我国公路养护装备产业发展现状及建议

从我国公路养护市场规模,养护装备企业及产品技术现状,交通运输行业国内科研平台布局、机构、体系、研发方向等方面分析了公路养护装备产业现状和存在的问题,以及能源发展战略对未来养护装备产业的影响,提出了公路养护装备产业发展建议,对我国公路养护装备产业布局和产品研发方向具有重要参考价值。

国外公路养护装备产业技术发展现状

文章介绍和分析了国际路面机械企业历史发展沿革、关键技术和产品现状,总结了国外企业成功的经验和发展趋势,为中国工程机械和养护机械装备产业的发展提供了可供借鉴的发展路径,为我国公路养护装备支撑交通强国提供了有力保障。

两轮自平衡机器人控制技术研究综述

【目的】两轮自平衡机器人运动控制算法研究一直是机器人领域的研究热点,多数集中在姿态平衡、速度控制、轨迹跟踪控制等方面。【方法】从基于动力学模型的传统控制算法、数据驱动的自适应控制算法、状态观测器3个方面重点阐述了两轮自平衡机器人运动平衡控制的研究进展,并对比分析了多种控制策略的特点。【结果】1)基于模型的控制器设计应考虑关节摩擦-阻尼特性、系统质心的动力学等动力学误差项,未知的系统参数估计,非线性项的识别、抵消或者处理等,以提高模型的精确程度;2)在控制算法的设计中,应根据被控对象和应用场景选择基于模型的控制方法或数据驱动的控制方法或两种方法的结合,以达到最佳的控制效果;3)未来应重点关注两轮机械手、轨迹规划、编队控制以及安全调节等其他方面。【结论】两轮自平衡机器人已经取得了长足的发展,本研究可为提高两轮自平衡机器人的运动稳定性和实用性提供参考。

基于深度相机的大直径救援井三维模型重建研究

大直径钻孔救援是一种有效的矿山灾害应急救援方法,通过向人员被困位置施工大直径救援井,采用提升舱将被困井下的人员通过大直径救援井安全可靠提升至地面。大直径救援井的结构参数及其变化对提升舱的通过性能具有重要影响,实时获取大直径救援井的结构参数是大直径钻孔救援科学操作与决策的基础。为了满足大直径救援井结构参数的监测需求,研制了基于双目结构光原理的Intel RealSense D435i深度相机和ROS操作系统的大直径救援井结构参数检测与三维模型重建系统。针对大直径救援井井筒纹理光滑不明显的问题,对比分析了SIFT、SURF、ORB三种图像特征点提取算法提取大直径救援井井筒图像特征点的效果;采用ICP-PNP混合算法,估计深度相机的位姿,并根据相邻帧之间的运动误差筛选关键帧,优化三维点云模型;最后基于大直径救援井提升过程模拟试验平台进行了大直径救援井三维模型的重建试验。研究结果表明:在大直径救援井井筒纹理结构不明显情况下,相同时间内SURF算法具有更好的特征点提取效果;根据相邻帧之间的运动误差筛选关键帧图像,可以稳定地构建大直径救援井三维模型;对大直径救援井三维点云模型进行截面采样,与实际井筒半径误差在2%以内;基于最小二乘圆法对大直径救援井三维点云模型的采样截面进行圆拟合,与实际井筒半径误差在0.4%以内。重建的大直径救援井三维模型能够准确地反映实际大直径救援井的结构参数,为地面应急救援提升的科学操作和决策提供了保障。

一种仿人形五指灵巧手的运动学封闭解与仿真研究

针对一种复杂结构的仿人灵巧手,利用几何分析方法建立了灵巧手的运动学解析模型,并借助数值仿真软件对建立的模型进行了分析与验证。该灵巧手具有五个独立活动的手指,每根手指的指关节通过连杆机构耦合,由直线伺服电机驱动完成手指的运动。论文通过分析手指驱动机构的几何关系对指间关节解耦,求解灵巧手的正逆运动学封闭解;基于Adams仿真软件,建立灵巧手的运动学仿真模型,仿真结果表明,求解的灵巧手运动学解析模型正确、有效,并在此基础上分析了五指灵巧手的工作空间。

热风加热沥青路面冲击射流共轭传热特性

为提高热风加热沥青路面的就地再生加热效果,基于热风冲击射流对流换热和沥青路面内部导热的共轭传热过程,建立了热风加热沥青路面的冲击射流共轭传热理论模型,选取有限容积法得到了共轭传热模型的通用离散方程,采用压力-速度耦合半隐式算法(semi-implicit method for pressure linked equations,SIMPLE)获得了整个求解域内温度场分布,选取平均热流密度和平均换热系数反映沥青路面加热效果,通过正交试验研究了热风出口速度和热风出口温度对路面加热效果的影响程度。仿真和试验结果表明:理论计算与实验温度场分布趋势吻合度高,两者平均误差为8.4%;平均热流密度和平均换热系数在加热初期均从最大值急剧下降,而后下降幅度逐渐减小趋于平衡,两者的仿真计算与实验结果趋势相同,平均误差分别为6.4%和7.8%;热风出口速度和热风出口温度对平均热流密度均有显著影响,热风出口速度对平均换热系数有显著影响,热风出口温度对平均换热系数的影响相较于平均热流密度指标表现为不显著。研究结果为后续沥青路面就地热再生热风加热温度控制和加热器设计提供了理论依据。

沥青路面再生拌和设备新技术及应用

《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521-2019)将回收沥青路面材料(RAP)再生技术分为厂拌热再生、就地热再生、厂拌冷再生、就地冷再生、全深式冷再生五大类。其中,技术最成熟、应用最广泛、质量最可控的为厂拌热再生技术,应用该项技术最为关键的一点就是沥青拌和设备。为此,笔者从再生沥青混合料的再生技术、系统思维下的再生技术路径、厂拌热再生技术与装备等方面详细介绍了现阶段沥青路面再生拌和设备的新技术及应用情况。

基于改进模型与优化自适应CKF的锂离子电池快速变温工况下的SOC估计

为实现锂离子电池在快速变温环境下高精度强鲁棒性的状态监测,本文提出了一种基于改进电池模型与优化自适应容积卡尔曼滤波器的锂离子电池荷电状态估计方法。首先,讨论了伪二维电化学模型与等效电路模型中对于电池荷电状态定义上的差异,并通过中间变量来修正传统等效电路模型中安时积分法计算得到的荷电状态结果,提出了一种新的改进电池模型。其次,基于多组恒温环境下所获得的锂离子电池开路电压测试数据与动态应力测试工况数据获取了所建立模型与环境温度相关的各项参数。同时,基于矩阵对角化原理与协方差矩阵自适应原理改进了传统的容积卡尔曼滤波器,进一步提升了整体算法的稳定性和处理随机采样噪声的能力。最后,在快速变温环境中6组不同的电池工况下验证了所建立改进电池模型的精度以及存在随机采样噪声干扰时所提荷电状态估计方法的有效性。结果显示,所提出的荷电状态估计方法适用于快速变温环境下的各类电池工况,在随机采样噪声干扰下估计结果的均方根误差均在1.3%以内。

基于改进YOLOv5的路面裂缝检测方法

针对现有裂缝检测模型体积较大且检测精度不高的问题,提出一种基于轻量化网络的无人机航拍图像裂缝检测方法。首先,使用MobileNetv3网络替代YOLOv5的主干网络,降低模型大小;其次,引入C3TR和CBAM模块提高网络表征能力,将损失函数替换为EIOU以提高模型的鲁棒性。实验结果表明,该方法在自制数据集上获得98.9%的精度,相较于原始YOLOv5提高1.2%,模型大小减小51.5%,检测速度提高37%。改进后的模型在精度、大小和速度上均优于Faster-RCNN等4种常见裂缝检测模型,满足了裂缝检测的实时性、轻量化和精度需求。

路面裂缝图像处理技术综述

路面裂缝检测与识别是实现道路养护自动化和智能化的重要技术手段,可以为公路养护决策制定及养护工程实施提供准确全面的信息支撑,对实现路面裂缝的及时高效修复具有非常重要的意义。文章综述了路面裂缝检测与识别技术的研究进展,从图像预处理、图像分割、图像后处理等传统图像处理方法以及基于深度学习的图像分类、目标检测和语义分割等方面详细分析了路面裂缝图像的处理技术,概述了路面裂缝数据集以及构建路面裂缝数据集的方法,并对路面裂缝检测与识别技术的发展趋势进行了展望,可为相关研究人员提供参考。为了进一步提高路面裂缝检测的准确率、稳定性及效率,应构建更大规模的高质量数据集,并结合多尺度、多源数据融合技术全面客观地评估检测算法性能,实现更高效、更准确的智能路面管理。

RAP级配自动实时检测系统设计及仿真分析

为快速、准确检测沥青路面回收料(reclaimed asphalt pavement, RAP)的级配,提高RAP级配的检测效率并降低人工操作对检测结果的影响,将目前检测RAP性能常用的设备与方法相结合,提出了一种对RAP含水率、RAP的油石比及其级配一体化检测的方法。同时,针对目前RAP检测存在的问题,设计了新型的RAP级配自动检测设备,实现了RAP级配的自动实时检测。首先,根据RAP级配的检测功能要求设计了检测设备的整体结构。其次,建立了检测设备核心关键结构振动筛分部件的仿真模型,采用EDEM离散元仿真软件模拟了筛分全过程;仿真采用控制变量法对振动筛中的集料颗粒在不同筛面倾斜角、振动频率、振动方向角等参数的情况下进行对比分析。最后,以符合标准要求的最优筛分效率为目标对振动筛进行优化设计。结果表明:当振动筛倾斜角为3°、振幅为4 mm、振动频率为16 Hz、振动方向角为63°时,振动筛各层筛网的筛分效率均达到91%以上,能够满足实际需要。证明了RAP级配自动实时检测系统能实现RAP含水率、RAP的油石比、级配的检测,为实现智能再生拌合站的研发提供可能,同时该检测系统也可代替人工作为日常沥青混合料级配监测的新手段。

公路建养装备数字孪生技术综述

为促进数字孪生技术在公路建养装备的发展与应用,从零部件、系统和设备3个层级出发,探讨了数字孪生公路建养装备的概念和组成,提出了机理-数据异构融合的数字孪生层级架构,研究了核心零部件液力变矩器多能域耦合和滚动轴承故障诊断、寿命预测的现状和最新进展,总结了融合机理-数据异构的公路建养装备零部件级数字孪生架构;基于装备动力流传递和大数据分析,将系统层级的数字孪生技术归纳为数字协同运动系统和后台数据管理系统,阐述了传动系统功率匹配、液压系统性能退化和数据管理系统工况感知,剖析了当前的技术应用与不足;围绕数字孪生装备的基本理念,阐释了设备级公路建养装备数字孪生技术的内涵与特征,介绍了当前公路建养装备数字孪生技术在工况划分、效能优化与作业质量控制的典型实践场景,探讨与展望了数字孪生公路建养装备所面临的挑战及关键技术。研究结果表明:公路建养装备的相关研究目前集中于典型工况的仿真分析与试验测试验证,存在复杂工况下多耦合场机理和算法研究不够深入、技术工况简单、外部参量与内部多物理场耦合研究不充分、试验结果与实际装备使用存在较大区别的问题;未来应从建立混合设备群状态智能监测与远程控制、研究不同场景下状态分析与数据处理算法的决策优化与指导、构建复杂环境下有效的“人-机-环”交互机制三方面入手,实现数字孪生技术在公路建养装备的落地应用。

热风加热沥青路面的湍流共轭传热与温度场预测

为了揭示沥青路面传热机理,研究了热风冲击射流对流换热和沥青路面内部导热的共轭传热过程,建立了热风加热沥青路面的冲击射流湍流共轭传热理论模型,采用大涡模拟研究了沥青路面温度场分布,获得了沥青路面温度场样本数据.利用本征正交分解法(POD)对温度场样本数据进行降阶处理,选取径向基函数插值方法,预测出了沥青路面温度场分布.仿真和实验结果表明:热风加热沥青路面冲击射流的湍流模型计算结果与实验温度的平均误差为5.4%;温度场预测精度随着选取模态阶数的增大而增强,采用POD分解与径向基函数插值方法计算温度场耗时仅为数值计算时间的0.63%,实现了沥青路面温度场快速且高精度的预测.

基于ELM和MCSCKF的锂离子电池SOC估计

为了减少噪声对锂离子电池荷电状态估计的影响,本文提出一种新颖的基于极限学习机和最大相关熵平方根容积卡尔曼滤波的SOC估计方法.首先,利用泛化性好、运行速度快的极限学习机作为卡尔曼滤波的测量方程;其次,基于灰狼优化算法,极限学习机的超参数被优化以提高电池荷电状态的估计精度;最后,基于最大相关熵平方根容积卡尔曼滤波,极限学习机的测量噪声被进一步减弱.所提方法可以简化极限学习机繁琐的调参过程,且为闭环的SOC估计方法.所提方法在多工况和宽温度范围内被测试以验证其泛化性能.测试结果显示,所提方法明显地提高了锂离子电池的荷电状态估计精度.同时,对比其他算法,所提方法的平均运行时间仅仅为长短时序列和循环门控单元网络的三分之一.当行驶工况复杂、温度变化区间较大时,所提方法的均方根误差小于1%,最大误差小于3%.当存在初始误差与环境噪声时,所提方法显示出了优越的鲁棒性.

基于微分同胚变换的智慧交通锥反步编队控制

为解决智慧交通锥的摆放和回收,对于一类装有标准交通锥模型的移动机器人,提出了一种基于微分同胚变换的反步编队控制方法。根据编队摆放和回收条件,将反步技术应用于智慧交通锥的动态误差方程中;用构造Lyapunov函数,设计了系统的控制量。将微分同胚变换与传统的反步方法相结合,解决控制输入限制的问题。用Matlab仿真和机器人操作系统(ROS)实验平台进行了仿真与实验验证。结果表明:本控制方法智慧交通锥的线速度为-0.5~0.5 m/s,角速度为-0.5~0.5rad/s;编队距离误差均收敛到小于10 cm。相较于传统的反步编队控制方法,该文的反步编队控制方法可以更有效地控制智慧锥的线速度和角速度,使其稳定在规定范围内且变化平缓,能够保证智慧锥线速度和角速度的有界性,实现了斜线摆放以及回收工况下的编队控制。

机械专业数值仿真类课程教学体系建设与实践

为解决我国高等教育现阶段面临的传统陈旧的教学资源与国家高速发展对重点领域、专门人才需求之间的不匹配、不平衡间的矛盾,以培养满足时代需求的创新型人才为目标,提出关于“机械专业数值仿真类课程”的教学体系新模式。首先,结合时代发展趋势和人才培养需求,研究机械数值仿真类课程教学的现状并分析不足之处。其次,从课程认知、理解掌握和应用实践三个层面进行课程教学体系建设,并结合典型工程案例编纂课程教材。再次,从课程教学团队和课程实践基地两方面进行团队建设。最后,利用现代化信息技术,采用多软件线上线下混合教学、多元化课程考核为我国机械类人才培养提供一个新方案。同时,教学成果可供其他高校参考和借鉴,提高我国相关领域人才的培养质量。

基于Udwadia-Kalaba理论的自行车机器人平衡控制方法

针对自行车机器人侧向自平衡问题,以一类装有角动量轮的自行车机器人为研究对象,提出一种新的平衡控制方法.该方法根据自行车机器人静止时刻的侧向平衡条件,构造机器人平衡控制的运动学约束,并将平衡约束视为控制目标.基于Udwadia-Kalaba(U-K)理论,建立满足机器人侧向平衡的扭矩解析模型,设计基于模型的平衡约束跟随控制器.研究结果表明,所提控制方法能够实现自行车机器人的侧向平衡,克服机器人侧向横滚角θ初始偏差的干扰,通过对平衡扭矩模型的计算,对自行车机器人进行主动平衡控制.相较于传统PD反馈控制方法,该种基于模型设计的控制方法,具有系统响应速度快、超调量小和控制扭矩易于优化等特点.借助MATLAB软件,对所提控制方法进行了仿真验证,实现了初始横滚角速度分别为0、1、2、5°·s^(-1)条件下的自行车机器人侧向自平衡控制,仿真结果验证了控制系统的稳定性和有效性,为无人驾驶自行车机器人的平衡控制领域提供了一个新的思路.

COVID-19疫情背景下国际学生线上实验课程探索与实践

为解决后疫情时代来华留学生专业实验课程授课时间不统一、学生学习动力不足、效率不高的问题,以培养满足时代需求的创新实践型人才为目标,以工程机械性能实验课程为例,提出“在线师生互动+离线自主学习”的国际留学生专业实验课程远程授课新模式。首先,结合时代发展趋势和人才培养的需求,凝练留学生专业实验课程远程教学所面临的关键问题。其次,遵循“以学生为主体”的教学理念、结合各国国情特点、建立考虑时差的留学生远程实验课程构建方案,提出多元化的翻转课堂实验教学方法,以及融合异国国情的多元化仿真案例。最后,利用现代信息技术,整合现有留学生课程实践类资源,将理论与实践结合,开展留学生远程翻转实验课程的应用。所提出的国际学生实验课程教育模式,为后疫情背景下线上实验课程提供一个新方案,有助于教师更好地提高学生学习的积极性,降低实验课程成本,此模式所形成的教学成果可供其他高校参考与借鉴。

温度对沥青混合料导热系数的影响及预估模型验证

为提高就地热再生加热过程中沥青路面温度场的计算精度,采用理论分析和试验相结合的方法,对温度影响沥青混合料导热系数的规律、沥青混合料导热系数预估模型及沥青路面传热模型进行研究。研发基于一维稳态传热原理的单防护平板法沥青混合料导热系数测试装置,测试不同温度下集料、沥青胶浆和沥青混合料的导热系数以及沥青形态随温度变化的规律,分析温度影响沥青混合料导热系数的机理,对比不同模型预估沥青混合料导热系数的精度;将沥青混合料导热系数随温度变化的函数引入沥青路面传热模型,对沥青路面传热模型进行优化,并通过模拟加热试验,对优化前后沥青路面传热模型的精度进行对比。研究结果表明:随着温度的升高,沥青逐渐由固态转化为液态,SBS沥青的软化点在50℃附近,导致沥青混合料导热系数在低于50℃时,随温度的升高而增大,在高于50℃时,随温度的升高而减小;Williamson模型、并联模型、串联模型和陈则韶模型中,Williamson模型预估的沥青混合料导热系数与试验结果吻合度最好;考虑沥青混合料导热系数随温度变化规律的沥青路面传热模型更精确,预估的沥青路面加热功率曲线与试验结果重合度好,为沥青路面就地热再生加热过程中加热功率的控制奠定了一定的基础。

钻孔原位剪切测试系统设计

为了解决传统原位土体强度测试探测深度浅与过度依赖经验公式等问题,提出了钻孔原位剪切测试系统构想,并设计了样机,整个测试系统由孔内切削子系统和孔内变径剪切子系统组成,前者能够在钻孔内任意位置锚固并切削土环,后者能够对土环进行剪切试验,并通过传感器记录剪切力和剪切位移;基于模型箱钻孔剪切试验和室内直剪试验,进一步检验了钻孔原位剪切测试系统的可靠性。研究结果表明:模型箱钻孔剪切试验的剪切面平行于剪切力的方向,应力-应变曲线符合基本规律;黄土在模型箱钻孔剪切试验和室内直剪试验中均出现应变软化现象,且黄土的峰值剪切强度随含水率升高而下降;在室内直剪试验中黄土发生了脆性破坏,而在钻孔剪切试验中黄土表现出塑性破坏,在相同的孔隙比、含水率与加载压力下,钻孔剪切试验的峰值强度比室内直剪试验大,原因在于室内直剪试验剪切面的应力分布不均匀,而钻孔原位剪切试验的剪切面受力稳定且保持不变,与室内直剪试验相比,钻孔原位剪切测试系统具有更高的测试准度。