小型掃雪機掃雪系統(tǒng)設計,小型掃雪機掃雪系統(tǒng)設計,小型,掃雪,系統(tǒng),設計 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 除雪機的自動駕駛系統(tǒng) Hirofumi HIRASHITA, Takeshi ARAI, Tadashi YOSHIDA 摘要: 在冷和多雪的部分的日本，大多數(shù)雪被從除雪機器道路中除去，同時，處理路邊條件并且保證安全的操作,操作這些機器被兩個人正常地操作：一名話務員和一個助手。 工作在進行中為了除雪機器開發(fā)自動的駕駛系統(tǒng)在操作人員的雪移去上使負擔為了減輕并且減少未來的勞動要求。這報告描述一個自動的駕駛系統(tǒng)結合三種技術： 在最近幾年作為一種ITS技術已被發(fā)展的通路記號系統(tǒng)，RTKGPS技術和GIS技術, 這駕駛的系統(tǒng)已被發(fā)展為旋轉除雪機器：雪移去的類型考慮最困難操作。報告也評價基于確證的結果的三種控制方法測試使用實際的除雪機器,同時這些的輪廓問題控制必須被克服建立一個工作的系統(tǒng)的系統(tǒng)。 關鍵詞：雪旋轉移去，自動的駕駛，ITS，通路記號，GIS，GPS 1 緒論 在寒冷的多雪部分的日本，雪通過機械的手段是被從道路上除掉保證冬天道路。為了保證機械把雪消要除根據(jù)雪在道路表面上的積累狀態(tài)適當?shù)谋磺宄纸煌?，心計劃的出席控制方法必須被建立，并且機械必須正確地操作。 自動的駕駛系統(tǒng)發(fā)展被計劃用于旋轉的除雪機器：帶有一種操作的方法的一類型比那其他類型除雪機更復雜，它已被發(fā)展為減少工作人人員除雪負擔降低的保障。 2 發(fā)展背景 雪移去被兩個工作人員操作： 驅使移去的一名話務員同時，控制的射出的一個助手。話務員驅使機器關于道路的控制還密切注意入雪處，助手噴出雪當雪進入機器的時候。除雪機器雪的內部配置十分復雜如圖3.1。目的使車輛的部分自動自動化在操作工作執(zhí)行中話務員允許助手控制雪做射出。未來允許由一人操作。 這報告介紹形成已被發(fā)展為自動的駕駛系統(tǒng)的基礎的定位技術和控制技術，同時，提出一種評價基于確證測試的結果的系統(tǒng)據(jù)以予以執(zhí)行的雪移去并且描述克服問題完成一個工作的系統(tǒng)。 3 自動操縱系統(tǒng) 已被開發(fā)的自動的駕駛系統(tǒng)使雪的清除成為自動化，駕駛也成為了話務員的任務之一。 3.1 駕駛并且雪清除的控制 旋轉自動除雪機的駕駛的機制不同于正常的車輛前進和后退部分被別針連系，而清楚說出機制被安裝，這樣車輛能在別針折彎。駕駛被確切的線性化方法和被的時間規(guī)模轉換控制有效的制一輛活動的車輛的過程。 這控制方法被受完整的約束影響的運動的一個方程代表并且基于非線性的控制理論。但是，一個雪移去側翼滑行，因為當它移去雪時，作為雪筑堤圍攔受橫向的反應力量影響被顯示圖3.2。小路滑動使用下面被描述的綜合的伺服機構系統(tǒng)來將這當做一場外部騷亂對待控制滑動。 圖3.1 除雪機內部 圖3.2 除雪機除雪 圖3.3 顯示駕駛機制除雪的一個模型。在未來， 前面輪子和對于后部輪子距離和除雪的連接的別針有距離被L代表，當2α代表過程時,駕駛的角度其后是除雪的半徑的一個弧R=L/tan a 。當前面輪子的中心點P的過程正切方向速度矢量被θ代表和正切方向角度被ν代表時，點P的運動的方程能被寫如下。 （1） 公式（1）被完成以便執(zhí)行狀態(tài)反饋控制。從等式中定義除學時駕駛的數(shù)量是駕駛的角度α中的1/2個。 （2） 在等式（2）中橫向滑動將不是予以考慮。為了除去由橫向的滑動造成的穩(wěn)態(tài)的偏差，如果綜合的伺服機構系統(tǒng)被使用，駕駛α的數(shù)量被如下方程代表 （3） 為了除去穩(wěn)態(tài)的偏差符號f是控制獲得，同時，基于公式（3），f1代表成適當比例的獲得，f2代表派生物獲得，而f3代表完整的獲得。PID控制被用來建造系統(tǒng) 圖3.3 協(xié)調系統(tǒng) 圖3.4 集成伺服機構系統(tǒng)控制塊圖形 3.2 定位方法 發(fā)現(xiàn)一種車輛為了執(zhí)行自動的駕駛的信息是必要的位置并且有確定方向駕駛它。已被開發(fā)的系統(tǒng)裝備有兩種功能： 指導方法使用通路記號傳感器發(fā)現(xiàn)使用GPS和GIS來發(fā)現(xiàn)車輛位置和駕駛的方法。 3.3 通路記號傳感器指導方法 一臺通路記號傳感器是為了使用作為先進的運輸系統(tǒng)( ITS )的部分被開發(fā)的高級的巡航幫助公路系統(tǒng)( AHS )的一種基本的技術。這技術包括間歇地被埋入在一個道路表面下面的通路記號，而車輛爬升發(fā)現(xiàn)被這些通路記號傳送的信號沿著被記號形成的過程指引車輛的傳感器。有這系統(tǒng)的兩種版本： 無線電波浪方法和磁性的方法。 （1） 角度計算邏輯 我們假定，通路記號之間的距離將不是經(jīng)常的，但是，根據(jù)道路的形狀和傳感器邊的要求能被變化。因此，這系統(tǒng)裝備有兩臺行的傳感器，這樣甚至當通路記號安裝間隔都被知道，直到除雪機器傳遞過他們才能控制執(zhí)行。如圖3.5： 圖3.5 通路記號傳感器指導方法 對于用一單一的行的傳感器駕駛的控制，如（第3.5圖左邊）通過目標過程為控制所需要的橫向的微分和方位的有差別的ym和ψm協(xié)調系統(tǒng)∑(xy)除傳感器之外要求關于記號之間的間隔的信息發(fā)信號ym1被前面車輛測量固定協(xié)調系統(tǒng)∑f ( xfyf )接受。但是，用兩臺行的傳感器(第3.5圖右邊)，系統(tǒng)能計算橫向的微分和目標過程的方位的有差別的ym和ψm通過兩協(xié)調系統(tǒng)∑(xy)反對當它傳遞amarker，直到他們傳遞下一個記號時，被前面車輛測量的ym1和ym2協(xié)調系統(tǒng)∑f ( xfyf )的傳感器控制兩個傳感器信號固定，這樣駕駛控制能被執(zhí)行即使記號之間的間隔是未知的。 （2）電波記號傳感器定位方法 有了無線電波浪方法，一個天線在車輛上的傳感器內部朝著道路傳送227.5臺kHs無線電波浪，以及當一臺無線電波浪記號(圖3.6 )收到這轉播，它歸還455 kHz的雙頻率的一個信號。 在傳感器內部的一個收到的天線收到這返回無線電波浪發(fā)現(xiàn)車輛的位置(圖3.7)。 朝著穿過的運動的方向的高峰價值。 它在中發(fā)現(xiàn)位置通過通過基于在被兩感到的返回無線電波浪的收到的力量的區(qū)別的成三角形方法計算天線之間的距離橫向的收到方向天線 圖3.6無線電搖動記號 圖3.7無線電波浪記號傳感器 （3）磁性的記號傳感器定位方法 有了磁性的方法，有持久標記的鐵酸鹽磁鐵(圖3.8)安裝在地表面以下，磁鐵上還安裝一臺磁性的傳感器。 課題分配磁性的記號顯示將記號的中心當做最大限度課題力量對待的單峰。 這課題的垂直的組成部分( Bz )和車輛寬度方向組成部分( Bx )的磁性的流密度被磁性的傳感器和位置記號發(fā)現(xiàn)被計算之間的距離發(fā)現(xiàn),基于以前約定的Bx與Bz有關系的方程傳感器和記號。(圖3.9) 圖3.8 磁性的記號 圖3.9 Bx與Bz關系 3.4 GPS與GIS定位發(fā)現(xiàn)方法 基于GPS與GIS定位的一個系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛的位置通過比較旋轉的雪移去位置控制其操作把從一個GPS衛(wèi)星被收到的數(shù)據(jù)與位置相協(xié)調為了提前被道路GIS提供的道路協(xié)調線性的數(shù)據(jù)。 （1） 路GIS道路GIS是有關用于道路維護的結構和交通管理的信息的一個數(shù)據(jù)庫。 為了開發(fā)這系統(tǒng)，旋轉的雪移去目標過程信旋轉的雪removers的話務員移去雪通過推動息被建立，這樣它能被處理作為GIS數(shù)據(jù)。擴展裸露的道路他們的被雪消除邊界(圖3.10)指引的車輛因為雪消除邊界經(jīng)常沿著道路的雙方是人行道的控制，被使用的GIS數(shù)據(jù)是控制數(shù)據(jù)。 共 8 頁 第 8 頁 圖3.10 道路GIS數(shù)據(jù) （2）TK-GPS RTK-GPS，有高精度的定位( 2點和3點cm )之間的差錯半徑的能力的一個系統(tǒng)，包括收到天線的兩GPS，一個固定站另一個固定在運載工具車站(在除雪機)上。 固定的車站傳送基于它已收到到運載工具車站的GPS數(shù)據(jù)的糾正信息。系統(tǒng)幾乎能執(zhí)行實時定位，因為GPS數(shù)據(jù)以20Hz的速度被糾正。 圖4.1 裝備有一種自動的駕駛支持功能的除雪機 4 確證的測試 消除在一月和2002年二月在北海道使用裝備有駕駛的控制系統(tǒng)的旋下面的自動的駕駛方法的適用性和實用性是一條實際的道路(低速率，橫向滑動)上的一個雪移去所特有的。轉的雪移去被實行。 4.1 確證測試的輪廓 （1） 被機器移去 除雪機器的體積分為大中小型經(jīng)常被使用在過家的公路上，據(jù)正常的說明建造部分地被修改(圖4.1)。 （2） 驗證的測試過程 確證的測試過程包括直的段，曲線，( R 30 m )，以及相交( R 12 m )，這樣它在公路上復制條件下， 其通路記號間隔是2.0 m和1.5 m 。 除雪的工作條件與實際的工作的那些相同，而工作以兩種速度被做，4公里與h和0.5公里與h 。雪銀行被準備提供當一個移去被用來擴展清除的部分的一條道路時，發(fā)生的工作裝載和橫向的滑動。 圖4.2 測試過程的布局 4.2 確證的測試的結果 測試證實通路記號彈著點方向觀測(無線電波浪和因為駕駛的控制系統(tǒng)發(fā)展是跟隨的一個系統(tǒng)預置目標過程，其控制性能從其目標過程(橫向的偏差)的數(shù)量被評價為雪移去的 偏差的數(shù)量。 表5.1表示從被方法組織的測試結果顯示橫向的偏差的數(shù)量。磁性)指導方法和GPS與GIS定位方法。 這桌子展覽那么總的來說，偏差和標準的偏差的數(shù)量在直的段上是小的，但是他們兩個都在曲線上在相交更高。 這區(qū)別大概地是被執(zhí)行的事實的一種結果在帶有曲率的一條小的半徑的段中，大量的駕駛，并且雪消除裝載是更可能造成橫GPS與GIS方法優(yōu)于 通路記號方法。 因為以前的方法幾乎取得幾乎20Hz的實時定位和駕駛控制，它立即能對作出反應減少偏差的數(shù)量橫向滑動。 有了后面，駕駛被延遲因為系統(tǒng)不能發(fā)現(xiàn)沒有通路記號之間的信號，在大量的橫向的偏差中導致的橫向的滑動。 因此，測試被完成，提供，除用傳感器糾正橫向的滑動之外，當傳感器傳遞記號時，協(xié)調下一個記號(過程信息)。導致橫向的滑動的分配揭示作為這時被領進圖4.3，±2σ(σ:標準的微分)是沒有過程信息的±57 cm，而它是過程信息的±31 cm： 極端帶來其精度的一大的改進和接近那個GPS與GIS方法。 在之間的性能中的沒有間距速度4公里與h和0.5與h被觀察。 5 結論和未來挑戰(zhàn) 已被確認自動的駕駛系統(tǒng)使用通路記號或者GPS的，GIS等等能通除雪機取得正常的雪消除工作的一個一般地實際的水平的控制。 但是，為了建立實際的工作的系統(tǒng)，如下挑戰(zhàn)必須被解決。 (1) GPS與GIS方法顯示其發(fā)現(xiàn)精度甚至暫時在敞開的空間中落下。 當GPS衛(wèi)星在一個狹窄的范圍中被集中時，我們假定這發(fā)生。 同時，在測試期間無線電波浪記號方法，認為是車輛上的高的輸出傳輸器的一種結果無法預言的行為被觀察。 提供是必要功能當這樣反常的操作的信號被生產(chǎn)時，那沒有干涉話務員而自動地停止操作。 (2) 為GPS與GIS情況，靠通路改進控制的精度是必要通過進入通路記號的記號方法提前協(xié)調到雪移去系統(tǒng)向它提供過程信息。 每次系統(tǒng)傳遞過記號，記錄在每一記號上的通道是也十分重要。 (3) 更進一步改進控制精度(減少偏差的數(shù)量)，努力量化諸如的騷亂橫向 的滑動，與雪消除裝載等等在把雪消除工作的模型的細節(jié)的程度增加旋轉的雪移去之后并且執(zhí)行仿真是必要雪移去。 圖4.3 橫向的偏差(無線電波方法) 在最近幾年，各種各樣的組織已試圖運用信息技術( IT )改進建設機械。 當時在那些情況中看見，信息在這種情況中處理不能被運用于其它系統(tǒng)，除非它 表5.1每一系統(tǒng)的橫向的差異 獨立的操作(工作加速4公里與h，前面?zhèn)鞲衅鞯钠畹臄?shù)量) 在最近幾年，各種各樣的組織已試圖運用信息技術( IT )改進建設機械。 當時在那些情況中看見，信息在這種情況中處理不能被運用于其它系統(tǒng)，除非它的用途在標準化時被假定。 因為被這項目發(fā)展的除雪機通路記號的新的道路基礎設施，道路GIS數(shù)據(jù)。同時，通信系統(tǒng)和其通信標準必須被標準化，其發(fā)展用ITS領域中的通信技術已被協(xié)調。 作者希望這研究與發(fā)展將促進作為一個工作的系統(tǒng)介紹它。 最后，作者希望向Hokuriku地區(qū)表達他們的深的感激地基礎設施的部的發(fā)展局和北海道地區(qū)的發(fā)展局，和運輸其幫助確證的測試和對于幫助系統(tǒng)和測試的工作的建造的每個人。