劉學(xué)君，江 帆2,，戴 波，欒海英，李 京2,

（1.北京石油化工學(xué)院，北京 102617；2北京化工大學(xué)，北京 100029；3.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)由于本身存儲(chǔ)危險(xiǎn)品，如有處理不當(dāng)，容易發(fā)生重大事故[1]。在保證?；穫}(cāng)庫(kù)安全的各項(xiàng)指標(biāo)中安全距離是一項(xiàng)重要指標(biāo)，倉(cāng)庫(kù)中堆垛過高過密，容易產(chǎn)生反應(yīng)熱的聚集和不同危化品的混存，造成很大的安全隱患[2]。在國(guó)家制定的《常用危險(xiǎn)化學(xué)品貯存通則》和《易燃易爆性商品儲(chǔ)藏養(yǎng)護(hù)技術(shù)條件》中對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存堆垛的安全距離有嚴(yán)格的限制，然而在執(zhí)行中監(jiān)管部門缺乏實(shí)時(shí)高效的監(jiān)測(cè)手段。

目前，針對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存堆垛的安全距離的監(jiān)測(cè)方法有視頻監(jiān)控、室內(nèi)定位技術(shù)、基于圖像的三維重構(gòu)。視頻監(jiān)控[3]是目前大多數(shù)倉(cāng)庫(kù)采用的方法，通過在倉(cāng)庫(kù)地面給每個(gè)垛位畫定安全區(qū)域就可大致判斷堆垛的安全距離是否符合規(guī)定。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、易于安裝，然而，該技術(shù)也存在一些弊端，目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要依靠監(jiān)控人員進(jìn)行人工監(jiān)控，由于監(jiān)控系統(tǒng)匯集了大量的視頻，存在人員易疲勞、很難實(shí)時(shí)監(jiān)控每路視頻、報(bào)警精確度差、誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象多、報(bào)警響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、錄像數(shù)據(jù)分析困難[4]。室內(nèi)定位技術(shù)主要包括Wi-Fi(Wireless Fidelity)定位藍(lán)牙、射頻識(shí)別、ZigBee、紅外線定位、超聲波定位技術(shù)、超寬帶（UWB）等，可以通過定位每個(gè)堆垛位置的方法確定安全距離是否符合標(biāo)準(zhǔn)，然而這些技術(shù)都存在定位精度不夠的缺陷[5]，其中定位精度最高的是超寬帶技術(shù)，能達(dá)到5～45厘米，誤差太大，不適用安全距離的監(jiān)測(cè)?；趫D像的三維重建[6]方法，是利用雙目或多目相機(jī)獲取監(jiān)控區(qū)域環(huán)境圖像，依據(jù)立體視覺原理[7]計(jì)算區(qū)域目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和三維位置，在界面上顯示出雙目立體視覺的效果，該方法可以細(xì)致地復(fù)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)的細(xì)節(jié)情況，具有場(chǎng)景還原真實(shí)度高，重建速度快的優(yōu)點(diǎn)，但受限于當(dāng)前攝像機(jī)電子器件的性能，存在攝像范圍小、功耗大、分辨率易受光源干擾等問題[8]，高昂的成本也使得該應(yīng)用難以在大型倉(cāng)庫(kù)的可視化模擬中推廣。

針對(duì)以上方法的不足，研發(fā)了一種基于ARM的?；穫}(cāng)庫(kù)堆垛安全距離的監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件和通信協(xié)議，能夠迅速判斷每個(gè)堆垛安全狀態(tài)，將問題垛位的信息上傳，從而確保了監(jiān)管部門對(duì)危化品倉(cāng)庫(kù)堆垛安全距離的有效監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)原理

?；穫}(cāng)庫(kù)堆垛安全距離指堆垛的垛距、墻距、柱距、燈距、梁距等五距，根據(jù)國(guó)家對(duì)?；穫}(cāng)庫(kù)五距的要求，劃定每個(gè)堆垛的安全區(qū)域，利用激光測(cè)距儀對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)面周期性掃描監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過編碼器獲得相應(yīng)的角度值，當(dāng)有堆垛超出安全邊界時(shí)，激光測(cè)距儀受到遮擋，在同一角度的距離值產(chǎn)生變化，就可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的判定規(guī)則確定是否報(bào)警。堆垛安全距離監(jiān)測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1 堆垛安全距離監(jiān)測(cè)原理圖

2 安全距離監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

安全距離監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：控制板的設(shè)計(jì)、安全距離監(jiān)測(cè)程序編寫、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選型?？刂瓢灏∕CU及相關(guān)硬件電路，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理和命令的發(fā)布；安全距離監(jiān)測(cè)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)堆垛安全狀態(tài)的判斷；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)控制板對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。上電后MCU產(chǎn)生周期性的方波信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)芯片，經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片細(xì)分之后控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)通過蝸桿帶動(dòng)云臺(tái)上的激光測(cè)距儀的掃描和云臺(tái)下的編碼器的運(yùn)動(dòng)，將掃描得到的距離值和對(duì)應(yīng)的角度值通過RS-232總線發(fā)送，MCU對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理分析，根據(jù)預(yù)設(shè)的程序判斷堆垛安全距離是否正常，并將相關(guān)信息通過CAN總線傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的主控節(jié)點(diǎn)。安全距離監(jiān)測(cè)裝置架構(gòu)如圖2所示。

2.1 控制板硬件電路的設(shè)計(jì)

控制板負(fù)責(zé)向驅(qū)動(dòng)板、編碼器供電，向驅(qū)動(dòng)板發(fā)送指令，分析處理來自激光測(cè)距儀和編碼器的數(shù)據(jù)?？刂瓢逯饕∕CU、電平轉(zhuǎn)換芯片、CAN收發(fā)器、整波器、EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電源模塊。

MCU的選型。本系統(tǒng)選擇TI公司的TM4C123GH6PM作為板載的MCU。TM4C123GH6PM是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的MCU，該MCU最高主頻可達(dá)80MHz，具有浮點(diǎn)運(yùn)算和32位處理能力，能夠滿足對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)產(chǎn)生的大量的數(shù)據(jù)的處理；支持串行調(diào)試接口JTAG并內(nèi)置256KB片內(nèi)閃存，便于對(duì)監(jiān)測(cè)程序的開發(fā)和調(diào)試；支持多種通信協(xié)議，包括CAN、USART、I C和SPI通信，符合控制板與上位機(jī)及各個(gè)傳感器之間的通信要求。

通信模塊的設(shè)計(jì)?？刂瓢迮c激光測(cè)距儀的通信采用232總線，由于MCU提供的信號(hào)電平和RS232的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，因此需要電平轉(zhuǎn)換芯片，本設(shè)計(jì)采用MAX232，它是MAXIM公司專門為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，集成度高，符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?？刂瓢迮c上位機(jī)的通信采用CAN總線，CAN總線具有傳輸距離遠(yuǎn)、可掛載節(jié)點(diǎn)多、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)，CAN收發(fā)器采用TAJ1050，它是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器，可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動(dòng)接收性能。由于MCU正常工作電壓為3.3V，所以需要一個(gè)轉(zhuǎn)換芯片，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)74LVC245分別實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換，74HC245是一種三態(tài)輸出、八路信號(hào)收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)3.3V和5V電壓的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，為了得到的信號(hào)清晰、無抖動(dòng)，這里增加了一個(gè)74HC14芯片。通信模塊電路圖如圖4所示。

圖2 安全距離監(jiān)測(cè)裝置架構(gòu)圖

圖4 通信模塊電路圖

為了防止掉電丟失數(shù)據(jù)，這里設(shè)計(jì)了一個(gè)電可擦可編程只讀存儲(chǔ)模塊，選用Atmel公司生產(chǎn)的AT24C1024芯片，它采用CMOS 工藝，工作電壓在1.8～5.5V之間，128KB，具有體積小、功耗低、容量大、二總線協(xié)議、占用I/O口線少讀寫操作相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。EEPROM模塊電路圖如圖6所示。

圖6 EEPROM模塊電路圖

3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制板發(fā)送來的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，它的性能直接影響到步進(jìn)電機(jī)的誤差大小和運(yùn)行是否平穩(wěn)，進(jìn)而影響到掃描測(cè)距的誤差。因此步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型主要考慮掃誤差和步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)性兩個(gè)因素。根據(jù)危化品倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)情況，需要將掃描測(cè)距的誤差在三十米距離時(shí)控制在5～10厘米。

這里選用型號(hào)為THB7128的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它具有低功耗，多種細(xì)分，高細(xì)分（最高128細(xì)分），電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，無噪音，不失步等特點(diǎn)，采用兩片6N137高速光耦隔離輸入，保護(hù)控制器同時(shí)是使步進(jìn)電機(jī)工作更穩(wěn)定準(zhǔn)確。

誤差因素： 在三十米的距離位置，云臺(tái)的最大步距角為：

式中：S為危化品倉(cāng)庫(kù)的最大長(zhǎng)度，設(shè)為30m；e為在三十米位置掃描測(cè)距的誤差，設(shè)為5cm；

步進(jìn)電機(jī)選用的是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)和云臺(tái)之間有一臺(tái)減速比180:1的蝸桿減速裝置，則驅(qū)動(dòng)器的最小細(xì)分倍數(shù)：

分析可知，掃描測(cè)距對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分倍數(shù)要求不高，選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型主要考慮電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，采用128細(xì)分時(shí)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，這里選用THB7128的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它符合對(duì)誤差和平穩(wěn)性的要求。

3.3 其它設(shè)備的選型

激光測(cè)距傳感器選用型號(hào)為FTM-50A的傳感器，它具有測(cè)程大、精度高、工業(yè)數(shù)據(jù)接口豐富、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可適用于?；穫}(cāng)庫(kù)中的惡劣環(huán)境。

圖7 主程序框圖

云臺(tái)選用蝸桿減速電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，型號(hào)為L(zhǎng)Y110DX，這種云臺(tái)可以同時(shí)加裝電機(jī)和編碼器，并且裝有180:1的蝸桿減速裝置，在增強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)扭矩的同時(shí)，還提高了步進(jìn)電機(jī)的精度。

編碼器選用型號(hào)為JSP3806-S01的絕對(duì)值14位光電編碼器，該編碼器分辨率位360o/16384=0.02o，能夠準(zhǔn)確獲得角度，并滿足控制要要求。零位固定不受斷電影響，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定可靠。

3.4 軟件程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TI公司的Code Composer Studio5.5.0作為編程軟件。它包含適用于每個(gè)TI器件系列的編譯器、源碼編輯器、項(xiàng)目構(gòu)建環(huán)境、調(diào)試器、描述器、仿真器以及多種其它功能，為軟件的編寫提供了高效開發(fā)環(huán)境。

安全距離監(jiān)測(cè)程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)初始化后，若接收到距離值則保存，并判斷監(jiān)測(cè)裝置的狀態(tài)，若處于監(jiān)控狀態(tài)，則保存得到的距離值和角度值，將距離值與數(shù)據(jù)庫(kù)中相同角度的距離值比較，若不一致，則進(jìn)一步判斷測(cè)距儀受遮擋的時(shí)間是否超出閾值，若超出，則根據(jù)得到的距離值的角度值重構(gòu)障礙物的尺寸，若尺寸與堆垛的尺寸不一致，則報(bào)警；若處于初始掃描狀態(tài)，則保存角度值，并將接收到的距離值和對(duì)應(yīng)的角度值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；若處于初始測(cè)量最大距離狀態(tài)，則將得到的距離值進(jìn)行比較找出最大值作為最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)距離，根據(jù)最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)距離設(shè)置網(wǎng)格的大?。环駝t進(jìn)入初始測(cè)量最大距離狀態(tài)。

3.5 精準(zhǔn)定位測(cè)距控制算法

步進(jìn)電機(jī)停位是否準(zhǔn)確，關(guān)系到距離值和角度值是否準(zhǔn)確，進(jìn)而影響到對(duì)安全間距監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，這里采用閉環(huán)PID控制算法，PID控制算法是最經(jīng)典的一種控制方法，其控制簡(jiǎn)單，參數(shù)易調(diào)整，控制效果良好，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。

PID控制算法又分為增量式控制算法和位置式控制算法，增量式控制算法與位置式控制算法相比，計(jì)算量小，適合步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。這里采用增量式PID控制算法。

增量式PID的表達(dá)式為：

式中： uk表示第k次輸出的增量，ek表示第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值，ek-1表示第k-1次采樣時(shí)刻輸出的偏差值，ek-2表示第k-2次采樣時(shí)刻輸出的偏差值，Kp為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)采用位置單閉環(huán)控制，如圖8所示。編碼器檢測(cè)并反饋云臺(tái)轉(zhuǎn)過的角度，于目標(biāo)位置比較求出偏差量，傳遞給PID控制器， PID控制器經(jīng)過計(jì)算后控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

圖8 位置單閉環(huán)控制

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境設(shè)置整齊排列的四個(gè)虛擬垛位，在三十米距離安裝一臺(tái)掃描監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)兩個(gè)處于同一監(jiān)測(cè)面的堆垛掃描監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)上電后，掃描監(jiān)測(cè)裝置在第一個(gè)掃描周期內(nèi)對(duì)監(jiān)測(cè)面掃描，此時(shí)描監(jiān)測(cè)裝置處于尋找最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)距離狀態(tài)。進(jìn)入第二個(gè)掃描周期，每轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，步進(jìn)電機(jī)停頓一下較正位置，此時(shí)，掃描監(jiān)測(cè)裝置處于初始掃描狀態(tài)。從第三個(gè)掃描周期開始，掃描監(jiān)測(cè)裝置周期性來回掃描，此時(shí)處于正常監(jiān)測(cè)狀態(tài)。在正常監(jiān)測(cè)狀態(tài)，令堆垛的監(jiān)測(cè)面中某一處傾斜，驗(yàn)證系統(tǒng)能否正確得到該點(diǎn)的距離值，并與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)比較產(chǎn)生報(bào)警。

經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)在三十米距離位置掃描監(jiān)測(cè)誤差在2-3厘米，能夠在堆垛安全距離產(chǎn)生變化時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警，對(duì)危化品倉(cāng)庫(kù)堆垛安全距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)束語

本文完成了基于ARM的?；穫}(cāng)庫(kù)堆垛安全距離的監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以對(duì)堆垛的安全距離進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的目的，為?；穫}(cāng)庫(kù)堆垛安全距離的監(jiān)管提供了一種實(shí)時(shí)高效的手段。

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