组合FPGA光电传感器阵列的顶管机激光姿态测量系统
发布时间：2021-09-16 20:08
由于复杂多变的地质环境、推力不均、注浆不均、尾盾间隙不均等影响,顶管机在施工过程中实际顶进的轨迹与预期轨迹之间往往存在偏差,较大偏差会导致施工事故或严重的经济损失。采用坐标转换方法,设计了基于组合光电传感器阵列和PLC相结合的姿态测量系统,开发了相关实时显示的操作界面,用于实时显示测量的顶管机3个方向姿态角。并应用投影的方法,计算顶管机实时显示运行轨迹,辅助顶管机姿态控制。实验中进行人为模拟顶管机机头的运动偏差情况来验证该测量系统的准确性,实验表明,该激光测量系统点光源的坐标识别精度达3 mm,角度测量精度达0.1°,最大误差0.784°,符合顶管机施工要求,方便了顶管机姿态测量,提高了顶管施工质量和效率。
【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2020,34(07)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
系统结构框图
数据采集电路采用模块化设计,分为点光源识别模块、PLL锁相环时钟管理模块、A/D转换模块、SDRAM数据缓存模块和串口发送接收模块。点光源识别模块是采用对特定波长的光源才有响应的光敏电阻,组成的光电传感器阵列。点光源识别模块的数据采集卡选用AC6651接口板卡。其中一路电路如图2所示。为减少平面光电传感器阵列到数据采集卡数据通道的路数,采用编码器将传感器阵列输出的多路电压信号进行编码[18]。由于传感器(即光敏电阻)点数较多,但传感器信号只能单个独立产生,而数据采集卡的I/O通道数有限,所以在光电信号送入后续接口板卡输入通道之前采用编码技术,将多路光电信号进行编码,处理器采集信号后再进行解码处理。对于6×6=36的平面光电传感器阵列,信号编码采用4片10线-4线优先编码器74HC147,将36路光电传感器输出电平信号进行编码减少为16路信号;图2只包含1片接口电路,其余3片电路连接类似,其输出编码信号经过通用I/O接口卡AC6651后输入处理器。
FPGA软件程序按照层次化设计思想,建立工程项目,在项目的顶层设计文件中,对内部各功能模块的连接关系和对外接口进行例化描述,然后分别对各个功能模块进行细化设计。其RTL视图如图3所示。如图4所示,点光源识别模块采用状态机的方式实现。首先将平面光电传感器阵列进行编码,增加无光照状态和有光照状态的编码;光敏电阻阵列无光照状态下,预先将列编码的控制线全部输出置0,等待行编码状态控制线的输入状态;当行编码状态控制线输入状态不全为1,开始执行扫描,在列编码扫描控制线循环状态下,执行行编码状态控制线逐行扫描。同时,在列编码扫描控制线循环状态下,对于非当前行编码扫描控制线输出全部置1。
【参考文献】：
期刊论文
[1]滑动平均法在MEMS陀螺信号趋势项提取中的应用[J]. 李征,房宏才,柯熙政,李芳,王燕宁. 电子测量与仪器学报. 2019(07)
[2]基于激光位移传感器的自由曲面精密测量方法[J]. 董祉序,孙兴伟,刘伟军,杨理践,王雷. 仪器仪表学报. 2018(12)
[3]基于多模态堆叠自动编码器的感应电机故障诊断[J]. 蒋爱国,符培伦,谷明,王金江. 电子测量与仪器学报. 2018(08)
[4]基于面结构光投影法的刀具几何参数测量研究[J]. 刘今越,刘佳斌,贾晓辉,王宁,李铁军. 仪器仪表学报. 2017(05)
[5]MEMS陀螺仪随机误差的辨识与降噪方法研究[J]. 孙伟,文剑,张远,耿诗涵. 电子测量与仪器学报. 2017(01)
[6]基于拓扑特征和投影法的东巴象形文识别方法研究[J]. 徐小力,蒋章雷,吴国新,王红军,王宁. 电子测量与仪器学报. 2017(01)
[7]长株潭城际铁路开滨区间盾构施工技术(八) 盾构机到达施工(下)[J]. 张佳兴. 工程机械与维修. 2016(05)
[8]郑州市下穿中州大道超大断面矩形隧道顶管姿态控制技术[J]. 荣亮,杨红军. 隧道建设. 2015(10)
[9]市政道路污水管顶管施工技术[J]. 王志强. 山西建筑. 2015(06)
[10]软土地层中地铁盾构施工引起地表沉降的三维有限元分析[J]. 王国才,马达君,杨阳,章洁. 岩土工程学报. 2011(S1)
本文编号：3397213
【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2020,34(07)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
系统结构框图
数据采集电路采用模块化设计,分为点光源识别模块、PLL锁相环时钟管理模块、A/D转换模块、SDRAM数据缓存模块和串口发送接收模块。点光源识别模块是采用对特定波长的光源才有响应的光敏电阻,组成的光电传感器阵列。点光源识别模块的数据采集卡选用AC6651接口板卡。其中一路电路如图2所示。为减少平面光电传感器阵列到数据采集卡数据通道的路数,采用编码器将传感器阵列输出的多路电压信号进行编码[18]。由于传感器(即光敏电阻)点数较多,但传感器信号只能单个独立产生,而数据采集卡的I/O通道数有限,所以在光电信号送入后续接口板卡输入通道之前采用编码技术,将多路光电信号进行编码,处理器采集信号后再进行解码处理。对于6×6=36的平面光电传感器阵列,信号编码采用4片10线-4线优先编码器74HC147,将36路光电传感器输出电平信号进行编码减少为16路信号;图2只包含1片接口电路,其余3片电路连接类似,其输出编码信号经过通用I/O接口卡AC6651后输入处理器。
FPGA软件程序按照层次化设计思想,建立工程项目,在项目的顶层设计文件中,对内部各功能模块的连接关系和对外接口进行例化描述,然后分别对各个功能模块进行细化设计。其RTL视图如图3所示。如图4所示,点光源识别模块采用状态机的方式实现。首先将平面光电传感器阵列进行编码,增加无光照状态和有光照状态的编码;光敏电阻阵列无光照状态下,预先将列编码的控制线全部输出置0,等待行编码状态控制线的输入状态;当行编码状态控制线输入状态不全为1,开始执行扫描,在列编码扫描控制线循环状态下,执行行编码状态控制线逐行扫描。同时,在列编码扫描控制线循环状态下,对于非当前行编码扫描控制线输出全部置1。
【参考文献】：
期刊论文
[1]滑动平均法在MEMS陀螺信号趋势项提取中的应用[J]. 李征,房宏才,柯熙政,李芳,王燕宁. 电子测量与仪器学报. 2019(07)
[2]基于激光位移传感器的自由曲面精密测量方法[J]. 董祉序,孙兴伟,刘伟军,杨理践,王雷. 仪器仪表学报. 2018(12)
[3]基于多模态堆叠自动编码器的感应电机故障诊断[J]. 蒋爱国,符培伦,谷明,王金江. 电子测量与仪器学报. 2018(08)
[4]基于面结构光投影法的刀具几何参数测量研究[J]. 刘今越,刘佳斌,贾晓辉,王宁,李铁军. 仪器仪表学报. 2017(05)
[5]MEMS陀螺仪随机误差的辨识与降噪方法研究[J]. 孙伟,文剑,张远,耿诗涵. 电子测量与仪器学报. 2017(01)
[6]基于拓扑特征和投影法的东巴象形文识别方法研究[J]. 徐小力,蒋章雷,吴国新,王红军,王宁. 电子测量与仪器学报. 2017(01)
[7]长株潭城际铁路开滨区间盾构施工技术(八) 盾构机到达施工(下)[J]. 张佳兴. 工程机械与维修. 2016(05)
[8]郑州市下穿中州大道超大断面矩形隧道顶管姿态控制技术[J]. 荣亮,杨红军. 隧道建设. 2015(10)
[9]市政道路污水管顶管施工技术[J]. 王志强. 山西建筑. 2015(06)
[10]软土地层中地铁盾构施工引起地表沉降的三维有限元分析[J]. 王国才,马达君,杨阳,章洁. 岩土工程学报. 2011(S1)
本文编号：3397213
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