交通錐雙撥齒輪投放裝置協(xié)同控制技術(shù)研究

摘要：介紹了一種全新的交通錐自動布放工程車的布放模式及其核心工作部件雙撥齒輪投放裝置，基于這種雙撥齒輪投放裝置的作業(yè)要求，分析了其作業(yè)特點、作業(yè)過程及作業(yè)關(guān)鍵控制點，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了雙撥齒輪的伺服驅(qū)動系統(tǒng)及相關(guān)的硬件配置方案，并詳細闡述了如何實現(xiàn)雙撥齒輪的主從驅(qū)動、原點標(biāo)定、動態(tài)協(xié)同控制、交通錐自動投放間距控制，并提出了異常工況的預(yù)防措施等。

關(guān)鍵詞：交通錐布放工程車；雙撥齒輪；協(xié)同控制

中圖分類號：TP29" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.023

0" " 引言

近年來，高速公路養(yǎng)護行業(yè)面臨著人工成本上漲、安全事故頻發(fā)、施工效率低下等問題，為解決這些問題，各項相關(guān)業(yè)務(wù)都在尋求合適的“機器換人”方案。在交通錐布放作業(yè)領(lǐng)域，當(dāng)前大部分還是采用人工或半自動作業(yè)方式，僅有極少量的交通錐全自動收放工程車在使用，由于作業(yè)速度慢、設(shè)備可靠性差、成本較高、操控復(fù)雜等方面的原因，這些全自動設(shè)備也還未被廣泛使用。

針對這些痛點，開發(fā)了一種全自動交通錐布放工程車，投放速度最高可達10 km/h（4 m間隔），一鍵啟動后的投放過程完全自動控制，無須人工干預(yù)。其核心部分是雙撥齒輪投放裝置，主要包括兩個撥齒輪，二者結(jié)構(gòu)及尺寸完全一樣，兩個撥齒輪的軸平行放置，每個撥齒輪共有6個撥齒，每個撥齒之間的角度為60°，如圖1所示。

兩個撥齒輪的撥齒共同托舉一摞交通錐，當(dāng)兩個撥齒輪同步向內(nèi)旋轉(zhuǎn)60°，則放置一個交通錐至地面，同時下一個交通錐被雙撥齒輪的下一組撥齒托舉，如此往復(fù)，能夠?qū)崿F(xiàn)交通錐的連續(xù)放置。一摞錐筒最多可達20個，工程車前后各設(shè)置一個這種投放裝置，交替放錐，可使放錐速度得到極大的提高。

1" " 控制功能分析

雙撥齒輪投放裝置能夠順利將其承載的交通錐逐一撥投至地面的首要前提是兩個撥齒輪的動作能夠同步，否則其承載的交通錐會出現(xiàn)偏置甚至卡滯，無法順利布放。具體要求為兩個撥齒輪旋轉(zhuǎn)方向相反、旋轉(zhuǎn)角度相同。在工業(yè)控制中，常用的同步控制方法有三種：第一種是在兩個撥齒輪的軸上安裝編碼器進行位置檢測，兩個撥齒輪分別由兩個電機來驅(qū)動，通過同步算法，實現(xiàn)兩個撥齒輪的同步運轉(zhuǎn)[1]；第二種是其中一個撥齒輪由一個電機驅(qū)動，該撥齒輪通過兩個同步齒輪將旋轉(zhuǎn)動作傳遞至另一個撥齒輪，通過機械的方式來實現(xiàn)兩個撥齒輪的同步動作；第三種是采用主從控制方式，即兩個撥齒輪分別由兩個電機獨立驅(qū)動，其中一個撥齒輪作為主機，其旋轉(zhuǎn)的方向和速度通過電氣傳輸至從機，從機驅(qū)動另一個撥齒輪動作，從而實現(xiàn)兩個電機的同步運動。三種方法各有優(yōu)缺點，適用于不同應(yīng)用場景，根據(jù)具體工況可以擇優(yōu)選擇，本文采用主從驅(qū)動方法來實現(xiàn)協(xié)同控制。

其次，在高速公路上布放交通錐時要做到錐筒放置間距均勻、準確，這樣才能對施工區(qū)域和行車區(qū)域進行有效隔離。這就要求在布放交通錐過程中要精確控制雙撥齒輪投放交通錐的時間，進而才能準確控制交通錐落地后的間距。由于在車輛作業(yè)時車速可能出現(xiàn)不同程度的波動，為了準確控制放置交通錐的間距，則投放交通錐的節(jié)奏必須與車輛速度聯(lián)動。

最后，當(dāng)前的全自動交通錐布放作業(yè)設(shè)備在應(yīng)用中遇到的一個瓶頸問題就是其可靠性和穩(wěn)定性不足，導(dǎo)致終端用戶叫好不叫座，因此如何提高裝置的魯棒性并建立較強的容錯機制也是這類全自動設(shè)備面臨的一個主要課題。

2" " 雙撥齒輪協(xié)同控制

2.1" " 硬件設(shè)計

綜合考慮成本、安裝空間、速度、定位準確性，優(yōu)選在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為雙撥齒輪的驅(qū)動裝置。每個撥齒輪采用一個伺服電機來驅(qū)動，伺服電機配置有增量型編碼器和電磁制動單元，每個伺服電機由其各自的伺服驅(qū)動器驅(qū)動，伺服驅(qū)動器支持CAN總線控制功能；控制器作為雙撥齒輪動作控制的核心，通過CAN總線向主伺服驅(qū)動器發(fā)送動作指令，同時主伺服電機運轉(zhuǎn)的狀態(tài)也通過總線反饋給控制器，從機驅(qū)動器與控制器僅通過IO端口連接，不進行總線通信[2]；主伺服驅(qū)動器還同步將主撥齒輪的位置通過脈沖端口發(fā)送給從伺服驅(qū)動器，從伺服驅(qū)動器執(zhí)行跟隨動作。系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示。

2.2" " 靜態(tài)標(biāo)定

兩個撥齒輪在放置錐筒過程中要求時刻保持角度、速度的同步，而且承載交通錐的兩個撥齒在投放前就必須處于水平位置，所以在正式投放錐筒之前就要對兩個撥齒輪的初始位置進行標(biāo)定。為此，在每個撥齒輪的一個撥齒前方各設(shè)置一個位置檢測傳感器，用來標(biāo)定各個撥齒輪的初始位置，要求當(dāng)承載交通錐的撥齒處于水平位置時，撥齒正對著這個位置檢測傳感器。

標(biāo)定時，首先由控制器發(fā)送動作指令至主伺服驅(qū)動器，動作指令正好保證撥齒輪旋轉(zhuǎn)一圈，當(dāng)主電機帶動主撥齒輪旋轉(zhuǎn)時，從伺服驅(qū)動器此時沒有收到控制器發(fā)送的脈沖禁止指令，所以從伺服電機會帶動從撥齒跟隨主機旋轉(zhuǎn)。當(dāng)從撥齒觸發(fā)位置檢測傳感器時，記錄下主伺服驅(qū)動器發(fā)送給控制器的當(dāng)前位置脈沖數(shù)，將這個位置脈沖數(shù)作為從撥齒輪的原點，并由主機驅(qū)動從機旋轉(zhuǎn)至從機的原點位置。接著，控制器通過DO端口給從伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖禁止指令，之后控制器繼續(xù)發(fā)送動作指令至主伺服驅(qū)動器，動作指令正好保證主撥齒輪旋轉(zhuǎn)一圈。當(dāng)主電機驅(qū)動主撥齒輪旋轉(zhuǎn)時，從撥齒輪由于受到脈沖禁止指令會始終靜止不動，當(dāng)主撥齒輪觸發(fā)其位置檢測傳感器時，記錄下主伺服驅(qū)動器發(fā)送給控制器的當(dāng)前位置脈沖數(shù)，將這個位置脈沖數(shù)作為主撥齒輪的原點，然后驅(qū)動主撥齒輪旋轉(zhuǎn)至其原點位置。至此，主從撥齒輪都已經(jīng)處于準確的原點位置，后續(xù)動作過程中只要時刻保持兩個撥齒輪同步動作即可。

2.3" " 動態(tài)協(xié)同

當(dāng)雙撥齒輪執(zhí)行完靜態(tài)標(biāo)定且兩個撥齒輪都處于其原點位置后，可以驅(qū)動車輛配置的輔助裝置將一摞交通錐轉(zhuǎn)運至雙撥齒輪上，由雙撥齒輪承載這一摞交通錐，至此就完成了交通錐放置前的準備工作，可以開始放置交通錐。放置時，首先由控制器發(fā)送向內(nèi)旋轉(zhuǎn)指令給主伺服驅(qū)動器，即60°對應(yīng)的脈沖數(shù)，一旦主伺服電機開始旋轉(zhuǎn)，主伺服驅(qū)動器將實時發(fā)送其位置脈沖給從伺服驅(qū)動器，從伺服驅(qū)動器接收到脈沖后，實時跟隨主機的速度和位置，這樣主撥齒輪和從撥齒輪就實現(xiàn)了同步向內(nèi)旋轉(zhuǎn)動作，其承載的第一個交通錐則失去了兩個撥齒的支撐，在重力作用下自由下落至地面。在這個過程中，從撥齒輪滯后于主機的時間僅僅是主機驅(qū)動器發(fā)送其脈沖給從機驅(qū)動器的信號傳輸和解析時間，理論上該時間長度應(yīng)為毫秒級，不會導(dǎo)致?lián)荦X輪上承載的交通錐在放置過程中發(fā)生不可接受的偏置，而且最終從撥齒輪旋轉(zhuǎn)的角度會與主撥齒輪保持一致。

另外，為控制兩個相鄰交通錐在地面上的距離，需要準確控制雙撥齒輪旋轉(zhuǎn)的時間間隔，而控制上述時間間隔的原則是計算車輛在放置前一個交通錐后所行駛的距離大于或等于設(shè)置值。為準確計算該距離，控制器會通過總線實時獲取汽車底盤ECU發(fā)送的車輛速度，并對車輛速度進行積分計算，當(dāng)計算出車輛當(dāng)前位置距離上一個已放置的交通錐的距離達到設(shè)定值時，再次驅(qū)動雙撥齒輪向內(nèi)旋轉(zhuǎn)60°，放置第二個交通錐至地面，如此循環(huán)，直至雙撥齒輪承載的交通錐放置完畢。

控制器通過ECU獲取的車速肯定滯后于實際車速，這就導(dǎo)致交通錐放置間隔與設(shè)置值會存在差異，尤其是當(dāng)車輛行駛速度不穩(wěn)定時，這時交通錐間距也會出現(xiàn)明顯不均勻的現(xiàn)象。為了解決該問題，可以從三個方面進行處理：首先是可以提高控制器接收車速信息的周期和精度，從而進一步縮小因車速滯后導(dǎo)致的間隔偏差；其次是在對車輛行駛距離進行積分運算時，對該距離進行補償，補償?shù)臄?shù)值可以是ECU通過總線發(fā)送車速報文的周期內(nèi)車輛行駛的距離，通過補償后控制器計算的車輛行駛距離進一步逼近真實值；最后，剩下的誤差是由ECU發(fā)送的車速偏差導(dǎo)致的，這可以通過對ECU發(fā)送至總線的車速進行標(biāo)定來解決。

2.4" " 異常工況處理

經(jīng)過上述的靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)協(xié)同控制后，投放裝置的全自動放錐功能基本得到實現(xiàn)。但在投放交通錐的過程中，不可避免地會出現(xiàn)一些異常工況，這些工況會嚴重影響雙撥齒輪的同步性，給施工過程帶來極大的不便。

一種情況是，在放置交通錐的過程中，系統(tǒng)突然斷電，雙撥齒輪的驅(qū)動電機突然失去電磁力，但雙撥齒輪上還有交通錐未放置完畢，此時雙撥齒輪在交通錐重力作用下旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致交通錐落地，撥齒輪也不再同步。為解決該問題，特在每個電機上設(shè)置一套電磁制動單元。每次伺服驅(qū)動器通電使能時，同時給制動單元通電，將制動裝置釋放，此時電機轉(zhuǎn)子受電磁力的控制處于零速鎖定狀態(tài)，只有當(dāng)控制器發(fā)送旋轉(zhuǎn)指令時，電機轉(zhuǎn)子才會動作；當(dāng)伺服驅(qū)動器斷電時，電機轉(zhuǎn)子失去電磁力的控制，同時必須切斷制動單元的供電，使制動裝置抱死，電機轉(zhuǎn)子受制動裝置控制，也不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而確保在兩個撥齒輪初始位置一致的情況下，運行過程中從撥齒輪會實時跟隨主撥齒輪旋轉(zhuǎn)，斷電后也將保持斷電前的位置不變，直至下一次通電后控制器發(fā)送動作指令給主伺服驅(qū)動器，這樣就實現(xiàn)了雙撥齒輪的電氣同步控制。

另一種情況是，在協(xié)同動作的過程中，從伺服驅(qū)動器檢測到異常，從伺服電機被鎖定，這時從伺服驅(qū)動器無法有效執(zhí)行主伺服驅(qū)動器發(fā)送的動作指令，導(dǎo)致主伺服電機驅(qū)動撥齒輪動作時，從撥齒不動作，雙撥齒輪的旋轉(zhuǎn)動作不再同步。這個時候雙撥齒輪承載的交通錐會出現(xiàn)嚴重偏載的現(xiàn)象，主撥齒側(cè)的交通錐底座被主撥齒旋轉(zhuǎn)撥動至撥齒下方，而從撥齒側(cè)的交通錐底座因從撥齒輪被鎖定無法動作仍然被從撥齒承載，此時放錐過程已經(jīng)無法順利進行，還給后期的錐筒姿態(tài)恢復(fù)處理帶來極大的困難。針對這種情況，將從伺服驅(qū)動器的故障信號從其數(shù)字輸出端口輸出至主伺服驅(qū)動器的數(shù)字輸入端口，并將主伺服驅(qū)動器該輸入端口的功能配置為急停，這樣在從伺服出現(xiàn)故障并鎖定后，從伺服驅(qū)動器通過數(shù)字輸出端口將故障信號發(fā)送至主伺服驅(qū)動器的數(shù)字輸入端口，主伺服驅(qū)動器檢測到該信號后立即緊急停機，不再執(zhí)行控制器發(fā)送的旋轉(zhuǎn)指令，此時主從撥齒輪仍然處于同步狀態(tài)，同時由主伺服將故障信號上報至控制器，進行系統(tǒng)的聯(lián)鎖停機和故障報警[3]。

3" " 實驗結(jié)果

上述對雙撥齒輪控制系統(tǒng)的設(shè)計實施后，經(jīng)過反復(fù)調(diào)校，進行交通錐放置實驗。實驗條件：放錐間隔設(shè)置為4 m，放錐長度400 m，放錐過程中施工車輛開啟定速巡航模式，定速5 km/h，并在實驗過程中利用數(shù)據(jù)采集儀實時監(jiān)測雙撥齒輪兩個伺服電機的負載情況。根據(jù)電流變化的前后時間差異數(shù)據(jù)得出從撥齒輪滯后時間平均約為50 ms，從撥齒輪滯后主撥齒輪的最大角度約為4°，圖3為節(jié)選的一段雙撥齒輪伺服電機負載曲線圖。放置至地面的錐筒間隔實測平均值為3.97 m，標(biāo)準差為0.074 m，放錐效果如圖4所示。

從實際測試效果來看，該方案的雙撥齒輪同步性能良好，放錐間距均勻準確，具有較好的實用性。

[參考文獻]

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[3] 宋科，曹建福，譚亞麗.大型龍門式包裝機雙軸同步控制技術(shù)研究及應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2020（8）：147-153.

收稿日期：2024-04-22

作者簡介：郭柏甫（1987—），男，四川蒼溪人，工程師，主要從事道路養(yǎng)護施工工藝研究及養(yǎng)護裝備開發(fā)工作。