外文翻譯--除雪機(jī)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)【中英文文獻(xiàn)譯文】
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除雪機(jī)的自動(dòng)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(jī)器道路中除去,同時(shí),處理路邊條件并且保證安全的操作,操作這些機(jī)器被兩個(gè)人正常地操作:一名話務(wù)員和一個(gè)助手。
工作在進(jìn)行中為了除雪機(jī)器開發(fā)自動(dòng)的駕駛系統(tǒng)在操作人員的雪移去上使負(fù)擔(dān)為了減輕并且減少未來的勞動(dòng)要求。這報(bào)告描述一個(gè)自動(dòng)的駕駛系統(tǒng)結(jié)合三種技術(shù): 在最近幾年作為一種ITS技術(shù)已被發(fā)展的通路記號(hào)系統(tǒng),RTKGPS技術(shù)和GIS技術(shù), 這駕駛的系統(tǒng)已被發(fā)展為旋轉(zhuǎn)除雪機(jī)器:雪移去的類型考慮最困難操作。報(bào)告也評價(jià)基于確證的結(jié)果的三種控制方法測試使用實(shí)際的除雪機(jī)器,同時(shí)這些的輪廓問題控制必須被克服建立一個(gè)工作的系統(tǒng)的系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:雪旋轉(zhuǎn)移去,自動(dòng)的駕駛,ITS,通路記號(hào),GIS,GPS
1 緒論
在寒冷的多雪部分的日本,雪通過機(jī)械的手段是被從道路上除掉保證冬天道路。為了保證機(jī)械把雪消要除根據(jù)雪在道路表面上的積累狀態(tài)適當(dāng)?shù)谋磺宄纸煌?,心?jì)劃的出席控制方法必須被建立,并且機(jī)械必須正確地操作。
自動(dòng)的駕駛系統(tǒng)發(fā)展被計(jì)劃用于旋轉(zhuǎn)的除雪機(jī)器:帶有一種操作的方法的一類型比那其他類型除雪機(jī)更復(fù)雜,它已被發(fā)展為減少工作人人員除雪負(fù)擔(dān)降低的保障。
2 發(fā)展背景
雪移去被兩個(gè)工作人員操作: 驅(qū)使移去的一名話務(wù)員同時(shí),控制的射出的一個(gè)助手。話務(wù)員驅(qū)使機(jī)器關(guān)于道路的控制還密切注意入雪處,助手噴出雪當(dāng)雪進(jìn)入機(jī)器的時(shí)候。除雪機(jī)器雪的內(nèi)部配置十分復(fù)雜如圖3.1。目的使車輛的部分自動(dòng)自動(dòng)化在操作工作執(zhí)行中話務(wù)員允許助手控制雪做射出。未來允許由一人操作。
這報(bào)告介紹形成已被發(fā)展為自動(dòng)的駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ)的定位技術(shù)和控制技術(shù),同時(shí),提出一種評價(jià)基于確證測試的結(jié)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(gè)工作的系統(tǒng)。
3 自動(dòng)操縱系統(tǒng)
已被開發(fā)的自動(dòng)的駕駛系統(tǒng)使雪的清除成為自動(dòng)化,駕駛也成為了話務(wù)員的任務(wù)之一。
3.1 駕駛并且雪清除的控制
旋轉(zhuǎn)自動(dòng)除雪機(jī)的駕駛的機(jī)制不同于正常的車輛前進(jìn)和后退部分被別針連系,而清楚說出機(jī)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(shí)間規(guī)模轉(zhuǎn)換控制有效的制一輛活動(dòng)的車輛的過程。 這控制方法被受完整的約束影響的運(yùn)動(dòng)的一個(gè)方程代表并且基于非線性的控制理論。但是,一個(gè)雪移去側(cè)翼滑行,因?yàn)楫?dāng)它移去雪時(shí),作為雪筑堤圍攔受橫向的反應(yīng)力量影響被顯示圖3.2。小路滑動(dòng)使用下面被描述的綜合的伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)來將這當(dāng)做一場外部騷亂對待控制滑動(dòng)。
圖3.1 除雪機(jī)內(nèi)部 圖3.2 除雪機(jī)除雪
圖3.3 顯示駕駛機(jī)制除雪的一個(gè)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(dāng)2α代表過程時(shí),駕駛的角度其后是除雪的半徑的一個(gè)弧R=L/tan a 。當(dāng)前面輪子的中心點(diǎn)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(shí),點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)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(xué)時(shí)駕駛的數(shù)量是駕駛的角度α中的1/2個(gè)。
(2)
在等式(2)中橫向滑動(dòng)將不是予以考慮。為了除去由橫向的滑動(dòng)造成的穩(wěn)態(tài)的偏差,如果綜合的伺服機(jī)構(gòu)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(hào)f是控制獲得,同時(shí),基于公式(3),f1代表成適當(dāng)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(diào)系統(tǒng) 圖3.4 集成伺服機(jī)構(gòu)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(dòng)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(dǎo)方法使用通路記號(hào)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(hào)傳感器指導(dǎo)方法
一臺(tái)通路記號(hào)傳感器是為了使用作為先進(jìn)的運(yùn)輸系統(tǒng)( ITS )的部分被開發(fā)的高級(jí)的巡航幫助公路系統(tǒng)( AHS )的一種基本的技術(shù)。這技術(shù)包括間歇地被埋入在一個(gè)道路表面下面的通路記號(hào),而車輛爬升發(fā)現(xiàn)被這些通路記號(hào)傳送的信號(hào)沿著被記號(hào)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(jì)算邏輯
我們假定,通路記號(hào)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(tái)行的傳感器,這樣甚至當(dāng)通路記號(hào)安裝間隔都被知道,直到除雪機(jī)器傳遞過他們才能控制執(zhí)行。如圖3.5:
圖3.5 通路記號(hào)傳感器指導(dǎo)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(biāo)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(diào)系統(tǒng)∑(xy)除傳感器之外要求關(guān)于記號(hào)之間的間隔的信息發(fā)信號(hào)ym1被前面車輛測量固定協(xié)調(diào)系統(tǒng)∑f ( xfyf )接受。但是,用兩臺(tái)行的傳感器(第3.5圖右邊),系統(tǒng)能計(jì)算橫向的微分和目標(biāo)過程的方位的有差別的ym和ψm通過兩協(xié)調(diào)系統(tǒng)∑(xy)反對當(dāng)它傳遞amarker,直到他們傳遞下一個(gè)記號(hào)時(shí),被前面車輛測量的ym1和ym2協(xié)調(diào)系統(tǒng)∑f ( xfyf )的傳感器控制兩個(gè)傳感器信號(hào)固定,這樣駕駛控制能被執(zhí)行即使記號(hào)之間的間隔是未知的。
(2)電波記號(hào)傳感器定位方法
有了無線電波浪方法,一個(gè)天線在車輛上的傳感器內(nèi)部朝著道路傳送227.5臺(tái)kHs無線電波浪,以及當(dāng)一臺(tái)無線電波浪記號(hào)(圖3.6 )收到這轉(zhuǎn)播,它歸還455 kHz的雙頻率的一個(gè)信號(hào)。 在傳感器內(nèi)部的一個(gè)收到的天線收到這返回?zé)o線電波浪發(fā)現(xiàn)車輛的位置(圖3.7)。
朝著穿過的運(yùn)動(dòng)的方向的高峰價(jià)值。 它在中發(fā)現(xiàn)位置通過通過基于在被兩感到的返回?zé)o線電波浪的收到的力量的區(qū)別的成三角形方法計(jì)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(dòng)記號(hào) 圖3.7無線電波浪記號(hào)傳感器
(3)磁性的記號(hào)傳感器定位方法
有了磁性的方法,有持久標(biāo)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(tái)磁性的傳感器。
課題分配磁性的記號(hào)顯示將記號(hào)的中心當(dāng)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(hào)發(fā)現(xiàn)被計(jì)算之間的距離發(fā)現(xiàn),基于以前約定的Bx與Bz有關(guān)系的方程傳感器和記號(hào)。(圖3.9)
圖3.8 磁性的記號(hào) 圖3.9 Bx與Bz關(guān)系
3.4 GPS與GIS定位發(fā)現(xiàn)方法
基于GPS與GIS定位的一個(gè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛的位置通過比較旋轉(zhuǎn)的雪移去位置控制其操作把從一個(gè)GPS衛(wèi)星被收到的數(shù)據(jù)與位置相協(xié)調(diào)為了提前被道路GIS提供的道路協(xié)調(diào)線性的數(shù)據(jù)。
(1) 路GIS道路GIS是有關(guān)用于道路維護(hù)的結(jié)構(gòu)和交通管理的信息的一個(gè)數(shù)據(jù)庫。
為了開發(fā)這系統(tǒng),旋轉(zhuǎn)的雪移去目標(biāo)過程信旋轉(zhuǎn)的雪removers的話務(wù)員移去雪通過推動(dòng)息被建立,這樣它能被處理作為GIS數(shù)據(jù)。擴(kuò)展裸露的道路他們的被雪消除邊界(圖3.10)指引的車輛因?yàn)檠┫吔缃?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)。
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圖3.10 道路GIS數(shù)據(jù)
(2)TK-GPS
RTK-GPS,有高精度的定位( 2點(diǎn)和3點(diǎn)cm )之間的差錯(cuò)半徑的能力的一個(gè)系統(tǒng),包括收到天線的兩GPS,一個(gè)固定站另一個(gè)固定在運(yùn)載工具車站(在除雪機(jī))上。 固定的車站傳送基于它已收到到運(yùn)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(shí)時(shí)定位,因?yàn)镚PS數(shù)據(jù)以20Hz的速度被糾正。
圖4.1 裝備有一種自動(dòng)的駕駛支持功能的除雪機(jī)
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(dòng)的駕駛方法的適用性和實(shí)用性是一條實(shí)際的道路(低速率,橫向滑動(dòng))上的一個(gè)雪移去所特有的。轉(zhuǎn)的雪移去被實(shí)行。
4.1 確證測試的輪廓
(1) 被機(jī)器移去
除雪機(jī)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(yàn)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(fù)制條件下, 其通路記號(hào)間隔是2.0 m和1.5 m 。
除雪的工作條件與實(shí)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(zhǔn)備提供當(dāng)一個(gè)移去被用來擴(kuò)展清除的部分的一條道路時(shí),發(fā)生的工作裝載和橫向的滑動(dòng)。
圖4.2 測試過程的布局
4.2 確證的測試的結(jié)果
測試證實(shí)通路記號(hào)彈著點(diǎn)方向觀測(無線電波浪和因?yàn)轳{駛的控制系統(tǒng)發(fā)展是跟隨的一個(gè)系統(tǒng)預(yù)置目標(biāo)過程,其控制性能從其目標(biāo)過程(橫向的偏差)的數(shù)量被評價(jià)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(jié)果顯示橫向的偏差的數(shù)量。磁性)指導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的偏差的數(shù)量在直的段上是小的,但是他們兩個(gè)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(shí)的一種結(jié)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(hào)方法。 因?yàn)橐郧暗姆椒◣缀跞〉脦缀?0Hz的實(shí)時(shí)定位和駕駛控制,它立即能對作出反應(yīng)減少偏差的數(shù)量橫向滑動(dòng)。 有了后面,駕駛被延遲因?yàn)橄到y(tǒng)不能發(fā)現(xiàn)沒有通路記號(hào)之間的信號(hào),在大量的橫向的偏差中導(dǎo)致的橫向的滑動(dòng)。 因此,測試被完成,提供,除用傳感器糾正橫向的滑動(dòng)之外,當(dāng)傳感器傳遞記號(hào)時(shí),協(xié)調(diào)下一個(gè)記號(hào)(過程信息)。導(dǎo)致橫向的滑動(dòng)的分配揭示作為這時(shí)被領(lǐng)進(jìn)圖4.3,±2σ(σ:標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)和接近那個(gè)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(jié)論和未來挑戰(zhàn)
已被確認(rèn)自動(dòng)的駕駛系統(tǒng)使用通路記號(hào)或者GPS的,GIS等等能通除雪機(jī)取得正常的雪消除工作的一個(gè)一般地實(shí)際的水平的控制。 但是,為了建立實(shí)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?xí)簳r(shí)在敞開的空間中落下。 當(dāng)GPS衛(wèi)星在一個(gè)狹窄的范圍中被集中時(shí),我們假定這發(fā)生。 同時(shí),在測試期間無線電波浪記號(hào)方法,認(rèn)為是車輛上的高的輸出傳輸器的一種結(jié)果無法預(yù)言的行為被觀察。 提供是必要功能當(dāng)這樣反常的操作的信號(hào)被生產(chǎn)時(shí),那沒有干涉話務(wù)員而自動(dòng)地停止操作。
(2) 為GPS與GIS情況,靠通路改進(jìn)控制的精度是必要通過進(jìn)入通路記號(hào)的記號(hào)方法提前協(xié)調(diào)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(hào),記錄在每一記號(hào)上的通道是也十分重要。
(3) 更進(jìn)一步改進(jìn)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(dòng),與雪消除裝載等等在把雪消除工作的模型的細(xì)節(jié)的程度增加旋轉(zhuǎn)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(yùn)用信息技術(shù)( IT )改進(jìn)建設(shè)機(jī)械。 當(dāng)時(shí)在那些情況中看見,信息在這種情況中處理不能被運(yùn)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(dú)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(yùn)用信息技術(shù)( IT )改進(jìn)建設(shè)機(jī)械。 當(dāng)時(shí)在那些情況中看見,信息在這種情況中處理不能被運(yùn)用于其它系統(tǒng),除非它的用途在標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)被假定。 因?yàn)楸贿@項(xiàng)目發(fā)展的除雪機(jī)通路記號(hào)的新的道路基礎(chǔ)設(shè)施,道路GIS數(shù)據(jù)。同時(shí),通信系統(tǒng)和其通信標(biāo)準(zhǔn)必須被標(biāo)準(zhǔn)化,其發(fā)展用ITS領(lǐng)域中的通信技術(shù)已被協(xié)調(diào)。 作者希望這研究與發(fā)展將促進(jìn)作為一個(gè)工作的系統(tǒng)介紹它。
最后,作者希望向Hokuriku地區(qū)表達(dá)他們的深的感激地基礎(chǔ)設(shè)施的部的發(fā)展局和北海道地區(qū)的發(fā)展局,和運(yùn)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(gè)人。
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