一種叉車智能感知控制系統(tǒng)

李 根

叉車行業(yè)是物流運(yùn)輸、大型設(shè)備制造、倉(cāng)儲(chǔ)管理等工業(yè)搬運(yùn)領(lǐng)域的一種重要設(shè)備，具有智能控制的叉車得到越來(lái)越多的重視，叉車的市場(chǎng)需求量每年都在高速的增長(zhǎng)，叉車性能的安全保證逐漸成為大眾重視的焦點(diǎn)，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(guò)程組成，本課題通過(guò)壓縮感知原理，對(duì)叉車狀況深入分析，設(shè)計(jì)一款叉車智能控制系統(tǒng)，并結(jié)合自適應(yīng)診斷技術(shù)進(jìn)行叉車狀態(tài)信號(hào)重構(gòu)，分析重構(gòu)信號(hào)與系統(tǒng)輸出的實(shí)際測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)叉車智能控制的目的。

在國(guó)際市場(chǎng)，尤其是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在叉車的智能研究控制領(lǐng)域一直都處于領(lǐng)先地位。我國(guó)由于對(duì)叉車智能控制方面的重視程度不夠，導(dǎo)致我國(guó)叉車的生產(chǎn)質(zhì)量和性能均處于落后水平。有效解決叉車的市場(chǎng)需求，除了提高生產(chǎn)水平外，還可以增加故障檢測(cè)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(gè)亟待解決的問(wèn)題。目前，在叉車的感知控制方面，國(guó)內(nèi)理論研究較少。

對(duì)于叉車感知控制系統(tǒng)而言，能夠精準(zhǔn)獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的來(lái)源主要有以下幾點(diǎn)：首先需要想辦法提高信號(hào)的采樣頻率和數(shù)據(jù)的運(yùn)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(zhǎng)系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)時(shí)間[1]。通過(guò)這些措施，將更有利于獲取更全面的叉車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，這對(duì)于叉車的健康監(jiān)測(cè)無(wú)疑是一個(gè)利好因素。

綜上所述，智能控制技術(shù)將推動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)逐漸轉(zhuǎn)型為新型產(chǎn)業(yè)。促進(jìn)技術(shù)紅利快速增長(zhǎng)。企業(yè)依賴智能控制領(lǐng)域，可以提高生產(chǎn)效率、完善產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)、成為高新技術(shù)的領(lǐng)頭軍。

1 總體技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)靈活、簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)信號(hào)，本課題結(jié)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(shí)現(xiàn)壓縮感知的前提條件是信號(hào)合理地進(jìn)行稀疏分解，如果數(shù)據(jù)在稀疏分解中出現(xiàn)異?；騺G失，則從壓縮數(shù)據(jù)中很難恢復(fù)出原始的高維信號(hào)，也就失去了數(shù)據(jù)壓縮的實(shí)際意義；將不同的傳感器所獲取到的叉車數(shù)據(jù)信息進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，是壓縮感知最重要一環(huán)[2]。因此，壓縮感知是研究本項(xiàng)目應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。因此亟待解決以下問(wèn)題：

a、叉車在運(yùn)行過(guò)程如何能更精確更實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)傳感器的選用提出了更嚴(yán)的要求，特別是對(duì)于叉車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)采樣傳感器和高速采樣設(shè)備，就可以完成對(duì)叉車更精準(zhǔn)的檢測(cè)，但帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)將顯著增加。

b、由于叉車的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致需要傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)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Α?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(huì)造成數(shù)據(jù)冗余量增加，導(dǎo)致信號(hào)處理和計(jì)算代價(jià)攀升。

為了有效解決上述問(wèn)題，本項(xiàng)目組成員不斷嘗試，根據(jù)Compressed Sensing，CS 技術(shù)（壓縮感?知技術(shù)），將數(shù)據(jù)的采樣和壓縮過(guò)程進(jìn)行綜合分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本分析提取后進(jìn)行壓縮，在解決了成本問(wèn)題的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了叉車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制。本項(xiàng)目研究思路如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目研究思路

壓縮采樣是整個(gè)壓縮感知研究的重點(diǎn)。將壓縮感知原理應(yīng)用到叉車狀態(tài)檢測(cè)中，能夠得到了較好的效果。利用更精準(zhǔn)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(guò)程中存在的壓力，并高效地實(shí)現(xiàn)叉車機(jī)械信號(hào)的數(shù)據(jù)壓縮、信號(hào)診斷以及智能控制等。還可以將壓縮感知的相關(guān)應(yīng)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(shè)計(jì)

根據(jù)2019 年數(shù)據(jù)顯示，全球半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，僅一年的銷售數(shù)量就高達(dá)九千多億顆，銷售額高達(dá)五千多億美元，智能裝備的快速發(fā)展更離不開(kāi)半導(dǎo)體芯片，因此，選擇一款經(jīng)濟(jì)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口，高速大容量存儲(chǔ)器使得程序設(shè)計(jì)更加靈活方便。其具有的豐富I/O 端口和APB 總線的外設(shè)，使得該微控制器適合于電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、醫(yī)療和手持設(shè)備、警報(bào)系統(tǒng)以及各種工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域等。

本系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、易于移植、預(yù)留功能擴(kuò)展及升級(jí)接口。并將系統(tǒng)各部分功能進(jìn)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(hào)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)輸出子系統(tǒng)等組成。STM32 主控制器作為系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的大腦，負(fù)責(zé)收集與處理各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

采用一個(gè)穩(wěn)定的電源控制電路是滿足整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)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(hào)采用壓敏電阻和TVS 管相結(jié)合的方式，有效地抑制了因叉車發(fā)動(dòng)機(jī)電源波動(dòng)或電磁干擾對(duì)控制器電源產(chǎn)生的影響，穩(wěn)壓電源部分的設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，不僅解決了控制器電源的散熱問(wèn)題，還進(jìn)一步提高了電源的有效利用率，電源輸出驅(qū)動(dòng)部分具有信號(hào)回路檢測(cè)功能，電路回路檢測(cè)功能即時(shí)有效地將系統(tǒng)異常信號(hào)反饋給中央處理單元，通過(guò)儀表上報(bào)異常信息或及時(shí)切斷輸出電源，維護(hù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)采集子系統(tǒng)由多個(gè)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(gòu)造，運(yùn)用SolidWorks 對(duì)叉車門架系統(tǒng)進(jìn)行建模分析[3]，研究叉車門架在各種狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果，完成了叉車門架的信號(hào)采樣與設(shè)計(jì)；通過(guò)速度傳感器，實(shí)時(shí)采集叉車變速箱的信號(hào)，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，總結(jié)叉車的換擋規(guī)律，實(shí)現(xiàn)叉車的自動(dòng)節(jié)能換檔控制，結(jié)果表明，利用節(jié)能換檔規(guī)律實(shí)現(xiàn)叉車自動(dòng)換檔可以使燃油經(jīng)濟(jì)性提高了約4%，速度傳感器結(jié)合扭矩傳感器可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制，扭矩傳感器通過(guò)檢測(cè)方向盤上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，將信號(hào)傳給中央處理單元，經(jīng)運(yùn)算分析后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)叉車的助力轉(zhuǎn)向控制，有效解決了傳統(tǒng)叉車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中存在的效率低、難維護(hù)的缺點(diǎn)。

數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)叉車發(fā)動(dòng)機(jī)與儀表的通信，叉車的相對(duì)運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)叉車的數(shù)據(jù)通訊要求比較嚴(yán)格。STM32 微控制器總線上提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CAN 通信接口，結(jié)合CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線所具有的高速和雙向多點(diǎn)的特點(diǎn)，更加廣泛地應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)控設(shè)備上，通過(guò)CAN 總線與叉車的通信接口的耦合，實(shí)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(jí)提供了便利。

驅(qū)動(dòng)輸出子系統(tǒng)由光電耦合器經(jīng)大功率MOS 驅(qū)動(dòng)電路組成，可以直接實(shí)現(xiàn)門架，行車輸出，比例等大功率電磁閥負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，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(qū)動(dòng)輸出子系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步抑制了噪聲干擾。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3 智能叉車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

叉車的智能控制必須采用合理的軟件平臺(tái)，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

軟件系統(tǒng)是保障叉車運(yùn)行的核心，也關(guān)系到系統(tǒng)中每個(gè)模塊正常運(yùn)行。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和功能的高效性是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的保障。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及可靠性，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上采用自下而上的模塊化軟件原則，通過(guò)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）來(lái)實(shí)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(qiáng)大的資源，通過(guò)任務(wù)調(diào)度，簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上提供及時(shí)響應(yīng)和高可靠性的特點(diǎn)。

軟件系統(tǒng)根據(jù)外設(shè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別，進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，每個(gè)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(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)篩選、壓縮、處理和信號(hào)重現(xiàn)等功能，構(gòu)造數(shù)據(jù)壓縮算法，在叉車狀態(tài)感知狀態(tài)下進(jìn)行稀疏變換。

4 智能叉車控制系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

該控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不斷合理優(yōu)化，已具備很強(qiáng)的抗干擾能力，且所有驅(qū)動(dòng)輸出電路均具有光電隔離功能，避免了因環(huán)境擾動(dòng)或電磁干擾對(duì)控制器帶來(lái)的影響。從系統(tǒng)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，將該系統(tǒng)運(yùn)用在叉車裝置中，提升了傳統(tǒng)叉車實(shí)際運(yùn)行下的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和性能穩(wěn)定性等基本要求?？刂葡到y(tǒng)測(cè)試各項(xiàng)功能和指標(biāo)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(xí)慣，自動(dòng)換擋功能更是操作簡(jiǎn)單易用，耐久性實(shí)驗(yàn)增加了企業(yè)的認(rèn)可程度，系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通訊及CRC 檢驗(yàn)功能，有效保障了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，駕駛員更直觀的通過(guò)儀表信息了解叉車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)狀況，控制系統(tǒng)的研制，受到當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的高度評(píng)價(jià)。

5 小結(jié)

本文針對(duì)叉車機(jī)械領(lǐng)域，從智能控制方面著手，結(jié)合壓縮感知原理，通過(guò)重構(gòu)叉車狀態(tài)的有效數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)叉車工藝的基礎(chǔ)上，從叉車狀態(tài)感知的實(shí)時(shí)性到系統(tǒng)穩(wěn)定性圍繞數(shù)據(jù)收斂算法進(jìn)一步優(yōu)化。最終實(shí)現(xiàn)了叉車和感知技術(shù)的有效融合。