李 鵬,戴亞文,李小強(qiáng)

(武漢理工大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢430070)

0 引言

研制導(dǎo)軌式殘障人運(yùn)送升降機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“升降機(jī)”)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)是國(guó)家科技部支撐計(jì)劃“室內(nèi)移動(dòng)輔具關(guān)鍵技術(shù)與目標(biāo)產(chǎn)品研發(fā)”課題中的一項(xiàng)任務(wù),其目的是為軌道式殘障人運(yùn)送升降機(jī)的研制、檢測(cè)和驗(yàn)收創(chuàng)造條件。

目前測(cè)試平臺(tái)所采用的數(shù)據(jù)傳輸方案大致可分為有線傳輸和無(wú)線傳輸2種。有線傳輸?shù)姆桨赣捎趯?dǎo)線容易磨損和布線難等問(wèn)題并不適用于疲勞性測(cè)試項(xiàng)目,而現(xiàn)有的無(wú)線技術(shù)已經(jīng)完全能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的傳輸速度需要。因此,系統(tǒng)選用無(wú)線傳輸?shù)姆桨覆⑨槍?duì)無(wú)線方案所主要面臨的數(shù)據(jù)通信沖突、系統(tǒng)的魯棒性與數(shù)據(jù)的可靠性等問(wèn)題提出了解決方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為硬件設(shè)備和軟件協(xié)議2個(gè)部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件設(shè)備由主要分為測(cè)試平臺(tái)終端設(shè)備和無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)備2個(gè)大模塊。測(cè)試平臺(tái)終端設(shè)備主要由電源管理模塊、傳感器模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。設(shè)計(jì)中選用拉線位移傳感器測(cè)量被測(cè)設(shè)備的位置狀態(tài)與速度、加速度信息,選用拉力傳感器測(cè)量被測(cè)設(shè)備的載荷狀態(tài),藉此以得到被測(cè)設(shè)備在不同條件下的特性,為產(chǎn)品的安全性、可靠性和耐久性生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建、數(shù)據(jù)和控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)與處理,實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)的終端設(shè)備與測(cè)試終端PC機(jī)或筆記本電腦的通信。它主要由數(shù)據(jù)處理模塊和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊組成。

軟件協(xié)議部分包括上位機(jī)軟件和通信協(xié)議。上位機(jī)軟件由NI公司的LabVIEW軟件編寫(xiě)[1],為用戶(hù)提供完善的人機(jī)交互功能,通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)控制硬件的運(yùn)行,同時(shí),硬件運(yùn)行所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)處理、顯示和保存,存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)ASP調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)能夠隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)站了解設(shè)備的測(cè)試情況。根據(jù)測(cè)試的具體要求,通信協(xié)議在基于802.15.4協(xié)議依照系統(tǒng)的需求進(jìn)行了優(yōu)化[2],提出了適用于測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議和數(shù)字濾波算法,保障了測(cè)試平臺(tái)工作的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件組成

設(shè)計(jì)采用無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,需要數(shù)據(jù)處理與射頻收發(fā)設(shè)備。結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)在的通信方式與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),選擇TI公司的CC2430處理器作為測(cè)試平臺(tái)終端設(shè)備和無(wú)線網(wǎng)關(guān)的核心器件。該芯片支持IEEE802.15.4通信標(biāo)準(zhǔn),在芯片內(nèi)部集成了8通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和射頻收發(fā)器,具有大量的I/O接口,有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展[3]。

系統(tǒng)選用MIRAN公司MPS-M-2000-V2拉線位移傳感器和蚌埠天光測(cè)控儀表廠的TJL-1型拉力傳感器。MPS-M-2000-V2拉線位移傳感器有效量程可達(dá)2 000 mm,線性精度為0.3%FS,牽引力最大可達(dá)2.5 kg。TJL-1型拉力傳感器額定載荷為150 kg,靈敏度為2.0 mV/V。2款高精度的傳感器完全可以準(zhǔn)確地反應(yīng)升降機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí),CC2430內(nèi)置的高精度定時(shí)器能精確地控制AD轉(zhuǎn)換的速率。由于升降機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中不可能有很大的速度和加速度,因此,根據(jù)位移計(jì)算公式:S=v*t+*a*t2,可以通過(guò)拉線位移傳感器和CC2430處理器得到在時(shí)間t時(shí)的位移量S,然后通過(guò)位移計(jì)算公式得出升降機(jī)的運(yùn)行速度和加速度。這樣可以避免額外增加一個(gè)加速度傳感器,節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用蓄電池進(jìn)行供電。在硬件設(shè)計(jì)中,拉線位移傳感器用12 V電源供電,拉力傳感器和主處理器CC2430采用3.3 V電源供電。標(biāo)準(zhǔn)的蓄電池有12 V和24 V的,但其在使用過(guò)程中,輸出電壓有較大的波動(dòng),直接使用12 V的蓄電池給拉線位移傳感器供電會(huì)影響傳感器的精度。因此,采用24 V蓄電池作為系統(tǒng)電源,選用LM2576電源芯片,輸出12 V和3.3 V給系統(tǒng)供電。

從電機(jī)控制電路過(guò)來(lái)的信號(hào)接口,其高電平達(dá)5 V,而CC2430處理器的控制信號(hào)高電平為3.3 V。這種電平不兼容性在直接連接時(shí),不能實(shí)現(xiàn)控制功能,而且有可能損壞器件。因此,應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器件TLP281設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路,實(shí)現(xiàn)信號(hào)電平的兼容。

3 系統(tǒng)上位機(jī)軟件

系統(tǒng)所述的上位機(jī)軟件是利用NI公司的LabVIEW環(huán)境編寫(xiě),界面友好,方便人機(jī)交互。軟件的主要功能是實(shí)時(shí)接收由串口傳遞的測(cè)試數(shù)據(jù)并加以分包、計(jì)算、處理、顯示及保存。用戶(hù)通過(guò)上位機(jī)軟件能夠便捷地了解到測(cè)試過(guò)程的具體情況并能對(duì)測(cè)試進(jìn)行具體的操作。

3.1 軟硬件握手

為了提高系統(tǒng)的魯棒性,避免PC機(jī)異?？ㄋ缹?duì)硬件產(chǎn)生的影響,上位機(jī)軟件每隔5 s通過(guò)數(shù)據(jù)接收終端向數(shù)據(jù)發(fā)送終端發(fā)送握手命令。握手的應(yīng)用能夠防止當(dāng)PC機(jī)斷電或windows意外死機(jī)時(shí)候升降機(jī)仍然繼續(xù)按照預(yù)定的測(cè)試次數(shù)繼續(xù)測(cè)試。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)保存以及遠(yuǎn)程訪問(wèn)

利用工具包LabVIEW SQL Toolkit的實(shí)現(xiàn)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的保存,將經(jīng)過(guò)上位機(jī)前端處理后的數(shù)據(jù)按照預(yù)定的格式循環(huán)寫(xiě)入SQL SERVERS數(shù)據(jù)庫(kù)中[4]。同時(shí),在上位機(jī)中加入異常處理,在系統(tǒng)出現(xiàn)斷電或者其他異常狀況導(dǎo)致系統(tǒng)終止時(shí),在下次開(kāi)啟的時(shí)候自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的最新記錄以提醒用戶(hù)已經(jīng)測(cè)試的周期數(shù)以及測(cè)試的時(shí)間,方便用戶(hù)繼續(xù)測(cè)試。

在SQLSERVERS服務(wù)器端使用ASP調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫(kù),將最終結(jié)果發(fā)布到萬(wàn)維網(wǎng)[5],使得用戶(hù)在任何時(shí)候任何地點(diǎn)都能夠及時(shí)了解到測(cè)試的具體情況,真正實(shí)現(xiàn)了不受距離影響的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)協(xié)議

協(xié)議是測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)的核心部分,不僅起著保證測(cè)試臺(tái)工作穩(wěn)定性和所需測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性作用,還為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供在穩(wěn)定性上的先決支撐。由于測(cè)試臺(tái)需要對(duì)升降機(jī)的測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)地檢測(cè),在無(wú)線通信上的數(shù)據(jù)交互要求具有穩(wěn)定性,避免數(shù)據(jù)沖突,在數(shù)據(jù)處理上要求可靠性,需要進(jìn)行數(shù)字濾波,為此在通信協(xié)議上提出一種集權(quán)輪詢(xún)法和自適應(yīng)變頻濾波法,保障了測(cè)試臺(tái)工作的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性。

4.1 集權(quán)輪詢(xún)法

通常所采用的IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的媒體訪問(wèn)控制(MAC)層的載波偵聽(tīng)競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)通信機(jī)制(CSMA-CA)并不適用于升降機(jī)測(cè)試臺(tái)的應(yīng)用,當(dāng)測(cè)試平臺(tái)終端設(shè)備和無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)備在測(cè)試臺(tái)監(jiān)測(cè)升降機(jī)數(shù)據(jù)過(guò)程中同時(shí)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí),便會(huì)產(chǎn)生通信沖突從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。為此提出了一種集權(quán)輪詢(xún)法作為測(cè)試臺(tái)通信協(xié)議MAC層的優(yōu)化,集權(quán)輪詢(xún)法示意圖如圖2所示。

圖2 集權(quán)輪詢(xún)法示意圖

集權(quán)輪詢(xún)法是指在無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)中,將其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為集權(quán)節(jié)點(diǎn),將其他節(jié)點(diǎn)作為被輪詢(xún)節(jié)點(diǎn),所有的數(shù)據(jù)通信都以集權(quán)節(jié)點(diǎn)為發(fā)起方,以被輪詢(xún)節(jié)點(diǎn)為接收方,被輪詢(xún)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包都規(guī)定在收到集權(quán)命令后才被允許發(fā)出,其數(shù)據(jù)包的發(fā)送在一個(gè)輪詢(xún)時(shí)隙內(nèi)完成,所有被輪詢(xún)節(jié)點(diǎn)的輪詢(xún)時(shí)隙組成一個(gè)輪詢(xún)周期。

在測(cè)試臺(tái)的通信中,無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)備為集權(quán)節(jié)點(diǎn),測(cè)試平臺(tái)終端設(shè)備為被輪詢(xún)節(jié)點(diǎn),在測(cè)試臺(tái)對(duì)升降機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,集權(quán)節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性地發(fā)送輪詢(xún)命令至被輪詢(xún)節(jié)點(diǎn),升降機(jī)的位移、載荷和電量等數(shù)據(jù)都會(huì)在被輪詢(xún)節(jié)點(diǎn)中處理并打包,當(dāng)每次收到輪詢(xún)命令后,便在輪詢(xún)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送給集權(quán)節(jié)點(diǎn)。這種集權(quán)輪詢(xún)法在一定程度上既保證了測(cè)試人員對(duì)測(cè)試臺(tái)控制的實(shí)時(shí)性,又保證了測(cè)試臺(tái)對(duì)升降機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,避免了二者在數(shù)據(jù)收與發(fā)上的通信沖突,解決了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的丟包問(wèn)題。測(cè)試人員對(duì)測(cè)試臺(tái)的控制命令和無(wú)線網(wǎng)關(guān)對(duì)測(cè)試平臺(tái)終端設(shè)備的管理命令都是嵌入在輪詢(xún)命令中發(fā)出的,被輪詢(xún)節(jié)點(diǎn)收到輪詢(xún)命令后做出相關(guān)反應(yīng)并上傳發(fā)送數(shù)據(jù)。一個(gè)輪詢(xún)時(shí)隙大約在30 ms左右,控制命令的下達(dá)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的更新都會(huì)在輪詢(xún)時(shí)隙內(nèi)完成,很好地滿(mǎn)足了測(cè)試平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。

4.2 自適應(yīng)變頻濾波法

傳感器對(duì)升降機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)s都是模擬信號(hào)輸出,難免會(huì)受到各種因素的干擾,在對(duì)信號(hào)做模數(shù)轉(zhuǎn)換后還需要對(duì)所得到的數(shù)據(jù)做數(shù)字濾波處理,這個(gè)處理的過(guò)程屬于通信協(xié)議應(yīng)用層的任務(wù)。

4.2.1 濾波算法的提出

在被監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)中,升降機(jī)的位移量數(shù)據(jù)是可靠性要求最高的一個(gè),它直接影響后期升降機(jī)運(yùn)行速度和加速度等參數(shù)的計(jì)算和對(duì)升降機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別。而位移量是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù),干擾噪聲也會(huì)淹沒(méi)在其中隨之動(dòng)態(tài)變化,傳統(tǒng)的數(shù)字濾波法如遞推中值濾波法和限幅平均濾波法等[6],都無(wú)法很好地起到濾波效果,因此提出了一種自適應(yīng)變頻濾波法來(lái)處理位移量數(shù)據(jù)。

升降機(jī)位移量的變化可分為2種階段:①升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在上升和下降之間發(fā)生改變時(shí),此時(shí)升降機(jī)由減速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀龠\(yùn)動(dòng),位移量呈正弦信號(hào)狀態(tài)變化;②升降機(jī)處在上升或者下降狀態(tài)過(guò)程中時(shí),此時(shí)升降機(jī)近乎勻速運(yùn)動(dòng),位移量呈一階信號(hào)狀態(tài)變化。2種階段交替進(jìn)行,位移量的變化幅度成周期性改變。假設(shè)對(duì)位移量的數(shù)據(jù)采集頻率為f,單位時(shí)間內(nèi)所采集的位移量為Sn(n=1,2…f),位移量的變化幅度為An(n=1,2…f),當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)的An趨近相等時(shí),則認(rèn)定Sn處于一階信號(hào)狀態(tài)變化,此時(shí)將采集頻率設(shè)為f1,而當(dāng)An出現(xiàn)類(lèi)似一階信號(hào)狀態(tài)變化時(shí),則認(rèn)定Sn處于處于正弦信號(hào)狀態(tài)變化,此時(shí)將采集頻率設(shè)為f2。把數(shù)據(jù)采集頻率f隨位移量變化幅度An變化而自適應(yīng)變化的濾波方法稱(chēng)為自適應(yīng)變頻濾波法。

4.2.2 濾波算法

根據(jù)測(cè)試臺(tái)運(yùn)行環(huán)境的相關(guān)參數(shù),將干擾噪聲系數(shù)設(shè)為k,由上述所提出的自適應(yīng)變頻濾波算法,將Sn(n=1,2…f)由小到大進(jìn)行排列得到Sn′(n=1,2…f),將最大和最小k個(gè)數(shù)據(jù)視為噪聲干擾數(shù)據(jù)去掉,最后可得到濾波后的位移量ˉS。

假定輪詢(xún)時(shí)隙為t,則t時(shí)間內(nèi)的樣本個(gè)數(shù)n為:

排列后的位移量樣本為:

則將位移量樣本濾波后的位移量為:

而根據(jù)升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度水平,要得到更加平滑而有效的數(shù)據(jù),f1應(yīng)大于1 000,而f2則應(yīng)該是f1的3倍。

位移量在用自適應(yīng)變頻濾波法濾波前和濾波后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比示意圖如圖3所示。

圖3 濾波前后比較

如圖3可知,經(jīng)過(guò)濾波的數(shù)據(jù)更加趨于平滑,與實(shí)際計(jì)算結(jié)果基本相符(誤差＜1%),滿(mǎn)足升降機(jī)綜合性能測(cè)試的要求。

4.3 測(cè)試結(jié)果

為了進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)的性能,在不同環(huán)境、不同距離進(jìn)行了連續(xù)40 000個(gè)升降機(jī)來(lái)回周期的測(cè)試。結(jié)果顯示整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,魯棒性良好。同時(shí),對(duì)40 000個(gè)周期的全部800余萬(wàn)組數(shù)據(jù)進(jìn)行多階段抽樣法進(jìn)行抽樣,誤差均在許可范圍內(nèi),抽樣結(jié)果完全滿(mǎn)足測(cè)試需要。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

基于上述理論所設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌式殘疾人升降機(jī)綜合測(cè)試臺(tái)安裝方便、體積小、功耗低、傳輸穩(wěn)定、采樣精確、可靠性高,完全能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。同時(shí),該方案采用無(wú)線通信技術(shù),極大提高了監(jiān)測(cè)范圍,可廣泛應(yīng)用于其他測(cè)試領(lǐng)域。

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