陳飛 于繼明 鄭焜耀 張曉冉 陳禮

摘? 要：隨著智能制造規(guī)劃推進，散裝貨物自動化裝運系統(tǒng)一直是國內(nèi)外迫切需要解決的難題。當前公司人員不斷減少，生產(chǎn)效率不斷提升，安全要求不斷提高，而發(fā)貨系統(tǒng)仍然全靠現(xiàn)場人工操作，操作技能要求較高，但又相對枯燥。柔性機器人智能裝運系統(tǒng)的目的是使散裝貨物現(xiàn)場去人工化。該系統(tǒng)在現(xiàn)場可以利用傳感器感知裝運車位置和散裝貨物堆放情況，并根據(jù)算法計算最簡路徑，實現(xiàn)真正的無人值守智能裝運。

關鍵詞：散裝貨物? 自動化裝運? 柔性機器人

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0009-02

散貨其裝運流程比普通貨物更為復雜，傳統(tǒng)的工具和系統(tǒng)往往捉襟見肘，不但時效性不足，有時甚至會觸發(fā)險情。為實現(xiàn)散裝固體貨物安全、高效、快速的裝運，業(yè)界正嘗試研發(fā)智能高效裝運系統(tǒng)取代傳統(tǒng)裝運系統(tǒng)。該文研發(fā)一套柔性機器人發(fā)貨智能仿真平臺，對工業(yè)生產(chǎn)中無人值守發(fā)貨系統(tǒng)的關鍵技術進行試驗與仿真，包括柔性機器人運動學分析、機器人裝運系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析等工作，為真實的項目提供技術支持，涉及多學科交叉創(chuàng)新與應用，面向解決復雜工業(yè)應用需求中的關鍵技術與系統(tǒng)優(yōu)化技術。

1? 柔性機器人智能裝運系統(tǒng)背景

1.1 需求背景

隨著國家智能制造規(guī)劃推進，梅山礦業(yè)公司在系統(tǒng)自運化、減員增效方面工作開展，柔性機器人智能自動化發(fā)貨系統(tǒng)是智能制造的重要應用。經(jīng)調研了解到，散裝貨物自動化裝運系統(tǒng)一直是國內(nèi)外的難題，也是礦山發(fā)貨中迫切需要解決的難題。當前公司人員不斷減少，生產(chǎn)效率不斷提升，安全要求不斷提高，特別是發(fā)貨工作直接關系著礦山的生產(chǎn)、經(jīng)營。但當前發(fā)貨系統(tǒng)全靠人工操作，操作技能要求較高，新操作員跟師傅2年左右才能達到獨立操作水平。因現(xiàn)場工作環(huán)境差，人工操作勞動強度大，易疲勞，工作內(nèi)容機械重復，易產(chǎn)生煩燥情緒，需要值班、換班人員多，不符合企業(yè)散裝貨物發(fā)貨高效、安全的要求。因此，提升發(fā)貨智能化、自動化、信息化水平，減員增效，是傳統(tǒng)制造企業(yè)提檔升級、搏取生存與發(fā)展機會的重要途徑。

1.2 市場需求分析

該系統(tǒng)可廣泛用于、發(fā)電廠和糧倉等產(chǎn)業(yè)的散裝貨物裝運。根據(jù)市場實際調查可知，現(xiàn)階段市場對該項目的需求迫切，且隨著經(jīng)濟的發(fā)展需求量會越來越大。

礦山使用：當前我國金屬礦山有2萬多座，每個礦山都有鐵精礦、鐵尾砂、廢石等散裝貨物發(fā)貨問題，采用人工發(fā)貨，效率低、用人成本高、有安全隱患存在。

火力發(fā)電廠使用：中國五大發(fā)電公司所屬的大型火力發(fā)電廠有276家，其中華能集團27家、大唐集團67家、華電集團104家、中電集團和國電集團都是39家。預計2020年對煤炭的需求量近41億t。

糧食裝卸使用：中國現(xiàn)在有6條糧食物流通道，即東北地區(qū)糧食流出通道、黃淮海地區(qū)小麥流出通道、長江中下游稻谷流出通道、華東沿海地區(qū)流入通道、華南沿海地區(qū)流入通道、京津地區(qū)流入通道，每年跨省糧運輸達6000～7000萬t。

2? 柔性機器人智能裝運系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)總體設計

通過智能控制完成散裝貨物運輸中的“去人工化”。系統(tǒng)通過掃描、定位等物聯(lián)網(wǎng)技術實時全場景信息采集，再依托集成網(wǎng)絡無線傳輸數(shù)據(jù)給大數(shù)據(jù)分析和人工智能模塊，在后臺根據(jù)業(yè)務建模并進行數(shù)據(jù)處理，實時計算出最優(yōu)方案，最終反饋給電控模塊，實現(xiàn)電動系統(tǒng)的電動智能控制，完善機器的智能控制。

系統(tǒng)由兩個道閘組成，分別稱為車道一、車道二（見圖1）。4對主動式紅外傳感器倆倆分別放置于車道的兩側。當車輛一由外往里行駛時，紅外傳感器探測到有車靠近，當車頭進入車道的一瞬間，靠近外端的探測器接收到遮擋物，傳出信號1，此時另外一個探測器仍處于初始狀態(tài)。車輛緩緩駛入，兩個紅外探測器都被遮擋，此時兩個探測器都發(fā)出信號1。車輛繼續(xù)往里行駛，離開外側探測器范圍，此時里探測器仍發(fā)出信號1，外側探測器回到初始狀態(tài)。直到車輛完全離開車道時，兩個探測器均回到零狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

激光雷達作為掃描裝置，掃描距離根據(jù)現(xiàn)場情況確定，掃描角度360°，采樣頻率4K，激光雷達和上位機通過串口相連，返回的是點云中每個點的距離、角度和量測質量數(shù)據(jù)。激光雷達實現(xiàn)的是線掃描（獲取掃描頭到障礙點的距離z），而且其不會主動移動，因此需要為其搭建一套運動部件，在運動部件的帶動下激光雷達在各個關鍵位置（x，y）進行線掃描，將多次線掃描的結果拼接在一起就能形成三維圖像（x，y，z）。運動部件選用了基于PLC的皮帶裝置，可控制激光雷達在二維平面內(nèi)進行移動和精準定位。上述兩套設備都通過串口和PC機連接，接收控制指令。

以信號的形式來表示，車輛駛入車道的狀態(tài)可以表示為00->10->11->01->00。同理，車道二也是這樣的。

2.3 系統(tǒng)軟件編程設計

系統(tǒng)編程實現(xiàn)分為三步進行：初始化;算法研究;發(fā)送數(shù)據(jù)包，將RS485轉換成TTL信號。

（1）初始化。

首先進行初始化配置，包括通用輸入輸出端口配置，通用輸入輸出端口時終初始化，使能通用同步/異步串行接發(fā)器，復位串口二。

嵌套中斷控制，并且初始化串口。因為用到8個串口，故選用字長為8位數(shù)據(jù)格式，其間設定一個停止位，沒有設置奇偶校驗位，確定好波特率。

（2）算法。

這段函數(shù)通過switch語句實現(xiàn)對小車狀態(tài)的判斷，設置標志量state1，state2分別表示1，2號進出車庫狀態(tài)。

通過對DaoZHang3和DaoZHang4所對應位的數(shù)據(jù)的判斷實現(xiàn)標志量state1，state2狀態(tài)的變化。當小車進入車庫的時，狀態(tài)量實現(xiàn)從00->10->11->01->00的變化，即標志量實現(xiàn)0->1->2->3->0的變化。

switch（State1）//進出車庫狀態(tài)00->10->11->01->00表示進車庫狀態(tài)。

當小車駛出車庫的時，狀態(tài)量實現(xiàn)從00->01->11->10->00的變化，即標志量實現(xiàn)0->3->2->1->0的變化。用switch語句對state 0，state 1，state 2，state3四個狀態(tài)進行賦值，表示進入車庫的4個階段，按照順序完成。通過這段代碼以進行車輛駛出軌道的狀態(tài)判斷。

switch（State2）//進出車庫狀態(tài)00->01->11->10->00表示出車庫狀態(tài)。

兩礦道模型初始狀態(tài)變量state均設置為0，程序進入switch循環(huán)，case==0時開中斷（N_F1=0），對信號量（DaoZHang1，DaoZHang2||DaoZHang3，DaoZHang4）進行判定，滿足條件狀態(tài)量賦值為1進行下次switch，若不滿足則賦值為3，認為礦車在礦道中;case==1時，保持開中斷狀態(tài)，在信號量滿足條件后發(fā)出信號flag并關中斷，若信號量不滿足則賦值為0，認為礦車處于車庫;case==2時，若信號量滿足條件則賦值為3，表明下個狀態(tài)是處于出礦道，若信號量不滿足則狀態(tài)量賦值為1，表明處于進礦道狀態(tài);case==3時開中斷，若信號量滿足條件則表明處于已出礦道進入車庫，并為狀態(tài)量賦值為0準備進入下一次循環(huán)，若不滿足，狀態(tài)量賦值為2，認為是出礦道狀態(tài)，并關中斷輸出信號flag。此函數(shù)執(zhí)行4次后回復到初始態(tài)即state1==0&&state2==0，即執(zhí)行了00->01->11->01->00的進出庫動作。

（3）發(fā)送數(shù)據(jù)包。

通過uart的方式將是否有小車進入車道產(chǎn)生遮擋的信息發(fā)送，發(fā)送結束后切換為接收模式等待新的消息。即有一個緩存區(qū)用于存放信息，是當緩存區(qū)滿以后，將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去再切換為接收模式等待接收新的信息。

Uart2_TxBuf.TX_DATA.DataBuf[0]=Enter_Out_Flag1;//發(fā)送當前道閘1是否有礦車進出

Uart2_TxBuf.TX_DATA.DataBuf[1]=Enter_Out_Flag2;//發(fā)送當前道閘2是否有礦車進出

參考文獻

[1] 閆欽運，白麥營，張紅巖，等.儲煤場裝載過程追溯與反饋系統(tǒng)設計[J].工礦自動化，2016，42（1）：1-4.

[2] 張銳，周崟，李庚基，等.GPS差分定位方法研究及其應用[J].山西電子技術，2017（1）：56-57，77.

[3] 曹偉，江平宇，江開勇，等.基于RFID技術的離散制造車間實時數(shù)據(jù)采集與可視化監(jiān)控方法[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2017，23（2）：273-284.

[4] 徐文文.基于STM32的無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計及應用[J].機電信息，2015（33）：130-131.

[5] 陳鑫，秦宏偉，陳春雨，等.基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器研究與電路設計[J].大慶師范學院學報，2013，33（6）：44-47.

[6] 管立偉，盧宇，吳進營，等.基于STM32的嵌入式網(wǎng)絡通信終端設計與實現(xiàn)[J].陜西理工學院學報：自然科學版，2016，32（4）：23-28，38.

[7] 劉賢鋒，喬宏哲.基于ARM的裝載機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].工礦自動化，2015，41（9）：84-86.

①作者簡介：陳飛（1998，9—），男，漢族，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：機電控制。

于繼明（1977，7—），男，漢族，河南羅山人，博士，副教授，研究方向：機電控制。

鄭焜耀（1997，12—），男，漢族，江蘇徐州人，本科在讀，研究方向：機電控制。

張曉冉（1997，12—），女，漢族，河北邯鄲人，本科在讀，研究方向：機電控制。

陳禮（1998，4—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方向：機電控制。