摘要：介紹了一種全新的交通錐自動(dòng)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(diǎn)、作業(yè)過程及作業(yè)關(guān)鍵控制點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙撥齒輪的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及相關(guān)的硬件配置方案，并詳細(xì)闡述了如何實(shí)現(xiàn)雙撥齒輪的主從驅(qū)動(dòng)、原點(diǎn)標(biāo)定、動(dòng)態(tài)協(xié)同控制、交通錐自動(dòng)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(hào)：TP29" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）16-0085-04

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

0" " 引言

近年來(lái)，高速公路養(yǎng)護(hù)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(xiàng)相關(guān)業(yè)務(wù)都在尋求合適的“機(jī)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(dòng)作業(yè)方式，僅有極少量的交通錐全自動(dòng)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(dòng)設(shè)備也還未被廣泛使用。

針對(duì)這些痛點(diǎn)，開發(fā)了一種全自動(dòng)交通錐布放工程車，投放速度最高可達(dá)10 km/h（4 m間隔），一鍵啟動(dòng)后的投放過程完全自動(dòng)控制，無(wú)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(gè)撥齒輪，二者結(jié)構(gòu)及尺寸完全一樣，兩個(gè)撥齒輪的軸平行放置，每個(gè)撥齒輪共有6個(gè)撥齒，每個(gè)撥齒之間的角度為60°，如圖1所示。

兩個(gè)撥齒輪的撥齒共同托舉一摞交通錐，當(dāng)兩個(gè)撥齒輪同步向內(nèi)旋轉(zhuǎn)60°，則放置一個(gè)交通錐至地面，同時(shí)下一個(gè)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(dá)20個(gè)，工程車前后各設(shè)置一個(gè)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(gè)撥齒輪的動(dòng)作能夠同步，否則其承載的交通錐會(huì)出現(xiàn)偏置甚至卡滯，無(wú)法順利布放。具體要求為兩個(gè)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(gè)撥齒輪的軸上安裝編碼器進(jìn)行位置檢測(cè)，兩個(gè)撥齒輪分別由兩個(gè)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，通過同步算法，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)撥齒輪的同步運(yùn)轉(zhuǎn)[1]；第二種是其中一個(gè)撥齒輪由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該撥齒輪通過兩個(gè)同步齒輪將旋轉(zhuǎn)動(dòng)作傳遞至另一個(gè)撥齒輪，通過機(jī)械的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)撥齒輪的同步動(dòng)作；第三種是采用主從控制方式，即兩個(gè)撥齒輪分別由兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，其中一個(gè)撥齒輪作為主機(jī)，其旋轉(zhuǎn)的方向和速度通過電氣傳輸至從機(jī)，從機(jī)驅(qū)動(dòng)另一個(gè)撥齒輪動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)具體工況可以擇優(yōu)選擇，本文采用主從驅(qū)動(dòng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。

其次，在高速公路上布放交通錐時(shí)要做到錐筒放置間距均勻、準(zhǔn)確，這樣才能對(duì)施工區(qū)域和行車區(qū)域進(jìn)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(shí)間，進(jìn)而才能準(zhǔn)確控制交通錐落地后的間距。由于在車輛作業(yè)時(shí)車速可能出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，為了準(zhǔn)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(dòng)。

最后，當(dāng)前的全自動(dòng)交通錐布放作業(yè)設(shè)備在應(yīng)用中遇到的一個(gè)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(qiáng)的容錯(cuò)機(jī)制也是這類全自動(dòng)設(shè)備面臨的一個(gè)主要課題。

2" " 雙撥齒輪協(xié)同控制

2.1" " 硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮成本、安裝空間、速度、定位準(zhǔn)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(dòng)系統(tǒng)作為雙撥齒輪的驅(qū)動(dòng)裝置。每個(gè)撥齒輪采用一個(gè)伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)配置有增量型編碼器和電磁制動(dòng)單元，每個(gè)伺服電機(jī)由其各自的伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)器支持CAN總線控制功能；控制器作為雙撥齒輪動(dòng)作控制的核心，通過CAN總線向主伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送動(dòng)作指令，同時(shí)主伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)也通過總線反饋給控制器，從機(jī)驅(qū)動(dòng)器與控制器僅通過IO端口連接，不進(jìn)行總線通信[2]；主伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，從伺服驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行跟隨動(dòng)作。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

2.2" " 靜態(tài)標(biāo)定

兩個(gè)撥齒輪在放置錐筒過程中要求時(shí)刻保持角度、速度的同步，而且承載交通錐的兩個(gè)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(duì)兩個(gè)撥齒輪的初始位置進(jìn)行標(biāo)定。為此，在每個(gè)撥齒輪的一個(gè)撥齒前方各設(shè)置一個(gè)位置檢測(cè)傳感器，用來(lái)標(biāo)定各個(gè)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(shí)，撥齒正對(duì)著這個(gè)位置檢測(cè)傳感器。

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

2.3" " 動(dòng)態(tài)協(xié)同

當(dāng)雙撥齒輪執(zhí)行完靜態(tài)標(biāo)定且兩個(gè)撥齒輪都處于其原點(diǎn)位置后，可以驅(qū)動(dòng)車輛配置的輔助裝置將一摞交通錐轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhǔn)備工作，可以開始放置交通錐。放置時(shí)，首先由控制器發(fā)送向內(nèi)旋轉(zhuǎn)指令給主伺服驅(qū)動(dòng)器，即60°對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，一旦主伺服電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，主伺服驅(qū)動(dòng)器將實(shí)時(shí)發(fā)送其位置脈沖給從伺服驅(qū)動(dòng)器，從伺服驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖后，實(shí)時(shí)跟隨主機(jī)的速度和位置，這樣主撥齒輪和從撥齒輪就實(shí)現(xiàn)了同步向內(nèi)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，其承載的第一個(gè)交通錐則失去了兩個(gè)撥齒的支撐，在重力作用下自由下落至地面。在這個(gè)過程中，從撥齒輪滯后于主機(jī)的時(shí)間僅僅是主機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送其脈沖給從機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)傳輸和解析時(shí)間，理論上該時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)為毫秒級(jí)，不會(huì)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(huì)與主撥齒輪保持一致。

另外，為控制兩個(gè)相鄰交通錐在地面上的距離，需要準(zhǔn)確控制雙撥齒輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)間間隔，而控制上述時(shí)間間隔的原則是計(jì)算車輛在放置前一個(gè)交通錐后所行駛的距離大于或等于設(shè)置值。為準(zhǔn)確計(jì)算該距離，控制器會(huì)通過總線實(shí)時(shí)獲取汽車底盤ECU發(fā)送的車輛速度，并對(duì)車輛速度進(jìn)行積分計(jì)算，當(dāng)計(jì)算出車輛當(dāng)前位置距離上一個(gè)已放置的交通錐的距離達(dá)到設(shè)定值時(shí)，再次驅(qū)動(dòng)雙撥齒輪向內(nèi)旋轉(zhuǎn)60°，放置第二個(gè)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(shí)際車速，這就導(dǎo)致交通錐放置間隔與設(shè)置值會(huì)存在差異，尤其是當(dāng)車輛行駛速度不穩(wěn)定時(shí)，這時(shí)交通錐間距也會(huì)出現(xiàn)明顯不均勻的現(xiàn)象。為了解決該問題，可以從三個(gè)方面進(jìn)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(jìn)一步縮小因車速滯后導(dǎo)致的間隔偏差；其次是在對(duì)車輛行駛距離進(jìn)行積分運(yùn)算時(shí)，對(duì)該距離進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)臄?shù)值可以是ECU通過總線發(fā)送車速報(bào)文的周期內(nèi)車輛行駛的距離，通過補(bǔ)償后控制器計(jì)算的車輛行駛距離進(jìn)一步逼近真實(shí)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(duì)ECU發(fā)送至總線的車速進(jìn)行標(biāo)定來(lái)解決。

2.4" " 異常工況處理

經(jīng)過上述的靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)協(xié)同控制后，投放裝置的全自動(dòng)放錐功能基本得到實(shí)現(xiàn)。但在投放交通錐的過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些異常工況，這些工況會(huì)嚴(yán)重影響雙撥齒輪的同步性，給施工過程帶來(lái)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(dòng)電機(jī)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(shí)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(gè)電機(jī)上設(shè)置一套電磁制動(dòng)單元。每次伺服驅(qū)動(dòng)器通電使能時(shí)，同時(shí)給制動(dòng)單元通電，將制動(dòng)裝置釋放，此時(shí)電機(jī)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(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子才會(huì)動(dòng)作；當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器斷電時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子失去電磁力的控制，同時(shí)必須切斷制動(dòng)單元的供電，使制動(dòng)裝置抱死，電機(jī)轉(zhuǎn)子受制動(dòng)裝置控制，也不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而確保在兩個(gè)撥齒輪初始位置一致的情況下，運(yùn)行過程中從撥齒輪會(huì)實(shí)時(shí)跟隨主撥齒輪旋轉(zhuǎn)，斷電后也將保持?jǐn)嚯娗暗奈恢貌蛔?，直至下一次通電后控制器發(fā)送動(dòng)作指令給主伺服驅(qū)動(dòng)器，這樣就實(shí)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(dòng)作的過程中，從伺服驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到異常，從伺服電機(jī)被鎖定，這時(shí)從伺服驅(qū)動(dòng)器無(wú)法有效執(zhí)行主伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的動(dòng)作指令，導(dǎo)致主伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)撥齒輪動(dòng)作時(shí)，從撥齒不動(dòng)作，雙撥齒輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作不再同步。這個(gè)時(shí)候雙撥齒輪承載的交通錐會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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(dòng)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(wú)法動(dòng)作仍然被從撥齒承載，此時(shí)放錐過程已經(jīng)無(wú)法順利進(jìn)行，還給后期的錐筒姿態(tài)恢復(fù)處理帶來(lái)極大的困難。針對(duì)這種情況，將從伺服驅(qū)動(dòng)器的故障信號(hào)從其數(shù)字輸出端口輸出至主伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字輸入端口，并將主伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器通過數(shù)字輸出端口將故障信號(hào)發(fā)送至主伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字輸入端口，主伺服驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到該信號(hào)后立即緊急停機(jī)，不再執(zhí)行控制器發(fā)送的旋轉(zhuǎn)指令，此時(shí)主從撥齒輪仍然處于同步狀態(tài)，同時(shí)由主伺服將故障信號(hào)上報(bào)至控制器，進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)鎖停機(jī)和故障報(bào)警[3]。

3" " 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上述對(duì)雙撥齒輪控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施后，經(jīng)過反復(fù)調(diào)校，進(jìn)行交通錐放置實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：放錐間隔設(shè)置為4 m，放錐長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)過程中利用數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雙撥齒輪兩個(gè)伺服電機(jī)的負(fù)載情況。根據(jù)電流變化的前后時(shí)間差異數(shù)據(jù)得出從撥齒輪滯后時(shí)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(jī)負(fù)載曲線圖。放置至地面的錐筒間隔實(shí)測(cè)平均值為3.97 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.074 m，放錐效果如圖4所示。

從實(shí)際測(cè)試效果來(lái)看，該方案的雙撥齒輪同步性能良好，放錐間距均勻準(zhǔn)確，具有較好的實(shí)用性。

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收稿日期：2024-04-22

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