基于堆积模型的物料运输车控制系统研究

刘沅明，唐凌思，曾树华

（1. 湖南铁路科技职业技术学院，湖南 株洲 412006；2. 湖南化工职业技术学院，湖南 株洲 412000）

0 引言

大型养路机械（简称“大机”）对铁路路基的养护作业是保障铁路安全的重要环节之一。物料运输车作为与清筛机配套的新型养路机械，负责装载、运输和卸弃石渣等作业，是清筛作业不可或缺的大吨位铁路运载工具［1-2］。当前，国内使用的物料车以WY-100 型车为主，其装渣、卸渣和运输等作业依靠站立于数米高开放台上操作员的肉眼观测与手动操作，不仅作业效率低、规范性差，而且稳定可靠性也难以保证，存在极大的安全隐患。因此，对物料运输车作业全过程自动控制问题的研究具有实际需求和现实意义。

然而，目前针对物料运输车作业全过程自动控制的研究相对较少。周佳亮、高春雷等［3］设计了一套利用超声波测距技术的物料运输车物料自动化传输系统。龚雪文［4］提出了利用无线测距和遥控技术优化抛渣带结构的安全避障系统。唐俊、李敬兆等［5］提出一种基于轻量化的带式输送机上散状物料堆积视频检测方法。游磊、朱兴林等［6］提出一种采用红外结构光技术快速识别方法。胡传亮等［7］设计了一套基于激光和超声波技术的抛渣带避障系统。但上述方法都只对部分作业过程开展自动控制研究，如有的仅考虑了装料自动控制问题，而忽略了作业过程中装渣、卸渣、传输等操作便捷性和安全问题的研究。为此，本文针对物料运输车的装料、卸料与传输等过程的回转皮带机和地板运输机的移动操作问题，提出了一种基于堆积模型的控制系统方案，建立了一套自动检测控制系统，并设计了移动端的人机交互系统。首先，通过分析现场特点，选择超声波测距法检测物料。然后，其通过分析进料端特点和实际装料的物料堆积模型，优化设计进料端物料堆积高度检测机构，并引入左右偏载石渣防跌落策略，提高了系统安全性。在出料端，设计了正、反向装渣的满载距离检测、偏载分析和卸渣速度控制的综合检测控制系统；同时，利用无线通信技术，实现移动平板端与控制系统的人机交互，最后通过实际作业验证了系统的有效性。

1 物料运输车作业检测方案

实际作业时，通常由多台物料运输车成列编组，作业涉及装渣、卸渣与传输等过程（图1）。本物料车自动控制系统需要解决的主要问题是：针对进料端，建立基于实际堆积模型的物料状态实时检测系统，根据装渣与偏载情况自动控制地板输送带移动；在出料端，通过检测转运速度来自动控制传输过程；同时基于实时检测的料仓物料状态，建立偏移、堵转与石渣跌落自动预防控制机制；采用无线射频、便携移动式人机交互系统，实现人车分离的监测与移动功能。

图1 物料运输车组结构示意Fig.1 Structure of material transport vehicles

1.1 物料堆积模型

1.1.1 装渣堆积模型

物料自然堆积模型如图2 所示。图中，α、α′为静堆积角，l为锥体底部直径，h为锥体高度。清筛车作业中，输出的石渣通常是碎石块和砂土等组成的混合物。

图2 物料自然堆积模型Fig.2 Natural stacking model

由于混合物块度、干湿度、黏土含量等因素不同，形成的静堆积角（α和α′）亦不同，如图2 （b）所示。根据锥体三角关系，有：

对于不同物料，α有所不同，但其大小主要由堆积斜面上的物体受到下滑力F和摩擦力f共同作用所形成，见式（2）。当F=f时，得到式（3）。此时的α被称为最大内摩擦角，即物料的静堆积角，工程上常用实验法来测定。表1示出常见物料的静堆积角数值。

表1 常见物料的静堆积角Tab.1 Static stacking angles of common materials

式中：G——物体重力；µ——摩擦系数。

1.1.2 装料效果与模型

在装渣过程中，随着石渣从清筛车或物料车的抛渣带抛出落入料仓进料端，堆积体高度会逐渐增高。图3示出2 种不同的装料堆积效果，造成堆积效果不同的原因是抛渣带宽度和石渣类型等的差异。物料车抛渣带宽度较宽且高度较低，形成的堆积坡面较小，效果如图3（a）；而清筛车抛渣带宽度较窄且位置较高，形成的堆积坡面较大，效果如图3（b）；此外，受石渣本身的干湿度和黏土含量等因素影响，堆积锥体的静堆积角也会出现差异。

图3 装料堆积效果Fig. 3 Effects of loading and stacking

通过对实际装料情况进行分析，得到图4 所示进料端装料模型。其中，H为料仓高度，W1为底板输送带长度，W2为料仓宽度，L为侧挡板长度，α1、α2为石渣的静堆积角，ϕ为侧挡板倾斜角。图4中，①、②、③和④表示可能的堆积横截面。其中，①和②为正常状态下清筛车抛料带和回转抛料带抛料形成的堆积面，此时装料过高，易导致超出限高和过载；③和④为曲线路段物料车左右偏载状态下回转抛渣带形成的堆积面，在此偏载极限状态下，石渣可能从料仓两侧溢出而跌落。

图4 进料端装料模型Fig. 4 Loading model at feeding end

1.2 检测方案设计

本检测方案主要任务如下：检测进料端物料状态，为地板输送带移动提供依据；在转运物料时，通过检测转运速度和偏载状态，有效控制地板输送带向回转抛渣带的转运速度，从而防止因渣量过大造成回转抛渣带堵转。

由图4 分析可得到，料仓装料状态可通过装料横截面积反映，而料仓宽度和底边长度是不变的，因此横截面积可通过检测装料高度进行近似判断［8］。

1.2.1 进料端检测设计

将传感器安装在横顶梁靠两侧边位置，如图4 中的Ⓐ和Ⓒ位置，角度向内侧倾斜且垂直堆积体斜面，用来检测物料高度和偏载，预防掉渣；传感器向后适当倾斜，将检测点前移，可提高检测的实时性，有效解决检测滞后问题［9］。根据几何关系，实际高度计算如式（4）所示，其中，α2＜α＜α1，物料高度范围为V2＜V＜V1。

本文利用传感器Ⓑ与传感器Ⓐ和Ⓒ的高度差，实现偏载检测。通过比较检测高度与阈值来判断状态，进料端物料满载后，控制地板输送带将物料向前移动一段距离，腾出装渣区域，从而实现进料端自动检测控制和偏载控制。

1.2.2 出料端检测设计

图1 中，出料端为物料车的地板输送带最前端和回转抛渣带的一个区域。图5中的Ⓓ、Ⓔ和Ⓕ为出料端的检测传感器。传感器Ⓓ的倾斜角度较大，用于实现对整车装料进度的检测，物料堆靠近Ⓓ则表明本车料仓已被装满，在正向装料顺序时，实现为残渣预留空间区域的检测控制。传感器Ⓔ和Ⓕ用于实现对地板输送带最前端转料速度的检测以及转料偏载状态的分析判断，为偏载控制提供依据。即，通过对比进料端偏载和出料端转运偏载情况，分析地板输送带速度对石渣横向偏移的影响；通过调节地板输送带速度，实现偏移优化。

图5 物料运输车自动控制系统硬件组成Fig.5 Hardware composition of automatic control system for material transport vehicle

2 硬件系统

本文研究是在不影响原手动控制系统操作的前提下，兼顾考虑成本和升级复杂度等因素，通过优化升级，实现自动控制功能。所设计的自动控制系统分为自动控制下位机子系统和上位机移动交互端，其中下位机子系统硬件包括系统主板、无线通信装置和传感器。图5示出物料运输车自动控制系统硬件组成。

2.1 下位机子系统

下位机子系统主板是自动控制系统的核心，其包含系统处理器、模拟量电路（除传感器）和数字量电路等。考虑客户需求与开发难度，本文选择TM32F407型微控制器作为系统处理器。模拟量电路采集传感器检测出的模拟信号并输出模拟的控制信号，控制地板输送带速度和发动机转速。数字量电路检测各开关信号状态，控制回转抛渣带、地板输送带、快慢挡和作业模式等，再并入原车系统信号，使新系统与原系统实现兼容操作。

无线433 MHz 射频通信绕射能力强、低功耗、安全性高等特点，特别适合一两公里内的移动通信，是目前主流的无线通信技术之一［10］。本文无线通信系统（图6）采用国产433 MHz 无线通信模块，可实现多重功能，其支持远距离车辆间的无线通信，方便了动态重联编组；实现车与移动终端的实时数据传输，为监控提供了便利；并提高了协同作业和管理的效率。

图6 物料自动控制运输车无线通信系统框图Fig.6 Wireless communication system block diagram of automatic control system for material transport vehicle

作业现场要求传感器能适应各种光线条件，不受雨水、粉尘、雾气等因素的影响，可实现非接触检测。故本文采用超声波传感器进行非接触式检测，其安装方便，稳定可靠，不受粉尘、温度和光照影响，使检测系统在扬尘、雨雪、昼夜和高低温等恶劣条件下都能有效工作，满足物料车作业需求。

2.2 上位机交互移动端

物料车作业现场通常是多车联挂协同作业，传统人工操作方式下每台车至少配备一名操作员，并且是在露天开放狭小平台站立操作，存在作业人员多、效率低和安全性差的问题。对此，本文采用抗振耐摔、IP67等级和恶劣工作环境、基于Windows 系统的工业平板作为移动操作端，其易于开发人车交互界面系统，且利用平板外设接口接入无线通信模块的轻松实现与各物料车组网通信，操作员通过平板电脑可远程实现对所有物料车的监视与控制。

3 软件系统与控制算法

物料运输车自动控制系统的软件主要包括软件系统和控制算法。软件系统实现数据处理和逻辑判断；控制算法根据不同装料速度和重量实现对液压马达速度的动态调节，防止打滑和堵转。

3.1 软件系统

图7 为物料运输车自动控制软件系统总框图。软件系统负责对各功能模块进行协调与控制。程序根据物料车的配置和传感器检测的物料状态，解算装料高度和偏载信息，一旦满足装料高度与偏载阈值要求。则输出控制命令，控制算法根据控制命令调节控制量，控制地板输送带前移；通过判断整车装载的状态，调整前后车的作业模式；根据石渣传输横向偏移量和作业石渣量，协调优化发动机油门和地板泵电压，并控制相关电磁阀。人机交互系统将据无线通信模块所接收的信息显示在界面上；同时，通过界面设置相关参数、配置模式和手动控制相关动作，实现作业的自动控制和人工干预兼容操作模式。

图7 物料自动控制运输车软件系统总框图Fig.7 General block diagram of automatic control software system for material transport vehicle

3.2 控制算法

在基本PID 上加入前馈控制和微分先行环节，并嵌入完全和不完全微分控制环节。前馈控制是在反馈不易控制的干扰产生之前输出抑制作用，以改善实时性和响应速度。微分先行环节是增加对输出反馈的微分内环反馈，避免设定值突变而造成振荡，从而提高控制的稳定性［11］。完全微分能预见偏差变化趋势，产生超前控制作用，优化系统调节时间，改善动态性能。不完全微分可有效抑制高频干扰。通过此优化PID 控制算法，可有效提高控制的稳定性和精确性。图8示出本系统的优化PID控制算法。

图8 物料运输车控制系统优化PID 控制算法Fig.8 Optimized PID control algorithm of material transport vehicle system control

3.3 人机交互界面

本文基于LabVIEW开发物料运输车自动控制系统的上位机交互界面。系统通过调用串口，获取无线模块的解码反馈数据进行解析和显示；利用无线模块发送界面上的控制命令和数据。操作员通过平板实现对物料车的监视与控制。图9为人机交互界面，其由物料车组状态控制的主界面、各车号界面和通信配置界面组成。

图9 物料运输车控制系统人机交互界面Fig.9 Human-machine interaction interface of material transport vehicle system control

4 试验验证

为验证系统设计方案的有效性和实用性，本系统被安装在2台WY-100型物料运输车上，在不同强弱的光线、扬尘、雨水等恶劣环境下，进行现场自动控制作业试验，并将装料高度、偏载、人工数量、设备磨损与节能情况与传统人工控制作业的效果进行对比验证。

图10示出装渣距离数据，其中红色曲线和蓝色曲线分别为作业过程中在图4的Ⓐ和Ⓒ位置所检测的传感器到石渣的距离值（即进料端的装料堆积体顶部到车体顶梁处传感器的距离）。当曲线值大于670 mm时，车辆处于欠载状态，地板输送带静止，等待装满。当曲线值不大于670 mm 时，表示装料高度达到满载阈值，系统自动启动地板输送带。但由于地板输送带液压驱动存在时滞现象，滞后时间段内进料端继续装料，导致曲线值减小至630 mm；待地板输送带将装满物料移出进料端后，检测点距离又变大，因此，除非输送带出现卡死故障，否则曲线值不会出现小于630 mm 的情况。当曲线值恢复至大于670 mm时，地板输送带立即停止，重新开始装料。可见，自动控制系统能使该距离保持在（630 ～670）mm之间。

图10 物料运输车控制系统装渣距离数据Fig.10 Loading distance data of material transport vehicle system control

图11 示出本系统在偏载，黑夜、白天、雨天和扬尘的恶劣环境条件下的现场作业效果。可以看出，本系统能自动控制装料，且装料效果满足要求，无掉渣现象。

图11 恶劣环境下现场作业效果试验Fig.11 Field operation effect tests under harsh environment

图12 示出采用本系统后的实际装渣试验效果。其中，图12（a）和图12（b）为清筛车抛渣带和物料车回转抛渣带抛料的整车装料效果。可以看出，自动控制下装料堆积坡面都比较平整，堆积高度和人工装料一致，满足人工装料堆积体中心顶点到顶部横梁的距离为（50±15）cm（图12（d）测量位置）、侧边到侧挡板上边沿距离为（35±15）cm（图12（c）测量位置）的经验值要求，同时能很好地控制偏载装料，有效规避掉渣风险。

图12 实际试验效果Fig.12 Actual test results

表2示出衡山站到新霞流市站的现场作业数据记录。根据现场效果和表2记录可知，图12（a）与图12（b）相比，其堆积角大、顶端更高、边缘相对较低，实际控制效果与1.1.2节理论分析结果一致。

表2 现场试验数据Tab. 2 Field test data

综上可以看出，本系统适应性强，能在不同线路段、恶劣天气条件下全天有效、可靠地工作。

5 结束语

针对物料运输车自动化升级改造的问题，本文通过对物料车作业原理、现场特点与装料模型的分析，基于超声波检测技术、无线通信技术和嵌入式控制技术，设计了一套物料车作业自动控制系统。试验结果表明，本系统实现了对作业过程中物料车状态的检测和装料的自动控制，精确控制发动机油门，优化了能耗，同时减少了不必要机械磨损，提高了设备的使用寿命；远程移动端实现多车协同控制，减少了人员数量，提高了作业效率，能有效避免因掉渣引起的安全隐患，解决了工作人员频繁登高作业的相关弊端，提高了作业的安全性。