技术领域
[0001] 本
发明涉及一种车载式弯沉测量装置，尤其涉及一种同时具有主动和被动震动控制系统的车载式高精度弯沉测量装置及其伺服控制系统。
背景技术
[0002] 弯沉是表征路基路面整体强度的参数，一般是指路基或路面表面在规定标准荷载作用下轮隙
位置产生的总垂直
变形（总弯沉）或垂直回弹变形值（回弹弯沉），以0.01mm为单位，路面弯沉是表征路面结构强度的重要技术指标，是施工验收及路面评价和养护管理必须检测的重要项目。
[0003] 自从1951年，贝克曼为美国各州公路工作者西部协会(WASHO)在爱达荷州道路试验设计了一种结合千分表使用的梁臂式仪器贝克曼梁(BenkeLman Beam)，测定路面在一定轮荷载作用下的弯沉（垂直位移）来表征路面强度的测试方法后，这种方法迅速在世界许多国家得到推广应用，成为路面强度测试的一种主要方法。
[0004] 随着
电子及计算机技术的快速发展，到了20世纪70年代末，英法等国研制出了以拉克鲁瓦弯沉仪为代表的第二代激光自动弯沉仪有了较大的改进，这种设备以位移
传感器自动测试弯沉
信号，通过工业微机设置程序控制测量机构自动运作，消除了繁琐的人工操作，但是此类设备的测试速度一般较慢，最大的测试速度也只能达到3～4km/h。此类激光自动弯沉仪的基本测试原理是模仿了贝克曼梁的工作方式，只是采用位移传感器替换了百分表进行自动测量，同时改变了测臂的长度比例，通过工业微机
固化程序控制测量机构自动运行，并将所测的弯沉值自动记录到微机中，消除了工作人员人工抬梁的繁琐工作量，极大的减轻了测试人员的劳动强度，保障了测试人员的人身安全，同时检测速度也相对人工贝克曼梁法有了一定的提高。
[0005] 我国虽然在弯沉检测技术方面起步较晚，但起点较高，通过设备引进，完成了技术的消化吸收，在国外自动弯沉仪的
基础上设计并研发出来
稳定性更好，测试精度更高，测试效率也有所提高的激光自动弯沉仪，目前此类设备的测试速度已经能提高至5～6km/h。
[0006] 此外还有一种落锤式自动弯沉仪（FWD）可以对路面弯沉进行检测，落锤式弯沉仪的工作原理是以冲击或震动方式对路面进行施加动
力荷载的方法来获得路面弯沉值，它通过计算机控制下的液压系统提升并释放重锤，对路面施加一脉冲荷载，来模拟行车荷载对路面的作用。通过
起落架上7～9个高频速度传感器测定距加载板不同距离处路面的弯沉。目前被世界各国广泛应用于动态弯沉检测和结构性能评价中，这种测试方法检测速度约为
4～5km/h。
[0007] 现有的路面弯沉检测技术存在以下缺点：1）测试速度低，目前此类的设备的检测速度均较慢，最快的速度也不会超过7km/h，相对道路路面的其它主要技术指标如平整度、车辙、横向力系数等指标的检测速度（≥50Km/h）仍有较大差距；2）测试人员的人身安全性得不到有效保证。由于测试速度较慢，或是需要静态条件下测试，因此在高速公路上检测时，容易发生后车追尾，引发严重的交通事故；3）此类检测设备得到的弯沉值是在慢速或是静态条件下得到的，与实际道路行车过程中的车辆对路面的作用效果有一定差异；4）此类设备在检测时，需要占用道路资源或是封闭交通，影响了道路的正常使用，造成道路资源的浪费。
[0008] 为了解决上述路面弯沉检测装置存在的缺点，提出了一种车载式高精度弯沉测量装置，其通过将安装有多普勒激光传感器的承载体
钢梁放置在检测车上，利用多普勒激光传感器对路面弯沉进行测量，同时利用车载式，提高了其检测的效率，从而解决了上述传统路面弯沉检测装置存在的问题。但随之而来的是：由于采用车载式，安装多普勒激光传感器的承载体钢梁由于受到车辆震动干扰而会导致激光传感器聚焦失效，要使得激光传感器应对准
指定的弯沉盆，并且不受车辆震动的影响，承载体钢梁的稳定是保证精确测量的前提。
[0009] 目前，解决承载体钢梁震动控制措施一般分为两种：
[0010] 一种是被动震动控制系统，也就是弹性减震器。通常采用无源控制方法，包括
隔震、吸震和耗能三大控制形式,采用直接减少、隔离、转移、消耗
能量的方法达到减小结构震动的目的，但其往往存在控制效果较差,达不到减震隔震要求的缺点。尽管可以在承载体钢梁上采用
陀螺仪监测，并在对弯沉计算时进行相关修正补偿，但其不易实现，同时测量结果也不精确。如中国
专利文献CN102162217A公开一种激光动态弯沉测量车，其只加装了被动减震装置，并在承载体钢梁上设置了三个光纤陀螺仪，且三个光纤陀螺仪成空间
正交布置，用于在对弯沉计算时进行相关修正补偿，但会使得其得出的计算值偏差更大。
[0011] 另一种是主动震动控制系统，主动震动控制就是有意产生可控次级力来消除多余的扰动力的震动控制方式,对机械系统附加动力减震器是常用的主动震动控制措施，通常采用
测量传感器、
控制器、作动执行器与机械结构为一体的方案。对于承载体钢梁仅采用主动控制系统时,需要很大的主动控制力,从而导致主动控制系统的造价提高,能耗较大，体积和重量也较大，不易实现。并且由于系统响应速度慢，无法解决系统的稳定性和精度之间的矛盾。
发明内容
[0012] 本发明的目的在于提供一种车载式高精度弯沉测量装置及其伺服控制系统，其通过主动和被动震动控制系统，及时隔离车载体的扰动，实现了对路面弯沉进行高速、稳定并且精准的测量，并通过伺服控制系统，快速、准确的控制承载体钢梁的平稳，使得车载式高精度弯沉测量装置对路面弯沉的测量值更加精准。
[0013] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0014] 一种车载式高精度弯沉测量装置，包括承载体钢梁和若干多普勒激光传感器，所述若干多普勒激光传感器均固定安装在承载体钢梁上，所述承载体钢梁通过被动震动控制系统放置在车厢
底板上，并安装有主动震动控制系统，所述主动震动控制系统与工控机相连，所述承载体钢梁上安装有测量元件。
[0015] 进一步的，所述被动震动控制系统包括若干对
弹簧支撑杆和被动震动控制装置，所述每对弹簧支撑杆设置在承载体钢梁两侧，且其上端与承载体钢梁顶部连接固定，下端安装在两根平行的钢管上，所述两根钢管与车厢底板连接处均设置有被动震动控制装置。
[0016] 进一步的，所述主动震动控制系统包括两组主动震动控制装置，并分别设置在承载体钢梁两端，所述每组主动震动控制装置均包括
门形钢梁架和伺服
电机，所述门形钢梁架两侧底部
焊接在两根平行的钢管上，所述门形钢梁架中部安装有
伺服电机，且伺服电机下端与承载体钢梁顶部连接固定。
[0017] 进一步的，所述承载体钢梁上安装的测量元件包括
加速度仪、光纤陀螺仪和激光测距仪。
[0018] 进一步的，所述承载体钢梁上固定安装有四个多普勒激光传感器，且其中三个多普勒激光传感器均布安装在承载体钢梁靠车厢底板后侧一端，作为测量多普勒激光传感器，另一个多普勒激光传感器安装在承载体钢梁的另一端，作为参考多普勒激光传感器。
[0019] 进一步的，所述弹簧支撑杆为五对，且每个弹簧支撑杆上端、下端均设置有球绞头，所述每对弹簧支撑杆上端通过长销轴与承载体钢梁顶部的
耳座a相配合，将弹簧支撑杆上端与承载体钢梁顶部连接固定，下端通过短销轴和钢管顶部设置的耳座b相配合，将弹簧支撑杆下端与钢管顶部连接固定。
[0020] 进一步的，所述伺服电机与门形钢梁架连接处设置有弹簧隔震器，所述门形钢梁架一侧安装有三
角形固定架，且在安装连接处设置有被动震动控制装置。
[0021] 进一步的，所述承载体钢梁采用
不锈钢矩形钢梁。
[0022] 进一步的，所述被动震动控制装置为空
气弹簧隔震器。
[0023] 本发明还提供一种伺服控制系统，该控制系统用于控制上述中所述的主动震动控制系统，包括工控机、运动控制器、伺服
驱动器、伺服电机和承载体钢梁组成，其中伺服驱动器包括速度控制器、
电流调节器和功率
放大器，
[0024] 所述伺服电机输出端电流信号通过电流传感器反馈至电流调节器输入端，形成电流闭环；
[0025] 所述承载体钢梁的速度通过速度检测器反馈至运动控制器，形成速度闭环；
[0026] 所述承载体钢梁的
角速度通过角速度检测器反馈至运动控制器，形成角速度稳定闭环；
[0027] 所述承载体钢梁的位置通过位移检测器反馈至运动控制器，形成位置闭环；
[0028] 其中：
[0029] 所述电流传感器为安装在伺服电机上；
[0030] 所述速度检测器为安装在承载体钢梁上的加速度仪；
[0031] 所述角速度检测器为安装在承载体钢梁上的光纤陀螺仪；
[0032] 所述位移检测器为安装在承载体钢梁上的激光测距仪。
[0033] 本发明的有益效果为，所述车载式高精度弯沉测量装置，其通过设置主动和被动震动控制系统，实现了双重减震的效果，及时隔离车载体的扰动，使得承载体钢梁更加平稳，对路面弯沉的测量更加精准，从而更好的实现了对路面弯沉进行高速、稳定并且精准的测量；被动震动控制系统采用弹簧支撑杆，用以支撑承载体钢梁负载，其结构简单，便于实现，并且使得选用的伺服电机功率和推力大大减小，不仅降低了整套设备的体积和重量，而且也降低了整体造价；车厢地板与钢管连接处以及三角形固定架与门形钢梁架连接处均设置有空气弹簧隔震器，进一步实现了减震的效果，且空气弹簧隔震器结构相对简单、造价低、便于更换；主动震动控制系统采用两组门形钢梁架和伺服电机，利用伺服电机控制承载体钢梁的平衡，使得承载体钢梁更加平稳，测量精度好，同时伺服电机响应快、动作精准，使得承载体钢梁能以最快的速度恢复平衡状态；门形钢梁架与伺服电机连接处设置有弹簧隔振器，起到减震作用，同时其具有结构简单，成本低的优点；承载体钢梁采用不锈钢矩形钢梁结构，其抗弯强度高，
热膨胀系数小，对钢梁的扰度变形和转角变化影响非常微小，进一步提高系统测量精度；所述车载式高精度弯沉测量装采用的伺服控制系统，其通过电流闭环、速度闭环、角速度稳定闭环和位置闭环这四个闭环的复合控制技术，具有高精度、高稳定性和高可靠性的有点，使得主动震动控制系统响应速度快、控制效果好，并且易于实现，从而使得整套装置对路面弯沉的测量值更加精准。
附图说明
[0034] 图1是本发明具体实施方式提供的车载式高精度弯沉测量装置的主视图；
[0035] 图2是本发明具体实施方式提供的车载式高精度弯沉测量装置的侧视图；
[0036] 图3是本发明具体实施方式提供的伺服控制系统的结构
框图；
[0037] 图4是本发明具体实施方式中承载体钢梁在理想状态下弯沉速度测量示意图；
[0038] 图5是本发明具体实施方式中承载体钢梁在倾斜状态下弯沉速度测量示意图。
[0039] 图中：
[0040] 1、承载体钢梁，2、多普勒激光传感器，3、弹簧支撑杆，4、钢管，5、门形钢梁架，6、伺服电机，7、加速度仪，8、光纤陀螺仪，9、激光测距仪，10、球绞头，11、长销轴，12、耳座a，13、短销轴，14、耳座b，15、弹簧隔震器，16、三角形固定架，17、空气弹簧隔震器，18、车厢底板，19、工控机。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0042] 如图1、2所示，所述车载式高精度弯沉测量装置，包括承载体钢梁1和若干多普勒激光传感器2，并且多普勒激光传感器2均固定安装在承载体钢梁1上，进一步的，多普勒激光传感器2为四个，且其中三个多普勒激光传感器2均布安装在承载体钢梁1靠车厢底板18后侧一端，作为测量多普勒激光传感器，另一个多普勒激光传感器2安装在承载体钢梁1的另一端，作为参考多普勒激光传感器。
[0043] 承载体钢梁1通过被动震动控制系统放置在车厢底板18上，用于及时隔离车载体的扰动。被动震动控制系统包括若干对弹簧支撑杆3和被动震动控制装置，每对弹簧支撑杆3设置在承载体钢梁1的两侧，且其上端与承载体钢梁1顶部连接固定，下端安装在两根平行的钢管4上，两根钢管4与车厢底板18连接处均设置有被动震动控制装置；进一步的，弹簧支撑杆3为五对，且每个弹簧支撑杆3上端、下端均设置有球绞头10，每对弹簧支撑杆3上端通过长销轴11将上端的球绞头10和承载体钢梁1顶部的耳座a12连接，将弹簧支撑杆3上端与承载体钢梁1顶部连接固定，下端通过短销轴13将下端的球绞头10和钢管
4顶部设置的耳座b14连接，将弹簧支撑杆3下端与钢管4顶部连接固定；其中被动震动控制装置，优选的为空气弹簧隔震器17。
[0044] 承载体钢梁1上安装有主动震动控制系统，主动震动控制系统包括两组主动震动控制装置，并分别设置在承载体钢梁1两端，每组主动震动控制装置均包括门形钢梁架5和伺服电机6，门形钢梁架5两侧底部焊接在两根平行的钢管4上，门形钢梁架5中部安装有伺服电机6，且伺服电机6下端与承载体钢梁1顶部连接固定；进一步的，伺服电机6与门形钢梁架5连接处设置有弹簧隔震器15，门形钢梁架5一侧安装有三角形固定架16，且在安装连接处设置有被动震动控制装置；其中被动震动控制装置，优选的为空气弹簧隔震器17；最后主动震动控制系统与工控机19相连。
[0045] 承载体钢梁1上还安装有加速度仪7、光纤陀螺仪8和激光测距仪9等测量元件。
[0046] 上述承载体钢梁1，优选的采用不锈钢矩形钢梁；钢管4优选的采用横截面为80mm×120mm的矩形钢管。
[0047] 如图3所示，所述伺服控制系统，其由工控机、运动控制器、伺服驱动器、伺服电机和承载体钢梁1依次连接组成，其中伺服驱动器由速度控制器、电流调节器和
功率放大器依次连接组成。
[0048] 进一步的，伺服电机输出端电流信号通过电流传感器反馈至电流调节器输入端，形成电流闭环；
[0049] 承载体钢梁1的速度通过速度检测器反馈至运动控制器，形成速度闭环；
[0050] 承载体钢梁1的角速度通过角速度检测器反馈至运动控制器，形成角速度稳定闭环；
[0051] 承载体钢梁1的位置通过位移检测器反馈至运动控制器，形成位置闭环；
[0052] 其中：
[0053] 电流传感器为安装在伺服电机6上；
[0054] 速度检测器为安装在承载体钢梁上的加速度仪7；
[0055] 角速度检测器为安装在承载体钢梁上的光纤陀螺仪8；
[0056] 位移检测器为安装在承载体钢梁上的激光测距仪9。
[0057] 测量时：
[0058] 如图4所示，当承载体钢梁1在理想状态下进行弯沉速度测量时，即承载体钢梁1不发生倾斜。
[0059] 测量多普勒激光传感器的测量速度是：
[0060] VDS＝VD×cosαDS+VK×sinαDS
[0061] 其中VD是路面弯沉速度，VDS是多普勒激光传感器的测量速度，VK是车辆行驶速度，αDS是测量多普勒激光传感器2发出的入射光与路面垂直夹角。
[0062] 为了补偿不需要的输入，在弯沉盆之外的承载体钢梁1上安装一个基准多普勒激光传感器，即：路面弯沉速度为零，它的测量速度是：
[0063] VRS＝VK×sinαRS
[0064] 其中VRS是基准多普勒激光传感器的测量速度，αRS是基准多普勒激光传感器发出的入射光与路面垂直方向的夹角。
[0065] 通过对沿弯沉盆分布各点速度变化的分析与计算，能够得到最大弯沉值，该测试结果为动态弯沉，路面状况与实际行车作用完全一致。通过在测试车最后侧
车轮轴心对应车厢内位置依次向前均布三个多普勒激光传感器2，即弯沉盆内的三个多普勒激光传感器2测量指
定位置的路面变形速率，弯沉盆之外的第四个多普勒激光传感器2作为一个基准测量点，分析同一时刻在相同的
载荷作用下不同位置上的传感器的数据，准确测量出因加载车后轴轮载造成的路面垂直微小变形的速度，通过最终计算得到路面真实的弯沉值。
[0066] 但在正常行驶的测量车中，承载体钢梁1不可能永远保持平稳状态，会发生点头倾斜状态。
[0067] 如图5所示，当承载体钢梁1在倾斜状态下进行弯沉速度测量时，即承载体钢梁1发生点头倾斜时，
[0068] 其倾斜角度是：
[0069] 其中δz为由于承载体钢梁1倾斜所导致的两个伺服电机6的位移差值，
[0070] 此时，
[0071] 测量激光传感器发出的入射光与路面垂直夹角是：αDSθ＝αDS+θ
[0072] 基准激光传感器发出的入射光与路面垂直夹角是：αRSθ＝αRSθ+θ
[0073] 由于θ角的加入，使得对路面弯沉的测量出现偏差。
[0074] 此时安装在承载体钢梁1上的加速度仪7测量出承载体钢梁1的运动速度；光纤陀螺仪8测量出承载体钢梁1的角速度，并计算出承载体钢梁1的速度及两个伺服电机6的位移差值δz；激光测距仪9测量出承载体钢梁1距路面的距离。并将这三个测量信号反馈至运动控制器，并与工控机19中输入的标准数据进行比较，然后通过伺服驱动器控制伺服电机6启动，对承载体钢梁1的空间位置进行调整，使其迅速恢复到平稳状态，并通过伺服电机6上设置的电流传感器对伺服电机6的电流进行准确监控，并将信号反馈至电流调节器的输入端，以便对伺服电机6进行准确控制。
[0075] 当承载体钢梁1在伺服电机6的控制下，进行移动时。安装在承载体钢梁1上的加速度仪7继续测量出承载体钢梁1的运动速度，并判断是否达到预设值；激光测距仪9继续测量出承载体钢梁1距路面的距离，并判断是否达到预设值；光纤陀螺仪8测量出承载体钢梁1的角速度，并计算出承载体钢梁1的速度及两个伺服电机位移差值δz，并判断δz＝|Z1-Z2|≤ε（其中Z1、Z2为两伺服电机6与承载体钢梁1的距离，ε趋向零）是否到达预设位移值或倾斜角θ；若均到达所设定的预设值，则伺服电机6停止运动，承载体钢梁1恢复平稳状态。进而保证了车载式高精度弯沉测量装置对路面弯沉进行高速、稳定并且精准的测量。
[0076] 所述车载式高精度弯沉测量装置及其伺服控制系统，其通过主动和被动震动控制系统，及时隔离车载体的扰动，实现了对路面弯沉进行高速、稳定并且精准的测量，并通过伺服控制系统，快速、准确的控制承载体钢梁的平稳，使得车载式高精度弯沉测量装置对路面弯沉的测量值更加精准。
