紀(jì) 敏，高 銳，沈嶸楓*，謝詩妍，李顯陽，范佐恒，羅宇姝

(1.福建農(nóng)林大學(xué)，交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350002)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，林業(yè)索道運(yùn)輸工程設(shè)計(jì)越來越趨向智能化。索道運(yùn)輸在已有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，成效顯著。林業(yè)索道的運(yùn)載工具遙控跑車是國內(nèi)外森林工程界公認(rèn)的高性能全自動(dòng)跑車，它具有無需依靠制動(dòng)器即可在索道沿線任意點(diǎn)起落吊鉤集運(yùn)材的功能[1]。遙控跑車具有的主要特點(diǎn)是通過一個(gè)無線電遙控進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，由液壓傳動(dòng)操縱的握索機(jī)構(gòu)控制跑車停留點(diǎn)、落鉤時(shí)機(jī)來進(jìn)行集運(yùn)材生產(chǎn)作業(yè)；適用于長距離多跨單線多索閉合往復(fù)式索道；淘汰了電話、旗語等方式，采用無線電遙控直接指揮絞盤機(jī)操作[2]。遙控跑車改善了山場作業(yè)工人的勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率、確保生產(chǎn)安全；實(shí)現(xiàn)林業(yè)索道生產(chǎn)集、運(yùn)、歸、裝作業(yè)[3]。因此，對遙控跑車運(yùn)行情況的分析控制直接影響木材的生產(chǎn)安全與生產(chǎn)效率，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益[4]。智能化技術(shù)工程日趨成熟，2013年11月，美國National Instruments公司發(fā)布嵌入式創(chuàng)新試驗(yàn)與項(xiàng)目開發(fā)平臺(tái)NI myRIO，其基于Xilinx Zynq技術(shù)，集成雙核ARM處理器以及豐富的可編程邏輯資源[5]，通過LabVIEW圖形化編程語言，為遙控跑車運(yùn)行情況的檢測提供創(chuàng)新方案[6]。NI myRIO尺寸小巧，易于安裝在跑車上；內(nèi)置WiFi功能與加速度計(jì)傳感器，可通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)并部署代碼，對遙控跑車加速度進(jìn)行智能和遠(yuǎn)程操作控制[7]。根據(jù)遙控跑車所處的惡劣工作環(huán)境，具有運(yùn)行路線曲折復(fù)雜，地勢落差大、重載大、能耗大、磨損大等特點(diǎn)[8]。在前人研究的遙控跑車系列基礎(chǔ)上，通過不斷試驗(yàn)總結(jié)，采用IOT(Internet of Things)技術(shù)將遙控跑車、芯片和電腦連接，對遙控跑車運(yùn)動(dòng)作業(yè)檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]。通過對索道作業(yè)進(jìn)行測振試驗(yàn)，獲得遙控跑車的三軸加速度值，檢測系統(tǒng)測試遙控跑車的平穩(wěn)狀態(tài)，進(jìn)而推動(dòng)工程索道總體發(fā)展[10]。

1 遙控跑車檢測系統(tǒng)總組成

集材索道以輕型遙控跑車為主要設(shè)備，以多通道調(diào)頻(VHF)無線電遙控系統(tǒng)為控制核心。遙控發(fā)射機(jī)發(fā)出“握索”指令，遙控接收機(jī)遠(yuǎn)程接收，繼電器K1接通，加壓電磁閥通電，蓄能器釋放高壓油，并供油至握索油缸和剎車油缸，此時(shí)，跑車錨定于承載索，摩擦卷筒解除制動(dòng)[11]。牽引索的行動(dòng)改變摩擦卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)起重卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，完成起鉤、落鉤的動(dòng)作[12]。在接收機(jī)接到“卸荷”指令后，繼電器K2接通，卸荷電磁閥通電，剎車、握索油缸的壓力油回流至油箱，彈簧作用握索板張開，跑車錨定解除；此時(shí)，摩擦卷筒制動(dòng)，跑車上的牽引索實(shí)行重載和回空運(yùn)行[13]?；贜I myRIO的遙控跑車檢測系統(tǒng)，利用NI myRIO便攜式可重構(gòu)的特點(diǎn)，將其安裝在遙控跑車起重卷筒上，測得跑車在三軸方向上的加速度。NI myRIO控制模塊主要由板載的Xilinx Zynq芯片和ARM Cortex-A9核心組成，內(nèi)置WiFi功能，外板集成速度計(jì)，可自定義編程FPGA，可在LabVIEW上開發(fā)圖形化程序。軟件通過LabVIEW進(jìn)行程序框架的搭建，硬件通過NI myRIO進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，并發(fā)送至上位機(jī)，LabVIEW的前面板實(shí)時(shí)顯示加速度檢測數(shù)據(jù)[14]。NI myRIO直接安裝在跑車起重卷筒外部，但不受起重作業(yè)影響，外部電源為myRIO主控模塊器供電，通訊采用WiFi通道連接至上位機(jī)軟件。檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)置

NI myRIO檢測系統(tǒng)以微控制器模塊為核心，用于實(shí)時(shí)參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等[14]。內(nèi)部的FPGA在處理數(shù)據(jù)時(shí)采用并行方式，可更加快速、精準(zhǔn)地對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠處理。NI myRIO-1900由MXP拓展端口、電源線、USB設(shè)備線、USB主線、LED燈、MSP迷你系統(tǒng)端口、聲頻輸入/輸出線與0按鈕組成，具體構(gòu)造如圖2所示。NI myRIO-1900通過USB和無線802.11b,g,n連接主機(jī)。NI myRIO-1900原件的I/O口，根據(jù)VCC、GND、DI、DO數(shù)字電路接口性能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬量與數(shù)字量采集，RT與FPGA等內(nèi)部技術(shù)為myRIO提供處理等功能，NI myRIO-1900硬件模塊如圖3所示。

圖2 NI myRIO-1900組成

圖3 NI myRIO-1900硬件模塊

NI myRIO-1900硬件檢測系統(tǒng)經(jīng)過無線設(shè)置，利用NI MAX(Measurement&Automation Explorer)遠(yuǎn)程控制NI myRIO-1900 030bb1df如圖4所示。對NI myRIO-1900進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。無線適配器wlan0設(shè)置圖如圖5所示。在無線適配器wlan0中，設(shè)置無線為“連接至無線網(wǎng)絡(luò)”，連接無線網(wǎng)絡(luò)“-HiWiFi-Guest-132”，配置IPv4地址“DHCP或Link Local”，保存以上設(shè)置即可連接到無線。此時(shí)IP地址有以太網(wǎng)和無線兩種形式，可用USB連接或者WiFi連接至PC機(jī)。電源適配器用DC 12 V，1.5 A為NI myRIO-1900供電，點(diǎn)亮NI myRIO的POWER燈；用192256A-01 TYPE USB A/B 2.0 1 METER 1537 12506 連接NI myRIO與PC機(jī)，PC機(jī)顯示myRIO USB Monitor界面(見圖6)。點(diǎn)擊Options中的Launch the Getting Started Wizard，找到并啟動(dòng)NI myRIO-1900 030bb1df，如圖7a所示，重命名為NI-myRIO-1900 030bb1df，如圖7b所示。用PC機(jī)對myRIO面板設(shè)備進(jìn)行檢測(見圖8)。測試參數(shù)界面中的“X-Axis，Y-Axis，Z-Axis”三軸坐標(biāo)就是遙控跑車的采集對象加速度值。

圖4 NI myRIO-1900 030bb1df遠(yuǎn)程控制 圖5 無線適配器wlan0設(shè)置圖

圖6 NI myRIO-1900 USB控制

圖7 啟動(dòng)myRIO

圖8 測試板載設(shè)備

3 檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)按照功能劃分為參數(shù)初始化、信息采集、輸出與輸入控制、WiFi通訊與人機(jī)交互等。參數(shù)初始化配置程序主要包括NI myRIO控制核心模塊的運(yùn)算與數(shù)據(jù)參數(shù)的初始化(三軸加速度)。信息采集程序是NI myRIO自帶的加速度計(jì)模塊，加速度計(jì)模塊就是物體在加速過程中作用在物體上的力，就像地球引力(重力)，在數(shù)據(jù)采集前面板中用g作為變量[10]。myRIO中的加速度傳感器將測點(diǎn)的加速度信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸至前置放大電路，再由信號調(diào)理電路調(diào)整信噪比，最后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換送至PC機(jī)，PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)顯示[15]。加速度傳感元件運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到反向作用慣性力，產(chǎn)生形變(其懸臂梁應(yīng)力與應(yīng)變也變化)，懸臂梁上的擴(kuò)散電阻感受形變，形變量與加速度成正比。利用硅阻效應(yīng)，通過電橋電路，搭建阻值與應(yīng)變正比關(guān)系，測量輸出電橋電壓變化來完成加速度測量。在林業(yè)索道上應(yīng)用myRIO加速度計(jì)測量遙控跑車振動(dòng)搖晃加速度值，達(dá)到控制測振的目的。WiFi通信程序主要包括上位機(jī)通過與NI myRIO自身板載的WiFi模塊相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及將上位機(jī)上的控制傳遞給myRIO使其根據(jù)上位機(jī)的操作進(jìn)行運(yùn)動(dòng);人機(jī)交互程序包含按鍵處理子程序和顯示子程序兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)查詢等功能[16]。測試板載設(shè)置完畢，開啟LabVIEW，創(chuàng)建NI myRIO項(xiàng)目。無線設(shè)置之后，在WiFi條件下創(chuàng)建項(xiàng)目，打開Project Explorer窗口，再打開LabVIEW中現(xiàn)成算法Main.vi(見圖9)，算法函數(shù)設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖9 創(chuàng)建NI myRIO項(xiàng)目

圖10 算法函數(shù)設(shè)計(jì)

3.2 數(shù)據(jù)記錄文件保存

當(dāng)控制系統(tǒng)將運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)時(shí)，采用TDMS(見圖11)文件來將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)時(shí)，采用TDMS文件夾來對傳感器采集到的數(shù)據(jù)執(zhí)行單元進(jìn)行記錄，這樣不僅可以實(shí)時(shí)觀察，還可以實(shí)時(shí)在任務(wù)項(xiàng)目執(zhí)行后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對項(xiàng)目完善和技術(shù)改進(jìn)很有幫助。TDMS文件的邏輯格式遵循文件、通道組與通道三層TDM結(jié)構(gòu)。TDMS文件格式是NI用在測量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)文件格式，TDMS以dll為核心內(nèi)容，以segment為內(nèi)部結(jié)構(gòu)核心，一個(gè)通道可對應(yīng)多個(gè)segment，一個(gè)segment可對應(yīng)多個(gè)通道。每寫一次TDMS，硬盤產(chǎn)生一個(gè)segment；每讀取TDMS，逐個(gè)讀出segment。TDMS文件存儲(chǔ)連續(xù)采集的循環(huán)間隔是50 ms，則一小時(shí)是3 600 s，即通過i來控制；當(dāng)達(dá)到72 000時(shí)，經(jīng)過一個(gè)小時(shí)，創(chuàng)建一次新文件，并保存新數(shù)據(jù)，以當(dāng)前時(shí)間命名文件，最后，存儲(chǔ)在D盤Data路徑TDMS文件。程序框圖設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄保存，如圖12所示。

圖11 TDM面板

圖12 TDMS文件存儲(chǔ)的程序框圖

4 在Windows終端檢測

4.1 遙控跑車檢測系統(tǒng)試驗(yàn)

利用LabVIEW直觀的圖形化編程前面板具有良好的遙控跑車加速度檢測界面，使其能夠?qū)崿F(xiàn)NI myRIO核心控制對遙控跑車三個(gè)維度加速度的檢測。將NI myRIO綁于遙控跑車上，固定的三維方向：Y軸朝向前進(jìn)方向，X軸朝向左右方向，Z軸朝向上下方向(見圖13)。Windows終端操作界面(見圖14)能夠?qū)崟r(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，觀察數(shù)據(jù)的變化。經(jīng)過林區(qū)工程索道實(shí)地試驗(yàn)，由于地勢落差等原因，遙控跑車在Z軸上的加速度曲線變化最陡(見圖15)；在側(cè)面晃動(dòng)幅度較大等情況下，遙控跑車在X軸上的加速度曲線變化最陡(見圖16)；前進(jìn)方向前進(jìn)加速度曲線較陡時(shí)，Y軸曲線變化明顯(見圖17)；平穩(wěn)運(yùn)行曲線變化如圖18所示。

圖13 NI myRIO捆綁于遙控跑車的位置圖14 windows終端操作界面

圖15 垂直方向抖動(dòng) 圖16 左右方向抖動(dòng)

圖17 前進(jìn)方向抖動(dòng) 圖18 平穩(wěn)運(yùn)行

4.2 數(shù)據(jù)及效果分析

圖19 遙控跑車在1 h內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)分析

根據(jù)遙控跑車測量系統(tǒng)試驗(yàn)得出，上位機(jī)通過與NI myRIO自身板載的WiFi模塊進(jìn)行信息傳輸，在局域網(wǎng)內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸具有高效穩(wěn)定的無線速率。三軸加速度計(jì)在空間三個(gè)維度上檢測遙控跑車在索道上的運(yùn)動(dòng)狀況，控制遙控跑車對工程索道的運(yùn)行磨損情況與托運(yùn)木材時(shí)的安全情況。通過LabVIEW軟件平臺(tái)收集加速度變化數(shù)據(jù)，具體如圖14～圖18所示。通過數(shù)據(jù)記錄文件保存模塊記錄跑車運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)加速度情況。將圖18的平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)作為參照標(biāo)準(zhǔn)，Z-Axis保持在1g，X-Axis與Y-Axis保持在0g。模擬一個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)X、Y、Z三軸的加速度在2g范圍內(nèi)跳動(dòng)屬于平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)X、Y、Z三軸的加速度在2～6g內(nèi)跳動(dòng)屬于比較平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)X、Y、Z三軸的加速度在6～10g內(nèi)跳動(dòng)屬于抖動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)X、Y、Z三軸的加速度在10g以上的范圍跳動(dòng)屬于嚴(yán)重抖動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)過試驗(yàn)，根據(jù)圖13所示的方式將myRIO捆綁于實(shí)驗(yàn)室模擬工程索道進(jìn)行作業(yè)，在1 h內(nèi)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，具體如表1所示。再用excel軟件通過繪畫時(shí)間所占比例繪制餅狀圖(見圖19)進(jìn)行分析，由圖19可知，在實(shí)驗(yàn)室模擬索道上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)作業(yè)，有一半的時(shí)間遙控跑車處在平穩(wěn)狀態(tài)；有26.67%的時(shí)間處于較平穩(wěn)狀態(tài)；有15.00%時(shí)間處于抖動(dòng)狀態(tài)；有8.33%的時(shí)間處于嚴(yán)重抖動(dòng)狀態(tài)。綜合以上分析可知，被試驗(yàn)的這一條工程索道基本處在比較平穩(wěn)的工作狀態(tài)，工程索道的管理者可以較少地更換檢查維修索道。如果遙控跑車經(jīng)常在6g以上的加速度狀態(tài)運(yùn)行，那么工程索道的管理者要頻繁更換檢查維修索道，加速度作為檢測索道使用年限的一個(gè)參數(shù)，起到檢測跑車平穩(wěn)安全運(yùn)行的作用。

表1 myRIO在遙控跑車上所收集到的數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

基于LabVIEW和NI myRIO的具有智能和人工操作兩種檢測模式的遙控跑車三軸加速度檢測系統(tǒng)，成功將NI myRIO強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能與LabVIEW編程的優(yōu)勢完美結(jié)合。并且應(yīng)用參數(shù)初始化、信息采集、輸出與輸入控制、無線WiFi通信技術(shù)與數(shù)據(jù)的分析和處理等技術(shù)，使工程索道遙控跑車的運(yùn)行情況通過三軸加速度參數(shù)圖像呈現(xiàn)。由于在索道作業(yè)過程中，如果遙控跑車振動(dòng)搖晃過大,對運(yùn)輸貨物傷害很大，容易掉落，與此同時(shí)會(huì)存在安全隱患等問題，所以加速度參數(shù)數(shù)據(jù)的采集就顯得尤為重要。針對林區(qū)中遙控跑車在索道上常常出現(xiàn)的問題，對其進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)測試與分析。通過設(shè)置測試數(shù)據(jù)的四個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn):平穩(wěn)、較平穩(wěn)、抖動(dòng)、嚴(yán)重抖動(dòng)，來劃分跑車的平穩(wěn)情況。NI myRIO自帶的加速度計(jì)不僅能敏感遙控跑車卷筒間力矩、摩擦力矩等擾力因素引起的抖動(dòng)，還能敏感檢測因外擾力-風(fēng)阻、地基振動(dòng)等帶來的軸系晃動(dòng)。加速度是全面評價(jià)工程索道遙控跑車抖動(dòng)性能的有效方法。該測量方法可以為工程索道遙控跑車的智能檢測控制發(fā)展提供另外一種全新的思路，為系統(tǒng)最終性能指標(biāo)評價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐，有助于對工程索道遙控跑車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。