交通锥双拨齿轮投放装置协同控制技术研究

摘要：介绍了一种全新的交通锥自动布放工程车的布放模式及其核心工作部件双拨齿轮投放装置，基于这种双拨齿轮投放装置的作业要求，分析了其作业特点、作业过程及作业关键控制点，在此基础上设计了双拨齿轮的伺服驱动系统及相关的硬件配置方案，并详细阐述了如何实现双拨齿轮的主从驱动、原点标定、动态协同控制、交通锥自动投放间距控制，并提出了异常工况的预防措施等。

关键词：交通锥布放工程车；双拨齿轮；协同控制

中图分类号：TP29" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）16-0085-04

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

0" " 引言

近年来，高速公路养护行业面临着人工成本上涨、安全事故频发、施工效率低下等问题，为解决这些问题，各项相关业务都在寻求合适的“机器换人”方案。在交通锥布放作业领域，当前大部分还是采用人工或半自动作业方式，仅有极少量的交通锥全自动收放工程车在使用，由于作业速度慢、设备可靠性差、成本较高、操控复杂等方面的原因，这些全自动设备也还未被广泛使用。

针对这些痛点，开发了一种全自动交通锥布放工程车，投放速度最高可达10 km/h（4 m间隔），一键启动后的投放过程完全自动控制，无须人工干预。其核心部分是双拨齿轮投放装置，主要包括两个拨齿轮，二者结构及尺寸完全一样，两个拨齿轮的轴平行放置，每个拨齿轮共有6个拨齿，每个拨齿之间的角度为60°，如图1所示。

两个拨齿轮的拨齿共同托举一摞交通锥，当两个拨齿轮同步向内旋转60°，则放置一个交通锥至地面，同时下一个交通锥被双拨齿轮的下一组拨齿托举，如此往复，能够实现交通锥的连续放置。一摞锥筒最多可达20个，工程车前后各设置一个这种投放装置，交替放锥，可使放锥速度得到极大的提高。

1" " 控制功能分析

双拨齿轮投放装置能够顺利将其承载的交通锥逐一拨投至地面的首要前提是两个拨齿轮的动作能够同步，否则其承载的交通锥会出现偏置甚至卡滞，无法顺利布放。具体要求为两个拨齿轮旋转方向相反、旋转角度相同。在工业控制中，常用的同步控制方法有三种：第一种是在两个拨齿轮的轴上安装编码器进行位置检测，两个拨齿轮分别由两个电机来驱动，通过同步算法，实现两个拨齿轮的同步运转[1]；第二种是其中一个拨齿轮由一个电机驱动，该拨齿轮通过两个同步齿轮将旋转动作传递至另一个拨齿轮，通过机械的方式来实现两个拨齿轮的同步动作；第三种是采用主从控制方式，即两个拨齿轮分别由两个电机独立驱动，其中一个拨齿轮作为主机，其旋转的方向和速度通过电气传输至从机，从机驱动另一个拨齿轮动作，从而实现两个电机的同步运动。三种方法各有优缺点，适用于不同应用场景，根据具体工况可以择优选择，本文采用主从驱动方法来实现协同控制。

其次，在高速公路上布放交通锥时要做到锥筒放置间距均匀、准确，这样才能对施工区域和行车区域进行有效隔离。这就要求在布放交通锥过程中要精确控制双拨齿轮投放交通锥的时间，进而才能准确控制交通锥落地后的间距。由于在车辆作业时车速可能出现不同程度的波动，为了准确控制放置交通锥的间距，则投放交通锥的节奏必须与车辆速度联动。

最后，当前的全自动交通锥布放作业设备在应用中遇到的一个瓶颈问题就是其可靠性和稳定性不足，导致终端用户叫好不叫座，因此如何提高装置的鲁棒性并建立较强的容错机制也是这类全自动设备面临的一个主要课题。

2" " 双拨齿轮协同控制

2.1" " 硬件设计

综合考虑成本、安装空间、速度、定位准确性，优选在工业控制领域广泛应用的伺服驱动系统作为双拨齿轮的驱动装置。每个拨齿轮采用一个伺服电机来驱动，伺服电机配置有增量型编码器和电磁制动单元，每个伺服电机由其各自的伺服驱动器驱动，伺服驱动器支持CAN总线控制功能；控制器作为双拨齿轮动作控制的核心，通过CAN总线向主伺服驱动器发送动作指令，同时主伺服电机运转的状态也通过总线反馈给控制器，从机驱动器与控制器仅通过IO端口连接，不进行总线通信[2]；主伺服驱动器还同步将主拨齿轮的位置通过脉冲端口发送给从伺服驱动器，从伺服驱动器执行跟随动作。系统拓扑图如图2所示。

2.2" " 静态标定

两个拨齿轮在放置锥筒过程中要求时刻保持角度、速度的同步，而且承载交通锥的两个拨齿在投放前就必须处于水平位置，所以在正式投放锥筒之前就要对两个拨齿轮的初始位置进行标定。为此，在每个拨齿轮的一个拨齿前方各设置一个位置检测传感器，用来标定各个拨齿轮的初始位置，要求当承载交通锥的拨齿处于水平位置时，拨齿正对着这个位置检测传感器。

标定时，首先由控制器发送动作指令至主伺服驱动器，动作指令正好保证拨齿轮旋转一圈，当主电机带动主拨齿轮旋转时，从伺服驱动器此时没有收到控制器发送的脉冲禁止指令，所以从伺服电机会带动从拨齿跟随主机旋转。当从拨齿触发位置检测传感器时，记录下主伺服驱动器发送给控制器的当前位置脉冲数，将这个位置脉冲数作为从拨齿轮的原点，并由主机驱动从机旋转至从机的原点位置。接着，控制器通过DO端口给从伺服驱动器发送脉冲禁止指令，之后控制器继续发送动作指令至主伺服驱动器，动作指令正好保证主拨齿轮旋转一圈。当主电机驱动主拨齿轮旋转时，从拨齿轮由于受到脉冲禁止指令会始终静止不动，当主拨齿轮触发其位置检测传感器时，记录下主伺服驱动器发送给控制器的当前位置脉冲数，将这个位置脉冲数作为主拨齿轮的原点，然后驱动主拨齿轮旋转至其原点位置。至此，主从拨齿轮都已经处于准确的原点位置，后续动作过程中只要时刻保持两个拨齿轮同步动作即可。

2.3" " 动态协同

当双拨齿轮执行完静态标定且两个拨齿轮都处于其原点位置后，可以驱动车辆配置的辅助装置将一摞交通锥转运至双拨齿轮上，由双拨齿轮承载这一摞交通锥，至此就完成了交通锥放置前的准备工作，可以开始放置交通锥。放置时，首先由控制器发送向内旋转指令给主伺服驱动器，即60°对应的脉冲数，一旦主伺服电机开始旋转，主伺服驱动器将实时发送其位置脉冲给从伺服驱动器，从伺服驱动器接收到脉冲后，实时跟随主机的速度和位置，这样主拨齿轮和从拨齿轮就实现了同步向内旋转动作，其承载的第一个交通锥则失去了两个拨齿的支撑，在重力作用下自由下落至地面。在这个过程中，从拨齿轮滞后于主机的时间仅仅是主机驱动器发送其脉冲给从机驱动器的信号传输和解析时间，理论上该时间长度应为毫秒级，不会导致拨齿轮上承载的交通锥在放置过程中发生不可接受的偏置，而且最终从拨齿轮旋转的角度会与主拨齿轮保持一致。

另外，为控制两个相邻交通锥在地面上的距离，需要准确控制双拨齿轮旋转的时间间隔，而控制上述时间间隔的原则是计算车辆在放置前一个交通锥后所行驶的距离大于或等于设置值。为准确计算该距离，控制器会通过总线实时获取汽车底盘ECU发送的车辆速度，并对车辆速度进行积分计算，当计算出车辆当前位置距离上一个已放置的交通锥的距离达到设定值时，再次驱动双拨齿轮向内旋转60°，放置第二个交通锥至地面，如此循环，直至双拨齿轮承载的交通锥放置完毕。

控制器通过ECU获取的车速肯定滞后于实际车速，这就导致交通锥放置间隔与设置值会存在差异，尤其是当车辆行驶速度不稳定时，这时交通锥间距也会出现明显不均匀的现象。为了解决该问题，可以从三个方面进行处理：首先是可以提高控制器接收车速信息的周期和精度，从而进一步缩小因车速滞后导致的间隔偏差；其次是在对车辆行驶距离进行积分运算时，对该距离进行补偿，补偿的数值可以是ECU通过总线发送车速报文的周期内车辆行驶的距离，通过补偿后控制器计算的车辆行驶距离进一步逼近真实值；最后，剩下的误差是由ECU发送的车速偏差导致的，这可以通过对ECU发送至总线的车速进行标定来解决。

2.4" " 异常工况处理

经过上述的静态标定和动态协同控制后，投放装置的全自动放锥功能基本得到实现。但在投放交通锥的过程中，不可避免地会出现一些异常工况，这些工况会严重影响双拨齿轮的同步性，给施工过程带来极大的不便。

一种情况是，在放置交通锥的过程中，系统突然断电，双拨齿轮的驱动电机突然失去电磁力，但双拨齿轮上还有交通锥未放置完毕，此时双拨齿轮在交通锥重力作用下旋转，导致交通锥落地，拨齿轮也不再同步。为解决该问题，特在每个电机上设置一套电磁制动单元。每次伺服驱动器通电使能时，同时给制动单元通电，将制动装置释放，此时电机转子受电磁力的控制处于零速锁定状态，只有当控制器发送旋转指令时，电机转子才会动作；当伺服驱动器断电时，电机转子失去电磁力的控制，同时必须切断制动单元的供电，使制动装置抱死，电机转子受制动装置控制，也不会产生旋转，从而确保在两个拨齿轮初始位置一致的情况下，运行过程中从拨齿轮会实时跟随主拨齿轮旋转，断电后也将保持断电前的位置不变，直至下一次通电后控制器发送动作指令给主伺服驱动器，这样就实现了双拨齿轮的电气同步控制。

另一种情况是，在协同动作的过程中，从伺服驱动器检测到异常，从伺服电机被锁定，这时从伺服驱动器无法有效执行主伺服驱动器发送的动作指令，导致主伺服电机驱动拨齿轮动作时，从拨齿不动作，双拨齿轮的旋转动作不再同步。这个时候双拨齿轮承载的交通锥会出现严重偏载的现象，主拨齿侧的交通锥底座被主拨齿旋转拨动至拨齿下方，而从拨齿侧的交通锥底座因从拨齿轮被锁定无法动作仍然被从拨齿承载，此时放锥过程已经无法顺利进行，还给后期的锥筒姿态恢复处理带来极大的困难。针对这种情况，将从伺服驱动器的故障信号从其数字输出端口输出至主伺服驱动器的数字输入端口，并将主伺服驱动器该输入端口的功能配置为急停，这样在从伺服出现故障并锁定后，从伺服驱动器通过数字输出端口将故障信号发送至主伺服驱动器的数字输入端口，主伺服驱动器检测到该信号后立即紧急停机，不再执行控制器发送的旋转指令，此时主从拨齿轮仍然处于同步状态，同时由主伺服将故障信号上报至控制器，进行系统的联锁停机和故障报警[3]。

3" " 实验结果

上述对双拨齿轮控制系统的设计实施后，经过反复调校，进行交通锥放置实验。实验条件：放锥间隔设置为4 m，放锥长度400 m，放锥过程中施工车辆开启定速巡航模式，定速5 km/h，并在实验过程中利用数据采集仪实时监测双拨齿轮两个伺服电机的负载情况。根据电流变化的前后时间差异数据得出从拨齿轮滞后时间平均约为50 ms，从拨齿轮滞后主拨齿轮的最大角度约为4°，图3为节选的一段双拨齿轮伺服电机负载曲线图。放置至地面的锥筒间隔实测平均值为3.97 m，标准差为0.074 m，放锥效果如图4所示。

从实际测试效果来看，该方案的双拨齿轮同步性能良好，放锥间距均匀准确，具有较好的实用性。

[参考文献]

[1] 李胜光，张冠，李来，等.伺服同步控制及其应用浅析[J].锻压装备与制造技术，2023，58（4）：79-82.

[2] 刘艳行，张小玲，李文强.一种基于CAN总线的双轴同步控制系统设计[J].中国科技信息，2023（1）：42-44.

[3] 宋科，曹建福，谭亚丽.大型龙门式包装机双轴同步控制技术研究及应用[J].现代制造工程，2020（8）：147-153.

收稿日期：2024-04-22

作者简介：郭柏甫（1987—），男，四川苍溪人，工程师，主要从事道路养护施工工艺研究及养护装备开发工作。