紅外光幕在地鐵屏蔽門障礙物探測中的研究

王瑞峰，楊子河，孔維珍

(蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

0 引言

現(xiàn)有地鐵屏蔽門(PSD)障礙物探測系統(tǒng)主要用于障礙物的探測方法是將門速曲線中預(yù)期的電機電流和測量到的電機電流進行的對比而判斷障礙物的所在，任何門速的改變都可以通過門控制單元(door control unit，DCU)中的微控制器使用標(biāo)準(zhǔn)電動機電流去計算障礙物對門施加的壓力，從而探測障礙物所在。當(dāng)探測到障礙物存在時，微控制器會啟動指定的障礙物探測程序來控制屏蔽門的開關(guān)狀態(tài)。該控制方案存在以下不足［1］:

1)屏蔽門障礙物探測系統(tǒng)系統(tǒng)所能探測到的最小障礙物的尺寸為4 mm×40 mm，對于這類障礙物，通過門速曲線的改變來探測已經(jīng)不能滿足精度的要求，如果將精度調(diào)高了，當(dāng)門的實際速度曲線與設(shè)定速度曲線不符合時，又會影響門機控制單元對電壓的校正功能。這樣就很難找到一個既能滿足精度要求又能不影響預(yù)設(shè)門速曲線的平衡點。

2)通過門速度曲線探測障礙物方法中預(yù)期電機的電流對應(yīng)于一定的夾緊力，在地鐵驗收過程中使用4 mm×40 mm的鋼條來檢測的目的就是通過鋼條的剛性來感知該鋼條對屏蔽門施加的壓力。而對于質(zhì)地較軟的障礙物，就不能通過該方法進行探測，當(dāng)有衣服、領(lǐng)帶、背包帶、皮革等障礙物存在時，就容易造成安全隱患。如上海地鐵的1#，2#線屏蔽門中，大部分預(yù)期電機電流設(shè)置較高，該部分屏蔽門基于歐洲應(yīng)用交通環(huán)境生成，適應(yīng)于客流不擁擠的情況，在國內(nèi)應(yīng)用后屢屢發(fā)生夾人事故［2］。

紅外光幕是通過控制系統(tǒng)同時控制紅外發(fā)射器發(fā)送信號和紅外接收器接收信號，并將接收管探測到的信號反饋給控制系統(tǒng)，這樣就形成一個保護回路。如果該回路出現(xiàn)故障，紅外光幕就會發(fā)出報警，因而，它是一種失效安全的保護裝置［3］。本文利用紅外光幕設(shè)計了一種適合屏蔽門障礙物探測的方案，并結(jié)合數(shù)字信號處理器(DSP)的無刷直流電機控制技術(shù)和模糊PID控制算法，完成屏蔽門障礙物探測的設(shè)計，為進一步研究該方案的可行性應(yīng)用提供了有效的科學(xué)依據(jù)。

1 紅外光幕探測原理

構(gòu)成紅外光幕的紅外光束示意圖如圖1所示，其中，圖1(a)為直線掃描模式下的光束示意圖;圖1(b)為交叉掃描模式下的光束示意圖。

圖1 紅外光束示意圖Fig 1 Diagram of infrared beams

在直線掃描情況下，控制系統(tǒng)只接收與紅外發(fā)射管相對應(yīng)的紅外接收管的信號。當(dāng)控制系統(tǒng)以一定的周期對每一對紅外發(fā)射管和紅外接收管進行循環(huán)掃描時，就形成了一條條平行的紅外光束組成的紅外保護光幕。該情況下平行光束之間的距離，即為掃描盲區(qū)。由于紅外發(fā)射管的出射光不是像激光一樣的直線，而是有較大的發(fā)射角，雖然與之對應(yīng)的接收管接收到了其中的一條或多條光束，但其余光均能投射在相鄰的一組或多組紅外接收管上，若在一個紅外發(fā)射管發(fā)射時，控制多個紅外接收管依此接收該發(fā)射管發(fā)射的光束，并周期性地對每條光束進行循環(huán)掃描，就形成了圖1(b)所示的交叉掃描方式。直線掃描方式由于光束少而存在較大掃描盲區(qū)，而交叉掃描方式有了交叉光束，就可以用較少的紅外發(fā)射管和紅外接收管，組成較密集的保護光束，有效地減少了探測盲區(qū)，形成一道隱形的紅外保護光幕。

圖2給出了相鄰2對發(fā)射管互不干擾條件下的光束示意圖。

圖2 相鄰2對發(fā)射管互不干擾條件Fig 2 Conditions of two pairs adjacent transmitting tube without mutual interference

當(dāng)已知發(fā)射管的發(fā)射角為α，發(fā)射管與接收管之間的距離為L，則可以通過式(1)推導(dǎo)出2組紅外光對射管互不干擾的最小距離d，即

另外，在已知發(fā)射管直徑Φ的前提下，可以計算出安全光幕的分辨率為

式中D為安全光幕所能探測到的最小障礙物的尺寸。

紅外光幕的紅外發(fā)射和接收通路數(shù)目理論上最大可有215個［4］，考慮到地鐵屏蔽門的高度和紅外光幕上下通路之間的間距，一般不會超過64個;而地鐵屏蔽門的有效探測區(qū)域為1 900 mm(寬)×2 000 mm(高)，故紅外光幕能探測到的最小障礙物直徑約為30 mm。

2 地鐵屏蔽門障礙物探測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 屏蔽門障礙物探測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

地鐵屏蔽門障礙物探測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 屏蔽門障礙物探測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig 3 Hardware structure of platform screen door obstacle detecting system

其工作原理為:在屏蔽門關(guān)門過程中DSP通過I/O口一方面控制紅外光幕執(zhí)行障礙物探測功能，另一方面采集紅外光幕系統(tǒng)中障礙物的探測信號，并根據(jù)所采集的信號，通過其內(nèi)部的事件管理器選擇所需速度曲線，與此同時，DSP還通過捕獲單元捕捉霍爾傳感器所探測的轉(zhuǎn)速脈沖信號的寬度［5］，從而計算出電機的轉(zhuǎn)速，并與所選速度曲線比較后，利用模糊PID控制算法產(chǎn)生合適的正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)信號，給驅(qū)動電路提供合適的驅(qū)動邏輯電平，控制電機的轉(zhuǎn)速跟隨所選速度曲線的設(shè)定值進行平滑調(diào)速;此外，DSP還經(jīng)I/O和A/D口采集外部輸入信號(如過電流保護信號、過電壓保護信號、過溫保護信號)，實時控制電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)采集到系統(tǒng)運行異常時會及時中斷電機運行并發(fā)出聲光報警提示;以及通過SCI口將系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過CAN總線傳輸給上位機，為系統(tǒng)提供遠程監(jiān)控的窗口。

2.2 系統(tǒng)控制策略的設(shè)計

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)全數(shù)字雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)、外環(huán)是速度環(huán)。其中，速度環(huán)控制器采用模糊PID控制算法;電流環(huán)控制器采用PID控制算法;這樣就可以使電流緊緊跟隨速度控制器的輸出，防止系統(tǒng)擾動。系統(tǒng)中PWM占空比的控制量是先通過給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量比較后形成偏差，經(jīng)速度環(huán)控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，然后與電流反饋量比較并形成偏差，最后經(jīng)電流環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后形成。系統(tǒng)通過速度環(huán)的模糊PID控制算法和電流環(huán)的PID控制算法的有效結(jié)合，使系統(tǒng)具有較強的魯棒性和適應(yīng)性，確保速度主被控量的控制質(zhì)量［6］。系統(tǒng)控制策略框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制策略框圖Fig 4 Block diagram of system control strategy

2.3 模糊控制器設(shè)計

從圖4可以看出:速度環(huán)控制器的給定轉(zhuǎn)速值nr和反饋轉(zhuǎn)速值nnf的偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，并利用模糊規(guī)則進行模糊推理，對在線PID參數(shù)進行修改，然后，以Kp，Ki，Kd作為輸出，并通過速度PID控制器產(chǎn)生電流參考量，與電流環(huán)的反饋值比較和形成偏差，從而實現(xiàn)電流環(huán)的PID控制。在運行中系統(tǒng)自動找出PID與偏差e和偏差變化率ec的模糊關(guān)系，并不斷檢測e和ec，再根據(jù)模糊控制控制原理對這3個參數(shù)進行在線修正，以滿足不同的e和ec下被控過程對ΔKp，ΔKi，ΔKd的要求。

在建立模糊規(guī)則時，可將速度偏差e和偏差變化率ec量化為7個模糊子集，即模糊語言變量={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，簡記{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}［7］。綜合考慮速度偏差e和速度偏差變化率ec這2個信號，可采用如下的模糊推理規(guī)則:

if Eis NB and EC is NB then Kpis PB，Kiis NB，Kdis NS.

由于e和ec各有一個模糊子集。所以，共有49條模糊規(guī)則，其具體規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab 1 Fuzzy control rules table

Kp，Ki，Kd的模糊控制規(guī)則表建立好后，可采用加權(quán)平均法計算出輸出量ΔKp，ΔKi，ΔKd的確定值，并代入式(3)計算

式中Kp0=0.5，Ki0=0.03，Kd0=0.1為用工程經(jīng)驗法整定出的初值。

在連續(xù)時間域上，PID控制器具有如下形式［8］

將式(4)離散化，用寬為Td，高為e(iTd)(i=0，1，2，…，Td為采樣間隔)的小矩形面積和近似代替積分，可得離散線性PID控制器的遞歸方程為

式中Kpd=Kp，Kid=KpTd/Ti和KDd=KpTd/TD分別為相應(yīng)的比例、積分、微分增益常量。

PID控制器的離散形式式(5)不易于實現(xiàn)，因為它包含所有以前時刻的控制誤差值求和，較好的解決辦法是采用增量式作為控制器的輸出，即

式中un為速度控制器輸出的控制量，Ki=KpT/Ti，Kd=KpTd/Ti，T=10 ms。

在線性運行過程中，控制系統(tǒng)通過邏輯運算得出Kp，Ki，Kd的值并完成對PID參數(shù)的在線自校正。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

在本系統(tǒng)中，通過Matlab/Simulink工具中的功能模塊和C MEX S函數(shù)及子系統(tǒng)封裝等模型優(yōu)化技術(shù)構(gòu)建了系統(tǒng)主要控制模型，包括速度給定模塊、模糊PID控制模塊、電機控制模塊，PWM發(fā)生模塊、功率驅(qū)動模塊、無刷直流電機的模快、反電動勢模塊等，通過這些模塊及其函數(shù)構(gòu)建出地鐵屏蔽門障礙物探測系統(tǒng)模型，并對系統(tǒng)正常關(guān)門過程和遇障礙物時的關(guān)門過程進行仿真。系統(tǒng)所用無刷直流電機的仿真參數(shù)如表2所示。

表2 無刷直流電機模型仿真參數(shù)Tab 2 Simulation parameters of BLDCM model

系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)中的系統(tǒng)正常關(guān)門時的速度曲線中可以看出:使用傳統(tǒng)PID對系統(tǒng)進行控制時的超調(diào)量比使用模糊PID控制時的超調(diào)量要大，超調(diào)時間(傳統(tǒng)PID控制為1 194 ms，模糊PID控制為598 ms)也要高出近1倍，而超調(diào)量和超調(diào)時間是評定一個閉環(huán)實時控制系統(tǒng)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”的關(guān)鍵指標(biāo)。在屏蔽門障礙物探測系統(tǒng)中采用模糊PID控制算法不僅提高了系統(tǒng)對無刷直流電機的控制精度，另一方面，由于系統(tǒng)的響應(yīng)時間的縮短，也節(jié)約了障礙物探測過程所需的時間，從而間接地提高了障礙物探測的精度;另外，從整個曲線可以看出:使用模糊PID控制時，系統(tǒng)能夠很好地跟隨給定速度曲線進行調(diào)速控制。圖5(b)給出了系統(tǒng)在遇到障礙物且障礙物一直存在時的關(guān)門速度曲線的仿真圖，該曲線主要通過編程實現(xiàn)速度的給定來驗證系統(tǒng)在遇到障礙物時的關(guān)門流程，從而證明系統(tǒng)在遇到障礙物時能通過運行障礙物探測程序?qū)崿F(xiàn)障礙物的智能探測。

4 結(jié)束語

本文在分析現(xiàn)有地鐵屏蔽門障礙探測系統(tǒng)所存在的不足和安全光幕探測原理的基礎(chǔ)上，提出采用安全光幕進行地鐵屏蔽門障礙物的探測方法來解決對尺寸小于4 mm×40 mm的細軟障礙物探測的不足;同時，結(jié)合DSP的控制技術(shù)和模糊PID控制算法實現(xiàn)整個屏蔽門障礙物探測系統(tǒng)的設(shè)計，重點對模糊PID控制器的設(shè)計進行了研究;最后，在Matlab/Simulink環(huán)境中構(gòu)建了整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對系統(tǒng)在正常情況和遇到障礙物時的關(guān)門過程進行仿真分析。仿真結(jié)果表明:與傳統(tǒng)PID控制相比，模糊PID控制具有較小的超調(diào)量和超調(diào)時間，而且系統(tǒng)能很好地跟隨給定速度進行調(diào)節(jié)控制，不僅滿足了實時控制系統(tǒng)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”的要求，而且還間接提高了地鐵屏蔽門障礙物探測的精度。

圖5 系統(tǒng)在正常情況和遇障礙物時的關(guān)門速度曲線Fig 5 Curve of system door closing speed in the situation of normal and encounter obstacles

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