張慧賢,張學(xué)賀,馬利民,郭哲鋒, 梁 莉,郭兆鋒,王文豪,范一贏

(1.洛陽理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001；3.上海倍伺特自動控制設(shè)備有限公司，上海 201818)

0 引言

消防機器人在一定程度上能代替消防員進入有毒、濃煙、高溫、缺氧、坍塌、狹小空間等事故現(xiàn)場，承擔(dān)偵查檢驗、排煙降溫、搜索救人、滅火等任務(wù)，對提高部隊滅火救援能力和效率，保障消防員安全及社會進步具有重大意義。根據(jù)石化爆燃等危險環(huán)境防爆型作業(yè)機器人底盤耐高溫防護的要求，對機器人底盤耐高溫防護技術(shù)進行研究，確保消防機器人能夠在300 ℃以上的高溫環(huán)境中正常工作，這對于提高消防機器人的火場適應(yīng)性、提高現(xiàn)場救援效率非常重要。

虛擬儀器作為模塊化軟件開發(fā)系統(tǒng)，能代替一定的硬件或與硬件相結(jié)合完成信息的采集與顯示。Labview作為廣泛使用的虛擬儀器軟件，能借助虛擬模板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設(shè)計系統(tǒng)，能更好的完成程序的開發(fā)及數(shù)據(jù)顯示，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-8]?；谝陨闲枨?，本文采用Labview2018設(shè)計了消防機器人底盤熱防護多通道溫度采集軟硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)除開發(fā)的電氣硬件、測試軟件外，還包括加熱爐、機器人底盤試驗箱、機器人底盤耐高溫涂層、耐高溫隔熱棉等試驗材料?？刂葡到y(tǒng)主要由上位機和下位機構(gòu)成，熱電阻PT100布置在底盤試驗箱不同點，將采集到的多點溫度傳輸?shù)綔乜貎x，溫控儀再通過485接口將數(shù)據(jù)通過串口Modbus RTU協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C，并在PC端開發(fā)的軟件界面上實現(xiàn)了8路溫度的實時采集、顯示與保存[9-16]。最后針對出現(xiàn)的信號噪聲干擾，采用小波閾值濾波算法對數(shù)據(jù)進行了濾波處理[17-20]，并與各通道溫度原始數(shù)據(jù)進行了對比，表明該系統(tǒng)工作可靠、測量精度高、可視化效果好，對于工業(yè)自動化領(lǐng)域多點溫度的測量具有實際意義。

1 硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

多個PT100熱電阻溫度傳感器分布在消防機器人底盤試驗箱的不同部位，通過兩個4路輝控HKDN2-4溫控儀，將溫模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并通過485串口輸出，并通過JPX6021中繼器將兩路485信號合并為1路485串口信號，通過485屏蔽雙絞線連接至上位PC機的USB接口，系統(tǒng)硬件連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多路溫度采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 傳感器與溫控儀

溫度傳感器采用三線制的PT100鉑熱電阻，測溫范圍為-70～450 ℃，引線采用耐高溫屏蔽線。三線制PT100可消除連接導(dǎo)線電阻引起的測量誤差，提高了測量精度，測溫精度為±0.3 ℃。PT100與HKDN2-4溫控儀連接，HKDN2-4溫控儀為DC24V供電，支持PT100輸入，通信接口為RS485，通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU串口協(xié)議，可將采集到的溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并通過485串口輸出，溫控儀具體的Modbus RTU 規(guī)約命令格式如表1所示。

表1 Modbus RTU 規(guī)約命令格式

溫控儀默認(rèn)數(shù)據(jù)位為8， 1位停止位(無奇偶校驗)， 波特率9 600(9 600、19 200、38 400、57 600、115 200可調(diào))。在實際運行中，溫控儀與PC串口的波特率均設(shè)置為9 600，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，數(shù)據(jù)校驗方式采用循環(huán)冗余校驗CRC16。

由于Modbus協(xié)議使用的是主從通訊技術(shù)，即由主設(shè)備主動查詢和操作從設(shè)備，因此，每次通信都是主站先發(fā)送指令，從站響應(yīng)指令，并按要求應(yīng)答，或者報告異常。當(dāng)主站不發(fā)送請求時，從站不會自己發(fā)出數(shù)據(jù)，從站和從站之間也不能直接通信。比如在本系統(tǒng)中，上位機Labview程序主動查詢溫控儀傳送到COM串口中的數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取到溫控儀采用Modbus RTU協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)為：01 04 00 00 00 04 F1 C9時，根據(jù)表1通信協(xié)議規(guī)約格式，01表示第2塊儀表，如果是00，則表示第1塊儀表；04表示表2中的功能碼04(讀取測量值數(shù)據(jù))；中間的00 00表示表3中的寄存器地址，存儲著當(dāng)前的溫度實際測量值；00 04表示參數(shù)個數(shù)，即表示1塊儀表總共4個通道；F1 C9表示采用CRC16校驗的數(shù)值。

表2 部分HKDN2-4溫控儀功能碼

表3 部分內(nèi)部寄存器地址

1.3 485串口中繼器JPX6021

由于開發(fā)的是8通道溫度采集系統(tǒng)，采用了2個4路的HKDN2-4溫控儀，為保證兩個溫控儀的數(shù)據(jù)通過485串口傳輸?shù)缴衔籔C機，選用了串口中繼器PX6021。該中繼器相當(dāng)于一個RS485集線器，除了將多路485信號集中后整體輸出，還可以將單路485信號分成多路分別輸出。此外，該中繼器還具有放大信號、光電隔離、防雷浪涌保護，及其自動感知數(shù)據(jù)流向并切換控制電路的功能。在系統(tǒng)組網(wǎng)方面，該中繼器每一路可以串聯(lián)多達(dá)256個設(shè)備，具有較強的驅(qū)動能力。在本系統(tǒng)中，中繼器JPX6021通過DC9～40 V寬電壓供電，2個4路的HKDN2-4溫控儀通過485接口和集線器相連，組合成1路485信號通過屏蔽雙絞線連接至上位PC機的USB接口，并通過485-USB通信模塊，完成了現(xiàn)場溫度采集硬件與上位機的連接。

1.4 485- USB通信模塊

485-USB通信模塊采用RJ303X2，該模塊為通用的雙向RS485/422-USB轉(zhuǎn)換器，不僅能夠?qū)F(xiàn)場儀表平衡差分的RS485信號轉(zhuǎn)換為單端的USB信號傳送到上位PC機，也可通過主機將數(shù)據(jù)通過USB接口轉(zhuǎn)換為RS485串口信號發(fā)送給外設(shè)。I/0電路自動控制數(shù)據(jù)流方向，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部帶有零延時自動收發(fā)轉(zhuǎn)換，不需任何握手信號即可實現(xiàn)全雙工、半雙工模式轉(zhuǎn)換，確保適合一切現(xiàn)有的通信軟件和接口硬件，可以為點到點、點到多點的通信提供可靠的連接。在本系統(tǒng)中，從中繼器JPX6021引出的485信號只需2根線便可實現(xiàn)串行異步通信，具體接線方式為：中繼器JPX6021中RS485串口的A、B分別連接485-USB通信模塊RJ303X2輸入接口的485+和485-，系統(tǒng)硬件接線如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件接線圖

2 軟件開發(fā)

本課題采用Labview軟件開發(fā)平臺開發(fā)了消防機器人底盤熱防護8通道溫度采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于串口Modbus RTU協(xié)議的溫度數(shù)據(jù)采集與傳輸，軟件功能主要包括用戶注冊、串口配置、溫度曲線實時顯示、超溫聲光報警、數(shù)據(jù)顯示與保存、歷史數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)表顯示與數(shù)據(jù)濾波等功能，程序流程如圖3所示。

圖3 多通道溫度檢測系統(tǒng)程序流程圖

2.1 串口配置與VISA 讀取

圖4 串口配置與VISA 讀取

VISA是Labview儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)API函數(shù)，作為新一代儀器I/O通用標(biāo)準(zhǔn)， LabVIEW將VISA節(jié)點單獨組成一個子模塊，共包含8個節(jié)點，分別實現(xiàn)初始化串口、串口寫、串口讀、中斷以及關(guān)閉串口等功能。首先通過COM 端口號對VISA資源進行配置， 如波特率(9 600) 、數(shù)據(jù)比特(8)、校驗位(None)等參數(shù)。配置完串口后，通過VISA 讀取各串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，由于開發(fā)的8通道溫度采集系統(tǒng)由兩個4通道的HKDN2-4溫控儀進行溫度信息的現(xiàn)場顯示，并且通過一組485通信線(二線制)與上位PC機連接。為保證溫度信息的可靠傳輸，上位機程序在讀取溫控儀數(shù)值的時候，兩個溫控儀的數(shù)據(jù)通過VISA進行讀取后，通過加入延時函數(shù)(延時0.5 s)采用分時傳輸?shù)姆绞剑?避免了溫度數(shù)據(jù)在485串口線上的沖突，確保了數(shù)據(jù)的有效傳輸。

2.2 溫度數(shù)據(jù)提取與轉(zhuǎn)換

8個PT100熱電阻溫度傳感器分別連接兩個具有RS485串口輸出的4路輝控HKDN2-4溫控儀，通過JPX6021中繼器將兩路RS485信號合并后經(jīng)485屏蔽雙絞線輸出，再經(jīng)過485-USB通信模塊RJ303X2與上位PC機的USB接口連接。由于本溫控儀采用的是Modbus RTU協(xié)議，依據(jù)Modbus協(xié)議通過主從模式讀取數(shù)據(jù)的特點，結(jié)合表1的通信協(xié)議規(guī)約命令格式、表2的溫控儀功能碼以及表3的溫控儀寄存器地址編寫Labview程序，PC機上開發(fā)的Labview程序通過VISA函數(shù)主動讀取溫度數(shù)據(jù)到輸入緩沖區(qū)，并對數(shù)據(jù)進行16位CRC校驗，確保溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。另外，由于Modbus RTU協(xié)議的報文格式為十六進制，因此在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后要通過數(shù)值轉(zhuǎn)換控件將十六進制字符串變換為十進制進行顯示。以其中1個通道為例，溫度數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換的部分計算程序如圖5所示。

圖5 溫度數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)換程序

2.3 溫度實時曲線與數(shù)據(jù)保存

8個通道的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接肔abview開發(fā)的程序交互界面，通過數(shù)據(jù)表格進行實時顯示，并繪制成溫度實時曲線。根據(jù)實際工作需要及實時化顯示需求，系統(tǒng)開發(fā)了8通道綜合曲線顯示界面及分通道曲線顯示界面，用戶可以根據(jù)需求選擇查看綜合對比曲線或各通道溫度變化曲線。為方便后期對測量的溫度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，系統(tǒng)設(shè)計了將溫度數(shù)據(jù)保存為*.txt的文本文檔進行備份，同時采用數(shù)據(jù)表格功能也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為*.xls的excel文檔，方便后期數(shù)據(jù)處理。溫度數(shù)據(jù)保存及數(shù)據(jù)表顯示的部分程序如圖6所示。

圖6 溫度實時曲線與數(shù)據(jù)保存程序

2.4 登錄及用戶注冊程序

為保障系統(tǒng)的安全及使用權(quán)限，還開發(fā)了系統(tǒng)登錄界面及用戶注冊功能，用戶通過注冊將信息寫入*.txt文件，只有通過注冊的用戶才可以通過用戶名及密碼登錄。用戶注冊程序及界面如圖7所示。

圖7 登錄及用戶注冊功能

2.5 小波分析與濾波

由于在溫度檢測過程中信號出現(xiàn)了瞬時的毛刺等突變現(xiàn)象，為消除信號噪聲干擾并最大化保證信號成分不丟失，本文采用小波閾值濾波算法實現(xiàn)了信號降噪。由于Fourier變換只能獲取一段信號總體上包含哪些頻率的成分，但是對各成分出現(xiàn)的時刻并無所知。小波(Wavelet)分析是通過伸縮平移運算對信號逐步進行多尺度細(xì)化，將無限長的三角函數(shù)基換成了有限長的會衰減的小波基，這樣不僅能夠獲取頻率，還可以定位到時間，最終將獲取到低頻與高頻處的時間細(xì)分，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，解決了Fourier變換對瞬態(tài)信號處理不完善的問題。

假設(shè)存在函數(shù)φ(t)∈L2(R)，如果滿足下面的允許條件[21]：

(1)

則函數(shù)φ(t)稱為基本小波或母小波，母小波通過伸縮、平移可以構(gòu)成L2(R)的一個標(biāo)準(zhǔn)正交基：

(2)

其中：a稱為尺度參數(shù)，b稱為平移參數(shù)。L2(R)中的任意函數(shù)f(t) 的連續(xù)小波變換可以定義為：

(3)

同傅立葉變換一樣，連續(xù)小波變換也可定義為函數(shù)與小波基的內(nèi)積，即：

WTf(a,b)=[f(t),φa,b(t)]

(4)

然后采用離散小波變換，將尺度按冪級數(shù)進行離散化，取冪級數(shù)的底數(shù)為2。當(dāng)尺度a較大時被分析的信號區(qū)間長而分析頻率低，可作近似觀察；當(dāng)尺度a較小時信號區(qū)間短而分析頻率高，可作細(xì)節(jié)觀察。令：a=2-j，b=2-jk,j,k∈Z，可得離散小波變換為：

DWTf(j,k)[f(t)，φj,k(t)]

(5)

其中：小波函數(shù)φj,k(t)為：

φj,k(t)=2j/2φ(2jt-k)，j,k∈Z

(6)

式(6)所示的表達(dá)式為尺度取2的整冪的多分辨率分析的多貝西小波(daubechies wavelet，db小波)，由于其在時域和頻域?qū)Σ灰?guī)則信號較為敏感，并有良好的局域性，且可作為Mallat 算法成熟常用的母小波，因此本文選用db小波對信號進行分解和重構(gòu)。為實現(xiàn)小波降噪，文中具體采用Labview與Matlab混合編程的方法，通過Labview調(diào)用Matlab自帶的4種不同閾值準(zhǔn)則下的小波去噪算法進行降噪處理，其中包括混合準(zhǔn)則heursure、無偏風(fēng)險估計準(zhǔn)則rigrsure、固定閾值準(zhǔn)則sqtwolog和極大極小準(zhǔn)則minimaxi。Labview 提供了Matlab Script 節(jié)點，通過該節(jié)點可以直接調(diào)用Matlab 應(yīng)用程序。在程序中，通過分析對比采用db4 小波5 層分解，閾值函數(shù)選取軟閾值函數(shù)，閾值選取heursure 規(guī)則作為小波分析的閾值規(guī)則，程序如圖8所示。

圖8 小波閾值濾波降噪程序

3 溫度采集試驗

3.1 軟硬件系統(tǒng)

課題需要對消防機器人底盤進行耐高溫設(shè)計，其中包括機器人部件耐高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計以及機器人底盤型腔耐高溫防護技術(shù)研究，以實現(xiàn)機器人底盤能夠在不低于300 ℃高溫環(huán)境下工作。設(shè)計加工了耐高溫試驗測試臺架，該臺架主要由耐高溫加熱爐和溫控箱組成，高溫加熱爐的加熱范圍為10～600 ℃，滿足機器人耐高溫試驗所需的工作溫度要求，內(nèi)部空間尺寸規(guī)格為：2 000 mm×1 000 mm×1 000 mm，滿足容納履帶式消防機器人底盤的空間要求，具體參數(shù)如表4所示，開發(fā)的多通道溫度采集系統(tǒng)如圖9～12所示，分別為溫度采集系統(tǒng)軟件界面、綜合曲線顯示界面、分通道顯示界面及數(shù)據(jù)表。

表4 高溫試驗爐參數(shù)

圖9 多通道采集軟件界面

圖10 綜合曲線顯示界面

3.2 溫度采集試驗

在圖13所示的消防機器人底盤試驗型腔1和型腔2中分別加入一定量的冰塊，并在型腔外部包覆5 mm厚的納米微孔隔熱棉。將5個PT100熱電阻溫度傳感器按表2所示的工況進行安裝，溫度數(shù)據(jù)每隔1 s采集1次。根據(jù)機器人通用底盤工作環(huán)境要求，在300 ℃以上爐溫環(huán)境下，對底盤型腔4種工況進行了耐熱試驗溫度測試，測試時間 為30分鐘，采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示。圖11為底盤型腔在不同工況下測得的溫度趨勢，表明在型腔中加入冰塊，能有效降低熱傳導(dǎo)，效果良好，而在型腔外包裹納米微孔隔熱棉，能有效降低升溫速度。該試驗檢驗了系統(tǒng)工作的正常性，也為后續(xù)底盤熱防護設(shè)計提供了技術(shù)參考。

圖11 分通道顯示界面

圖12 數(shù)據(jù)表顯示界面

圖13 機器人底盤試驗型腔

表5 溫度采集試驗(部分示例數(shù)據(jù))

3.3 數(shù)據(jù)濾波分析

圖15為溫度檢測原始數(shù)據(jù)分通道顯示界面，圖16為在圖15中提取的部分?jǐn)?shù)據(jù)段生成的溫度綜合曲線。從各通道溫度實時曲線可以看出，各通道溫度信號出現(xiàn)了瞬時的毛刺等突變現(xiàn)象，這是由于在信號傳輸過程中因為各種原因引入的噪聲干擾。通過圖8所示的小波閾值濾波降噪程序，對各通道溫度數(shù)據(jù)進行了濾波處理，顯示界面如圖17所示，與圖15原始溫度數(shù)據(jù)相比，溫度曲線尖峰得到了有效消除。

圖14 不同工況下溫度曲線對比

圖15 原始溫度數(shù)據(jù)綜合曲線界面

圖16 原始溫度數(shù)據(jù)綜合曲線

圖17 小波降噪之后的各通道溫度曲線界面

分析圖9～12，圖15～17 可知，開發(fā)的消防機器人底盤熱防護多通道溫度采集軟硬件系統(tǒng)，各項功能均符合工程要求，并分不同工況進行了溫度采集現(xiàn)場試驗及信號的小波降噪，測試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期。

4 結(jié)束語

1)采用Labview2018開發(fā)了消防機器人底盤熱防護8通道溫度采集軟硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于串口Modbus RTU協(xié)議的溫度數(shù)據(jù)采集與傳輸，軟件功能主要包括用戶注冊、串口配置、溫度曲線實時顯示、超溫聲光報警、數(shù)據(jù)顯示與保存、歷史數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)表顯示與數(shù)據(jù)濾波等功能；

2)通過該系統(tǒng)，針對消防機器人通用底盤工作環(huán)境要求不低于300 ℃的工作環(huán)境，設(shè)計了4種工況對底盤型腔進行了耐熱試驗，驗證了系統(tǒng)的可靠性；

3)針對溫度曲線中出現(xiàn)的噪聲干擾，通過Labview與Matlab混合編程的方法，采用小波閾值濾波算法對采集到的數(shù)據(jù)進行了濾波處理，并與各通道溫度原始數(shù)據(jù)進行了對比，達(dá)到了較好的濾波效果。該系統(tǒng)可視化效果好，具有較強的工程實用性，對工業(yè)現(xiàn)場多點溫度的實時測量具有一定的借鑒性。