CN203490506U - 一种车载激光自动导向控制系统 - Google Patents

Abstract

一种车载激光自动导向控制系统，其特征在于：所述控制系统包括激光轮廓扫描仪、工业计算机、与工业计算机电连接的显示器、车载控制器、比例阀、转向机构、编码器；其中所述激光轮廓扫描仪的信号输出端接入工业计算机的相应输入端，所述工业计算机的控制信号输出端接入车载控制器的相应输入端，车载控制器的输出端接比例阀的相应输入端，比例阀的输出端接转向机构的相应输入端，转向机构的输出端通过用于测量转向角度的编码器接入车载控制器的相应输入端。通过激光轮廓扫描仪扫描道路信息传输到工业计算机，工业计算机根据预先人为设定的行驶路径计算轨迹偏差等信息，传输到车载控制器,车载控制器确定转向模式，控制转向比例阀驱动转向机构运动，使车辆转向，通过编码器检测转向角度传输到车载控制器，进行闭环控制实现精确的自动导向行驶。

Description

一种车载激光自动导向控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种车辆自动导向技术，具体的说是一种应用于工程运输、施工作业等车辆的基于激光轮廓扫描的自动导向控制系统。

背景技术

近年来，随着隧道的大量开挖和地下矿产的开采，对地下行驶运输车辆的自动导航技术提出了新的要求。在隧道的运输车辆由于隧道宽度受限，车辆在宽度方向上距离隧道壁的距离非常有限。以管片运输车为例，车长12米，宽2.5米，车身距离隧道壁最大距离为0.5米，单边0.25米，即使高水平的司机也很难再此工况下开车。高铁架设设备——运架一体机长90米，宽8米，在隧道内架梁时，隧道壁和运架一体机的单边距离小于0.2米，在隧道内架梁时仅仅依靠司机的驾驶水平根本无法保证行驶精度，所以迫切需要一种能适用于类似隧道内，行驶偏差十分有限的车辆导航技术。

现有的在普通轿车上使用的GPS导航方法在施工运输车辆上由于条件受限无法使用，运输车辆常用的导航方法有，电磁感应埋线技术，超声检查技术，光反射检查技术，惯性导航技术、图像识别技术和坐标定位技术。电磁感应埋线技术的导向需要预先在车辆的行驶路线上埋设磁轨迹线，附属设施施工复杂，成本较高。通过在隧道顶或者侧壁上安装反光带，在车辆安装摄像机或者光传感器检测反光带的方法进行导航，此方法需要在隧道内安装辅助设施，如果隧道较长，反光带被遮盖，车辆行驶将受到影响。

在车上安装超声波距离传感器，或者在隧道地面划线的方法进行车辆导航，可以上方法均需要安装和车辆本身不相关的设备和方法组成导航系统。而且增加成本。

发明内容

本实用新型的目的正是针对现有运输车辆在特殊路况行驶过程中存在的导向问题而提供一种车载激光自动导向控制系统。本实用新型采用的车载激光轮廓自动导向控制系统无需安装辅助设施，只需要把路况模型输入到工业计算机，可以任意规划行驶目标路径，就可以通过车载自动导向设备实现车辆自动导向驾驶，既提高了车辆在特殊路况上的行驶准确性安全性，又减轻了驾驶员的负担。

本实用新型的目的可通过下述技术措施来实现：

本实用新型的车载激光自动导向控制系统包括激光轮廓扫描仪、工业计算机、与工业计算机电连接的显示器、车载控制器、比例阀、转向机构、编码器；其中所述激光轮廓扫描仪的信号输出端接入工业计算机的相应输入端，所述工业计算机的控制信号输出端接入车载控制器的相应输入端，车载控制器的输出端接比例阀的相应输入端，比例阀的输出端接转向机构的相应输入端，转向机构的输出端通过用于测量转向角度的编码器接入车载控制器的相应输入端。

本实用新型中所述激光轮廓扫描仪是由安装在车辆前端中间部位的一个激光轮廓扫描仪构成；或者是由分别安装到车辆前、后端的中间部位各一个激光轮廓扫描仪构成；所述激光轮廓扫描仪通过数据线连接到工业计算机的相应数据输入端口。

本实用新型中所述工业计算机（可以是计算机，PLC等），工业计算机通过数据线和显示器连接；所述工业计算机也可以是触摸屏式的工控机、工业平板电脑等。

本实用新型所述编码器安装在转向机构的检测位置（和转向机构的转向中心同轴或者不同轴安装），编码器拨杆的运动由转向机构的转动带动，编码器输出转向角度通过数据线连接到车载控制器。

本实用新型所述的转向机构的转动由液压机构（液压缸或者液压马达等）驱动进行独立转向，比例阀的进出油口通过液压管路和液压机构（液压缸或者液压马达等）相连。

本实用新型中所述的激光轮廓扫描仪的型号为（SICK LMS111），工业计算机的型号为TREK-743，车载控制器的型号为（EPEC2024、EPEC2023等），编码器的型号为（CM510\RSA597等）。

本实用新型的自动导向控制方法是利用激光轮廓扫描仪在垂直与行驶方向的平面上发射激光采集到行驶道路的断面轮廓数据和轮廓距离激光轮廓扫描仪的距离信息，并将数据传输到工业计算机进行图像处理仪和计算确定车辆的前后中心与目标路径的偏差，控制器根据偏差值选择转向模式并计算转向值，控制转向机构转向，使车辆自动纠偏实现自动导向驾驶。

本实用新型的工作原理如下：

本实用新型所述工业计算机（可以是工控机，计算机，PLC等）接收来自激光轮廓扫描仪的数据信息进行图形化处理，得到路况断面的轮廓图像和扫描仪中心在轮廓图像上的坐标值。通过和路况理论模型及规划路径比对，计算出车辆的行驶路径和规划目标路径的偏差值，并把偏差值传输到控制器和显示器；所述显示器安装在驾驶室内，接收从工业计算机传输的数据信息，显示车辆的偏差值和图像显示道路模型和车辆在规划路径的偏差。

所述控制器可以根据车辆前后位置的偏差值选择转向模式并计算出每个转向机构转向角度，控制器通过输出转向指令到比例阀控制转向机构转向，如果偏差值超出范围发出车辆停止和报警信号。

所述转向机构为全轮独立转向，能实现直行行，斜行，八字转向等行走模式。转向模式和每个车轮的转向角度通过控制器发送控制指令控制，编码器检测转向角度传输到控制器形成闭环反馈控制。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型能够解决施工、运输车辆在隧道、地下空间、路基等路况下的自动导向驾驶问题，和现有的其他导航、导向方法相比，本实用新型所述导向系统不需要安装或者铺设辅助设备，仅仅依靠本导向系统就可以实现高精度和可靠度的自动导行驾驶。使车辆自动沿规划路径行驶，提高了车辆行驶的安全性，减轻了驾驶员的负担。

附图说明

图1车载自动导向控制系统示意图。

图1中序号：1-1隧道或者桥梁上的路面、1-2是车辆、1是激光轮廓扫描仪。

图2 自动导向控制系统框图。

图2中序号：1是激光轮廓扫描仪，2是工业计算机，3是显示器，4是车载控制器，5是比例阀，6是转向机构，7是编码器。

图3 导向系统控制流程图。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型的车载激光自动导向控制系统包括激光轮廓扫描仪1（参见图1）、工业计算机2、与工业计算机电连接的显示器3、车载控制器4、比例阀5、转向机构6、编码器7；其中所述激光轮廓扫描仪1的信号输出端接入工业计算机2的相应输入端，所述工业计算机的控制信号输出端接入车载控制器4的相应输入端，车载控制器4的输出端接比例阀5的相应输入端，比例阀5的输出端接转向机构6的相应输入端，转向机构6的输出端通过用于测量转向角度的编码器7接入车载控制器4的相应输入端。

本实用新型中所述激光轮廓扫描仪是由安装在车辆前端中间部位的一个激光轮廓扫描仪构成；或者是由分别安装到车辆前、后端的中间部位各一个激光轮廓扫描仪构成；所述激光轮廓扫描仪通过数据线连接到工业计算机的相应数据输入端口。

本实用新型中所述工业计算机（可以是计算机，PLC等），工业计算机通过数据线和显示器连接；所述工业计算机也可以是触摸屏式的工控机、工业平板电脑等。

本实用新型所述编码器安装在转向机构的检测位置（和转向机构的转向中心同轴或者不同轴安装），编码器拨杆的运动由转向机构的转动带动，编码器输出转向角度通过数据线连接到车载控制器。

本实用新型所述的转向机构的转动由液压缸或者液压马达等驱动进行独立转向，比例阀的进出油口通过液压管路和液压缸（或者液压马达）相连。

本实用新型中所述的激光轮廓扫描仪的型号为（SICK LMS111），工业计算机的型号为TREK-743，车载控制器的型号为（EPEC2024、EPEC2023等），编码器的型号为（CM510\RSA597等）。

本实用新型以下将结合图3作进一步描述：

在车辆的前部和后部分别安装有两个支架，两个激光扫描仪分别安装在支架上，激光扫描仪的安装方式如图1所示，使扫描仪发出的激光扫描面垂直与车辆行驶方向。激光轮廓扫描仪通过激光发射器发出激光脉冲，当激光碰到物体后，部分能量返回，激光接收器接收到返回激光波。通过计算发射和接受冲之间的时间间隔得到与被测物体之间的距离。激光脉冲波打在高速旋转的镜面上，将激光脉冲波发射向各个方向从而形成一个二维区域的激光扫描面。通过计算每个发射激光距离物体的距离，可以计算路面断面的轮廓形状。并定位轮廓扫描仪在轮廓的坐标。

激光轮廓扫描仪把扫描到的实时的轮廓数据信息传输到工业计算机。工业计算机对传输的数据信息进行图像化处理，消除干扰信息，得到路况断面的轮廓形状以及车辆前后中心距离轮廓的距离。

在工业计算机内存有轮廓模型，（如隧道模型，路基模型等）以及车辆行走的目标路线。扫描得到的断面形状和理论模型的断面形状进行比对处理。即可确定车辆在道路上的坐标位置和车辆前后中心相对规划路线的偏差值。

工业计算机把计算得到的形式偏差值传输到显示器。在显示器上显示车辆的规划路线，报警区域和停车区域，以及车辆的数据模型。显示器显示距离规划路线的偏差值，并通过图像显示车辆在规划路径的偏移方向和车辆的姿态。如果车辆进入报警区域，车辆发出报警信息以提示司机注意，如果车间进入停车区域，车辆必须马上停车，避免安全事故的发生。

工业计算机把车辆的前后偏差值ΔA、ΔB通过总线传到车辆控制器，车辆控制器根据偏差值大小计算车辆是否进入停车区域，如果车辆进入停车区域，控制器发出停车指令。通过人工驾驶方式使车辆行驶车停车区。如果车辆在安全区域和报警区域时，控制器根据偏差值先选择转向模式，当前后偏差一正一负，即ΔAxΔB≤0,时，车辆选择八字转向模式，当前后偏差同为正或同为负时，即ΔAxΔB＞0，车辆选择斜行模式。车辆前进时根据车辆前部的偏差值ΔA，轮距、轴距等参数计算每个车轮的转向角度，通过控制器输出控制指令到每个转向比例阀。车辆后退时根据车辆前后部的偏差值ΔB和车辆参数计算每个车轮的转向角度。车辆的转向机构由回转支撑，比例阀，转向油缸，转向臂等组成，车辆的转向采用每个车轮都是独立转向的方式。每片比例阀控制一个转向油缸，在油缸的推动下，转向臂带动轮胎转向。转向机构也可以由马达带动齿轮带个转向机构转向。每个车轮的转向角度经过计算保证每个车轮在行走过程中是纯滚动方式，减少轮胎磨损。在转向机构的回转中心安装有编码器，编码器的转动中心和转向机构的回转中心保持同心。编码器检测转向机构的转向角度，并把检测到的角度值通过总线传输的到控制器。控制器根据计算值和编码器的反馈值计算最终的输出指令值。此自动导向装置通过实时纠偏保证了导向的精度，使车辆能够沿规划的目标路线行驶。

Claims (4)

1.一种车载激光自动导向控制系统，其特征在于：所述控制系统包括激光轮廓扫描仪、工业计算机、与工业计算机电连接的显示器、车载控制器、比例阀、转向机构、编码器；其中所述激光轮廓扫描仪的信号输出端接入工业计算机的相应输入端，所述工业计算机的控制信号输出端接入车载控制器的相应输入端，车载控制器的输出端接比例阀的相应输入端，比例阀的输出端接转向机构的相应输入端，转向机构的输出端通过用于测量转向角度的编码器接入车载控制器的相应输入端。

2.根据权利要求1所述的车载激光自动导向控制系统，其特征在于：所述激光轮廓扫描仪是由安装在车辆前端中间部位的一个激光轮廓扫描仪构成；或者是由分别安装到车辆前、后端的中间部位各一个激光轮廓扫描仪构成；所述激光轮廓扫描仪通过数据线连接到工业计算机的相应数据输入端口。

3.根据权利要求1所述车载激光自动导向控制系统，其特征在于：所述编码器拨杆的运动由转向机构的转动带动，编码器输出转向角度通过数据线连接到车载控制器。

4.根据权利要求1所述车载激光自动导向控制系统，其特征在于：转向机构的转动由液机构驱动进行独立转向，比例阀的进出油口通过液压管路和机构相连。

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