一种巡检载具及运动特性研究

王力浩，丁文捷，郝洪涛，黄政荭

（宁夏大学机械工程学院，宁夏银川 750021）

带式输送机广泛应用于煤矿、物流、电力、石油等特殊行业中。在宁夏地区，带式运输机主要应用在煤矿行业中，是一种非常高效的运输设备[1—2]，作为煤矿生产系统的关键设备，其广泛应用于煤炭的采掘、生产、转运与加工。在实际生产过程中，由于煤矿行业的恶劣环境，带式输送机经常发生托辊卡死、轴承故障等情况。针对传统人工巡检的各种不足，轨道式巡检载具成为近年来的研究热点。轨道式巡检装置属于移动机器人的一种，我国于20 世纪90 年代初才开始进行研究，目前在国内发展日新月异。针对不同的需求和运行环境，轨道式巡检机器人的驱动方式、功能等均有不同，如2010 年武汉大学研制的轨道式巡检机器人，将柔性高压线作为轨道，通过搭载高清摄像头等传感器采集地面信号；2011 年浙江国自机器人技术有限公司开发出了轻型挂轨式机器人，主要应用在配电室等工作环境[3]。针对煤矿行业的巡检机器人是近几年刚发展起来的，如2015 年唐山开诚智能装备有限公司，研制了一种井下轨道巡检装置，驱动轮安装在轨道两侧，通过压紧机构与轨道接触，并采用STM32 开发板作为系统主控，实现远程遥控和数据采集，并在后续的研发中，对巡检装置的结构与控制系统进行了优化和设计[4]；2018年，中国矿业大学研发设计皮带运输机轨道式巡检装置和控制系统，采用齿轮齿条驱动，在硬件和软件方面也进行了相应的方案选择和开发工作，实现巡检装置的自动化运行[5]。

本文设计中，巡检载具需要在环境偏僻且工作环境较为恶劣的情况下进行巡检，所以针对带式输送机巡检载具提出以下设计要求：①设计巡检载具总质量在60 kg 以内，并要求设计结构较为简单；②针对远程带式输送机的巡航，巡检载具设计目标为在0.5 m/s 巡航状态下，可最高续航3 h 及以上；③巡检载具支持以0.3～0.7 m/s 的匀速范围进行巡航任务，并具有比较快速的启动和停车速度；④巡检载具内所用电子元件需能够承受巡检环境，且具备较高的可替换性。设计中，将STM32 与工业控制计算机结合，采用底层控制加上层监控的设计思想，完成巡检载具的电子系统搭建。一方面，巡检载具采用两轮驱动结构，车身采用铝型材，可进行自由安装和设计，有非常强的实用性；另一方面，针对所设计的巡检载具，利用高速摄像的研究方法，对所设计的巡检载具的起步特性和停车特性进行研究。根据所绘制的速度特性曲线得到其传递函数，为巡检载具的后续研究和运动控制打下基础。

1 巡检载具的基本组成

巡检载具为四轮式巡检载具，见图1。巡检载具主要由2 层3 部分组成：运动部分、控制器、传感器系统。

图1 巡检载具结构示意图

1.1 巡检载具驱动结构

巡检载具整体设计中，轨道为规格100mm×100 mm的H 型钢，顶层的运动系统中，采用两侧的双轮驱动形式，2 个驱动轮和2 个从动轮均为NRK 抗老化橡胶，直径为80 mm，巡检载具设计质量为60 kg，在巡检载具自身重力作用下，橡胶轮的使用能够有效减少打滑情况的发生。在侧边支撑板的每一侧各包括2 组导向轮装置，在巡检载具转弯时起到导向的作用。

巡检载具的动力源包括2 台功耗为200 W 的无刷直流电机，工作电压为48 V，最大转速为3 000 r/min，峰值扭矩可达1.95 N·m。无刷直流电机布置在侧边支撑板的两侧，每台无刷直流电机配有16∶1 的减速器，经1∶1 的伞形齿轮改变传动方向后将动力传递到两侧的驱动轮上。

由于巡检载具的工作情况为0.3～0.7 m/s，最大爬坡角度为18°，在忽略风阻和加速阻力后，巡检载具运动时最大阻力f阻为

式中，m=60 kg；g=9.8 N/kg；μ 为橡胶和H 型钢的摩擦系数，记为0.008；θ 为巡检载具的爬坡角度。

经计算，巡检载具在运动时产生的最大阻力f阻为186 N，需驱动轮产生的总驱动扭矩为7.44 N·m，而无刷直流电机经减速器降速增扭后，均可满足驱动所需的扭矩。

巡检载具车身由条状铝型材作为支撑结构，在保证强度的同时可根据巡检载具下方各元件的布置自行搭配，便于后期进行相应的结构调整和功能扩充。

1.2 运动系统设计

巡检载具的运动系统主要依靠2 台无刷直流电机反向转动，通过传动机构作用到驱动轮上，本质上为对无刷直流电机的运动控制。在设计中采用PWM方波驱动的方式对无刷直流电机进行运动控制。

电机运动的控制回路见图2，通过嵌入式控制器产生PWM 方波驱动信号到驱动器，在驱动器中对方波信号进行解析与分析，转换为对应的速度信号到电机，驱动器同时向电机提供足够的功率，保证电机具有充足的转矩和转速。

图2 控制回路图

在巡检载具的运动系统中，无刷直流电机主要以PWM 方波作为驱动信号，其产生原理：对嵌入式开发板STM32F407ZGT6 的高级定时器14 进行配置，产生固定频率为4 kHz 的PWM 方波信号，方波信号的占空比大小作为无刷直流电机的速度信号。巡检载具在运动时，定时器的计数最高溢出值为1 000，所发生的PWM 方波占空比为设定的阈值和最高溢出值的比值。例如，设定阈值为500，最高溢出值为1 000，则表示设定的PWM 方波占空比为500/1 000=50%。

巡检载具在运动时，会遇到不同工况发生的情况，在通信系统的配合下，工控机或地面移动端向开发板发送改变占空比的指令，进行速度调节与设计。无刷直流电机的速度调节逻辑见图3。

图3 无刷直流电机速度调节逻辑图

2 载具硬件设计

巡检载具的设计主要包含硬件部分和软件部分设计，控制结构图见图4。

图4 控制结构图

2.1 微处理器系统

巡检载具以微处理器系统作为嵌入式控制层的核心部分，产生相应的控制信号和处理对应的运动控制信息，包括STM3F407ZGT6 微处理器及其最小系统。该微处理器采用32 位ARM Cortex-M4 构架，时钟频率高达168 MHz，可根据不同的应用场景进行分频，并自由配置I/O 资源[6]。

在带式输送机巡检载具控制系统中主要用到的I/O 口有：①10 个逻辑输出端口，分别输出对电机驱动控制所需的PWM 方波信号、换向信号、刹车和电机使能信号，并对超声波传感器进行使能与触发，控制继电器设备的通断等；②输入端口，主要包含测速I/O 端口和传感器电平感知端口，对产生的信号进行捕获与采样，并收集到微处理器中进行处理；③USB数据通信，利用USB 串口数据通信，接收来自上位机的控制指令和上传下位机的状态等信息指令。

2.2 传感器的选定

传感器作为巡检载具整体组成部分，是巡检载具采集和感知周围环境的重要部件，巡检载具的传感器系统作为巡检载具的子系统，具有以下作用：①采集带式输送机的特征信息；②感知巡检载具自身的电量、速度等特征信息。

选定以下传感器作为巡检载具的系统辅助元件：

（1）噪声传感器：皮带运输机的托辊产生故障时，托辊表面和托辊的轴承部分会有相应的损伤，在带式输送机运行时，会产生与正常运行时不同特征的声音信息。利用噪声传感器对托辊运行时产生的噪声进行录音，在后期进行分析时能够发现对应位置的故障特征和信息。

（2）红外热成像仪：皮带运输机的托辊和轴承在产生故障时，会导致对应零部件的温度高于正常工作状态下的值，传统的温度传感器对监测精确位置的零件温度具有一定的局限性，本课题将红外成像仪装载在巡检载具上，可进行对应零部件位置温度的探测。

（3）电量传感器：巡检载具利用48 V 锂动力电池作为驱动能源，在巡检过程中实时监测巡检载具所消耗电量和电池剩余电量，在电量低于20%时返回充电点进行充电操作。

（4）超声波传感器：该课题选用HC-SR04 超声波传感器探测巡检载具前方或后方的障碍物，此传感器可提供2～400 cm 的距离探测。模块本身包括超声波发生器、接收器和控制电路。

巡检载具在启动后，首先检测自身的运动方向，自动调用前方或后方的传感器，通过实时监测前方障碍物的距离，做出临时停止和继续行进的决策。当巡检载具行进到轨道的尾部，会依据距离自动停车并转换行进方向。

3 载具软件系统设计

巡检载具软件系统是由下位机控制程序与上位机数据采集系统组成。上位机与下位机分别负责数据的采集、巡检载具的运动控制等功能[7—8]。

3.1 下位机程序设计

嵌入式控制层主要进行巡检载具底层控制。作为巡检载具的下位机，其程序代码涉及到巡检载具的运动控制、位置的测算以及通信等问题的实现。根据巡检载具的巡检任务需求以及现场的实用性和可靠性，该巡检载具采用局部自主控制的形式沿轨道进行巡检[9]。下位机程序代码的运行逻辑见图5。

图5 程序运行逻辑

程序采用模块化编程的方式，将巡检载具的各个子功能分开并编写为独立的子函数，并配有对应的中断程序函数。巡检载具在巡检时首先启动主程序，并初始化对应的子函数与中断函数。进入主程序后，遇到对应的中断程序后先进入中断，如果在执行中断过程中没有其他中断情况发生，则在执行完毕后返回对应的执行信息到上位机；如果在执行中断的过程中，出现其他中断情况，则自动判断中断等级，并选择中断等级高的程序优先执行。

巡检时，主要依靠巡检载具的自动巡检，其巡检流程如下：在启动巡检装置后，首先初始化各项功能模块以及相应的传感器系统和通信系统，在进入系统后先进行电量的判断，如电量达到巡检的要求，则开始巡检，否则自动返回原位置点进行充电。然后启动巡检，STM32F407 微处理器将通过内部定时器14发出2 路频率和占空比同步的PWM 方波信号对电机进行驱动，通过改变占空比进行加速和减速的动作。在巡航过程中，巡检载具本身携带的传感器将不断采集托辊的故障信息，并在工控机内进行初步判断，当发现疑似故障时，将自动停止并详细采集当前位置的故障信息。最后，传感器通过RS485 总线传输到工控机中，并存储在工控机内部预设的数据库中。巡检载具的巡检流程见图6。

图6 载具巡检流程图

3.2 上位机数据采集软件

上位机数据采集软件主要功能是对带式输送机的数据采集、巡检载具的本体位置信息记录和信息的存储。上位机数据采集软件设计了基于RS485 总线的数据传输端口，收集传感器采集的信息后通过USB 端口上传数据到工控机中[10]。

基于Labview2017 版编写上位机数据采集与监控软件，根据巡检载具在巡检巡航时采集的数据内容进行编写和调试。巡检载具的上位机数据采集软件见图7。

图7 上位机数据采集软件

上位机数据采集软件安装在工业控制计算机中。图7 左侧分别显示当前日期和巡检时间，设置传感器的串口模式（包括波特率、资源名称、奇偶校验位和停止位等资源），数据保存路径的选择。主窗口显示巡检时探测到的温度、湿度、烟雾、噪声等内容的波形图，传感器数据通过VISA 驱动程序进行识别，并实时存储到系统的内部。

主窗口分为2 个选项卡，第2 个选项卡为查询历史数据，分别以表格和图形化的方式进行存储，并支持所查询的时间段，以波形图与表格的形式展现出来。上位机软件的历史数据查询界面见图8。

图8 历史查询界面

4 运动特性实验

在设计中，轨道式巡检载具采用橡胶轮作为系统的主动轮，经实际测试表明，载具在突然启动和停止的过程中存在着较大的振动。在巡检载具x 方向与y 方向上，均有较大的波动产生，且驱动轮均产生较大的磨损，因此对巡检载具的起步和停车运动特性研究是确定软件控制算法的基础。

4.1 实验方案

巡检小车的速度及启动停止均与方波信号的占空比DR（Duty Ratio）有关，在巡检载具的运动控制中，起步与停车都需要一种稳定的方式，目的是为了减少车身的波动幅度，同时也要尽量减小调节的时间，使载具能够快速达到目标速度。在巡检载具起步和停车过程中，可将此过程看作阶跃信号下的时间域响应。阶跃信号为不同占空比下所对应的电压值，而巡检载具属于质量-弹簧-阻尼系统，其时间域响应既可以理论建模也可以实验获取。理论建模精度受实际的质量-弹簧-阻尼因素影响，对轨道式巡检载具而言，弹簧-阻尼并不容易精确测取。因此，采用实验建模较为简便。

实验建模采用高速摄像的方式进行，具体方案如下：

（1）搭建轨道式巡检载具平台，并在巡检载具上标记好清晰可见的标记点A。

（2）将具有高速摄像功能的摄像装置安置在载具旁边，以能清楚地拍摄到轨道上所标记的位置为依据。

（3）启动特性实验中，将载具移动至起点位置，并开启高速摄像，利用手机或其他移动端，在载具停车状态下，分别向巡检载具发送占空比为30%～100%的启动指令作为阶跃信号。

（4）在停车特性实验中，需在巡检载具以不同速度运行的状态下，利用移动端向载具发送不同占空比的阶跃信号、停车信号，并利用高速摄像进行拍摄。

（5）解析每帧图像，并进行相应的数据处理。该实验中，采用的高速摄像设备为iPhone 11Pro，其像素为1 080 P，帧率为240 帧/s。

4.2 结果分析与讨论

4.2.1 模型的简化 巡检载具的模型可简化为图9的弹簧阻尼模型。

图9 巡检载具弹簧阻尼模型

由图9 分析可知，将系统整体进行力学分析后，可列出其动力学方程：式中，F（t）为巡检载具驱动力，N；H（t）为巡检载具向前位移量，m；k 可视为巡检载具整体的弹簧刚度；M为巡检载具的整体质量，kg；D 为黏性阻尼系数。将式（2）进行简化和处理后可得到其系统的传递函数：

4.2.2 停车特性实验 在实验中，将突然给入的方波驱动信号看作阶跃信号给入，采集车身标记点A距离变化与时间变化。在处理数据时，需要将图像像素点的值进行对比和测算，并根据数据测得时间的响应曲线。在多次实验和测算后绘制对应的速度变化曲线，并根据停车特性曲线获取其停车曲线趋势。停车速度采用以100%占空比条件下给入0%占空比的阶跃信号，经测算所得的速度-时间响应曲线见图10。

图10 停车速度-时间响应曲线

通过停车过程高速摄像的分析，巡检载具在100%占空比时给入阶跃信号后，在停车瞬间，速度有先降低又突升现象，随后逐步降低，呈现较大的振荡特性。同时，对此特性曲线进行拟合得到该曲线的趋势方程为

4.2.3 启动特性实验 由巡检载具的启动特性能够清晰地反应载具在加速过程中的速度变化，给入阶跃信号占空比为30%的驱动方波信号后，巡检载具的启动速度-时间响应曲线图见图11。

由图11 可知，通过高速摄像方法对启动特性分析，巡检载具在启动时速度逐渐升高，到达最高速度后逐步下降，整体速度呈波动变化，在到达速度最高值后的速度总在某个范围内波动变化。

图11 巡检载具启动速度-时间响应曲线图

实验经过反复测量，求取其平均值后得到传递函数：

系统的阻尼比ξ=0.42，固有频率ωn=50.88，可知系统本身为欠阻尼系统。

5 结论

本文设计了一种远程带式输送机巡检载具，利用STM32 作为载具的主控芯片，并选用了工控机以及相应的传感器作为巡检载具的数据采集系统。该系统采用上位机和下位机结合的方式，在巡检时由载具自主运动，以实现自动化巡检这一既定目标。通过高速摄像的方法，对巡检载具的整体进行运动特性的研究与分析，分析表明巡检载具在启动时速度将逐渐上升，到达峰值后在一定范围内波动。在停车时，载具的速度先降低，而后突然升高，呈现波动式降低的特征。这表明所设计的巡检载具在运动过程中具有一定的不稳定性，需要进一步进行算法上的适配和改进。通过运动特性曲线求出巡检载具整体的传递函数，为后期运动控制算法的研究与实现做了一些的探索性工作。