李 根

叉車行業(yè)是物流運輸、大型設備制造、倉儲管理等工業(yè)搬運領域的一種重要設備，具有智能控制的叉車得到越來越多的重視，叉車的市場需求量每年都在高速的增長，叉車性能的安全保證逐漸成為大眾重視的焦點，縱觀傳統(tǒng)叉車控制系統(tǒng)，大致由執(zhí)行器、傳感器和被控過程組成，本課題通過壓縮感知原理，對叉車狀況深入分析，設計一款叉車智能控制系統(tǒng)，并結合自適應診斷技術進行叉車狀態(tài)信號重構，分析重構信號與系統(tǒng)輸出的實際測量值，實現(xiàn)叉車智能控制的目的。

在國際市場，尤其是歐美等發(fā)達國家和地區(qū)在叉車的智能研究控制領域一直都處于領先地位。我國由于對叉車智能控制方面的重視程度不夠，導致我國叉車的生產(chǎn)質量和性能均處于落后水平。有效解決叉車的市場需求，除了提高生產(chǎn)水平外，還可以增加故障檢測裝置，采用智能化控制，讓用戶更快速地了解叉車的性能，而叉車智能控制的提升是一個亟待解決的問題。目前，在叉車的感知控制方面，國內(nèi)理論研究較少。

對于叉車感知控制系統(tǒng)而言，能夠精準獲取設備狀態(tài)數(shù)據(jù)的來源主要有以下幾點：首先需要想辦法提高信號的采樣頻率和數(shù)據(jù)的運算精度；其次是選用高精度的傳感器和增加傳感器的數(shù)量；最后是延長系統(tǒng)的有效監(jiān)測時間[1]。通過這些措施，將更有利于獲取更全面的叉車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，這對于叉車的健康監(jiān)測無疑是一個利好因素。

綜上所述，智能控制技術將推動傳統(tǒng)行業(yè)逐漸轉型為新型產(chǎn)業(yè)。促進技術紅利快速增長。企業(yè)依賴智能控制領域，可以提高生產(chǎn)效率、完善產(chǎn)業(yè)化結構、成為高新技術的領頭軍。

1 總體技術方案

為了實現(xiàn)靈活、簡潔的數(shù)據(jù)信號，本課題結合數(shù)據(jù)壓縮感知原理，根據(jù)Coifman 和Wickerhauser 所提出的稀疏分解理念可知，實現(xiàn)壓縮感知的前提條件是信號合理地進行稀疏分解，如果數(shù)據(jù)在稀疏分解中出現(xiàn)異常或丟失，則從壓縮數(shù)據(jù)中很難恢復出原始的高維信號，也就失去了數(shù)據(jù)壓縮的實際意義；將不同的傳感器所獲取到的叉車數(shù)據(jù)信息進行信號重構，是壓縮感知最重要一環(huán)[2]。因此，壓縮感知是研究本項目應用的前提和基礎。因此亟待解決以下問題：

a、叉車在運行過程如何能更精確更實時地監(jiān)測運行狀態(tài)，這對傳感器的選用提出了更嚴的要求，特別是對于叉車發(fā)動機運行狀態(tài)和其復雜的機械結構等數(shù)據(jù)的采集，奈奎斯特采樣定理如果可以使用到更高標準的信號采樣傳感器和高速采樣設備，就可以完成對叉車更精準的檢測，但帶來的經(jīng)濟負擔將顯著增加。

b、由于叉車的機械結構比較復雜，導致需要傳感器的數(shù)據(jù)信號種類呈現(xiàn)多樣化，后期數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)确矫娴拇嬖趬毫?。實時監(jiān)測叉車狀態(tài)就需要不間斷的采樣，產(chǎn)生的海量狀態(tài)數(shù)據(jù)，就會造成數(shù)據(jù)冗余量增加，導致信號處理和計算代價攀升。

為了有效解決上述問題，本項目組成員不斷嘗試，根據(jù)Compressed Sensing，CS 技術（壓縮感?知技術），將數(shù)據(jù)的采樣和壓縮過程進行綜合分析，對數(shù)據(jù)進行樣本分析提取后進行壓縮，在解決了成本問題的基礎上，實現(xiàn)了叉車運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和智能控制。本項目研究思路如圖1 所示。

圖1 項目研究思路

壓縮采樣是整個壓縮感知研究的重點。將壓縮感知原理應用到叉車狀態(tài)檢測中，能夠得到了較好的效果。利用更精準的數(shù)據(jù)獲取更多的叉車狀態(tài)信息，有效解決了大量數(shù)據(jù)處理過程中存在的壓力，并高效地實現(xiàn)叉車機械信號的數(shù)據(jù)壓縮、信號診斷以及智能控制等。還可以將壓縮感知的相關應用可作為下一步的研究探索方向。

2 智能叉車控制系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)2019 年數(shù)據(jù)顯示，全球半導體芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，僅一年的銷售數(shù)量就高達九千多億顆，銷售額高達五千多億美元，智能裝備的快速發(fā)展更離不開半導體芯片，因此，選擇一款經(jīng)濟實用性能穩(wěn)定的主控制器尤為重要。主控制器選用STM32 微控制器，STM32 使用高性能的ARM CortexTM-M3 32 位的RISC 內(nèi)核，包含標準和先進的通信接口，高速大容量存儲器使得程序設計更加靈活方便。其具有的豐富I/O 端口和APB 總線的外設，使得該微控制器適合于電機驅動控制、醫(yī)療和手持設備、警報系統(tǒng)以及各種工業(yè)應用領域等。

本系統(tǒng)采用自頂向下的設計，系統(tǒng)具有設計簡潔、易于移植、預留功能擴展及升級接口。并將系統(tǒng)各部分功能進行了合理的規(guī)劃，其中子系統(tǒng)模塊由電源管理子系統(tǒng)、信號采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)、驅動輸出子系統(tǒng)等組成。STM32 主控制器作為系統(tǒng)協(xié)調運行的大腦，負責收集與處理各子系統(tǒng)的協(xié)調工作，系統(tǒng)硬件結構圖如圖2 所示。

采用一個穩(wěn)定的電源控制電路是滿足整個系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵性因素，本控制系統(tǒng)的電源范圍是9～48V，控制器可以直接使用叉車現(xiàn)有的蓄電池電源，輸入信號采用壓敏電阻和TVS 管相結合的方式，有效地抑制了因叉車發(fā)動機電源波動或電磁干擾對控制器電源產(chǎn)生的影響，穩(wěn)壓電源部分的設計采用開關穩(wěn)壓電源，不僅解決了控制器電源的散熱問題，還進一步提高了電源的有效利用率，電源輸出驅動部分具有信號回路檢測功能，電路回路檢測功能即時有效地將系統(tǒng)異常信號反饋給中央處理單元，通過儀表上報異常信息或及時切斷輸出電源，維護控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

信號采集子系統(tǒng)由多個采樣傳感器等組成。例如，系統(tǒng)可以利用位置傳感器的采樣數(shù)據(jù)，分析叉車門架的系統(tǒng)構造，運用SolidWorks 對叉車門架系統(tǒng)進行建模分析[3]，研究叉車門架在各種狀態(tài)下的檢測結果，完成了叉車門架的信號采樣與設計；通過速度傳感器，實時采集叉車變速箱的信號，并結合發(fā)動機狀態(tài)，總結叉車的換擋規(guī)律，實現(xiàn)叉車的自動節(jié)能換檔控制，結果表明，利用節(jié)能換檔規(guī)律實現(xiàn)叉車自動換檔可以使燃油經(jīng)濟性提高了約4%，速度傳感器結合扭矩傳感器可以進一步實現(xiàn)電動助力轉向控制，扭矩傳感器通過檢測方向盤上的轉動力矩，將信號傳給中央處理單元，經(jīng)運算分析后驅動轉向電動機，實現(xiàn)叉車的助力轉向控制，有效解決了傳統(tǒng)叉車液壓轉向系統(tǒng)中存在的效率低、難維護的缺點。

數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)實現(xiàn)叉車發(fā)動機與儀表的通信，叉車的相對運行環(huán)境比較復雜，對叉車的數(shù)據(jù)通訊要求比較嚴格。STM32 微控制器總線上提供一個標準的CAN 通信接口，結合CAN 現(xiàn)場總線所具有的高速和雙向多點的特點，更加廣泛地應用在工業(yè)監(jiān)控設備上，通過CAN 總線與叉車的通信接口的耦合，實現(xiàn)了叉車與儀表之間的數(shù)據(jù)傳輸，也為控制系統(tǒng)的在線升級提供了便利。

驅動輸出子系統(tǒng)由光電耦合器經(jīng)大功率MOS 驅動電路組成，可以直接實現(xiàn)門架，行車輸出，比例等大功率電磁閥負載的驅動，電磁閥的輸出回路全部經(jīng)采樣電路反饋給中央處理單元，提高了驅動輸出子系統(tǒng)的可靠性，進一步抑制了噪聲干擾。

圖3 系統(tǒng)軟件設計結構圖

3 智能叉車控制系統(tǒng)軟件設計

叉車的智能控制必須采用合理的軟件平臺，才能實現(xiàn)整個系統(tǒng)高效、穩(wěn)定的運行。系統(tǒng)軟件設計結構圖如圖3 所示。

軟件系統(tǒng)是保障叉車運行的核心，也關系到系統(tǒng)中每個模塊正常運行。軟件系統(tǒng)結構設計的合理性和功能的高效性是系統(tǒng)能夠正常運行的保障。為了提高系統(tǒng)的實時性及可靠性，本系統(tǒng)軟件設計上采用自下而上的模塊化軟件原則，通過嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，RTOS 的使用可以更合理、更有效的利用CPU 強大的資源，通過任務調度，簡化應用軟件的設計，在系統(tǒng)設計上提供及時響應和高可靠性的特點。

軟件系統(tǒng)根據(jù)外設任務的優(yōu)先級別，進行任務調度，每個線程根據(jù)傳感器種類，數(shù)據(jù)容量大小合理的分配CPU 和總線任務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)篩選、壓縮、處理和信號重現(xiàn)等功能，構造數(shù)據(jù)壓縮算法，在叉車狀態(tài)感知狀態(tài)下進行稀疏變換。

4 智能叉車控制系統(tǒng)測試與應用

該控制系統(tǒng)經(jīng)過不斷合理優(yōu)化，已具備很強的抗干擾能力，且所有驅動輸出電路均具有光電隔離功能，避免了因環(huán)境擾動或電磁干擾對控制器帶來的影響。從系統(tǒng)大量的測試數(shù)據(jù)結果表明，將該系統(tǒng)運用在叉車裝置中，提升了傳統(tǒng)叉車實際運行下的數(shù)據(jù)準確性和性能穩(wěn)定性等基本要求?？刂葡到y(tǒng)測試各項功能和指標均在正常范圍，其中智能感知系統(tǒng)部分有效提升和規(guī)范了駕駛員的駕駛習慣，自動換擋功能更是操作簡單易用，耐久性實驗增加了企業(yè)的認可程度，系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)通訊及CRC 檢驗功能，有效保障了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性，駕駛員更直觀的通過儀表信息了解叉車發(fā)動機的實時狀況，控制系統(tǒng)的研制，受到當?shù)仄髽I(yè)的高度評價。

5 小結

本文針對叉車機械領域，從智能控制方面著手，結合壓縮感知原理，通過重構叉車狀態(tài)的有效數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)叉車工藝的基礎上，從叉車狀態(tài)感知的實時性到系統(tǒng)穩(wěn)定性圍繞數(shù)據(jù)收斂算法進一步優(yōu)化。最終實現(xiàn)了叉車和感知技術的有效融合。