长量，length2表示中臂的伸长量，D1表示臂座与湿喷机铰接点到臂座与大臂铰接点的垂直距离，D2表示臂座与大臂铰接点到大臂与中臂铰接点的垂直距离，D3表示大臂与中臂铰接点到中臂与小臂铰接点的垂直距离，D4表示中臂的长度，D5表示小臂的长度，D6表示中臂与小臂铰接点到小臂与喷嘴铰接点的垂直距离，D7小臂与喷嘴铰接点到喷嘴末端点的垂直距离，D8表示喷嘴的长度，θ1表示臂座的回转角，θ2表示大臂俯仰角，θ3表示中臂俯仰角，θ4表示小臂回转角，θ5表示小臂沿X轴的转角，θ6表示喷嘴回转角。

根据可得喷嘴末端点位置(px,py,pz)，将矩阵换算成欧拉角可得最终喷头角度。

运动学逆解过程如下：

在已知喷嘴末端矩阵T_end的情况下，求解8个变量。

T_end＝T1*T2*T3*T4*T5*T6*T7*T8；

若臂架末端点的位置与姿态为(x,y,z,u,v,w)；由于中臂为水平方向，且中臂与车体长度方向平行，则相当于后面的喷嘴自身的角度即为欧拉角角度，即θ5＝u,θ6＝v。

从喷嘴末端向下演算，假设中臂点的坐标为：(x_m,y_m,z_m)

其中：x_m＝x-x5_7；

y_m＝y-y5_7；

z_m＝z-z5_7；

5_7表示D5到D7的坐标，

则臂架的中臂位置坐标为：

x5_7＝cos(θ6)*D8+D5；

y5_7＝cos(θ5)*sin(θ6)*D8-sin(θ5)*D7-350；

z5_7＝sin(θ5)*sin(θ6)*D8+cos(θ5)*D7+447；

伸长量lenth1＝(z_m-D1-D3)²+(x_/cos(θ1)-D4)²-D2*D2-Dbase_L1；

由于大臂抬升一定角度同时，中臂下降一定角度，保证中臂水平，故θ3＝-θ2；

由于大臂旋转一定角度的同时，中臂摆动反方向的同样大小的角度，保证中臂与车体长度方向平行，故θ4＝-θ1；

至此，θ1～θ6，length1全部解出。

通过运动学仿真获得臂架结构挠度值，在臂架控制算法加入挠度补偿的算法规划控制策略，运动学仿真过程如下：

(1)柔性臂架的生成。湿喷机展开时臂架较长，柔性较大，臂架末端振动较大，为了更好地模拟湿喷机在湿喷过程中的动力学性能，将末端柔性较大的小臂及伸缩臂采用有限元方法离散化。

(2)构件刚柔耦合动力学模型。将湿喷机的三维模型导入到动力学软件中，根据工作原理给各个部件添加相应的约束和驱动；将根据轨迹规划要求逆算出的各关节驱动曲线导入到动力学模型中，建立多刚体的湿喷机动力学模型。将小臂及伸缩臂用柔性臂架替换，生成刚柔耦合的湿喷机动力学模型。

(3)动力学仿真。根据轨迹规划文件和臂架运动速度要求完成湿喷机的动力学仿真，观测臂架末端的抖动等动力学性能指标，验证臂架算法。

所述车载控制器包括控制系统部分和电控系统部分；所述控制系统部分采用CAN网络结构，电控系统部分采用codesys编程，利用EPEC库函数进行电流的最大值、最小值，斜坡设置，直接输出pwm信号至臂架多路阀，控制臂架运动。

所述车载控制器还可以实现路径规划指令执行、故障自诊断和规划避障功能。

上述一种湿喷机智能控制系统中，通过激光扫描仪的自定位功能，完成算法处理与坐标系的转换，实现扫描仪、湿喷机臂架与喷头的定位与隧道的坐标系统一致并实现归一化处理的功能。通过三维激光扫描仪扫描隧道待施工面获得三维点云，通过软件的核心算法处理，生成隧道施工面的三维模型，用于轨迹规划的自动生成等。通过激光扫描获得隧道模型与湿喷机臂架的结构尺寸，通过算法处理，制定合理的臂架路径规划文件，通过建立的隧道模型与隧道设计图纸进行比对，自动生成轨迹规划文件和泵送规划文件。采用了规划避障，以通过三维激光扫描获得隧道施工面的表面尺寸情况，算法处理，生成科学合理的规划文件避开可能的臂架障碍物。通过工控机控制扫描仪伺服系统执行扫描动作。

上述一种湿喷机智能控制系统中，建立隧道施工面与臂架系统的统一坐标系，通过臂架系统的喷头的正解，系统软件调用施工规划文件，导入到臂架系统的逆解方程中获得臂架姿态的最终目标值，控制臂架的智能化执行动作。通过运动学仿真获得臂架结构挠度值，在臂架控制算法加入挠度补偿的算法规划控制策略。接收上位机相应的规划文件指令，完成臂架驱动指定的姿态调整动作；智能控制器接收传感器数据并处理，达到臂架运动控制位置检测的目的；实现系统硬件与软件故障的自动报警功能，以指导售后人员或操作人员及时的进行故障排除。

上述一种湿喷机智能控制系统，通过通讯系统实现上位机控制系统和下位机控制系统之间的参数与指令的发送与接收，实现系统功能的完整性；自动化程度高，大大节省了人力、物力，显著提高了工作效率。

上述一种湿喷机智能控制系统中，自动对喷射过程中喷枪倾斜角度、泵送速度、速凝剂流量等数据进行统计并形成文档，形成喷射过程的可追溯性文件，可以用于后期工艺分析、工艺优化以及工艺认证。

上述一种湿喷机智能控制系统中，臂架的实际位置可以通过传感器实时采集，软件界面上可以实时仿真臂架的实际位置，在隧道可见度很低的情况下，人工可以通过软件界面上的三维仿真实时了解臂架的实际位置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种湿喷机智能控制系统，其特征在于，包括上位机控制系统和下位机控制系统；上位机控制系统和下位机控制系统之间参数与指令的发送与接收通过通讯系统来实现；

所述上位机系统包括激光扫描仪和车载电脑；激光扫描仪设置在湿喷机车头部走台板上，车载电脑设置在湿喷机内；所述车载电脑控制激光扫描仪的伺服驱动；

所述下位机系统包括臂架和车载控制器，臂架设置在湿喷机上，车载控制器设置在湿喷机内；所述车载控制器控制臂架运动。

2.根据权利要求1所述的一种湿喷机智能控制系统，其特征在于，所述激光扫描仪为P型三维激光扫描仪，具有自定位功能，用以获得隧道待施工面的三维点云以及隧道模型和臂架的结构尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种湿喷机智能控制系统，其特征在于，所述车载电脑内置MFC软件平台，用以实现激光扫描仪的伺服驱动控制、隧道文件的导入、三维激光点云的运算处理、臂架姿态的正解与逆解的运算、规划文件的生成、施工参数设计的输入、系统运行状态与报警的显示功能。

4.根据权利要求1所述的一种湿喷机智能控制系统，其特征在于，所述臂架具有以下动作中的至少一种动作：臂座回转、大臂俯仰、大臂伸缩、中臂俯仰、小臂回转、小臂伸缩、喷嘴回转、喷嘴摆动和喷嘴刷动。

5.根据权利要求4所述的一种湿喷机智能控制系统，其特征在于，所述臂架内安装有传感器，所述传感器包括旋转编码器和拉线传感器；所述旋转编码器数量为六个，分别安装在臂座回转、大臂俯仰、中臂俯仰、小臂回转、喷嘴回转，喷嘴摆动的关节上；所述拉线传感器的数量为两个，分别安装在大臂伸缩、小臂伸缩的基本臂上。

6.根据权利要求5所述的一种湿喷机智能控制系统，其特征在于，所述传感器还包括压力传感器，所述压力传感器的数量为四个，在臂架的大臂和小臂油缸伸缩油路的平衡阀上各安装两个。

7.根据权利要求1所述的一种湿喷机智能控制系统，其特征在于，所述车载控制器包括控制系统部分和电控系统部分；所述控制系统部分采用CAN网络结构，电控系统部分采用codesys编程，利用EPEC库函数进行电流的最大值、最小值，斜坡设置，直接输出pwm信号至臂架多路阀，控制臂架运动；

所述车载控制器用以实现路径规划指令执行、故障自诊断和规划避障功能。

8.根据权利要求1所述的一种湿喷机智能控制系统，其特征在于，还包括遥控器，所述遥控器包括遥控器发送器和遥控器接收器，遥控器发送器发送系统的操作指令给遥控器接收器，遥控器接收器把操作指令传送给下位机控制系统。