王 興，張晉塬，齊海強，王 歡，吳文俊

（1.太原科技大學(xué)計算機科學(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，零件的運輸過程逐步實現(xiàn)無人化和智能化。目前，針對火車輪軸的傳輸裝置，國內(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。1958年，美國成立了世界上第一家搬運機器人公司，制造了機械手式機器人，1966年，研制出“哈迪曼系統(tǒng)”，2017年FANUC集團(tuán)在上海展示出4軸機器人，中國第一臺重載機器人由上海交通大學(xué)機器人研究所研制出TPR系列機器人。然而，這些設(shè)備及方案，存在有自動化程度不高，傳送效率低，設(shè)備研制成本較高，通用性不靈活及檢測設(shè)備無法實現(xiàn)聯(lián)動控制等問題[3]。在檢測過程中我國最常見的運輸方式是通過人力或者搬運機器人（機械手）來完成作業(yè)。然而，傳送帶傳輸?shù)乃俣容^低、自動化程度不高，搬運機器人傳輸?shù)木嚯x較短、往返于各個檢測工位相當(dāng)費時、安全系數(shù)較低且兩種運輸方式都需要人工操作輔助來完成，造成了勞動強度過高、檢測效率低、成本大。

1 整體設(shè)計

1.1 設(shè)備的組成

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

系統(tǒng)在設(shè)計上考慮以下特點：一是感知層使用光電檢測單元，通過對被檢測對象發(fā)出檢測光線，接收裝置再通過對返回光線的強弱情況或有無對被測物體進(jìn)行檢測。由此可以判斷火車輪軸實時位置，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、外部報警、控制接口等部分組成，可以實現(xiàn)避障、遠(yuǎn)程察看等功能。二是利用機器學(xué)習(xí)算法對攝像機返回的圖像或視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能識別。三是工作層的電動伸縮導(dǎo)輪裝置控制方便，響應(yīng)速度快可以快速實現(xiàn)自動傳輸小車的裝載和卸載工作，大大提高其運輸效率。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)可以對運輸輪軸實現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)，以此實現(xiàn)對輪軸不同檢測工位的檢測。四是根據(jù)控制系統(tǒng)的功能與指令特點，構(gòu)建對應(yīng)的通信層的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，滿足實時通信快速控制的需求。

1.2 工作原理設(shè)計

首先，自動傳輸小車裝置內(nèi)設(shè)置有四個光電檢測單元，分別安裝于小車托輪架四角處的電動伸縮導(dǎo)輪裝置的周圍，光電檢測單元感知并收集火車輪軸的實時位置信息；其次，高清攝像單元位于自動傳輸小車前端用于感知并探測前方障礙物；然后，控制層與感知層和工作層進(jìn)行通信，通過接收感知單元和高清攝像單元的信號，識別火車輪軸及的實時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，對工作層的各個工作單元發(fā)出相應(yīng)的信號，并以此做出決策；然后，通過電動伸縮導(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)控制器控制電動伸縮導(dǎo)輪裝置伸出時，控制器發(fā)出啟動信號，控制器的控制信號以控制導(dǎo)輪的伸出與收縮；最后，利用傳動小車與托輪架固定連接驅(qū)動傳動小車運動。轉(zhuǎn)向裝置安裝于驅(qū)動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，將輪軸旋轉(zhuǎn)90°后置于另外的傳輸小車駛置對應(yīng)的檢測工位。綜上所述，可以實現(xiàn)對火車輪軸自動傳送到檢測工位進(jìn)行檢測的功能。

1.3 工藝設(shè)計

小車模型設(shè)計如圖1所示。該設(shè)備自動控制往返原理首先當(dāng)按下啟動按鈕后，小車通過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推桿將輪軸固定，處于托輪架的四個電動伸縮導(dǎo)輪伸出由驅(qū)動電機驅(qū)動小車，在行駛過程中通過攝像頭防撞預(yù)警系統(tǒng)以及超聲波雷達(dá)測距判斷前方障礙物，若前方有障礙物則停止運行，蜂鳴器報警且將該信息發(fā)送到移動設(shè)備，待障礙物避開之后，繼續(xù)運行將輪軸放到指定工位進(jìn)行檢測，若此項檢測完成需要進(jìn)行下一項檢測小車需運行至接軌處與下一小車進(jìn)行交接，直至將輪軸檢測完成，小車返回初始位置。

圖1 小車模型

2 硬件設(shè)計

2.1 控制器設(shè)計

控制器是整個運輸小車系統(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、電動推桿等集成到一起，通過上位機plc對主控制器進(jìn)行通信。主控制模塊可以分為監(jiān)測系統(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)場遠(yuǎn)程分布式I/O控制管理等功能。監(jiān)控模塊用于實時監(jiān)控各個對象的運行狀況，實時監(jiān)控輪軸及轉(zhuǎn)向架的檢測信息，同時對主控制模塊進(jìn)行自診斷。

小車控制模塊主要對運輸小車進(jìn)行取卸貨控制、突發(fā)事件控制及提供檢修信息存儲等功能，運輸小車控制系統(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信號模塊處理單元，通過232總線以PPI協(xié)議方式與人機界面相連。控制器示意圖如圖2所示。

圖2 控制器示意圖

2.2 智能搬運模塊

智能搬運模塊主要是針對小車的突發(fā)事件，例如避障信息的處理，以及對輪軸的運輸量進(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)控時間；t1是積分時間；B（c）為預(yù)計輸入與實際輸出的差值；t0是微分常數(shù)；ts是采樣時間；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。通過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程中穩(wěn)定運行。

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警模塊組成。通過CCD攝像機收集小車前方的圖像信息，利用DSP數(shù)字信息處理器對有用的圖像進(jìn)行分析，識別小車前方的障礙物。

當(dāng)障礙物距離小車非常近的時候，對于采集的障礙物信息被DSP處理器分析過后，該信號被放大交由單片機分析處理，控制小車的停止以及后退。

2.3.1 小車測距模塊

測距主要通過超聲波測距傳感器獲得信號來實現(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)射時刻的同時開始計時，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時。

測距的公式表示為：D=VT.

式中：D為測量的距離長度，V表示超聲波在空氣中的傳播速度，T表示測量距離超聲波傳播的時間差。

2.3.2輪軸位置監(jiān)測模塊

光電檢測開關(guān)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠等特點，滿足實時檢測的系統(tǒng)需求，故本系統(tǒng)選用光電檢測開關(guān)作為實時檢測系統(tǒng)。光電檢測開關(guān)位于系統(tǒng)的感知層，它是將輸入電流通過發(fā)射器轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器根據(jù)被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路來進(jìn)行判斷，并利用通信系統(tǒng)將檢測信號傳輸給控制器。在傳輸機器人的整個工作過程中，光電檢測開關(guān)一直處于工作狀態(tài)不斷發(fā)射出光信號到火車輪軸上，對其實時位置進(jìn)行檢測，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

該傳輸設(shè)備不僅要滿足運輸輪軸的基本要求，在布線方面也要盡量減少，系統(tǒng)將手持控制器與計算機直接進(jìn)行無線通訊，可以直接遠(yuǎn)程控制小車啟停以及前后移動，計算機與PLC之間實行RS-232/RS485串行通信，控制按鈕、指示燈、蜂鳴器、電動推桿、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)計圖

無線局域網(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)點之間通過相應(yīng)指令進(jìn)行通信，信息指令內(nèi)容如下：服務(wù)器實時監(jiān)控各個節(jié)點及控制器信息，當(dāng)小車出現(xiàn)故障后，及時將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，并在人機交互界面進(jìn)行顯示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用visual-basic程序語言設(shè)計，不僅要滿足小車運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)備運行狀態(tài)、功能按鈕等部分。數(shù)據(jù)記錄模塊中，小車對當(dāng)日運輸輪軸的個數(shù)進(jìn)行記錄，用戶可以實時查看運輸工作量。參數(shù)設(shè)置模塊完成控制器對計算機的無線連接，對設(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該模塊做出快速判斷并處理，例如小車與人機交互界面連接失??；小車驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障；運輸小車走到目的地未能減速和定位；微型電動推桿無法伸出與收縮；小車對于前方障礙物無法避障等。

5 結(jié)論

貨車輪軸自動傳輸裝置采用PLC技術(shù)、雷達(dá)測距技術(shù)、人機智能交換界面等先進(jìn)技術(shù)，在提高了檢修過程中效率的同時，還避免了因為人工操作失誤造成的成本大的問題。該裝置在我國的投入使用，使得現(xiàn)場工作人員避免了繁忙的體力作業(yè)，有效地改善了由勞動強度過高以及在實時檢測輪軸及轉(zhuǎn)向架的時間段內(nèi)帶來的人力不足的問題，下一步工作將對運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。