李 爽，孟慶春

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，鄭州 451199）

0 引言

隨著社會進入新工業(yè)時代，制造業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)全面完成4.0升級。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的提出，將智能數(shù)據(jù)分析、移動通信融合應(yīng)用于制造業(yè)生產(chǎn)的各個方面。制造業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)線重載搬運機器人是上述思想的重要應(yīng)用，這種應(yīng)用可全方位地縮減了制造業(yè)生產(chǎn)成本，降低資源消耗。生產(chǎn)線重載搬運機器人的運行狀態(tài)直接影響制造業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率，因此，監(jiān)測生產(chǎn)線重載搬運機器人實時狀態(tài)，成為相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者 待解決的問題。針對工業(yè)機器人的應(yīng)用研究較為常見：

文獻[1]設(shè)計了基于長短期記憶的機器人健康監(jiān)測系統(tǒng)。該方法依據(jù)方差分析方法確定機器人狀態(tài)變化感應(yīng)信號。再使用主成分分析法對機器人多維傳感數(shù)據(jù)實施融合，通過融合數(shù)據(jù)與特征數(shù)據(jù)的相似度計算，獲取機器人的運行狀態(tài)指數(shù)。最后通過建立的長短期記憶網(wǎng)絡(luò)模型完成機器人運行狀態(tài)的健康預(yù)測。文獻[2]設(shè)計了基于移動終端的工業(yè)機器人遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計。該方法針對目前監(jiān)測系統(tǒng)中存在的形式單一問題，建立了以移動終端為監(jiān)測平臺的機器人遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)Internet完成機器人的運行數(shù)據(jù)采集。通過服務(wù)器將數(shù)據(jù)上傳至用戶終端，使用戶能夠通過手機、平板實現(xiàn)機器人運行狀態(tài)的監(jiān)測。文獻[3]設(shè)計了基于TCP/IP協(xié)議的除草機器人遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該方法依據(jù)TCP/IP原理建立了機器人狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架以及軟硬件平臺框架。再對系統(tǒng)軟硬件開展具體分析；最后依據(jù)QT軟件完成了機器人狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測界面設(shè)計，實現(xiàn)機器人運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

但上述系統(tǒng)在狀態(tài)監(jiān)測過程中的監(jiān)測效果差。為解決上述機器人運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中存在的問題，設(shè)計了一種新的生產(chǎn)線重載搬運機器人實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計

基于上述系統(tǒng)的設(shè)計要求，完成生產(chǎn)線重載搬運機器人實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 重載搬運機器人實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體框架設(shè)計

分析圖1可知，生產(chǎn)線重載搬運機器人實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架分為移動終端模塊、管理模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、報警模塊以及數(shù)據(jù)庫模塊。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)通信模塊硬件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要負責(zé)搬運機器人實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的通信，主要分為LoRa基站傳輸模塊以及通信方式選擇模塊兩類。

LoRa基站傳輸模塊在LoRa選型時，需要選取LoRa時需要LoRa射頻為Sx1278，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為256Bytes，基站傳輸過程中，傳輸頻率在169至433M之間，傳輸速率在0.5至11kbit/s之間的LoRa基站。在類型選擇子模塊內(nèi)，管理員可選定多種基站傳輸類型備用，在傳輸過程中，依據(jù)機器人當(dāng)前運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時確定基站傳輸類型。最后通過建立的傳輸模型，實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實時傳輸，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳輸模型結(jié)構(gòu)

1.2.1 報警模塊

報警模塊主要負責(zé)機器人實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警、報警功能。搬運機器人發(fā)生故障時[5]，運行參數(shù)會同時發(fā)生變化，當(dāng)機器人運行狀態(tài)與正常運行狀態(tài)之間存在偏差時，該模塊會迅速調(diào)閱歷史數(shù)據(jù)展開相關(guān)分析，通過分析結(jié)果確定是否開啟報警、預(yù)警信號。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫模塊

機器人運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)選取MySQL作為本系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫。依據(jù)系統(tǒng)的主要需求，建立機器人靜態(tài)參數(shù)信息集合、動態(tài)信息集合，工作狀態(tài)數(shù)據(jù)集合以及故障詳細信息數(shù)據(jù)集等分類集合，方便機器人運行數(shù)據(jù)的分類管理。

2 軟件相關(guān)算法設(shè)計

硬件模塊設(shè)計完成后，依據(jù)設(shè)計的硬件完成機器人運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計，監(jiān)測系統(tǒng)具體軟件功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件主功能示意圖

2.1 遠程通信算法設(shè)計

短距離D2D無線通信網(wǎng)絡(luò)可在既然遠程報警中得到較好的應(yīng)用。其在已知信道條件的情況下，完成機器人遠程上行鏈路通信，僅考慮單個無線網(wǎng)路范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)邊緣的用戶設(shè)備（User Equipment，UE）與其對等的UE之間可建立D2D鏈路，通過該鏈路完成接受數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達基站，在該過程中，每一個UE可在2個跳數(shù)內(nèi)完成。

短距離D2D無線通信網(wǎng)絡(luò)中主要有機器人設(shè)備、無線鏈路以及D2D鏈路[8]，則該網(wǎng)絡(luò)通信時的信道模型、信干燥比、能耗模型以及中繼選擇是網(wǎng)絡(luò)通信的主要部分。

1）信道模型：短距離D2D無線通信網(wǎng)絡(luò)存在兩種中衰落模型，且為大、小兩種尺度，分別用自由空間傳播模型和瑞利衰落表示。設(shè)x和y分別表示發(fā)射器和接收器，兩者之間的信道增益以及增益指數(shù)分別用hx，y、表示。則x和y之間距離為r時信號功率用hr-α表示，其中，α＞ 2表示路徑損耗指數(shù)。

2）信干燥比：設(shè)dth表示距離閾值，該值的確定可依據(jù)信道的衰落的條件完成；在該范圍為UE用CUE表示，則構(gòu)建實現(xiàn)D2D鏈路通信的D2DCUE。由于短距離D2D無線通信網(wǎng)絡(luò)能夠復(fù)用上行鏈路資源，則表示使用同一個信道的鏈路之間會發(fā)生干擾。結(jié)合短距離D2D無線通信網(wǎng)絡(luò)中，兩個UE之間距離較小的特點，則對D2D無線通信的最大發(fā)射功率實行控制，并引入自干擾消除因子ξ，以此實現(xiàn)該干擾的有效控制。結(jié)合該干擾確定x至y之間鏈路的信干燥比的計算公式為：

式(1)中：px和Lx，y分別表示x的傳輸功率和x至y之間的鏈路距離；干擾源的集合用Φy表示；δ2表示噪聲功率；t表示時刻。

3）能耗模型：如果短距離D2D無線通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小為L，此時所需的能耗計算公式為：

式(2)中：通信過程中，實行信息發(fā)送或者接收時電路的消耗能量用Eelec表示；ptx表示發(fā)射器的發(fā)射功率；信息通信過程中所需的時隙長度用Nts表示；τ表示單個時隙長度；N ts·τ表示整個傳輸?shù)目倳r間。

2.2 最優(yōu)功率分配實現(xiàn)

基于上述小節(jié)的分析得出，如果為提升短距離D2D無線通信數(shù)據(jù)的通信成功率，需考慮能耗和通信成功率之間的關(guān)聯(lián)，并獲取兩者之間的折中結(jié)果，在保證通信成功率的前提下使能耗最小。此時，定義效用函數(shù)，其計算公式為：

式(3)中：E和S分別表示通信能耗和傳輸成功率，Emax為E的最大值；smin表示s的最小值；ω表示權(quán)重因子。

3 實驗測試

為了驗證設(shè)計的生產(chǎn)線重載搬運機器人實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的整體有效性，在某生產(chǎn)線廠間對重載搬運機器人布設(shè)一個監(jiān)測系統(tǒng)。遠程通信包括一個網(wǎng)關(guān)和兩個采集子節(jié)點，網(wǎng)關(guān)是由一個遠程的服務(wù)平臺連接的，遠程的服務(wù)平臺調(diào)用MATLAB。LoRa采用433MHz頻段，發(fā)射功率為22dBm。

3.1 實驗結(jié)果及分析

分別采用本文的生產(chǎn)線重載搬運機器人實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計（所提系統(tǒng)）、基于TCP/IP協(xié)議的除草機器人遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計（文獻[2]系統(tǒng)）、基于移動終端的工業(yè)機器人遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計（文獻[3]系統(tǒng)）測試。

圖4 實驗現(xiàn)場機器人

機器人實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在開展機器人狀態(tài)監(jiān)測時，狀態(tài)監(jiān)測效果的優(yōu)劣能夠直觀表現(xiàn)出監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測性能。選定機器人旋轉(zhuǎn)角度、角速度以及監(jiān)測時間為系統(tǒng)監(jiān)測性能測試指標，以此測試上述三種系統(tǒng)的監(jiān)測效果。

3.2 機器人旋轉(zhuǎn)角度測試

選定機器人旋轉(zhuǎn)角度為測試指標，采用上述三種系統(tǒng)開展機器人實時狀態(tài)監(jiān)測，測試三種監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同系統(tǒng)的機器人旋轉(zhuǎn)角度監(jiān)測結(jié)果

分析圖5可知，所提系統(tǒng)監(jiān)測出的機器人旋轉(zhuǎn)角度位移曲線監(jiān)測結(jié)果與實際機器人旋轉(zhuǎn)角度位移曲線相接近，而文獻[2]系統(tǒng)與文獻[3]系統(tǒng)測試出機器人旋轉(zhuǎn)角度與實際結(jié)果相差較大，這主要是因為所提系統(tǒng)在建立系統(tǒng)時，采用LoRa傳輸基站完成了機器人運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸，所以該方法的監(jiān)測精度高。

3.3 角速度測試

選取機器人角速度輸出值為測試指標，繼續(xù)對三種機器人運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效果展開測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同系統(tǒng)的機器人角速度測試結(jié)果

分析圖6可知，所提系統(tǒng)測試出的機器人角速度與時間機器人角速度較為接近，而其他兩種方法的角速度測試結(jié)果與實際角速度之間相差較大，由此可知，所提系統(tǒng)在開展機器人狀態(tài)監(jiān)測時的監(jiān)測效果高于文獻[2]系統(tǒng)以及文獻[3]系統(tǒng)。

3.4 監(jiān)測時間測試

基于上述測試結(jié)果，選定不同的監(jiān)測節(jié)點繼續(xù)對所提系統(tǒng)、文獻[2]系統(tǒng)以及文獻[3]系統(tǒng)展開測試，測試三種系統(tǒng)在機器人實時狀態(tài)監(jiān)測時的監(jiān)測時間，結(jié)果如表1所示。

表1 不同監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測時間測試結(jié)果

通過表1測試數(shù)據(jù)可知，隨著監(jiān)測節(jié)點數(shù)量的不斷上升，三種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測時間都呈現(xiàn)出不同的上升趨勢。但是所提系統(tǒng)是三種監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測時間最短的，由此表明所提系統(tǒng)的監(jiān)測效率較高。

通過上述所有測試結(jié)果，可證明所提系統(tǒng)監(jiān)測性能高于其他兩種系統(tǒng)，且具備有效性。

4 結(jié)語

隨著制造業(yè)自動化生產(chǎn)線的發(fā)展，搬運機器人的普遍和應(yīng)用越來越多，對搬運機器人開展必要的狀態(tài)監(jiān)測，就顯得尤為重要。為有效提高生產(chǎn)線搬運機器人狀態(tài)監(jiān)測性能，設(shè)計了基于LoRa基站的生產(chǎn)線重載搬運機器人實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該方法依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求完成了監(jiān)測系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計，最后通過硬件、軟件的結(jié)合，能夠有效實現(xiàn)對機器人的實時狀態(tài)監(jiān)測，并提高生產(chǎn)線搬運機器人狀態(tài)監(jiān)測性能。