王力浩，丁文捷，郝洪濤，黃政葒

（寧夏大學(xué)機械工程學(xué)院，寧夏銀川 750021）

帶式輸送機廣泛應(yīng)用于煤礦、物流、電力、石油等特殊行業(yè)中。在寧夏地區(qū)，帶式運輸機主要應(yīng)用在煤礦行業(yè)中，是一種非常高效的運輸設(shè)備[1—2]，作為煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其廣泛應(yīng)用于煤炭的采掘、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運與加工。在實際生產(chǎn)過程中，由于煤礦行業(yè)的惡劣環(huán)境，帶式輸送機經(jīng)常發(fā)生托輥卡死、軸承故障等情況。針對傳統(tǒng)人工巡檢的各種不足，軌道式巡檢載具成為近年來的研究熱點。軌道式巡檢裝置屬于移動機器人的一種，我國于20 世紀90 年代初才開始進行研究，目前在國內(nèi)發(fā)展日新月異。針對不同的需求和運行環(huán)境，軌道式巡檢機器人的驅(qū)動方式、功能等均有不同，如2010 年武漢大學(xué)研制的軌道式巡檢機器人，將柔性高壓線作為軌道，通過搭載高清攝像頭等傳感器采集地面信號；2011 年浙江國自機器人技術(shù)有限公司開發(fā)出了輕型掛軌式機器人，主要應(yīng)用在配電室等工作環(huán)境[3]。針對煤礦行業(yè)的巡檢機器人是近幾年剛發(fā)展起來的，如2015 年唐山開誠智能裝備有限公司，研制了一種井下軌道巡檢裝置，驅(qū)動輪安裝在軌道兩側(cè)，通過壓緊機構(gòu)與軌道接觸，并采用STM32 開發(fā)板作為系統(tǒng)主控，實現(xiàn)遠程遙控和數(shù)據(jù)采集，并在后續(xù)的研發(fā)中，對巡檢裝置的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化和設(shè)計[4]；2018年，中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)設(shè)計皮帶運輸機軌道式巡檢裝置和控制系統(tǒng)，采用齒輪齒條驅(qū)動，在硬件和軟件方面也進行了相應(yīng)的方案選擇和開發(fā)工作，實現(xiàn)巡檢裝置的自動化運行[5]。

本文設(shè)計中，巡檢載具需要在環(huán)境偏僻且工作環(huán)境較為惡劣的情況下進行巡檢，所以針對帶式輸送機巡檢載具提出以下設(shè)計要求：①設(shè)計巡檢載具總質(zhì)量在60 kg 以內(nèi)，并要求設(shè)計結(jié)構(gòu)較為簡單；②針對遠程帶式輸送機的巡航，巡檢載具設(shè)計目標為在0.5 m/s 巡航狀態(tài)下，可最高續(xù)航3 h 及以上；③巡檢載具支持以0.3～0.7 m/s 的勻速范圍進行巡航任務(wù)，并具有比較快速的啟動和停車速度；④巡檢載具內(nèi)所用電子元件需能夠承受巡檢環(huán)境，且具備較高的可替換性。設(shè)計中，將STM32 與工業(yè)控制計算機結(jié)合，采用底層控制加上層監(jiān)控的設(shè)計思想，完成巡檢載具的電子系統(tǒng)搭建。一方面，巡檢載具采用兩輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，車身采用鋁型材，可進行自由安裝和設(shè)計，有非常強的實用性；另一方面，針對所設(shè)計的巡檢載具，利用高速攝像的研究方法，對所設(shè)計的巡檢載具的起步特性和停車特性進行研究。根據(jù)所繪制的速度特性曲線得到其傳遞函數(shù)，為巡檢載具的后續(xù)研究和運動控制打下基礎(chǔ)。

1 巡檢載具的基本組成

巡檢載具為四輪式巡檢載具，見圖1。巡檢載具主要由2 層3 部分組成：運動部分、控制器、傳感器系統(tǒng)。

圖1 巡檢載具結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 巡檢載具驅(qū)動結(jié)構(gòu)

巡檢載具整體設(shè)計中，軌道為規(guī)格100mm×100 mm的H 型鋼，頂層的運動系統(tǒng)中，采用兩側(cè)的雙輪驅(qū)動形式，2 個驅(qū)動輪和2 個從動輪均為NRK 抗老化橡膠，直徑為80 mm，巡檢載具設(shè)計質(zhì)量為60 kg，在巡檢載具自身重力作用下，橡膠輪的使用能夠有效減少打滑情況的發(fā)生。在側(cè)邊支撐板的每一側(cè)各包括2 組導(dǎo)向輪裝置，在巡檢載具轉(zhuǎn)彎時起到導(dǎo)向的作用。

巡檢載具的動力源包括2 臺功耗為200 W 的無刷直流電機，工作電壓為48 V，最大轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，峰值扭矩可達1.95 N·m。無刷直流電機布置在側(cè)邊支撐板的兩側(cè)，每臺無刷直流電機配有16∶1 的減速器，經(jīng)1∶1 的傘形齒輪改變傳動方向后將動力傳遞到兩側(cè)的驅(qū)動輪上。

由于巡檢載具的工作情況為0.3～0.7 m/s，最大爬坡角度為18°，在忽略風(fēng)阻和加速阻力后，巡檢載具運動時最大阻力f阻為

式中，m=60 kg；g=9.8 N/kg；μ 為橡膠和H 型鋼的摩擦系數(shù)，記為0.008；θ 為巡檢載具的爬坡角度。

經(jīng)計算，巡檢載具在運動時產(chǎn)生的最大阻力f阻為186 N，需驅(qū)動輪產(chǎn)生的總驅(qū)動扭矩為7.44 N·m，而無刷直流電機經(jīng)減速器降速增扭后，均可滿足驅(qū)動所需的扭矩。

巡檢載具車身由條狀鋁型材作為支撐結(jié)構(gòu)，在保證強度的同時可根據(jù)巡檢載具下方各元件的布置自行搭配，便于后期進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和功能擴充。

1.2 運動系統(tǒng)設(shè)計

巡檢載具的運動系統(tǒng)主要依靠2 臺無刷直流電機反向轉(zhuǎn)動，通過傳動機構(gòu)作用到驅(qū)動輪上，本質(zhì)上為對無刷直流電機的運動控制。在設(shè)計中采用PWM方波驅(qū)動的方式對無刷直流電機進行運動控制。

電機運動的控制回路見圖2，通過嵌入式控制器產(chǎn)生PWM 方波驅(qū)動信號到驅(qū)動器，在驅(qū)動器中對方波信號進行解析與分析，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的速度信號到電機，驅(qū)動器同時向電機提供足夠的功率，保證電機具有充足的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

圖2 控制回路圖

在巡檢載具的運動系統(tǒng)中，無刷直流電機主要以PWM 方波作為驅(qū)動信號，其產(chǎn)生原理：對嵌入式開發(fā)板STM32F407ZGT6 的高級定時器14 進行配置，產(chǎn)生固定頻率為4 kHz 的PWM 方波信號，方波信號的占空比大小作為無刷直流電機的速度信號。巡檢載具在運動時，定時器的計數(shù)最高溢出值為1 000，所發(fā)生的PWM 方波占空比為設(shè)定的閾值和最高溢出值的比值。例如，設(shè)定閾值為500，最高溢出值為1 000，則表示設(shè)定的PWM 方波占空比為500/1 000=50%。

巡檢載具在運動時，會遇到不同工況發(fā)生的情況，在通信系統(tǒng)的配合下，工控機或地面移動端向開發(fā)板發(fā)送改變占空比的指令，進行速度調(diào)節(jié)與設(shè)計。無刷直流電機的速度調(diào)節(jié)邏輯見圖3。

圖3 無刷直流電機速度調(diào)節(jié)邏輯圖

2 載具硬件設(shè)計

巡檢載具的設(shè)計主要包含硬件部分和軟件部分設(shè)計，控制結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 控制結(jié)構(gòu)圖

2.1 微處理器系統(tǒng)

巡檢載具以微處理器系統(tǒng)作為嵌入式控制層的核心部分，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號和處理對應(yīng)的運動控制信息，包括STM3F407ZGT6 微處理器及其最小系統(tǒng)。該微處理器采用32 位ARM Cortex-M4 構(gòu)架，時鐘頻率高達168 MHz，可根據(jù)不同的應(yīng)用場景進行分頻，并自由配置I/O 資源[6]。

在帶式輸送機巡檢載具控制系統(tǒng)中主要用到的I/O 口有：①10 個邏輯輸出端口，分別輸出對電機驅(qū)動控制所需的PWM 方波信號、換向信號、剎車和電機使能信號，并對超聲波傳感器進行使能與觸發(fā)，控制繼電器設(shè)備的通斷等；②輸入端口，主要包含測速I/O 端口和傳感器電平感知端口，對產(chǎn)生的信號進行捕獲與采樣，并收集到微處理器中進行處理；③USB數(shù)據(jù)通信，利用USB 串口數(shù)據(jù)通信，接收來自上位機的控制指令和上傳下位機的狀態(tài)等信息指令。

2.2 傳感器的選定

傳感器作為巡檢載具整體組成部分，是巡檢載具采集和感知周圍環(huán)境的重要部件，巡檢載具的傳感器系統(tǒng)作為巡檢載具的子系統(tǒng)，具有以下作用：①采集帶式輸送機的特征信息；②感知巡檢載具自身的電量、速度等特征信息。

選定以下傳感器作為巡檢載具的系統(tǒng)輔助元件：

（1）噪聲傳感器：皮帶運輸機的托輥產(chǎn)生故障時，托輥表面和托輥的軸承部分會有相應(yīng)的損傷，在帶式輸送機運行時，會產(chǎn)生與正常運行時不同特征的聲音信息。利用噪聲傳感器對托輥運行時產(chǎn)生的噪聲進行錄音，在后期進行分析時能夠發(fā)現(xiàn)對應(yīng)位置的故障特征和信息。

（2）紅外熱成像儀：皮帶運輸機的托輥和軸承在產(chǎn)生故障時，會導(dǎo)致對應(yīng)零部件的溫度高于正常工作狀態(tài)下的值，傳統(tǒng)的溫度傳感器對監(jiān)測精確位置的零件溫度具有一定的局限性，本課題將紅外成像儀裝載在巡檢載具上，可進行對應(yīng)零部件位置溫度的探測。

（3）電量傳感器：巡檢載具利用48 V 鋰動力電池作為驅(qū)動能源，在巡檢過程中實時監(jiān)測巡檢載具所消耗電量和電池剩余電量，在電量低于20%時返回充電點進行充電操作。

（4）超聲波傳感器：該課題選用HC-SR04 超聲波傳感器探測巡檢載具前方或后方的障礙物，此傳感器可提供2～400 cm 的距離探測。模塊本身包括超聲波發(fā)生器、接收器和控制電路。

巡檢載具在啟動后，首先檢測自身的運動方向，自動調(diào)用前方或后方的傳感器，通過實時監(jiān)測前方障礙物的距離，做出臨時停止和繼續(xù)行進的決策。當巡檢載具行進到軌道的尾部，會依據(jù)距離自動停車并轉(zhuǎn)換行進方向。

3 載具軟件系統(tǒng)設(shè)計

巡檢載具軟件系統(tǒng)是由下位機控制程序與上位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。上位機與下位機分別負責(zé)數(shù)據(jù)的采集、巡檢載具的運動控制等功能[7—8]。

3.1 下位機程序設(shè)計

嵌入式控制層主要進行巡檢載具底層控制。作為巡檢載具的下位機，其程序代碼涉及到巡檢載具的運動控制、位置的測算以及通信等問題的實現(xiàn)。根據(jù)巡檢載具的巡檢任務(wù)需求以及現(xiàn)場的實用性和可靠性，該巡檢載具采用局部自主控制的形式沿軌道進行巡檢[9]。下位機程序代碼的運行邏輯見圖5。

圖5 程序運行邏輯

程序采用模塊化編程的方式，將巡檢載具的各個子功能分開并編寫為獨立的子函數(shù)，并配有對應(yīng)的中斷程序函數(shù)。巡檢載具在巡檢時首先啟動主程序，并初始化對應(yīng)的子函數(shù)與中斷函數(shù)。進入主程序后，遇到對應(yīng)的中斷程序后先進入中斷，如果在執(zhí)行中斷過程中沒有其他中斷情況發(fā)生，則在執(zhí)行完畢后返回對應(yīng)的執(zhí)行信息到上位機；如果在執(zhí)行中斷的過程中，出現(xiàn)其他中斷情況，則自動判斷中斷等級，并選擇中斷等級高的程序優(yōu)先執(zhí)行。

巡檢時，主要依靠巡檢載具的自動巡檢，其巡檢流程如下：在啟動巡檢裝置后，首先初始化各項功能模塊以及相應(yīng)的傳感器系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，在進入系統(tǒng)后先進行電量的判斷，如電量達到巡檢的要求，則開始巡檢，否則自動返回原位置點進行充電。然后啟動巡檢，STM32F407 微處理器將通過內(nèi)部定時器14發(fā)出2 路頻率和占空比同步的PWM 方波信號對電機進行驅(qū)動，通過改變占空比進行加速和減速的動作。在巡航過程中，巡檢載具本身攜帶的傳感器將不斷采集托輥的故障信息，并在工控機內(nèi)進行初步判斷，當發(fā)現(xiàn)疑似故障時，將自動停止并詳細采集當前位置的故障信息。最后，傳感器通過RS485 總線傳輸?shù)焦た貦C中，并存儲在工控機內(nèi)部預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)庫中。巡檢載具的巡檢流程見圖6。

圖6 載具巡檢流程圖

3.2 上位機數(shù)據(jù)采集軟件

上位機數(shù)據(jù)采集軟件主要功能是對帶式輸送機的數(shù)據(jù)采集、巡檢載具的本體位置信息記錄和信息的存儲。上位機數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計了基于RS485 總線的數(shù)據(jù)傳輸端口，收集傳感器采集的信息后通過USB 端口上傳數(shù)據(jù)到工控機中[10]。

基于Labview2017 版編寫上位機數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控軟件，根據(jù)巡檢載具在巡檢巡航時采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行編寫和調(diào)試。巡檢載具的上位機數(shù)據(jù)采集軟件見圖7。

圖7 上位機數(shù)據(jù)采集軟件

上位機數(shù)據(jù)采集軟件安裝在工業(yè)控制計算機中。圖7 左側(cè)分別顯示當前日期和巡檢時間，設(shè)置傳感器的串口模式（包括波特率、資源名稱、奇偶校驗位和停止位等資源），數(shù)據(jù)保存路徑的選擇。主窗口顯示巡檢時探測到的溫度、濕度、煙霧、噪聲等內(nèi)容的波形圖，傳感器數(shù)據(jù)通過VISA 驅(qū)動程序進行識別，并實時存儲到系統(tǒng)的內(nèi)部。

主窗口分為2 個選項卡，第2 個選項卡為查詢歷史數(shù)據(jù)，分別以表格和圖形化的方式進行存儲，并支持所查詢的時間段，以波形圖與表格的形式展現(xiàn)出來。上位機軟件的歷史數(shù)據(jù)查詢界面見圖8。

圖8 歷史查詢界面

4 運動特性實驗

在設(shè)計中，軌道式巡檢載具采用橡膠輪作為系統(tǒng)的主動輪，經(jīng)實際測試表明，載具在突然啟動和停止的過程中存在著較大的振動。在巡檢載具x 方向與y 方向上，均有較大的波動產(chǎn)生，且驅(qū)動輪均產(chǎn)生較大的磨損，因此對巡檢載具的起步和停車運動特性研究是確定軟件控制算法的基礎(chǔ)。

4.1 實驗方案

巡檢小車的速度及啟動停止均與方波信號的占空比DR（Duty Ratio）有關(guān)，在巡檢載具的運動控制中，起步與停車都需要一種穩(wěn)定的方式，目的是為了減少車身的波動幅度，同時也要盡量減小調(diào)節(jié)的時間，使載具能夠快速達到目標速度。在巡檢載具起步和停車過程中，可將此過程看作階躍信號下的時間域響應(yīng)。階躍信號為不同占空比下所對應(yīng)的電壓值，而巡檢載具屬于質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，其時間域響應(yīng)既可以理論建模也可以實驗獲取。理論建模精度受實際的質(zhì)量-彈簧-阻尼因素影響，對軌道式巡檢載具而言，彈簧-阻尼并不容易精確測取。因此，采用實驗建模較為簡便。

實驗建模采用高速攝像的方式進行，具體方案如下：

（1）搭建軌道式巡檢載具平臺，并在巡檢載具上標記好清晰可見的標記點A。

（2）將具有高速攝像功能的攝像裝置安置在載具旁邊，以能清楚地拍攝到軌道上所標記的位置為依據(jù)。

（3）啟動特性實驗中，將載具移動至起點位置，并開啟高速攝像，利用手機或其他移動端，在載具停車狀態(tài)下，分別向巡檢載具發(fā)送占空比為30%～100%的啟動指令作為階躍信號。

（4）在停車特性實驗中，需在巡檢載具以不同速度運行的狀態(tài)下，利用移動端向載具發(fā)送不同占空比的階躍信號、停車信號，并利用高速攝像進行拍攝。

（5）解析每幀圖像，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。該實驗中，采用的高速攝像設(shè)備為iPhone 11Pro，其像素為1 080 P，幀率為240 幀/s。

4.2 結(jié)果分析與討論

4.2.1 模型的簡化 巡檢載具的模型可簡化為圖9的彈簧阻尼模型。

圖9 巡檢載具彈簧阻尼模型

由圖9 分析可知，將系統(tǒng)整體進行力學(xué)分析后，可列出其動力學(xué)方程：式中，F(xiàn)（t）為巡檢載具驅(qū)動力，N；H（t）為巡檢載具向前位移量，m；k 可視為巡檢載具整體的彈簧剛度；M為巡檢載具的整體質(zhì)量，kg；D 為黏性阻尼系數(shù)。將式（2）進行簡化和處理后可得到其系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

4.2.2 停車特性實驗 在實驗中，將突然給入的方波驅(qū)動信號看作階躍信號給入，采集車身標記點A距離變化與時間變化。在處理數(shù)據(jù)時，需要將圖像像素點的值進行對比和測算，并根據(jù)數(shù)據(jù)測得時間的響應(yīng)曲線。在多次實驗和測算后繪制對應(yīng)的速度變化曲線，并根據(jù)停車特性曲線獲取其停車曲線趨勢。停車速度采用以100%占空比條件下給入0%占空比的階躍信號，經(jīng)測算所得的速度-時間響應(yīng)曲線見圖10。

圖10 停車速度-時間響應(yīng)曲線

通過停車過程高速攝像的分析，巡檢載具在100%占空比時給入階躍信號后，在停車瞬間，速度有先降低又突升現(xiàn)象，隨后逐步降低，呈現(xiàn)較大的振蕩特性。同時，對此特性曲線進行擬合得到該曲線的趨勢方程為

4.2.3 啟動特性實驗 由巡檢載具的啟動特性能夠清晰地反應(yīng)載具在加速過程中的速度變化，給入階躍信號占空比為30%的驅(qū)動方波信號后，巡檢載具的啟動速度-時間響應(yīng)曲線圖見圖11。

由圖11 可知，通過高速攝像方法對啟動特性分析，巡檢載具在啟動時速度逐漸升高，到達最高速度后逐步下降，整體速度呈波動變化，在到達速度最高值后的速度總在某個范圍內(nèi)波動變化。

圖11 巡檢載具啟動速度-時間響應(yīng)曲線圖

實驗經(jīng)過反復(fù)測量，求取其平均值后得到傳遞函數(shù)：

系統(tǒng)的阻尼比ξ=0.42，固有頻率ωn=50.88，可知系統(tǒng)本身為欠阻尼系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種遠程帶式輸送機巡檢載具，利用STM32 作為載具的主控芯片，并選用了工控機以及相應(yīng)的傳感器作為巡檢載具的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用上位機和下位機結(jié)合的方式，在巡檢時由載具自主運動，以實現(xiàn)自動化巡檢這一既定目標。通過高速攝像的方法，對巡檢載具的整體進行運動特性的研究與分析，分析表明巡檢載具在啟動時速度將逐漸上升，到達峰值后在一定范圍內(nèi)波動。在停車時，載具的速度先降低，而后突然升高，呈現(xiàn)波動式降低的特征。這表明所設(shè)計的巡檢載具在運動過程中具有一定的不穩(wěn)定性，需要進一步進行算法上的適配和改進。通過運動特性曲線求出巡檢載具整體的傳遞函數(shù)，為后期運動控制算法的研究與實現(xiàn)做了一些的探索性工作。