談狀態(tài)感知技術(shù)的叉車智能控制系統(tǒng)
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摘要：叉車作為運輸物流及工業(yè)生產(chǎn)中重要的組成部分，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。針對傳統(tǒng)叉車在控制領(lǐng)域存在的安全問題及故障率高等缺點，以叉車作業(yè)時的安全隱患及操控舒適度為出發(fā)點，設(shè)計了一種叉車智能控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對車輛和人員的監(jiān)管。采用傳感技術(shù)并結(jié)合嵌入式智能深度學(xué)習(xí)，實現(xiàn)感知模型的壓縮與重建，有效節(jié)約感知模型的數(shù)據(jù)成本，將感知理論與機械診斷結(jié)合在一起，對叉車監(jiān)控系統(tǒng)進行測試，并融合數(shù)據(jù)壓縮及信號重構(gòu)的改進算法，對叉車機械裝置進行了深入分析與研究。
關(guān)鍵詞：技術(shù)革新；深度學(xué)習(xí)；數(shù)據(jù)壓縮；信號重構(gòu)
引言
隨著現(xiàn)代信息科技產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，智能感知技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。企業(yè)在生產(chǎn)運輸中更清楚地認(rèn)識到現(xiàn)代智能控制技術(shù)所帶來的便捷性。感知、控制、決策等模塊是人工智能與深度學(xué)習(xí)技術(shù)領(lǐng)域最重要的一環(huán)，其中環(huán)境感知技術(shù)為叉車安全駕駛提供了重要保障，在多種感知傳感器作用的基礎(chǔ)上，利用特定的算法可以檢測出車輛等障礙物的各項信息。在裝備高效穩(wěn)定運行過程中，叉車占據(jù)著重要地位，任何操作失誤或機械故障都會對安全運行和效能發(fā)揮產(chǎn)生重大影響，研究叉車的感知控制技術(shù)對于保障裝備安全運行具有重要意義。如果可以實時監(jiān)測叉車當(dāng)前運行狀態(tài)并及時地發(fā)現(xiàn)故障隱患，盡早采取有效措施，就能有效減少設(shè)備故障所帶來的經(jīng)濟損失。在我國，叉車企業(yè)僅依靠技術(shù)功能的革新已經(jīng)難以取得市場優(yōu)勢。迫于市場競爭壓力，叉車企業(yè)一方面需要從叉車造型入手，從視覺層面給客戶一種心理購買暗示；另一方面，要對叉車的基礎(chǔ)功能屬性進行升級優(yōu)化，針對駕駛室噪聲或操作習(xí)慣等問題進行深入研究，結(jié)合傳感器對駕駛員操作習(xí)慣及車內(nèi)噪聲響應(yīng)的分析，對信號進行數(shù)據(jù)處理，以優(yōu)化升級叉車結(jié)構(gòu)。隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，人工成本不斷提高，智能型叉車的普及必將成為制造業(yè)、物流倉儲等行業(yè)的主旋律。然而，叉車的工作環(huán)境復(fù)雜多樣，分布范圍存在不確定性，因而其不可避免地會在使用過程中存在一些問題。首先，因操作不當(dāng)引發(fā)的安全問題。2019年美國職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）數(shù)據(jù)顯示，每年因叉車操作不當(dāng)所引發(fā)的安全事故約有34900起。由于駕駛員經(jīng)常不按照規(guī)章制度執(zhí)行，例如突然加速、急剎車，長時間超速、超重行駛等，這些違規(guī)的駕駛行為必然會帶來安全隱患，甚至導(dǎo)致車輛失控，嚴(yán)重影響叉車的使用壽命。其次，使用效率相對較低。叉車缺少相關(guān)數(shù)據(jù)采集功能，包括叉車的運行速度、門架狀態(tài)、變速箱狀態(tài)等數(shù)據(jù)，難以對管理者實現(xiàn)有效監(jiān)管，也不能對駕駛員的工作進行量化記錄，績效考核困難。最后，叉車維護保養(yǎng)困難，且維修成本相對較高。叉車升級更新，其控制系統(tǒng)也變得復(fù)雜多樣，對于能對叉車實施有效的故障診斷、設(shè)備維修的技術(shù)人員的要求越來越高。當(dāng)叉車出現(xiàn)棘手的故障時，現(xiàn)場工作人員多數(shù)會聯(lián)系技術(shù)人員到現(xiàn)場解決，服務(wù)成本也比較高。而通常的檢修都需要拆開叉車機體，效率較低。有時無法對車輛歷史運行狀況進行復(fù)現(xiàn)，難以發(fā)現(xiàn)問題的根本原因。因此，叉車的智能感知控制技術(shù)是實現(xiàn)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一項重要舉措，是經(jīng)濟持續(xù)增長的一股動力。
1控制系統(tǒng)組成
叉車硬件控制系統(tǒng)如圖1所示，硬件部分主要由信號采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、車輛輸出驅(qū)動模塊組成。控制器電源設(shè)計如圖2所示，一方面，必須滿足12/24V不同型號的叉車使用需求，因此，其必須具備寬電壓輸入能力；另一方面，控制器在性能上要能夠有效抑制車輛運行過程中來自發(fā)動機或人為作業(yè)的電源干擾。本項目在控制器電源設(shè)計上做了大量準(zhǔn)備工作，經(jīng)過對叉車現(xiàn)場的檢測和分析，最終設(shè)計出滿足9～36V電源輸入要求的開關(guān)型穩(wěn)壓電源，輸入峰值達到60V，控制器電源部分使用叉車現(xiàn)有蓄電池進行供電，滿足不同車況下的電源需求。主控制器采用意法半導(dǎo)體STM32微控制器，STM32因其自身強大的性能和市場占有率，不僅可以縮短控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，還能進一步有效降低開發(fā)成本。當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)對設(shè)備的實時性、安全性、舒適性、低成本等提出了更高要求，而憑借上述優(yōu)勢，STM32廣泛應(yīng)用于電子控制系統(tǒng)。信號采集模塊由多個傳感節(jié)點、匯集節(jié)點構(gòu)成感知層。各傳感節(jié)點負(fù)責(zé)叉車的車速、轉(zhuǎn)角、稱重、振動、噪聲等相關(guān)數(shù)據(jù)采集，并傳送至匯集節(jié)點，匯集節(jié)點則負(fù)責(zé)傳感數(shù)據(jù)的創(chuàng)建壓縮，縮小信息的冗余量，有效提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在不影響叉車結(jié)構(gòu)與電氣特性的條件下，建立叉車性能及健康評估模型，以便工作人員及時掌握叉車的運轉(zhuǎn)狀況，杜絕安全隱患，保證叉車安全穩(wěn)定運行。數(shù)據(jù)通信模塊采用基于J1939玉柴發(fā)動機通信協(xié)議的CAN總線實現(xiàn)了叉車儀表、變速箱、發(fā)動機與控制器之間的信息交互，同時為叉車電氣控制單元之間建立信息共享，現(xiàn)場測試了叉車的檔位信號識別、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、機油壓力、燃油消耗等功能。測試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)通信協(xié)議能夠檢測叉車的所有功能，滿足叉車所要求的作業(yè)性能。驅(qū)動輸出模塊如圖3所示，滿足了叉車大電流驅(qū)動要求，電路設(shè)計上采用MOS驅(qū)動電路，輸出功率可達到80W以上，控制單元和驅(qū)動輸出之間采用隔離電源與光電耦合電路相結(jié)合的方法，可有效抑制輸出回路中電磁閥等感性大功率負(fù)載的干擾，反饋采樣有效提高了系統(tǒng)可靠性。
2本課題的研究思路
本課題首先需要考慮叉車的信號分析研究是否符合壓縮感知原理，壓縮感知理論打破了傳統(tǒng)奈奎斯特采樣定律，是信號在恢復(fù)領(lǐng)域一個新的突破，如果按照奈奎斯特原理精確地恢復(fù)原始采樣x信號，需要滿足至少2倍的采樣頻率，在造成通頻帶嚴(yán)重浪費的同時，還給控制系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的負(fù)荷。大量的數(shù)據(jù)分析表明，信號在傳輸過程中，除了少量數(shù)據(jù)s是非零的，其余很多數(shù)據(jù)都具有冗余性。壓縮感知原理是在某個變換域Ψ下可以被稀疏表示的一類冗余信號，這樣具有稀疏性的原始信號可通過降低采樣頻率來恢復(fù)，其采樣率只取決于信號稀疏度。目前常用的信號稀疏變換方法具有多樣性，例如傅氏變換、拉氏變換、小波變換等，可以通過單一或組合變換方法構(gòu)建信號壓縮字典，提取不同類型信號的稀疏基。壓縮感知理論由于其具有高效性，已被廣泛應(yīng)用于很多工業(yè)領(lǐng)域。為了能夠完整有效地表示壓縮后的信號y，需要進行符合測量矩陣Φ的設(shè)計。測量矩陣由正交的基向量組成，必須能夠滿足某種特定條件和獨立性，在保證原始信號有效的前提下對冗余數(shù)據(jù)進行合理壓縮，測量矩陣較為常見的有高斯矩陣、伯努利矩陣、二值隨機矩陣等。壓縮感知理論的重點是信號重構(gòu)并精準(zhǔn)恢復(fù)為原始信號。重構(gòu)算法通常從速度、運算精度或復(fù)雜度等方面進行衡量，然后經(jīng)過迭代逐步逼近最優(yōu)結(jié)果。為了縮短算法的重建時間，在信號重構(gòu)基礎(chǔ)上匹配階段標(biāo)識并進行重新設(shè)置，從有效抑制欠擬合或過擬合角度分析，采用合適的壓縮系數(shù)，得到收斂更快且重構(gòu)精度高的信息，最終在稀疏度和擬合誤差之間取得平衡。壓縮感知原理如圖4所示。
3結(jié)語
本文采用多源傳感器技術(shù)和壓縮感知原理對叉車進行深入研究與分析，在不影響傳統(tǒng)叉車工藝的基礎(chǔ)上，針對叉車運行狀態(tài)和車輛性能的實時性與穩(wěn)定性，圍繞算法收斂性做出進一步優(yōu)化。改良后的叉車智能控制系統(tǒng)，可以有效改善叉車因操作不當(dāng)引起的車輛故障，降低叉車維護保養(yǎng)成本，減少叉車能源消耗，最終實現(xiàn)傳統(tǒng)機械和現(xiàn)代信息技術(shù)的有效結(jié)合。
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作者：李根 何勝軍 單位：衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院