● 摘要
随着城市社会经济的快速发展，近几年我国各大中城市市政交通设施方面的建设进入了一个快速发展的时期。交通设施的建设导致了对桥梁施工机械和先进施工技术及测量方法的迫切需求。国外关于这个领域的技术发展很快，激光导向、CCD机器视觉、总线技术与网络控制等先进技术已广泛采用，并已开发了相应的器件和机械。由于大型路桥工程机械是一个多子系统协调工作并集光、机、电、液一体的智能机械，系统工作时必须解决多子系统间的信息综合和机器的智能控制问题。尽管在桥梁施工领域已经开始引进国外的先进仪器和设备，但是关于相关软件和系统集成技术国际工程机械制造商对国内的产品出售仅涉及到应用层次的转让，这无疑严重制约了我国自主开发高性能路桥施工机械的步伐和所开发工程机械的总体技术水平。从国内工程机械制造业的发展角度来看，结合工程背景进行大型工程机械的信息综合与智能控制不仅是一个十分重要且亟待解决的问题，而且对于提升大型工程机械的自主研发能力、拓宽光机电一体化技术应用的新领域具有良好的推动作用。本文以立交桥顶推施工为主要研究对象，针对道路与桥梁施工机械中姿态与导向控制、多通道电液比例控制等问题，研究了基于无线传感器网络、光电与机器视觉、多通道电液比例控制技术的施工机械系统，重点研究了低成本光电检测与信息处理、基于无线传感器网络的数据传输及多通道电液比例控制系统的协调控制算法，并结合双路桥梁顶推工程机械进行实际的工程应用研究。首先深入分析研究了目前顶推法桥梁施工中现有的测量方式和顶推机械的控制方法，总结了现有施工方式在位姿测量、数据传输及控制方法等方面的不足，为系统的深入研究提供了设计和研究目标。在此基础上，借鉴机器人学中位姿测量的方法，提出了基于双路激光接收靶面的桥梁位姿在线测量方案，建立了相关坐标变换数学模型。经充分考察市场之后，发现目前国内外市场适用于日光条件下大型工程作业的光电测量设备较少，大部分设备只能在井下巷道等黑暗环境中使用，而其他能够在日光条件下使用的设备，如全站仪等，在进行实际测量时往往需要多台设备组成一套测量系统，且价格高、二次开发费用昂贵，难以适应特殊场合的工程需求。为满足现有的测量需求，本课题组曾开发了基于光电二极管阵列的激光接收靶面，其优点是测量区域大、处理速度快、具备较好的可扩展性。但实际测试后发现光电二极管阵列存在以下问题：一是阵列形式排布的光敏元件，由于其空间体积导致元件之间存在测量的死区；二是光电二极管的输出结果属于开关量，无法从输出结果提取更多的信息；三是靶面上的元件数量较多，元件的光敏特性存在一定的个体差异。为进一步提高激光靶面的性能，本文开发了基于Freescale MC9S12DG128 16位单片机的嵌入式图像处理平台，保证了激光接收靶面工作的快速性和可靠性。完成了基于DirectShow的视频采集、基于OpenCV的摄像头标定以及相关的图像畸变校正、图像处理等工作，加工制作了基于CCD的嵌入式激光接收靶面。考虑到目前市面上很多的测量设备大多只是配备了串口，由于串口通讯速率低，因而无法实现大量数据高速传输，意味着无法通过传感器获得更丰富的测量数据和信息，难以实现高速数据采集。而且现在带有串口的计算机越来越少，如果需要和多台串口设备进行通信时，还需要配备多串口卡，使用不方便，编程也较为复杂。相比而言，USB具有高速度、低成本、低功耗、即插即用、使用维护方便等优点，所以开发测试测量设备的USB接口能够很好地改进上述不足之处。在比较了现有USB开发模式的基础上，选择了PDIUSBD12芯片进行USB通讯接口的开发，完成了USB协议栈的编程、硬件的开发以及相应的WDM驱动程序设计开发工作，实现了测量设备与计算机之间的USB通讯。相比国外成熟产品，基于CCD的激光接收靶面在适用性（可以在日光条件下使用）、靶面尺寸及数据接口形式等重要指标上优于国外产品。考虑到顶桥施工现场的实际情况，不方便采用各种总线方式搭建传感器和控制器之间的数据链路，而普通的无线数传电台方式因会受到现场高压架空线的电磁干扰，加之组网不灵活、可靠性不高、需要使用电源供电等缺点，所以也不宜采用。因此引入了具有高可靠性、自组织和优化、工作时间长等优点的ZigBee协议搭建无线传感器网络。在研究ZigBee协议的基础上，开发了基于TI CC2430的无线传感器节点，对msstatePan协议栈进行了移植，设计实现了节点设备的低功耗工作流程。所开发的传感器节点以及基于msstatePan的协议栈移植对于实现大型工程作业机械系统中无线传感器网络的组网以及基于无线网络的遥操作提供了实现平台。桥梁顶推系统中的运动综合和协调控制问题，常见于各种实际的大型工程机械、制造装备中的传动、操纵和作业系统，其特点就是存在分布式多机电机构（多轴）输出的运动（轨迹）综合与协调控制问题，本文就这一问题进行了研究。针对以往工程中使用较多的如主从式、等同式控制方法存在的不足，在对多轴运动输出解耦的基础上，以轮廓误差和跟踪误差为目标，采用交叉耦合控制方法，设计内环非耦合控制器和外环耦合控制器，以提高控制性能。在设计内环非耦合控制器的过程中，针对电液控制系统中的一类非线性系统，提出了一种改进的反步控制算法，并将该算法与自适应滑模、神经网络分块逼近等算法相结合，研究了在参数摄动和外部干扰情况下控制器的设计方法。相关结论为解决一类非线性系统的控制提供了有价值的参考。同时，为了增强控制器的实用性，进一步研究了在参数摄动和外部扰动情况下，基于遗传算法的混合灵敏度鲁棒控制器的设计方法。在此基础上，采用交叉耦合控制思想设计外环耦合控制器以解决各轴之间动态性能不匹配的问题，并以双路顶推桥梁施工中的电液比例位置控制系统为实际对象，按照上述方法设计具体的控制器进行仿真分析和验证。仿真结果表明，上述算法具有良好的鲁棒性，能够较好地解决因为参数摄动和外部扰动引起的系统工作不平稳问题。对于桥梁顶推系统而言，因为施工作业现场情况复杂，难以通过现场实验获得关于桥箱运动以及各种扰动等的经验知识。因此通过多体动力学仿真软件与控制软件的协同仿真来设计桥梁顶推系统、模拟现场作业状况以验证控制器的有效性是非常有意义的。不仅如此，因为顶推施工工程巨大，如果能够通过协同仿真的方式较好地模拟顶推过程不仅可以避免设计上的失误，而且可以节省大量的经费。本文研究了基于多体动力学仿真软件ADAMS和控制仿真软件MATLAB的顶桥施工协同仿真。仿真过程可以直观、准确地显示桥梁顶推过程的细节，帮助现场工程设计人员直观了解并预测施工作业过程中可能会出现的问题，为顶推施工过程的前期论证和其他准备工作提供有价值的参考。在前述各章工作的基础上，开发了用于自动化桥梁顶推施工的多通道电液比例计算机控制系统，设计实现了相关硬件设备和软件程序。为增强控制软件的实时性、可靠性和易用性，完成了Overlapped IO多串口异步通讯及协调工作程序、基于内存映射文件技术的大容量数据快速读写程序、基于TTS的人工语音引擎编程，实现了技术要求。上述研究成果以及开发的计算机控制顶推系统样机形成了具有自主知识产权的技术，可以显著改善路桥工程机械的作业性能和操纵性能，提高市政交通设施施工的自动化水平，缩短施工周期，服务各地道路交通建设，对于路桥施工机械的更新换代占领更高的起点，形成光机电一体化技术应用的新领域等具有良好的推动作用。
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