堅(jiān)實(shí)冰雪厚度檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)

莊騰飛 王俊發(fā) 李亞芹 邱新偉 王 銳 龐秀巖

堅(jiān)實(shí)冰雪厚度檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)

莊騰飛 王俊發(fā) 李亞芹 邱新偉 王 銳 龐秀巖

利用隨行浮動(dòng)方法設(shè)計(jì)出堅(jiān)實(shí)冰雪厚度檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了三維模型分析。方案確定選用GY-25角度傳感器，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行編程、測(cè)試，通過(guò)程序分析實(shí)時(shí)反饋顯示測(cè)量的堅(jiān)實(shí)冰雪厚度變化值。試驗(yàn)檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)：該檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反饋檢測(cè)厚度，反饋速度快，檢測(cè)精度高，為堅(jiān)實(shí)冰雪厚度實(shí)際檢測(cè)提供重要參考。

我國(guó)北方地區(qū)冬季降雪量大，氣溫低，冬季道路經(jīng)車輛反復(fù)碾壓或融凍后形成路面堅(jiān)實(shí)冰雪，由于冰雪厚度差異大、密度高、硬度大、清除時(shí)耗能費(fèi)時(shí)。目前清除這類冰雪機(jī)械主要通過(guò)銑削、鏟剁等方式進(jìn)行作業(yè)，清除時(shí)均未對(duì)待除冰雪的厚度進(jìn)行測(cè)量，作業(yè)時(shí)除雪效率低，刀具磨損快，而且還會(huì)對(duì)路面造成一定程度的破壞，降低道路使用壽命。在銑削式冰雪清除試驗(yàn)裝置上設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)反饋待除冰雪厚度的檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)堅(jiān)實(shí)冰雪的厚度實(shí)時(shí)檢測(cè)。

檢測(cè)原理

圖1　檢測(cè)系統(tǒng)三維圖

圖2　檢測(cè)系統(tǒng)的原理圖

運(yùn)用Pro/E三維建模軟件進(jìn)行模型分析，冰雪厚度檢測(cè)系統(tǒng)三維模型如圖1所示。堅(jiān)實(shí)冰雪厚度檢測(cè)系統(tǒng)利用隨動(dòng)桿上的GY-25角度傳感器對(duì)隨動(dòng)桿與連接端水平夾角進(jìn)行測(cè)量。GY-25角度傳感器能測(cè)量三個(gè)軸角度值，根據(jù)試驗(yàn)要求，編程時(shí)只對(duì)Y軸測(cè)得的俯仰角角度變化值進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出。試驗(yàn)前先清除0.6m2冰雪，使隨動(dòng)桿垂直路面即試驗(yàn)角度初值為90°，這樣可排除路面坡度對(duì)檢測(cè)精度的影響。試驗(yàn)時(shí)隨動(dòng)桿在待除冰雪表面移動(dòng)，作業(yè)過(guò)程中設(shè)定隨動(dòng)桿與水平方向的夾角為θ，其檢測(cè)原理如圖2所示。

1.臥式軸承座；2.上端蓋；3.下端蓋；4.伸出板；5.斜支撐板；6.機(jī)架下前側(cè)板；7.角度傳感器；8.萬(wàn)向輪；9.U型卡；10. 隨動(dòng)桿；11.連接軸；12軸承。

由檢測(cè)原理分析可得式：

式中：Δh為測(cè)得的冰雪厚度；

h為隨動(dòng)桿的長(zhǎng)度；

θ為實(shí)時(shí)測(cè)量隨動(dòng)桿與連接端水平夾角的角度值。

利用式（1）運(yùn)用Arduino進(jìn)行編程，通過(guò)程序中的函數(shù)計(jì)算輸出實(shí)時(shí)檢測(cè)冰雪層厚度。

厚度檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證試驗(yàn)原理和試驗(yàn)的可行性，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)試驗(yàn)。由于季節(jié)原因，在試驗(yàn)時(shí)用壓實(shí)土壤代替堅(jiān)實(shí)冰雪進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中分別取10個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，進(jìn)行多次試驗(yàn)，通過(guò)多點(diǎn)多次試驗(yàn)分析厚度檢測(cè)系統(tǒng)的性能。

試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選取圖3所示的GY-25角度傳感器，以串口TTL全雙工方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。GY-25主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)接線如4所示。

表1　GY-25角度傳感器主要參數(shù)

1.數(shù)據(jù)線；2.DFRduino Romeo板；3.GY-25角度傳感器；4.連接線。

Arduino編程

通過(guò)Arduino軟件對(duì)角度傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并編程，實(shí)時(shí)測(cè)量角度傳感器角度值的變化并通過(guò)式（1）實(shí)時(shí)計(jì)算并反饋出測(cè)量壓實(shí)土壤的厚度值。部分程序如下：

圖3　GY-25角度傳感器

圖4　檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室接線圖

圖5　檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)厚度數(shù)值

試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)選取10個(gè)參考點(diǎn)，分5組采用多點(diǎn)多次對(duì)比分析，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)在10個(gè)參考點(diǎn)測(cè)得的厚度與實(shí)際厚度進(jìn)行比較，得出檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差。10個(gè)參考點(diǎn)的實(shí)際厚度分別為：26mm；30mm；33mm；36mm；40mm；43mm；45mm；47mm；51mm；53mm。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，參考點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際厚度的檢測(cè)對(duì)比誤差均在3mm以內(nèi)，認(rèn)為檢測(cè)厚度準(zhǔn)確可靠。同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)值反饋快，穩(wěn)定性好，具有一定的適用性和應(yīng)用性。

結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)建了厚度檢測(cè)系統(tǒng)的三維模型，對(duì)檢測(cè)原理進(jìn)行了分析。完成了對(duì)GY-52角度傳感器驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)Arduino軟件編程實(shí)現(xiàn)壓實(shí)土壤的實(shí)時(shí)厚度檢測(cè)。

進(jìn)行了多組厚度檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，該檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)誤差在3mm以內(nèi)，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好。

通過(guò)壓實(shí)土壤的實(shí)時(shí)厚度檢測(cè)初步試驗(yàn)，探索了冰雪的厚度檢測(cè)，為后續(xù)根據(jù)冰雪厚度測(cè)量值進(jìn)行除雪刀具深度自動(dòng)調(diào)節(jié)奠定基礎(chǔ)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.009