一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统的制作方法

1.本发明涉及轨道车辆无损检测技术，特别是一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统。


背景技术：

2.空心轴作为高铁及动车组走行部机构的主要旋转部件，为了保证高速列车运行安全，须定期使用超声自动探伤设备进行空心轴缺陷检测。机械悬臂作为空心轴探伤重要组成部分，是超声探伤进给机构的位置执行单元。因超声探伤设备的功能属性，产品设计过程必须保证设备主体与超声探杆进给机构处于软连接分离状态。在实际运行过程中，因设备尺寸及现场作业环境，单人完成设备的操作过程极其不方便，且超声进给机构抬升移动过程操作人员视线受到遮挡，对设备及操作人员存在一定风险。
3.现有空心轴超声探伤设备用于超声探杆进给机构运动悬臂执行单元，在实际操作过程无法实现单人操作困难，且人员操作过程中视野容易收到受到干扰。存在安全隐患、操纵性差、人工浪费等问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于周向抓力传感器的自动检测装置，控制悬臂的动作单元，当操作人员握住进给机构吊杆前端安装的周向抓力传感器，通过采集周向握力的大小并进行分析计算，悬臂的升降动作依据周向抓力反馈控制系统进行自适应随动控制。可以实现单人可靠操作、降低因视野问题造成的潜在安全隐患，本系统操作简单，适用场景广，较大限度简化操作人员工作环节，也可作为其它应用场景的随力运动辅助装置。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现。
6.一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，包括悬臂升降单元、进给机构操作压力采集单元、无线压力信号反馈控制单元，所述悬臂升降单元包括悬臂结构、plc控制器、伺服驱动器、升降电缸，所述悬臂升降单元用于进给机构的吊装和升降或水平移动操作，所述进给机构操作压力采集单元包括周向阵列传感器、采集模块、压力采集控制器和无线蓝牙模块，所述周向阵列传感器与采集模块相连接，所述采集模块通过无线蓝牙模块与压力采集控制器实时通信，所述压力采集控制器用于实现周向阵列传感器压力感应电压信号采集数据的接收、处理，将感应电压信号通过传感器的压力电阻特性曲线转换为压力数据，并计算所有感应点竖直方向的分力，所述无线压力信号反馈控制单元包括无线蓝牙模块和无线压力信号反馈控制器，所述无线压力信号反馈控制器实时接收的周向阵列传感器竖直方向分力，给plc控制器发送动作信号，通过plc控制器实现对升降电缸的升降控制。
7.所述悬臂升降单元的plc控制器给伺服驱动器发送控制信号，所述伺服驱动器实现驱动升降电缸完成升降操作；采用了三级旋转轴的结构实现水平方向的自由移动和旋转，所述三级旋转轴的结构包括一级旋转轴、长悬臂、二级旋转轴、短悬臂、三级旋转轴、拉
杆吊块，所述升降电缸通过一级旋转轴连接在长悬臂的一端，所述长悬臂的另一端通过二级旋转轴与短悬臂的一端相连接，所述短悬臂的另一端通过三级旋转轴连接有拉杆吊块。
8.所述周向阵列传感器采用点阵4*6的柔性薄膜压力传感器，包括聚酯薄膜、高导电材料和纳米级压感材料，所述周向阵列传感器拥有24个相互独立的感应区，感应区的输出电阻随着外部压力的变化而发生变化。
9.所述周向阵列传感器卷曲安装在圆柱形绝缘体上，外围套有厚度均匀的硅胶套，所述周向阵列传感器安装在拉杆吊块上。
10.所述采集模块选用差分24路ad采集模块dam-3150，同时采集周向阵列传感器的24路感应电压信号，在量程为0～5v情况下，所述采集模块的精度能达到5mv，所述采集模块实时采集周向阵列传感器的电压信号，通过rs485通信协议实时传输给压力采集控制器。
11.所述压力采集控制器计算所有感应点竖直方向的分力的公式为：式中，fi为周向阵列传感器压力上第i个压力感应点受到的压力；θi为第i个压力感应点和周向阵列传感器压力圆心形成的夹角，处理完之后的竖直方向压力值通过无线蓝牙模块实时传输给无线压力信号反馈控制单元。
12.通过模糊神经自适应pid控制器将控制升降缸运动的周向阵列传感器垂直方向压力值偏差e和偏差变化率ec作为输入变量，以模糊控制为主体，应用神经网络实现模糊控制的决策。
13.所述模糊神经自适应pid控制器包括pid控制器、模糊化模块和神经网络，所述pid控制器直接对被控对象进行闭环控制；模糊化模块对系统的输入变量进行模糊量化和归一化处理，再把归一化后的输入数值根据输入变量模糊子集的隶属函数，找出相应的隶属度送给神经网络；神经网络用于表示模糊规则，即经过神经网络的学习，将模糊规则以加权系数的形式表现出来，其规则的生成转化为加权系数的确定和修改，其中输出层神经元的输出就对应于pid控制器的三个可调参数k
p
、ki和kd，根据系统的运行状态，通过神经网络的自学习和加权系数的调整，来调节pid控制器的参数，以期达到性能指标的最优化。
14.所述模糊神经自适应pid控制器是一个误差反向传播神经网路，即每一层间连接权值的调整，采用反向传播学习算法，其采用梯度搜索技术使网络的实际输出与期望输出的均方差最小，所述模糊神经自适应pid控制器模型包括1个输入层、3个隐层和1个输出层，即共5层bp神经网络。
15.所述5层bp神经网络分别为：
16.第一层：输入层，该层的神经元为2个，对应系统输入变量偏差e和偏差变化率ec，该层神经元直接把输入变量的值通过作用函数传递给下一层中的神经元；
17.第二层：第一层隐层，即模糊隶属度函数层，该层的神经元为7个，对应输入变量的7个模糊子集nb、nm、ns、zo、ps、pm和pb，该层每一个神经元用于模拟输入变量的一个模糊隶属度函数，采用三角形函数作为模糊隶属度函数；
18.第三层：第二层隐层，即规则层，该层的神经元为49个，神经元之间的连线与模糊规则相匹配，对应自适应模糊pid控制器的49条模糊规则，神经元的激活函数为线性函数，完成模糊“与”运算；
19.第四层：第三层隐层，即结论和非线性映射层，该层的神经元为7个，对应输出的7个模糊子集，神经元的激活函数为sigmoid函数，完成模糊“或”运算，即求和运算，并对求和结果进行非线性变换；
20.第五层：输出层，输出层的神经元为3个，分别对应pid控制器的三个参数k
p
、ki和kd，该层神经元起到解模糊的作用，与第四层神经元一起完成对模糊推理的非线性变换，采用重心法进行解模糊。
21.相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明适用于空心轴超声波探伤机的进给机构灵活控制升降、水平运动，采用周向阵列传感器实现握力信号的采集，基于糊神经自适应pid控制器的方法实现了电缸的自由升降控制，可以实现操作人员直接手握进给机构吊杆进行推拉升降、水平动作，实现升降电缸随竖直方向握力大小进行自适应随动运动，实现单人可靠操作，解决操作过程中视野遮挡、操作不便的问题。
22.进给机构部署时间由原先两个人操作减少为单人操作，部署时间由原先两分钟减少至一分钟以内，效率提高100％。测试过程的安全性得到保证，各机构采用模块化设计，维护方便节约时间提高工作效率。
附图说明
23.图1为本发明系统框架图。
24.图2为悬臂升降单元结构示意图。
25.图3为点阵式柔性薄膜压力传感器结构示意图。
26.图4为压力传感器结构示意图。
27.图5为周向阵列传感器方向示意图。
28.图6为模糊神经自适应pid控制器结构示意图。
29.图7为模糊神经自适应pid控制器模型图。
30.图中：1-伺服驱动器；2-升降电缸；3-一级旋转轴；4-长悬臂；5-二级旋转轴；6-短悬臂；7-三级旋转轴；8-压感点阵；9-接口导通端；10-硅胶保护套；11-柔性薄膜传感器；12-绝缘体。
具体实施方式
31.下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
32.如图1所示，一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，包括悬臂升降单元、进给机构操作压力采集单元、无线压力信号反馈控制单元，所述悬臂升降单元包括悬臂结构、plc控制器、伺服驱动器、升降电缸，所述悬臂升降单元用于进给机构的吊装和升降或水平移动操作，便于适应不同检修库不同的空心车轴现场检测高度。所述进给机构操作压力采集单元包括周向阵列传感器、采集模块、压力采集控制器和无线蓝牙模块，所述周向阵列传感器与采集模块相连接，所述采集模块通过无线蓝牙模块与压力采集控制器实时通信，所述压力采集控制器用于实现周向阵列传感器压力感应电压信号采集数据的接收、处理，将感应电压信号通过传感器的压力电阻特性曲线转换为压力数据，并计算所有感应点竖直方向的分力，所述无线压力信号反馈控制单元包括无线蓝牙模块和无线压力信号反馈控制器，所述无线压力信号反馈控制器选用低功耗的stm32f030f4p6最小核心板，无线压力信号
反馈控制器实时接收的周向阵列传感器竖直方向分力，给plc控制器发送动作信号，通过plc控制器实现对升降电缸的升降控制。
33.如图2所示，悬臂升降单元是空心轴超声波探伤机的重要组成，所述悬臂升降单元的plc控制器给伺服驱动器发送控制信号，所述伺服驱动器实现驱动升降电缸完成升降操作；悬臂结构部分的结构设计为了保证悬臂和进给机构之间是一种软连接状态，且为了方便进给机构水平移动和旋转的操作，采用了三级旋转轴的结构实现水平方向的自由移动和旋转，所述三级旋转轴的结构包括一级旋转轴、长悬臂、二级旋转轴、短悬臂、三级旋转轴、拉杆吊块，所述升降电缸通过一级旋转轴连接在长悬臂的一端，所述长悬臂的另一端通过二级旋转轴与短悬臂的一端相连接，所述短悬臂的另一端通过三级旋转轴连接有拉杆吊块。这种三级旋转轴结构无需电力驱动，可随着外力变化灵活旋转，采用这种三级旋转轴的方式能够实现在以长悬臂和短悬臂长度之和为半径的水平范围内，实现进给机构的任意点快速便捷的移动，进给机构可以三级旋转轴为旋转中心实现360度的自由旋转。
34.如图3所示，所述周向阵列传感器采用点阵4*6的柔性薄膜压力传感器，包括综合机械性能优异的聚酯薄膜、高导电材料和纳米级压感材料，所述周向阵列传感器拥有24个相互独立的感应区，感应区的输出电阻随着外部压力的变化而发生变化。具有响应速度快、耐久性寿命长、结构强健、低功耗、柔性超薄等特点。
35.如图4所示，所述周向阵列传感器卷曲安装在圆柱形绝缘体上，外围套有厚度均匀的硅胶套，所述周向阵列传感器安装在拉杆吊块上。
36.所述采集模块选用差分24路ad采集模块dam-3150，同时采集周向阵列传感器的24路感应电压信号，在量程为0～5v情况下，所述采集模块的精度能达到5mv，所述采集模块实时采集周向阵列传感器的电压信号，通过rs485通信协议实时传输给压力采集控制器。
37.压力采集控制器选用stm32f030f4p6最小核心板，具有高性能arm cortex-m0 32位risc内核，以48mhz频率运行，高速嵌入式内存(高达256kb的闪存和高达32kb的sram)，输入电源范围为2.4至3.6v，待机模式运行状态下功耗仅4.3ua。所述压力采集控制器计算所有感应点竖直方向的分力的公式为：式中，fi为周向阵列传感器压力上第i个压力感应点受到的压力；θi为第i个压力感应点和周向阵列传感器压力圆心形成的夹角，如图5所示，处理完之后的竖直方向压力值通过无线蓝牙模块实时传输给无线压力信号反馈控制单元。
38.为了让电缸升降运动更加快速、平稳、高效，采用模糊神经自适应pid控制器算法实现。通过模糊神经自适应pid控制器将控制升降缸运动的周向阵列传感器垂直方向压力值偏差e和偏差变化率ec作为输入变量，以模糊控制为主体，应用神经网络实现模糊控制的决策。这相当于根据被控对象的特性和工况来自动调整模糊规则及其参数，从而实现对未知对象进行在线控制，并具备适应控制环境变化的能力。
39.如图6所示，所述模糊神经自适应pid控制器包括pid控制器、模糊化模块和神经网络，所述pid控制器直接对被控对象进行闭环控制；模糊化模块对系统的输入变量进行模糊量化和归一化处理，再把归一化后的输入数值根据输入变量模糊子集的隶属函数，找出相应的隶属度送给神经网络；神经网络用于表示模糊规则，即经过神经网络的学习，将模糊规
则以加权系数的形式表现出来，其规则的生成转化为加权系数的确定和修改，其中输出层神经元的输出就对应于pid控制器的三个可调参数k
p
、ki和kd，根据系统的运行状态，通过神经网络的自学习和加权系数的调整，来调节pid控制器的参数，以期达到性能指标的最优化。
40.所述模糊神经自适应pid控制器是一个误差反向传播神经网路，即每一层间连接权值的调整，采用反向传播学习算法(bp算法)，其采用梯度搜索技术使网络的实际输出与期望输出的均方差最小，所述模糊神经自适应pid控制器模型包括1个输入层、3个隐层和1个输出层，即共5层bp神经网络。
41.如图7所示，所述5层bp神经网络分别为：
42.第一层：输入层，该层的神经元为2个，对应系统输入变量偏差e和偏差变化率ec，该层神经元直接把输入变量的值通过作用函数传递给下一层中的神经元；
43.第二层：第一层隐层，即模糊隶属度函数层，该层的神经元为7个，对应输入变量的7个模糊子集nb、nm、ns、zo、ps、pm和pb，该层每一个神经元用于模拟输入变量的一个模糊隶属度函数，采用计算简单，控制效果迅速的三角形函数作为模糊隶属度函数；
44.第三层：第二层隐层，即规则层，该层的神经元为49个，神经元之间的连线与模糊规则相匹配，对应自适应模糊pid控制器的49条模糊规则，神经元的激活函数为线性函数，完成模糊“与”运算；
45.第四层：第三层隐层，即结论和非线性映射层，该层的神经元为7个，对应输出的7个模糊子集，神经元的激活函数为sigmoid函数，完成模糊“或”运算，即求和运算，并对求和结果进行非线性变换；
46.第五层：输出层，输出层的神经元为3个，分别对应pid控制器的三个参数k
p
、ki和kd，该层神经元起到解模糊的作用，与第四层神经元一起完成对模糊推理的非线性变换，采用重心法进行解模糊。
47.采用这种模糊神经自适应pid控制器实现对升降电缸的运动控制，具有抗干扰能力强、响应快的优点。足以应对操作人员在操作进给机构升降、水平运动时，握力变化非线性、止停时间短的情况。

技术特征：
1.一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，其特征在于包括悬臂升降单元、进给机构操作压力采集单元、无线压力信号反馈控制单元，所述悬臂升降单元包括悬臂结构、plc控制器、伺服驱动器、升降电缸，所述悬臂升降单元用于进给机构的吊装和升降或水平移动操作，所述进给机构操作压力采集单元包括周向阵列传感器、采集模块、压力采集控制器和无线蓝牙模块，所述周向阵列传感器与采集模块相连接，所述采集模块通过无线蓝牙模块与压力采集控制器实时通信，所述压力采集控制器用于实现周向阵列传感器压力感应电压信号采集数据的接收、处理，将感应电压信号通过传感器的压力电阻特性曲线转换为压力数据，并计算所有感应点竖直方向的分力，所述无线压力信号反馈控制单元包括无线蓝牙模块和无线压力信号反馈控制器，所述无线压力信号反馈控制器实时接收的周向阵列传感器竖直方向分力，给plc控制器发送动作信号，通过plc控制器实现对升降电缸的升降控制。2.根据权利要求1所述的一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，其特征在于所述悬臂升降单元的plc控制器给伺服驱动器发送控制信号，所述伺服驱动器实现驱动升降电缸完成升降操作；采用了三级旋转轴的结构实现水平方向的自由移动和旋转，所述三级旋转轴的结构包括一级旋转轴、长悬臂、二级旋转轴、短悬臂、三级旋转轴、拉杆吊块，所述升降电缸通过一级旋转轴连接在长悬臂的一端，所述长悬臂的另一端通过二级旋转轴与短悬臂的一端相连接，所述短悬臂的另一端通过三级旋转轴连接有拉杆吊块。3.根据权利要求1所述的一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，其特征在于所述周向阵列传感器采用点阵4*6的柔性薄膜压力传感器，包括聚酯薄膜、高导电材料和纳米级压感材料，所述周向阵列传感器拥有24个相互独立的感应区，感应区的输出电阻随着外部压力的变化而发生变化。4.根据权利要求2所述的一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，其特征在于所述周向阵列传感器卷曲安装在圆柱形绝缘体上，外围套有厚度均匀的硅胶套，所述周向阵列传感器安装在拉杆吊块上。5.根据权利要求3所述的一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，其特征在于所述采集模块选用差分24路ad采集模块dam-3150，同时采集周向阵列传感器的24路感应电压信号，在量程为0～5v情况下，所述采集模块的精度能达到5mv，所述采集模块实时采集周向阵列传感器的电压信号，通过rs485通信协议实时传输给压力采集控制器。6.根据权利要求3所述的一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，其特征在于所述压力采集控制器计算所有感应点竖直方向的分力的公式为：式中，f
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为周向阵列传感器压力上第i个压力感应点受到的压力；θ
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为第i个压力感应点和周向阵列传感器压力圆心形成的夹角，处理完之后的竖直方向压力值通过无线蓝牙模块实时传输给无线压力信号反馈控制单元。7.根据权利要求6所述的一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，其特征在于通过模糊神经自适应pid控制器将控制升降缸运动的周向阵列传感器垂直方向压力值偏差e和偏差变化率ec作为输入变量，以模糊控制为主体，应用神经网络实现模糊控制的决策。8.根据权利要求7所述的一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，其特征在于所
述模糊神经自适应pid控制器包括pid控制器、模糊化模块和神经网络，所述pid控制器直接对被控对象进行闭环控制；模糊化模块对系统的输入变量进行模糊量化和归一化处理，再把归一化后的输入数值根据输入变量模糊子集的隶属函数，找出相应的隶属度送给神经网络；神经网络用于表示模糊规则，即经过神经网络的学习，将模糊规则以加权系数的形式表现出来，其规则的生成转化为加权系数的确定和修改，其中输出层神经元的输出就对应于pid控制器的三个可调参数k
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、k
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和k
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，根据系统的运行状态，通过神经网络的自学习和加权系数的调整，来调节pid控制器的参数，以期达到性能指标的最优化。9.根据权利要求8所述的一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，其特征在于所述模糊神经自适应pid控制器是一个误差反向传播神经网路，即每一层间连接权值的调整，采用反向传播学习算法，其采用梯度搜索技术使网络的实际输出与期望输出的均方差最小，所述模糊神经自适应pid控制器模型包括1个输入层、3个隐层和1个输出层，即共5层bp神经网络。10.根据权利要求9所述的一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，其特征在于所述5层bp神经网络分别为：第一层：输入层，该层的神经元为2个，对应系统输入变量偏差e和偏差变化率ec，该层神经元直接把输入变量的值通过作用函数传递给下一层中的神经元；第二层：第一层隐层，即模糊隶属度函数层，该层的神经元为7个，对应输入变量的7个模糊子集nb、nm、ns、zo、ps、pm和pb，该层每一个神经元用于模拟输入变量的一个模糊隶属度函数，采用三角形函数作为模糊隶属度函数；第三层：第二层隐层，即规则层，该层的神经元为49个，神经元之间的连线与模糊规则相匹配，对应自适应模糊pid控制器的49条模糊规则，神经元的激活函数为线性函数，完成模糊“与”运算；第四层：第三层隐层，即结论和非线性映射层，该层的神经元为7个，对应输出的7个模糊子集，神经元的激活函数为sigmoid函数，完成模糊“或”运算，即求和运算，并对求和结果进行非线性变换；第五层：输出层，输出层的神经元为3个，分别对应pid控制器的三个参数k
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、k
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和k
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，该层神经元起到解模糊的作用，与第四层神经元一起完成对模糊推理的非线性变换，采用重心法进行解模糊。

技术总结
本发明公开了一种基于周向抓力检测的悬臂随动控制系统，包括悬臂升降单元、进给机构操作压力采集单元、无线压力信号反馈控制单元，悬臂升降单元用于进给机构的吊装和升降或水平移动操作，周向阵列传感器与采集模块相连接，采集模块通过无线蓝牙模块与压力采集控制器实时通信，压力采集控制器用于实现周向阵列传感器压力感应电压信号采集数据的接收、处理，将感应电压信号通过传感器的压力电阻特性曲线转换为压力数据，并计算所有感应点竖直方向的分力，无线压力信号反馈控制器实时接收的周向阵列传感器竖直方向分力，给PLC控制器发送动作信号，通过PLC控制器实现对升降电缸的升降控制。本发明可以实现单人可靠操作、降低潜在安全隐患。潜在安全隐患。潜在安全隐患。


技术研发人员：刘勇 刘强 陈林 张旭文 李景伟
受保护的技术使用者：江苏宁铁技术股份有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/31