CN109976397B - 一种基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统，属于优化控制领域。该系统包括移动机器人速度测量主机，加热机/复拌机终端，铣刨机终端几部分组成。移动机器人速度测量主机安装有激光测距模块，负责测量距离铣刨机的距离，进而计算获得铣刨机的行进速度，通过无线通信方式将行进速度反馈给铣刨机，铣刨机终端以路面温度和反馈的速度为参考，通过模糊自适应算法计算最优行进速度，并对铣刨机行进速度进行优化调节。

Description

一种基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统

技术领域

本发明属于优化控制领域，更具体地说，涉及一种基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统。

背景技术

随着国家高速公路网的建设，高速公路总里程的加长，公路养护的需求与日俱增，公路养护行业发展前景广阔。就地热再生重铺机组是目前国际上先进的沥青路面就地热再生施工设备，由3台加热机(一般有3-5台加热机)、1台铣刨机、1台加热复拌机组成，用于高等级公路的大面积连续翻修作业，可一次成型新路面，旧路沥青混合料100％就地再生利用，具有节约资源、减少环境污染、作业时不封闭交通等优点。

加热机负责对沥青路面进行大面积的连续加热，使表层沥青路面温度快速达到再生重铺施工的要求，铣刨机对加热过的路面进行铣刨及拌和，复拌机完成新、旧沥青料的混合、搅拌与摊铺作业。机组的行进速度测量是整套机组运行控制难点之一，传统的测量方法，如超声波、离心式转速表、编码器测量法、霍尔元件测量法等因铺路机组现场工况条件影响(温度高、粉尘大)，无法长期稳定运行，通过搭建GPS基站，采用差分GPS技术的测量精度可以满足工作要求，但涉及到GPS基站搭建，成本较高，而且铺路机组工作地点不定，GPS基站的拆建都需要专人处理，可行性差；多台机组之间速度的协同控制是就地热重铺机组作业过程中的另一个难点，如果行进速度不一致，将导致机组作业效率低下、浪费材料、影响施工工期。

因此，发明一种基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统，对就地热重铺机组进行速度测量和调控具有重要意义。

发明内容

本发明设计一种基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统。需要解决的技术问题是通过高精度激光测距技术测量得到铣刨机的行进速度，进一步以铣刨机工作路面温度为参考，计算当前机组最优行进速度，从而对整套机组进行协同优化速度调控。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统。包括安装于加热机的加热机数据采集装置和加热机MCU主控器、安装于复拌机的复拌机数据采集装置和复拌机MCU主控器、安装于铣刨机的铣刨机数据采集装置和铣刨机MCU主控器，以及置于机组最前端的带有速度测量功能的移动机器人数据采集装置和移动机器人MCU主控器；

其中，所述移动机器人数据采集装置用于测量所述铣刨机的实时行驶速度V_x，包括：

第三电源模块，完成电压转化和电源管理，为所述移动机器人数据采集装置内其他模块和所述移动机器人MCU主控器供电；

第三RS485模块，用于在线调试所述移动机器人MCU主控器；

第三无线模块，用于将测得的速度信息发送给所述加热机MCU主控器、所述复拌机MCU主控器和所述铣刨机MCU主控器；

激光测距模块，直接测得所述铣刨机与所述移动机器人之间的距离；

第三信号调理模块，用于对实时行驶速度数据进行平滑滤波处理；

所述移动机器人MCU主控器负责所述第三RS485模块、所述第三无线模块、所述激光测距模块、所述第三信号调理模块的任务调度，计算铣刨机的实时行驶速度，将激光测距模块测得的距离转化为速度值，并通过无线模块将测得的速度发送给铣刨机；

所述加热机数据采集装置和所述复拌机数据采集装置分别安装在加热机和复拌机车载PLC控制柜中，各自包括：

第一电源模块，完成电压转化和电源管理，为所述加热机数据采集装置内其他模块、所述加热机MCU主控器和所述复拌机数据采集装置内其他模块、所述复拌机MCU主控器供电；

第一RS485模块，用于在线调试所述加热机MCU主控器和所述复拌机MCU主控器；

第一无线模块，用于与所述铣刨机MCU主控器通信；

第一显示模块，用于显示铣刨机MCU主控器发送过来的最优行进速度值；

所述加热机MCU主控器和所述复拌机MCU主控器负责所述第一RS485模块、所述第一无线模块、所述第一显示模块的任务调度；

所述铣刨机主数据采集装置安装在铣刨机车载PLC控制柜中，主要任务有两部分，其一是负责与移动机器人速度测量主机通信完成铣刨机行进速度测量，其二是以路面温度为参考，通过模糊自适应速度协同优化控制算法计算当前最优行进速度，并进行优化调控，包括：

第二电源模块，完成电压转化和电源管理，为所述铣刨机数据采集装置内其他模块和所述铣刨机MCU主控器供电；

第二RS485模块，用于在线调试所述铣刨机MCU主控器；

温度采集模块，用于采集当前路面温度；

第二信号调理模块，用于采集到的当前路面温度数据进行平滑滤波处理；

第二无线模块，用于与所述加热机、复拌机以及移动机器人MCU主控器进行通信；

第二显示模块，用于显示所述铣刨机的实时行进速度、所述最优行进速度、所述当前路面温度、设定施工温度；

协同优化调控模块，通过模糊自适应算法计算当前各机组的最优行进速度，将最优行进速度分别反馈，完成整套机组的优化调控；

所述铣刨机MCU主控器负责所述第二RS485模块、所述温度采集模块、所述第二信号调理模块、所述第二无线模块、所述第二显示模块、所述协同优化模块的任务调度；

其中，所述模糊自适应速度协同优化控制算法：

以铣刨机设定温度值T_s和当前路面温度T_m的差值ΔT作为模糊自适应控制器的一个输入参数，以铣刨机当前的行进速度V_x作为另外一个输入参数，模糊自适应控制器的输出是下一时刻行进速度的调整值ΔV；当路面温度T_m低于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为负值，应降低机组行进速度；当路面温度T_m高于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为正值，应提高机组行进速度；具体如下：

式(1)利用V_x的论域为[4m/min，6m/min]作为对调整后的速度进行限制；

当模糊自适应速度协同优化控制算法计算出最优行进速度之后，将速度调控值ΔV通过无线网络发送给其余各机组进行调控，各机组根据ΔV的值对速度进行调控(增大速度、减小速度、保持不变)，由于机组行进速度较慢，调控周期设定为40秒～3分钟。

优选地，所述调控周期设定为1分钟；所述加热机为三台；所述无线通信方式包括Zigbee、LoRa、WiFi。

优选地，所述温度采集模块每隔80ms采集一次当前路面温度，每秒钟获得12组温度值，所述信号调理模块去掉其中一个最大值T_max和一个最小值T_min，将其余10组温度值的平均值作为当前路面的测量温度T_m。

其中，所述移动机器人速度测量过程为：移动机器人速度测量主机行进到距离就地热重铺机组的第一台加热机前方S＝150～400m处，移动机器人MCU主控器控制激光测距模块每隔T＝50～200ms测量一次，得到铣刨机前进的距离VS，再通过式(2)进行计算，得到铣刨机的行进速度，通过信号调理模块软件滤波算法对1s内得到的10次数据做平滑滤波处理，得到铣刨机的最终行进速度，最后通过无线模块将计算后的速度值发送给铣刨机；当第一台加热机行进到距离移动机器人速度测量主机50m时，移动机器人自动向前方行进150m，移动机器人行进速度为3m/s，移动到距离机组前方S m处，这段时间内各机组按照当前速度行进，当移动机器人测量主机到达工作位置后，开始下一组速度测量过程。

本系统基于激光测距技术得到机组行进速度值，测量精度高，同时采用模块化设计思想，加热机/复拌机终端、铣刨机终端体积小，可直接安放在各机组原有车载PLC控制箱中，极大地降低了便于操作实施，抗干扰性能好，具有良好的稳定性，对恶劣环境适应能力强，具有扩展性。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图，其中，1为激光测距模块、2为移动机器人数据采集装置、3为无线模块天线、4为加热机/复拌机数据采集装置、5为激光靶、6为铣刨机数据采集装置，7为铣刨机温度传感器。

图2是本发明的加热机和复拌机数据采集装置结构图。

图3是本发明的移动机器人数据采集装置结构图。

图4是本发明的铣刨机数据采集装置结构图。

图5是本发明的模糊自适应协同优化控制算法示意图。

图6是模糊控制算法输入温度差ΔT的隶属度函数关系。

图7是模糊控制算法输入铣刨机行进速度V_x的隶属度函数关系。

图8是模糊控制算法输出速度调整值VV的隶属度函数关系。

具体实施方式

以下结合发明内容和说明书附图详细说明本发明的具体实施方式。

一种基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统的组成如图1所示，移动机器人速度测量主机、1～3号加热机终端、复拌机终端、铣刨机终端。1～3号加热机终端分别安装在1～3号加热机的车载PLC控制箱中，复拌机终端安装在复拌机车载PLC控制箱中，铣刨机终端安放在铣刨机车载PLC控制箱中，移动机器人速度测量主机放置在距离第1号加热机前方200m处左右，通过激光测距模块测量得到铣刨机的行进速度，并通过无线通信方式将速度值发送给铣刨机组，铣刨机终端通过模糊自适应协同优化控制算法计算得到机组行进的最优速度值，并通过无线通信方式将速度调控值(ΔV)发送给其余各个机组，各机组按照速度优化调控进行调节(增大速度、减小速度、保持不变)，从而使整套机组按照最优行进速度工作。

加热机终端和复拌机终端的组成结构相同，如图2所示，包括：MCU主控器、无线模块、显示模块、RS485模块、电源模块。MCU采用STM32F103ZET6，无线模块采用DRF2659C，RS485模块采用ADM2587，电源模块采用AMS7805及AMS1117-3.3v实现电压转换与电源管理，显示模块采用2组4位一体数码管，同时显示机组行进速度值和优化速度值。加热机终端安装在加热机的车载PLC控制箱中，MCU主控器通过无线模块接收铣刨机终端发送的行进速度优化调控值，通过显示模块该调控值进行显示，便于操作人员调控。复拌机终端安装在复拌机车载PLC控制箱中，工作原理与加热机终端相同，不再赘述。

移动机器人速度测量主机的组成结构如图3所示，包括MCU主控器、无线模块、RS485模块、电源模块、激光测距模块、信号调理模块。MCU采用STM32F103ZET6，无线模块采用DRF2659C，RS485模块采用ADM2587，激光测距模块采用承拓公司生产的GHLM15B高精度测距仪，可直接测量主机和从机之间的距离，测距误差小于10cm，输出信号为RS485信号，电源模块采用AMS7805及AMS1117-3.3v实现电压转换与电源管理。

测量过程中，移动机器人速度测量主机行进到距离就地热重铺机组的第一台加热机前方200米处，MCU主控器控制激光测距仪每隔100ms测量一次(目标：铣刨机)，得到铣刨机100ms内前进的距离，在通过式(3)进行计算：

式(3)中，V_x表示铣刨机组的行进速度，VS表示铣刨机组100ms内前进的距离。通过软件滤波算法对1s内得到的10次数据做软件滤波处理(去掉最高值和最低之后取平均)，得到铣刨机组的最终行进速度。然后通过无线模块将计算后的速度值发送给铣刨机；当第一台加热机行进到距离移动机器人速度测量主机50m时，移动机器人自动向前方行进150m，移动机器人行进速度为3m/s，移动到距离机组前方200m处需要50s，这段时间内各机组按照当前设定值行进，当移动机器人测量主机到达工作位置后，开始下一组速度测量过程。

铣刨机终端的组成结构，如图4所示，包括：MCU主控器、无线模块、信号调理模块、协同优化调控模块、RS485模块、电源模块、温度采集模块、显示模块。MCU采用STM32F103ZET6，无线模块采用DRF2659C，RS485模块采用ADM2587，电源模块采用AMS7805及AMS1117-3.3v实现电压转换与电源管理，显示模块采用4组4位一体数码管，温度采集模块采用美控生产的非接触式测高温传感器MIK-AL-10，安装在铣刨机车头下方，直接测量当前施工路面的温度。铣刨机主控器装置安装在铣刨机的车载PLC控制箱中，激光测距靶安放在车顶。MCU主控器通过温度采集模块每个80ms采集一次当前路面温度，每秒钟获得12组温度值，信号调理模块去掉其中一个最大值Tmax和一个最小值Tmin，将其余10组温度值的平均值作为当前路面的测量温度T_m，如式(4)所示，并计算设定温度值T_s和当前路面温度T_m的差值ΔT，如式(5)所示。

VT＝T_s-T_m (5)

MCU主控器将温度差值和当前行进速度输入到协同优化调控模块，经过模糊自适应算法计算得到机组的下一时刻最优行进速度V_n，显示模块负责显示铣刨机当前行进速度V_x、最优行进速度V_n、设定温度T_s以及测量温度T_m，操作人员根据最优速度值和当前行进速度值对加热机行进速度进行调控，同时MCU主控器通过无线模块将行进速度调控值ΔV发送给其他4量机组，完成整套机组的协同优化调控。

进一步，具体阐述协同优化调控模块中的模糊自适应调节算法，算法示意图如5所示，以铣刨机设定温度值T_s和当前路面温度T_m的差值ΔT作为模糊自适应控制器的一个输入参数，以铣刨机当前的行进速度V_x作为另外一个输入参数，模糊自适应控制器的输出是下一时刻行进速度的调整值ΔV。当路面温度T_m低于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为负值，应降低机组行进速度，增加加热时间，保证铣刨机工作时路面的温度达到设定值；当路面温度T_m高于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为正值，应提高机组行进速度，减少加热时间，减少能源浪费，提高工作效率。

将设定温度值T_s和当前路面温度T_m的差值ΔT的论域设定为[-60℃，60℃]，步进20℃。其隶属度函数如图6中所示，共分为7个模糊等级，分别为：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。

铣刨机当前行进速度V_x的论域设定[4m/min，6m/min]，步进0.5m/min，其为隶属度函数如图7中所示，共分为5个模糊等级：很慢(S)、较慢(MS)、中等(M)、较快(MF)、很快(F)。

下一时刻行进速度的调整值ΔV的论域为[-0.4m/min，0.4m/min]，步进0.2m/min，共分为5个模糊等级，其隶属度函数如图8所示，分别为较大减小(LD)、较小减小(SD)、不变(NC)、较小增大(SI)、较大增大(LI)。

根据上述输入和输出参数的设定，建立模糊规则如表1和表2所示，当铣刨机监测温度低于设定温度时，铣刨工作无法正常施工，说明整套机组的行进速度过快，加热时间不够，应降低机组行进速度；当铣刨机监测温度高于设定温度时，说明整套机组的行进速度过慢，加热时间过久，应提高机组行进速度，提高工作效率，节约能源。

表1模糊自适应速度优化控制规则表

表2模糊自适应速度优化控制量化表

进一步，通过反模糊化求解ΔV，本发明采用作用模糊子集推理方法进行模糊推理，第一步通过式(6)计算每条作用规则的数值：

μ_k＝A'_j(VT^*)*B_j(V_x)^*(k＝1,2,3), (6)

其中，A'_j，B'_j为模糊子集，VT^*，V_x ^*为真实的输入变量变化情况在模糊控制论域中的映射。利用加权平均法按照式(7)对输出量ΔV进行反模糊化求解：

进一步，将速度调整值ΔV与当前铣刨机行进速度V_x累加计算得到下一时刻行进速度的有花枝V_n，同时为了避免累加之后，优化速度V_n出现过大或者过小的情况，利用铣刨机行进速度V_x的论域为[4m/min，6m/min]作为对发包大小进行限制，V_n的具体计算过程如式(8)所示：

下面举例说明具体实施过程：

设某时刻铣刨机行进速度V_x为4.33m/min，监测的路面温度与设定温度值之间的偏差ΔT为37.6℃，V_x对应的作用模糊子集为S、MS，从图6中可以看出对应的隶属度为S(V_x)＝0.12和M(V_x)＝0.88，ΔT对应的作用模糊子集为PS、PM，从图5中可以看出对应的隶属度为PS(ΔT)＝0.34和PM(ΔT)＝0.66。

在此时刻，有如下4条作用规则：

作用规则1：if V_x is S andΔT is PS then μ₁ is SI

作用规则2：if V_x is S andΔT is PM then μ₂ is LI

作用规则3：if V_x is MS andΔT is PS then μ₃ is SI

作用规则4：if V_x is MS andΔT is PM then μ₄ is LI

根据公式(6)，分别计算μ₁＝0.041，μ₂＝0.079，μ₃＝0.299，μ₄＝0.581，

根据公式(7)，计算速度调控量ΔV＝0.33m/min，

根据公式(8)，计算最终机组的速度优化值V_n＝4.66m/min.

模糊自适应速度协同优化控制算法计算出最优行进速度之后，将最优速度ΔV＝0.33m/min通过无线网络发送给其他3台加热机和复拌机，使整套机组都按照铣刨机的速度调整策略(增大速度、保持不变、降低速度)行进，从而完成一次速度协同优化调控过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例，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 (6)

1.一种基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统，其特征在于，包括安装于加热机的加热机数据采集装置和加热机MCU主控器、安装于复拌机的复拌机数据采集装置和复拌机MCU主控器、安装于铣刨机的铣刨机数据采集装置和铣刨机MCU主控器，以及置于机组最前端的带有速度测量功能的移动机器人数据采集装置和移动机器人MCU主控器；

所述移动机器人数据采集装置用于测量所述铣刨机的实时行驶速度，包括：

第三电源模块，完成电压转化和电源管理，为所述移动机器人数据采集装置内其他模块和所述移动机器人MCU主控器供电；

第三RS485模块，用于在线调试所述移动机器人MCU主控器；

第三无线模块，用于将测得的速度信息发送给所述铣刨机MCU主控器；

激光测距模块，直接测得所述铣刨机与所述移动机器人之间的距离；

第三信号调理模块，用于对实时行驶速度数据进行平滑滤波处理；

所述移动机器人MCU主控器负责所述第三RS485模块、所述第三无线模块、所述激光测距模块、所述第三信号调理模块的任务调度，计算铣刨机的实时行驶速度；

所述加热机数据采集装置和所述复拌机数据采集装置各自包括：

第一电源模块，完成电压转化和电源管理，为所述加热机数据采集装置内其他模块、所述加热机MCU主控器和所述复拌机数据采集装置内其他模块、所述复拌机MCU主控器供电；

第一RS485模块，用于在线调试所述加热机MCU主控器和所述复拌机MCU主控器；

第一无线模块，用于与所述铣刨机MCU主控器通信；

第一显示模块，用于显示所述铣刨机MCU主控器发送过来的最优行进速度值；

所述加热机MCU主控器和所述复拌机MCU主控器负责所述第一RS485模块、所述第一无线模块、所述第一显示模块的任务调度；

所述铣刨机主数据采集装置包括：

第二电源模块，完成电压转化和电源管理，为所述铣刨机数据采集装置内其他模块和所述铣刨机MCU主控器供电；

第二RS485模块，用于在线调试所述铣刨机MCU主控器；

温度采集模块，用于采集当前路面温度；

第二信号调理模块，用于采集到的当前路面温度数据进行平滑滤波处理；

第二无线模块，用于与所述加热机、复拌机以及移动机器人MCU主控器进行通信；

第二显示模块，用于显示所述铣刨机的实时行进速度、所述最优行进速度、所述当前路面温度、设定施工温度；

协同优化调控模块，通过模糊自适应速度协同优化控制算法计算当前各机组的最优行进速度，将最优行进速度分别反馈，完成整套机组的优化调控；

所述铣刨机MCU主控器负责所述第二RS485模块、所述温度采集模块、所述第二信号调理模块、所述第二无线模块、所述第二显示模块、所述协同优化调控模块的任务调度；

其中，所述模糊自适应速度协同优化控制算法：

以铣刨机设定温度值T_s和当前路面温度T_m的差值ΔT作为模糊自适应控制器的一个输入参数，以铣刨机当前的行进速度V_x作为另外一个输入参数，模糊自适应控制器的输出是下一时刻行进速度的调整值ΔV；当路面温度T_m低于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为负值，应降低机组行进速度；当路面温度T_m高于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为正值，应提高机组行进速度；具体如下：

式(1)利用V_x的论域为[4m/min，6m/min]作为对调整后的速度进行限制；

当模糊自适应速度协同优化控制算法计算出最优行进速度之后，将速度调控值ΔV通过无线网络发送给其余各机组进行调控，各机组根据ΔV的值对速度进行调控，由于机组行进速度较慢，调控周期设定为40秒～3分钟。

2.根据权利要求1所述基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统，其特征在于，所述调控周期设定为1分钟。

3.根据权利要求1所述基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统，其特征在于，所述加热机为三台。

4.根据权利要求1所述基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统，其特征在于，

所述温度采集模块每隔80ms采集一次当前路面温度，每秒钟获得12组温度值，所述信号调理模块去掉其中一个最大值T_max和一个最小值T_min，将其余10组温度值的平均值作为当前路面的测量温度T_m。

5.根据权利要求1所述基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统，其特征在于，所述无线模块的通信方式包括Zigbee、LoRa、WiFi。

6.根据权利要求1所述基于激光测距的就地热重铺机组行进速度优化控制系统，其特征在于，

所述移动机器人速度测量过程为：移动机器人速度测量主机行进到距离就地热重铺机组的第一台加热机前方S＝150～400m处，移动机器人MCU主控器控制激光测距模块每隔T＝50～200ms测量一次，得到铣刨机前进的距离VS，再通过式

进行计算，得到铣刨机的行进速度，通过信号调理模块软件滤波算法对1s内得到的10次数据做平滑滤波处理，得到铣刨机的最终行进速度，最后通过无线模块将计算后的速度值发送给铣刨机；当第一台加热机行进到距离移动机器人速度测量主机30～60m时，所述移动机器人再次前进并距离第一台加热机Sm，重复前述过程。

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