Auto-leveling control system of paver based on CAN bus
-
摘要: 为提高路面摊铺平整度, 研究了一种基于CAN总线的多点(多探头) 非接触式摊铺机自动找平系统, 给出了系统总体结构、CAN节点的硬件电路及软件主要流程, 采用多重滤波方法进行数据处理, 滤除摊铺机作业过程中偶然因素造成的跳点数据, 提高系统的抗干扰性能。采用该找平系统对单探头和多探头找平方式进行了对比试验, 结果表明多探头方式找平效果优于单探头方式; 与接触式自动找平系统对比实验表明采用该找平系统中面层平整度平均值较接触式提高了3.2%, 上面层提高了7.8%。Abstract: In order to improve the smoothness of road paving, a multi-point (multi-probe) non-touching auto-leveling control system based on CAN (control area network) bus was developed, the structure of the system, the circuit of CAN node and the main flow charts of CAN node software were given, multi-filtering algorithm was employed to eliminate the wild data during road paving process, so that the disturbance attenuation performance of the system was improved.Comparison test result shows that the leveling effect of multi-probe is more effective than single-probe.Compared with touching auto-leveling system, the paving smoothness of intermediate surface layer is increased by 3.2%, and upper surface layer by 7.8% with the system.
-
Key words:
- road engineering /
- road paver /
- auto-leveling control system /
- CAN bus
-
0. 引言
摊铺机自动找平方式从早期的“走钢丝”, 即从下面层开始直至面层, 施工中采用接触式传感器与拉钢丝绳以控制标高达到设计要求的找平方式, 发展到后来的“走雪橇”, 即采用跨度约16 m的接触式浮动平衡梁找平方式, 到现在已经发展到大量采用数字化非接触式找平系统, 且有单点测量和多点测量两种方式, 即在路面上一定距离使用多个声纳传感器(也称超声波传感器), 以地面为基准精确测量出路面高度均值, 反馈后对熨平板进行控制调节而达到自动找平的目的, 该方法目前得到了广泛的应用[1-6]。为了提高路面的平整度, 对其找平系统进行有效控制, 本文研究了一种基于CAN总线的多点(多探头) 非接触式摊铺机自动找平控制系统, 给出了系统结构、实现电路、数据处理算法及软件主要流程, 将单探头和多探头找平方式进行了对比实验, 并与接触式找平系统进行了对比实验。
1. 自动找平系统设计
摊铺机自动找平系统的主要功能是完成对路面高度数据的实时采集、预处理及数据发送与传输等任务, 由主控制器对采集的数据进行计算, 根据路面高度变化情况控制熨平板的仰角, 使摊铺出来的路面达到规定的平整度[7]。找平系统在功能上具有独立性, 可以作为一个单独的系统进行开发, 在使用时与摊铺机主控制系统进行总线式组网通信。
CAN总线是新一代的网络通信现场总线, 具有实时性强, 可靠性高, 结构简单, 互操作性好及价格低廉等优点, 广泛应用于汽车、工程机械控制系统及其他环境恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。其特点表现为: 多主工作方式, 可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式; 快速访问, 数据传输速率为1 Mbit·s-1, 信号传输采用短帧结构, 重复传输时间短, 实时性好; 采用基于优先权的非破坏性总线仲裁技术, 具有故障节点自动脱离及出错帧自动重发功能, 可靠性高, 平均误码率小于10-3; 各设备采用统一的国际标准(ISO118982), 具有较好的互操作性和互换性; 通信介质无特殊要求, 布线安装简单, 易维护, 经济性好[8-11]。
鉴于CAN总线的以上优点, 现代工程机械广泛采用基于CAN总线的数字网络式控制系统, 本文给出的摊铺机自动找平系统正是采用了这一先进的设计思想。
1.1 系统总体结构
自动找平系统结构见图 1。系统采用总线式网络拓扑结构, 半双工的通信方式, 各个CAN节点(子控制器) 通过CAN总线连接起来, 形成多主局域网, 每个CAN节点带有一个非接触式传感器(超声波探头)。
图 1中P1~P4分别为系统电磁阀故障检测点; K1~K5五个开关量输入信号用于系统的参数设置, 如灵敏度、控制点、窗口值、频率、自动/手动切换及熨平板上升与下降等。通过对这些参数的设置, 可使摊铺机找平系统在不同路面(如基层、下面层、中面层或上面层) 条件下工作, 也可根据路面施工的不同要求随时对系统参数进行调整。
1.2 系统工作原理
找平系统包含n个CAN节点, 见图 1, 每个节点作为一个独立的路面高度采样点, 对路基高度变化进行实时采样。当主控节点广播式地发送数据请求帧, 各个节点收到数据请求命令后, 将当前存储的实时采样数据通过总线发送给主控制器。在各个子节点向主控制器发送数据之前, 节点内部首先进行数据预处理, 保证发送的数据能准确描述路基的变化情况。当主控制器完整接收所有节点的数据后, 在其内部按照一定的算法进行数据处理, 处理完毕后将所得结果与控制点的基准值进行比较计算, 产生一定占空比的PWM信号, 通过驱动电路控制熨平板升降油缸的电磁阀, 使熨平板的仰角随着油缸的升降而变化, 调整摊铺厚度, 最终达到摊铺厚度均匀一致。
2. CAN节点的设计
2.1 系统的硬件设计
2.1.1 硬件结构
每一个数据采集节点都是一个独立的CAN节点, 可与其他的CAN节点直接通信, 也可在系统工作过程中灵活地拆卸和接入。节点主要由传感器、信号调理电路、微控制器和CAN接口电路组成, 见图 2。超声波传感器输出为4~20 mA的电流信号, 而微处理器的A/D转换无法处理此类电流信号, 所以在本系统中设计了一个I/V转换电路(即信号调理电路), 将4~20 mA的电流量转变为0~5 V的电压量。
2.1.2 CAN节点电路设计
图 3给出了CAN节点的实现电路。选用TI公司TMS320LF2407A DSP作为微控制器。TMS320L-F2407A是16位定点数字信号处理器, 集DSP的高速信号处理能力及适用于控制系统的优化外围电路于一体。该芯片采用高性能静态CMOS技术, 功耗低, 执行速度达30MIPS, 带有10位A/D转换器、串口通信接口(SCI) 模块、16位串行外设(SPI) 接口模块以及40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO) 和5个外部中断; TMS320LF2407A自带CAN控制器, 不需要外扩, 但需要一个物理层接口电路, 也就是CAN的收发器, 实现和其他节点间的数据发送与接收。
CAN收发器选用Philips公司的PCA82C250A, 该器件是CAN协议控制器和物理总线之间的接口, 可以用高达1 Mbit·s-1的速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据, 有较强的抗电磁干扰、热保护及对电池和地的短路保护能力。
由于DSP芯片是3.3 V供电, 而CAN收发器是5 V供电, 所以要进行电平转换, 本设计采用电阻和二极管的组合来实现电平转换, 以满足通信电平的要求。
为增强CAN节点的抗干扰能力, TMS320L-F2407A的发送(TX) 和接收(RX) 引脚通过高速光耦6N137分别与PCA82C250A的发送(TXD) 和接收(RXD) 引脚相连, 实现了总线上各个节点间的电气隔离, 光耦部分电路所采用的2个电源VCC和VDD也是完全隔离的。
2.2 软件设计
CAN节点的主要任务是对路面数据进行采集和传输, 软件设计的关键在于快速准确和高可靠性。为节省节点的CPU开销, 设计中对数据采集和CAN通信的响应均采用中断方式。软件主要包括节点初始化、数据采集与处理、数据接收和发送4部分, 具体功能如下。
(1) 实时采集数据, 对数据进行预处理并存储到固定区域, 等待主控制器发出数据传送请求。
(2) 接到主控制器的数据请求命令后, 进入中断服务子程序, 处理数据请求代码, 决定是发送节点信息还是路面数据信息给主控制器。
(3) 具有波特率随机设置功能, 操作员可以通过外部拨码开关实现CAN通信的波特率设置, 而无需对整个软件进行修改。
2.3 数据处理
节点中采用平均值法对数据进行预处理, 而在主控制器中采用加权平均的方法对数据进行处理。也就是说每个CAN节点进行实时的数据采集, 以5个数据为一个单元, 去掉最大值和最小值, 对其余3个数据进行平均, 并配合窗口控制功能[1], 有效去除偶然因素(如单个石块、坑槽等) 造成的跳点值。节点进行数据预处理后, 将处理后的平均值保存在特定区域。数据的存储方式采用栈的模式, 始终保证存储区中为最新数据。
当主控制器发出数据请求, 各节点收到请求后, 将存储的数据(预处理后的数据) 发送给主控制器, 由于每个节点所处的测量基点不一样, 主控制器需将各节点发送来的数据采用加权滤波的方法进行处理, 处理后的高度误差值和控制点相减, 得到一个最终高度误差值。判断此值是否超过窗口值, 若超出则直接输出错误代码; 若在窗口值设定范围内则输出PWM波, 驱动升降油缸电磁阀带动熨平板升降。图 6给出了数据运算过程, 以3个节点(每个节点包括5个探头) 为例。
3. 实验分析
3.1 单探头和多探头自动找平实验分析
将基于CAN总线的多探头自动找平系统在某ABG423样机上安装后进行了路面找平摊铺实验, 实验路面为中面层, 表面情况存在石块和坑槽, 样机作业速度为3 m·s-1。单探头和多探头自动找平实验结果见图 7。
从图 7可以看出, 由于采取了多点加权平均滤波措施, 采用多探头方式比单探头方式的找平效果好, CAN总线的应用为找平系统采用多探头提供了方便和高可靠的数据传输。
3.2 与接触式找平系统的对比实验分析
将基于CAN总线的多探头找平系统与“走钢丝”式找平系统进行了对比实验, 样机仍为ABG423, 作业速度为3 m·s-1。用传统3 m直尺检验摊铺效果, 实验结果见表 1。
表 1中数据说明采用多探头自动找平系统, 中面层摊铺平整度平均值较接触式找平系统提高了3.2%, 上面层提高了7.8%。
表 1 实验数据Table 1. Experimental data路面层 实验对象 路面平整度均值(每一数据为60个检测点的平均值) /mm 中面层 接触式 0.83 0.54 0.82 1.07 0.90 0.67 0.58 0.60 0.87 0.94 0.70 0.71 0.66 0.61 非接触式 0.72 0.52 0.85 0.70 0.83 0.59 0.87 0.70 0.78 0.86 0.64 0.64 0.65 0.81 上面层 接触式 0.63 0.64 0.54 0.53 0.54 0.87 0.58 0.62 0.56 0.72 0.70 0.60 0.54 0.64 非接触式 0.55 0.57 0.66 0.51 0.58 0.56 0.60 0.55 0.66 0.55 0.52 0.60 0.55 0.57 4. 结语
本文介绍了一种基于CAN总线的摊铺机自动找平控制系统, 给出了系统结构、工作原理、单个数据采集CAN节点的实现电路及软件主要流程。对自动找平系统进行了功能实验与实际作业效果实验, 表明系统控制性能良好; 采用了多重滤波方法作为系统抗干扰的措施, 能有效滤除摊铺机作业过程中的诸如单个石块、坑槽等偶然因素的影响, 达到实际使用的要求。
-
表 1 实验数据
Table 1. Experimental data
路面层 实验对象 路面平整度均值(每一数据为60个检测点的平均值) /mm 中面层 接触式 0.83 0.54 0.82 1.07 0.90 0.67 0.58 0.60 0.87 0.94 0.70 0.71 0.66 0.61 非接触式 0.72 0.52 0.85 0.70 0.83 0.59 0.87 0.70 0.78 0.86 0.64 0.64 0.65 0.81 上面层 接触式 0.63 0.64 0.54 0.53 0.54 0.87 0.58 0.62 0.56 0.72 0.70 0.60 0.54 0.64 非接触式 0.55 0.57 0.66 0.51 0.58 0.56 0.60 0.55 0.66 0.55 0.52 0.60 0.55 0.57 
下载: 导出CSV
-
[1] 吴成富, 焦生杰, 惠纪庄. 摊铺机自动找平控制系统研究[J]. 筑路机械与施工机械化, 2004, 21(8): 15-17. doi: 10.3969/j.issn.1000-033X.2004.08.006Wu Cheng-fu, Jiao Sheng-jie, Hui Ji-zhuang. Research on auto leveling control system of paver[J]. Road Machinery& Construction Mechanization, 2004, 21(8): 15-17. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-033X.2004.08.006 [2] 焦生杰, 余亮, 徐守国. 摊铺机声控找平系统原理[J]. 筑路机械与施工机械化, 2000, 17(5): 7-9. doi: 10.3969/j.issn.1000-033X.2000.05.003Jiao Sheng-jie, Yu Liang, Xu Shou-guo. Principle of auto-leveling system for paver with sonic control[J]. Road Machinery& Construction Mechanization, 2000, 17(5): 7-9. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-033X.2000.05.003 [3] 庄月明. 非接触式找平系统在沥青路面摊铺中的应用及研究[J]. 筑路机械与施工机械化, 2005, 22(5): 8-11. doi: 10.3969/j.issn.1000-033X.2005.05.003Zhuang Yue-ming. Application and research of non-contacting levelling system in asphalt pavement construction[J]. Road Machinery& Construction Mechanization, 2005, 22(5): 8-11. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-033X.2005.05.003 [4] 孙军, 庄月明, 黄晓明. 非接触式自动找平系统在沥青路面摊铺中的应用[J]. 公路, 2002, 47(6): 48-50. doi: 10.3969/j.issn.1002-0268.2002.06.014Sun Jun, Zhuang Yue-ming, Huang Xiao-ming. Application of non-touching auto-leveling system in the paving of asphalt road[J]. Highway, 2002, 47(6): 48-50. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1002-0268.2002.06.014 [5] 焦生杰, 唐相伟, 刘桦. 智能化摊铺机的发展与现状[J]. 筑路机械与施工机械化, 2004, 21(2): 6-9. doi: 10.3969/j.issn.1000-033X.2004.02.002Jiao Sheng-jie, Tang Xiang-wei, Liu Hua. Development and status quo of intelligentized paver[J]. Road Machinery & Construction Mechanization, 2004, 21(2): 6-9. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-033X.2004.02.002 [6] 方俊英, 宋永刚. RSS一种全新的摊铺机自动化找平系统[J]. 筑路机械与施工机械化, 2002, 19(1): 14-15. doi: 10.3969/j.issn.1000-033X.2002.01.006Fang Jun-ying, Song Yong-gang. RSS a new auto-leveling system for paver[J]. Road Machinery& Construction Mechanization, 2002, 19(1): 14-15. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-033X.2002.01.006 [7] 惠纪庄, 吴成富, 焦生杰. 基于DSP芯片的接触式自动找平控制器[J]. 长安大学学报: 自然科学版, 2005, 25(2): 90-94. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL20050200K.htmHui Ji-zhuang, Wu Cheng-fu, Jiao Sheng-jie. Touched automatic controller for elevation based on DSP[J]. Journal of Chang'an University: Natural Science Edition, 2005, 25(2): 90-94. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL20050200K.htm [8] 朱正礼, 殷承良, 张建武. 混合动力车中CAN总线系统的应用[J]. 交通运输工程学报, 2004, 4(3): 90-94. http://transport.chd.edu.cn/article/id/200403021Zhu Zheng-li, Yin Cheng-liang, Zhang Jian-wu. Application of CAN bus system in hybrid electric vehicle[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2004, 4(3): 90-94. (in Chinese) http://transport.chd.edu.cn/article/id/200403021 [9] 黄运生, 汤勇, 吴运新, 等. CAN总线通信技术在LTU90A智能摊铺机中的应用[J]. 中南工业大学学报: 自然科学版, 2003, 34(5): 532-533. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNGD200305017.htmHuang Yun-sheng, Tang Yong, Wu Yun-xin, et al. Application of CAN bus communication technology in intelligent paver[J]. Journal of Central South University of Technology: Natural Science Edition, 2003, 34(5): 532-533. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNGD200305017.htm [10] 余张国, 李磊民, 聂诗良, 等.一种基于CAN总线的工程机械通用控制方案[J], 西南科技大学学报, 2004, 19(2): 19-21. doi: 10.3969/j.issn.1671-8755.2004.02.005Yu Zhang-guo, Li Lei-min, Nie Shi-liang, et al. A general control of engineering machines based on CAN bus[J]. Journal of Southwest University of Science and Technology, 2004, 19(2): 19-21. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-8755.2004.02.005 [11] 戚建, 陈正祥, 刘国良. CAN总线技术在LTU90A摊铺机控制系统中的应用[J]. 工程机械, 2003, 34(5): 5-7. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCJA200305001.htmQi Jian, Chen Zheng-xiang, Liu Guo-liang. Application of CAN bus technology to control system of LTU90A paver[J]. Construction Machinery and Equipment, 2003, 34(5): 5-7. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCJA200305001.htm -
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 450
- HTML全文浏览量: 138
- PDF下载量: 214
- 被引次数: 0
