王 興，張晉塬，齊海強(qiáng)，王 歡，吳文俊

（1.太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024；2.晉西鐵路車輛有限責(zé)任公司，山西 太原 030027）

引言

鐵路貨車的輪軸是貨車的重要組成部件，輪軸的新造和檢修都要對(duì)其進(jìn)行一系列嚴(yán)格的質(zhì)檢[1]。隨著科技的快速發(fā)展，零件的運(yùn)輸過(guò)程逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)人化和智能化。目前，針對(duì)火車輪軸的傳輸裝置，國(guó)內(nèi)外[2]企業(yè)和研究人員進(jìn)行了大量研究。研究成果在方案和應(yīng)用上都能夠?qū)崿F(xiàn)火車輪軸的傳輸，且有各自的技術(shù)特點(diǎn)。1958年，美國(guó)成立了世界上第一家搬運(yùn)機(jī)器人公司，制造了機(jī)械手式機(jī)器人，1966年，研制出“哈迪曼系統(tǒng)”，2017年FANUC集團(tuán)在上海展示出4軸機(jī)器人，中國(guó)第一臺(tái)重載機(jī)器人由上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研制出TPR系列機(jī)器人。然而，這些設(shè)備及方案，存在有自動(dòng)化程度不高，傳送效率低，設(shè)備研制成本較高，通用性不靈活及檢測(cè)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制等問(wèn)題[3]。在檢測(cè)過(guò)程中我國(guó)最常見(jiàn)的運(yùn)輸方式是通過(guò)人力或者搬運(yùn)機(jī)器人（機(jī)械手）來(lái)完成作業(yè)。然而，傳送帶傳輸?shù)乃俣容^低、自動(dòng)化程度不高，搬運(yùn)機(jī)器人傳輸?shù)木嚯x較短、往返于各個(gè)檢測(cè)工位相當(dāng)費(fèi)時(shí)、安全系數(shù)較低且兩種運(yùn)輸方式都需要人工操作輔助來(lái)完成，造成了勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)高、檢測(cè)效率低、成本大。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備的組成

鐵路貨車輪軸自動(dòng)傳輸裝置基于物聯(lián)網(wǎng)的三層基本架構(gòu)設(shè)計(jì)，由感知層（包括光電檢測(cè)單元[4]與攝像機(jī)單元）、控制單元、通信系統(tǒng)和工作系統(tǒng)（包括電動(dòng)伸縮導(dǎo)輪裝置、微型電動(dòng)推桿和傳動(dòng)小車）等部分組成。

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上考慮以下特點(diǎn)：一是感知層使用光電檢測(cè)單元，通過(guò)對(duì)被檢測(cè)對(duì)象發(fā)出檢測(cè)光線，接收裝置再通過(guò)對(duì)返回光線的強(qiáng)弱情況或有無(wú)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)。由此可以判斷火車輪軸實(shí)時(shí)位置，控制中心根據(jù)此位置信息做出控制決策。并配有高清攝像單元由圖像傳感器、外部報(bào)警、控制接口等部分組成，可以實(shí)現(xiàn)避障、遠(yuǎn)程察看等功能。二是利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)攝像機(jī)返回的圖像或視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能識(shí)別。三是工作層的電動(dòng)伸縮導(dǎo)輪裝置控制方便，響應(yīng)速度快可以快速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳輸小車的裝載和卸載工作，大大提高其運(yùn)輸效率。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)可以對(duì)運(yùn)輸輪軸實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)輪軸不同檢測(cè)工位的檢測(cè)。四是根據(jù)控制系統(tǒng)的功能與指令特點(diǎn)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的通信層的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，滿足實(shí)時(shí)通信快速控制的需求。

1.2 工作原理設(shè)計(jì)

首先，自動(dòng)傳輸小車裝置內(nèi)設(shè)置有四個(gè)光電檢測(cè)單元，分別安裝于小車托輪架四角處的電動(dòng)伸縮導(dǎo)輪裝置的周圍，光電檢測(cè)單元感知并收集火車輪軸的實(shí)時(shí)位置信息；其次，高清攝像單元位于自動(dòng)傳輸小車前端用于感知并探測(cè)前方障礙物；然后，控制層與感知層和工作層進(jìn)行通信，通過(guò)接收感知單元和高清攝像單元的信號(hào)，識(shí)別火車輪軸及的實(shí)時(shí)位置以及判斷前方是否由障礙物，并根據(jù)所感知的位置信息和判障信息，對(duì)工作層的各個(gè)工作單元發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，并以此做出決策；然后，通過(guò)電動(dòng)伸縮導(dǎo)輪裝置與控制器通信連接，用于接收以及控制器通訊連接，當(dāng)控制器控制電動(dòng)伸縮導(dǎo)輪裝置伸出時(shí)，控制器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，控制器的控制信號(hào)以控制導(dǎo)輪的伸出與收縮；最后，利用傳動(dòng)小車與托輪架固定連接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向裝置安裝于驅(qū)動(dòng)小車主體上方與托輪架固定連接，與控制器通信連接，用以接收控制器的控制信號(hào)，將輪軸旋轉(zhuǎn)90°后置于另外的傳輸小車駛置對(duì)應(yīng)的檢測(cè)工位。綜上所述，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)火車輪軸自動(dòng)傳送到檢測(cè)工位進(jìn)行檢測(cè)的功能。

1.3 工藝設(shè)計(jì)

小車模型設(shè)計(jì)如圖1所示。該設(shè)備自動(dòng)控制往返原理首先當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，小車通過(guò)光電傳感器判斷是否處于初始位置，定位輪軸位置成功之后伸出電動(dòng)推桿將輪軸固定，處于托輪架的四個(gè)電動(dòng)伸縮導(dǎo)輪伸出由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車，在行駛過(guò)程中通過(guò)攝像頭防撞預(yù)警系統(tǒng)以及超聲波雷達(dá)測(cè)距判斷前方障礙物，若前方有障礙物則停止運(yùn)行，蜂鳴器報(bào)警且將該信息發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備，待障礙物避開(kāi)之后，繼續(xù)運(yùn)行將輪軸放到指定工位進(jìn)行檢測(cè)，若此項(xiàng)檢測(cè)完成需要進(jìn)行下一項(xiàng)檢測(cè)小車需運(yùn)行至接軌處與下一小車進(jìn)行交接，直至將輪軸檢測(cè)完成，小車返回初始位置。

圖1 小車模型

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器設(shè)計(jì)

控制器是整個(gè)運(yùn)輸小車系統(tǒng)的核心部分，它將主控電路板、傳感器單元、Wi-Fi模塊、導(dǎo)航器、電動(dòng)推桿等集成到一起，通過(guò)上位機(jī)plc對(duì)主控制器進(jìn)行通信。主控制模塊可以分為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊和小車控制模塊。小車控制模塊采用Simens的S7-200型PLC，CPU為CPU 226CN。小車控制模塊主要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息管理、現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程分布式I/O控制管理等功能。監(jiān)控模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)對(duì)象的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)監(jiān)控輪軸及轉(zhuǎn)向架的檢測(cè)信息，同時(shí)對(duì)主控制模塊進(jìn)行自診斷。

小車控制模塊主要對(duì)運(yùn)輸小車進(jìn)行取卸貨控制、突發(fā)事件控制及提供檢修信息存儲(chǔ)等功能，運(yùn)輸小車控制系統(tǒng)主要包括西門子S7-200 PLC控制器、PROFIBUS-DP通訊模塊從站模塊EM227及PRB信號(hào)模塊處理單元，通過(guò)232總線以PPI協(xié)議方式與人機(jī)界面相連?？刂破魇疽鈭D如圖2所示。

圖2 控制器示意圖

2.2 智能搬運(yùn)模塊

智能搬運(yùn)模塊主要是針對(duì)小車的突發(fā)事件，例如避障信息的處理，以及對(duì)輪軸的運(yùn)輸量進(jìn)行記錄。

有軌小車尋線模塊。該控制器基于ARIMAX模型結(jié)合了GPC算法和PID控制算法，其中GPC算法如式（1）所示：

式中：X（c）表示輸出向量，V（c）表示輸入向量，α（c）表示零均值白噪聲序列；r，k，r階p-1的多項(xiàng)式由Z（p-1），Y（p-1）及U（p-1）表示。

定義目標(biāo)函數(shù)為：

式中：n為最大預(yù)測(cè)范圍；m為控制范圍且n≥m。

PID增量式控制算法如式（3）所示：

式中：ΔA（c）為PID調(diào)控參數(shù)；Cu是比例系數(shù)；tv是調(diào)控時(shí)間；t1是積分時(shí)間；B（c）為預(yù)計(jì)輸入與實(shí)際輸出的差值；t0是微分常數(shù)；ts是采樣時(shí)間；Δ=1-p-1是差分算子。

二者整合后可得式（4）：

式中：Ga，Ha表示丟番圖方程式；表示靜態(tài)增益項(xiàng)。通過(guò)PID和GPC二者算法結(jié)合得出的系統(tǒng)輸出值可以使小車在尋線過(guò)程中穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 避障預(yù)警模塊

小車采用攝像頭防撞預(yù)警系統(tǒng)，該控制是由圖像傳感器、圖像采集模塊、圖像分析處理模塊以及小車報(bào)警模塊組成。通過(guò)CCD攝像機(jī)收集小車前方的圖像信息，利用DSP數(shù)字信息處理器對(duì)有用的圖像進(jìn)行分析，識(shí)別小車前方的障礙物。

當(dāng)障礙物距離小車非常近的時(shí)候，對(duì)于采集的障礙物信息被DSP處理器分析過(guò)后，該信號(hào)被放大交由單片機(jī)分析處理，控制小車的停止以及后退。

2.3.1 小車測(cè)距模塊

測(cè)距主要通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器獲得信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在小車四周裝有超聲波傳感器模塊，不斷地發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，途中碰到障礙物后立即返回，超聲波接收器收到反射波后停止計(jì)時(shí)。

測(cè)距的公式表示為：D=VT.

式中：D為測(cè)量的距離長(zhǎng)度，V表示超聲波在空氣中的傳播速度，T表示測(cè)量距離超聲波傳播的時(shí)間差。

2.3.2輪軸位置監(jiān)測(cè)模塊

光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的系統(tǒng)需求，故本系統(tǒng)選用光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)作為實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)位于系統(tǒng)的感知層，它是將輸入電流通過(guò)發(fā)射器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器根據(jù)被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路來(lái)進(jìn)行判斷，并利用通信系統(tǒng)將檢測(cè)信號(hào)傳輸給控制器。在傳輸機(jī)器人的整個(gè)工作過(guò)程中，光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)一直處于工作狀態(tài)不斷發(fā)射出光信號(hào)到火車輪軸上，對(duì)其實(shí)時(shí)位置進(jìn)行檢測(cè)，控制中心根據(jù)此位置信息做出控制處理。

2.4 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

該傳輸設(shè)備不僅要滿足運(yùn)輸輪軸的基本要求，在布線方面也要盡量減少，系統(tǒng)將手持控制器與計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行無(wú)線通訊，可以直接遠(yuǎn)程控制小車啟停以及前后移動(dòng)，計(jì)算機(jī)與PLC之間實(shí)行RS-232/RS485串行通信，控制按鈕、指示燈、蜂鳴器、電動(dòng)推桿、導(dǎo)航器與PLC之間用有線電纜以節(jié)約成本（如圖3所示）。

圖3 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)圖

無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)部通信協(xié)議采用IEEE 802.11協(xié)議?？刂破髋c服務(wù)器、控制器與節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)相應(yīng)指令進(jìn)行通信，信息指令內(nèi)容如下：服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)節(jié)點(diǎn)及控制器信息，當(dāng)小車出現(xiàn)故障后，及時(shí)將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，并在人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用visual-basic程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)，不僅要滿足小車運(yùn)輸輪軸的基本要求而且充分考慮了用戶的便捷性，設(shè)置了監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)設(shè)置、故障查詢、用戶權(quán)限和遠(yuǎn)程控制等多個(gè)模塊，用戶可根據(jù)系統(tǒng)界面進(jìn)行操作。監(jiān)控界面有日期、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、功能按鈕等部分。數(shù)據(jù)記錄模塊中，小車對(duì)當(dāng)日運(yùn)輸輪軸的個(gè)數(shù)進(jìn)行記錄，用戶可以實(shí)時(shí)查看運(yùn)輸工作量。參數(shù)設(shè)置模塊完成控制器對(duì)計(jì)算機(jī)的無(wú)線連接，對(duì)設(shè)備名稱、IP地址等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。故障查詢模塊可以讓檢修人員通過(guò)該模塊做出快速判斷并處理，例如小車與人機(jī)交互界面連接失敗；小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障；運(yùn)輸小車走到目的地未能減速和定位；微型電動(dòng)推桿無(wú)法伸出與收縮；小車對(duì)于前方障礙物無(wú)法避障等。

5 結(jié)論

貨車輪軸自動(dòng)傳輸裝置采用PLC技術(shù)、雷達(dá)測(cè)距技術(shù)、人機(jī)智能交換界面等先進(jìn)技術(shù)，在提高了檢修過(guò)程中效率的同時(shí)，還避免了因?yàn)槿斯げ僮魇д`造成的成本大的問(wèn)題。該裝置在我國(guó)的投入使用，使得現(xiàn)場(chǎng)工作人員避免了繁忙的體力作業(yè)，有效地改善了由勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)高以及在實(shí)時(shí)檢測(cè)輪軸及轉(zhuǎn)向架的時(shí)間段內(nèi)帶來(lái)的人力不足的問(wèn)題，下一步工作將對(duì)運(yùn)輸不同直徑的輪軸以及轉(zhuǎn)向方面做出更進(jìn)一步的優(yōu)化研究。