唐家運

(安徽城市管理職業(yè)學院 軌道交通學院，安徽 合肥 230011)

我國近幾年在軌道建設(shè)和維護上均都維持在8 000億元左右的投入〔1〕，國家鐵路局明確大力推進鐵路安全監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。鐵路運維現(xiàn)狀仍然是以靜態(tài)、人工檢測為主，檢測效率低下，人工成本高昂〔2〕。文章平臺能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的軌道運維基本參數(shù)的動態(tài)、靜態(tài)檢測同時搭載專用軌道運維設(shè)備，實現(xiàn)運維檢測的綜合運用，極大提高的軌道的運維、檢測效率并且降低了人工成本，充分發(fā)揮了天窗期的有效工作時間。

1 方案論證與選擇

設(shè)計的宗旨是便于用戶使用和維護，功能齊全，主要設(shè)計了兩種方案：

方案一：觸控一體機結(jié)合stm32嵌入式架構(gòu)〔3〕，觸控一體機處理上位機及算法軟件的設(shè)計以及人機界面的設(shè)計，stm32用作運動控制、數(shù)據(jù)采集、交互。

方案二：stm32嵌入式架構(gòu)+串口屏，stm32作為控制核心，用作運動控制、數(shù)據(jù)采集、運算處理、接口交互等，串口屏作為數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)置交互。

結(jié)合用戶實際使用需求，以及兩種方案的對比，方案二整體尺寸更小、重量更輕、成本更低，性能滿足用戶需求，故本設(shè)計采用方案二。

2 電路與程序設(shè)計

2.1 硬件電路

系統(tǒng)的硬件電路由主控板+串口屏+信號采集傳感器++驅(qū)動機構(gòu)+用戶搭載模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線遙控、行駛、傳感器數(shù)據(jù)檢測、計算、參數(shù)監(jiān)控、設(shè)定、遠程數(shù)據(jù)傳輸、驅(qū)動控制、預(yù)留多種常用通訊接口。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1.1 主控板

主控板PCBA是以STM32F103ZET6作為控制內(nèi)核、結(jié)合W5500以太網(wǎng)模塊、光耦隔離電路(PS2801)、AD信號調(diào)理電路(LM324)、電源芯片、串口通訊電路(Max232、SP3485、TJA1050)、數(shù)據(jù)存儲電路(24C02、W25Q128)等組成。電路原理圖如圖2所示。

圖2 主控電路原理圖

2.1.2 輔助調(diào)平機構(gòu)

輔助調(diào)平機構(gòu)是由一個自動可調(diào)節(jié)角度的平臺，其作用是外部搭載的設(shè)備可以放置在此平臺上，根據(jù)需求自動調(diào)節(jié)水平角度，不受車體運動影響。其內(nèi)部安裝有傾角傳感器作為閉環(huán)PID控制的數(shù)據(jù)部分，激光測距傳感器可以檢測裝置，實時檢測外部被測物的距離。一個重要功能是搭載運維人員常用的限界涂畫裝置。

2.1.3 行走部分

行走部分主要由步進電機及驅(qū)動器組成，雙驅(qū)布置，主要作用是控制車體的運動行駛。采用雙驅(qū)步進電機的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)可以設(shè)計更加緊湊，成本更低，定位精度高。通過無線遙控器及UI界面可設(shè)定的幾組行駛速度，實現(xiàn)遙控行駛，或者按照設(shè)定方式行駛。

2.1.4 搭載接口

搭載接口是本系統(tǒng)的一大特點，柔性化的支持多種通訊方式的設(shè)計方式，便于很多設(shè)備集成運用，比如激光測量儀、自動涂畫設(shè)備、限界測量設(shè)備、打磨設(shè)備等等。搭載的設(shè)備只需具備一些基本的數(shù)據(jù)協(xié)議的對接、設(shè)定，即可完成系統(tǒng)的集成運用。主流程圖及pid控制部分流程圖如圖3、4所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 pid控制部分流程圖

2.2 控制算法設(shè)計及主要流程圖設(shè)計

本設(shè)計主要運用到復(fù)合濾波算法、多傳感器融合算法、PID控制算法、空間幾何等算法對信號采集、分析、處理，對驅(qū)動部分進行運動控制，數(shù)據(jù)進行存儲、調(diào)用。下面對主要用到的算法進行說明：

(1)復(fù)合濾波算法〔4-5〕。LM324采集的模擬量數(shù)據(jù)，采用的濾波方式是限幅濾波+遞推平均濾波法，對每次采樣的數(shù)據(jù)進行限幅處理，再存入數(shù)組進行遞推平均濾波處理，此方法能一定程度上消除干擾引起的信號波動。如圖5所示。

圖5 復(fù)合濾波效果圖

(2)多傳感器融合算法〔6〕。為了提高重要數(shù)據(jù)的檢測精度，比如限界值檢測。采用多組不同類型的激光測距傳感器檢測并融合計算，利用卡爾曼濾波及預(yù)測原理，通過各自檢測的均方誤差判斷權(quán)重，得到最優(yōu)的融合結(jié)果?？柭鼮V波方程如下所示：

(3)PID控制算法〔7〕。此算法用作幾組步進電機的運動控制程序中，采用增量式PID算法結(jié)合相關(guān)限制參數(shù)，保證電機能夠快速、平滑的加減速到設(shè)定目標值。PID計算公式如下：

ΔPn=Kp(en-en-1)+Kien+Kd(en-2en-1+en-2)

其中，ΔPn指計算機輸出的增量，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)，en為第n次采樣時的偏差值。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能，硬件電路暫采用正點原子開發(fā)板+外圍接口電路進行功能驗證，機械結(jié)構(gòu)部分采用現(xiàn)有的軌道測試平臺，組裝測試后的效果如圖6、7所示。

圖6 硬件電路搭建 圖7 測試運行工況

硬件及結(jié)構(gòu)中組裝完畢后，首先進行接口調(diào)試，信號采集及輸出正常后，將設(shè)備放置在測試軌道上，速度分別設(shè)定為1 km/h～3 km/h，遙控器控制調(diào)速，人機界面上監(jiān)控軟件實時監(jiān)控運行參數(shù)，結(jié)果滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)設(shè)計的多功能軌道平臺，具備功能齊全、提高工作效率、兼容性較強的特點，后期對軟件和硬件進行完善和優(yōu)化，爭取達到更加穩(wěn)定高效。