李 根

叉车行业是物流运输、大型设备制造、仓储管理等工业搬运领域的一种重要设备，具有智能控制的叉车得到越来越多的重视，叉车的市场需求量每年都在高速的增长，叉车性能的安全保证逐渐成为大众重视的焦点，纵观传统叉车控制系统，大致由执行器、传感器和被控过程组成，本课题通过压缩感知原理，对叉车状况深入分析，设计一款叉车智能控制系统，并结合自适应诊断技术进行叉车状态信号重构，分析重构信号与系统输出的实际测量值，实现叉车智能控制的目的。

在国际市场，尤其是欧美等发达国家和地区在叉车的智能研究控制领域一直都处于领先地位。我国由于对叉车智能控制方面的重视程度不够，导致我国叉车的生产质量和性能均处于落后水平。有效解决叉车的市场需求，除了提高生产水平外，还可以增加故障检测装置，采用智能化控制，让用户更快速地了解叉车的性能，而叉车智能控制的提升是一个亟待解决的问题。目前，在叉车的感知控制方面，国内理论研究较少。

对于叉车感知控制系统而言，能够精准获取设备状态数据的来源主要有以下几点：首先需要想办法提高信号的采样频率和数据的运算精度；其次是选用高精度的传感器和增加传感器的数量；最后是延长系统的有效监测时间[1]。通过这些措施，将更有利于获取更全面的叉车运行状态数据，这对于叉车的健康监测无疑是一个利好因素。

综上所述，智能控制技术将推动传统行业逐渐转型为新型产业。促进技术红利快速增长。企业依赖智能控制领域，可以提高生产效率、完善产业化结构、成为高新技术的领头军。

1 总体技术方案

为了实现灵活、简洁的数据信号，本课题结合数据压缩感知原理，根据Coifman 和Wickerhauser 所提出的稀疏分解理念可知，实现压缩感知的前提条件是信号合理地进行稀疏分解，如果数据在稀疏分解中出现异常或丢失，则从压缩数据中很难恢复出原始的高维信号，也就失去了数据压缩的实际意义；将不同的传感器所获取到的叉车数据信息进行信号重构，是压缩感知最重要一环[2]。因此，压缩感知是研究本项目应用的前提和基础。因此亟待解决以下问题：

a、叉车在运行过程如何能更精确更实时地监测运行状态，这对传感器的选用提出了更严的要求，特别是对于叉车发动机运行状态和其复杂的机械结构等数据的采集，奈奎斯特采样定理如果可以使用到更高标准的信号采样传感器和高速采样设备，就可以完成对叉车更精准的检测，但带来的经济负担将显著增加。

b、由于叉车的机械结构比较复杂，导致需要传感器的数据信号种类呈现多样化，后期数据处理和传输等方面的存在压力。实时监测叉车状态就需要不间断的采样，产生的海量状态数据，就会造成数据冗余量增加，导致信号处理和计算代价攀升。

为了有效解决上述问题，本项目组成员不断尝试，根据Compressed Sensing，CS 技术（压缩感®知技术），将数据的采样和压缩过程进行综合分析，对数据进行样本分析提取后进行压缩，在解决了成本问题的基础上，实现了叉车运行状态的实时监测和智能控制。本项目研究思路如图1 所示。

图1 项目研究思路

压缩采样是整个压缩感知研究的重点。将压缩感知原理应用到叉车状态检测中，能够得到了较好的效果。利用更精准的数据获取更多的叉车状态信息，有效解决了大量数据处理过程中存在的压力，并高效地实现叉车机械信号的数据压缩、信号诊断以及智能控制等。还可以将压缩感知的相关应用可作为下一步的研究探索方向。

2 智能叉车控制系统硬件设计

根据2019 年数据显示，全球半导体芯片产业发展迅速，仅一年的销售数量就高达九千多亿颗，销售额高达五千多亿美元，智能装备的快速发展更离不开半导体芯片，因此，选择一款经济实用性能稳定的主控制器尤为重要。主控制器选用STM32 微控制器，STM32 使用高性能的ARM CortexTM-M3 32 位的RISC 内核，包含标准和先进的通信接口，高速大容量存储器使得程序设计更加灵活方便。其具有的丰富I/O 端口和APB 总线的外设，使得该微控制器适合于电机驱动控制、医疗和手持设备、警报系统以及各种工业应用领域等。

本系统采用自顶向下的设计，系统具有设计简洁、易于移植、预留功能扩展及升级接口。并将系统各部分功能进行了合理的规划，其中子系统模块由电源管理子系统、信号采集子系统、数据通讯子系统、驱动输出子系统等组成。STM32 主控制器作为系统协调运行的大脑，负责收集与处理各子系统的协调工作，系统硬件结构图如图2 所示。

采用一个稳定的电源控制电路是满足整个系统稳定的关键性因素，本控制系统的电源范围是9～48V，控制器可以直接使用叉车现有的蓄电池电源，输入信号采用压敏电阻和TVS 管相结合的方式，有效地抑制了因叉车发动机电源波动或电磁干扰对控制器电源产生的影响，稳压电源部分的设计采用开关稳压电源，不仅解决了控制器电源的散热问题，还进一步提高了电源的有效利用率，电源输出驱动部分具有信号回路检测功能，电路回路检测功能即时有效地将系统异常信号反馈给中央处理单元，通过仪表上报异常信息或及时切断输出电源，维护控制系统的稳定。

图2 系统硬件结构图

信号采集子系统由多个采样传感器等组成。例如，系统可以利用位置传感器的采样数据，分析叉车门架的系统构造，运用SolidWorks 对叉车门架系统进行建模分析[3]，研究叉车门架在各种状态下的检测结果，完成了叉车门架的信号采样与设计；通过速度传感器，实时采集叉车变速箱的信号，并结合发动机状态，总结叉车的换挡规律，实现叉车的自动节能换档控制，结果表明，利用节能换档规律实现叉车自动换档可以使燃油经济性提高了约4%，速度传感器结合扭矩传感器可以进一步实现电动助力转向控制，扭矩传感器通过检测方向盘上的转动力矩，将信号传给中央处理单元，经运算分析后驱动转向电动机，实现叉车的助力转向控制，有效解决了传统叉车液压转向系统中存在的效率低、难维护的缺点。

数据通讯子系统实现叉车发动机与仪表的通信，叉车的相对运行环境比较复杂，对叉车的数据通讯要求比较严格。STM32 微控制器总线上提供一个标准的CAN 通信接口，结合CAN 现场总线所具有的高速和双向多点的特点，更加广泛地应用在工业监控设备上，通过CAN 总线与叉车的通信接口的耦合，实现了叉车与仪表之间的数据传输，也为控制系统的在线升级提供了便利。

驱动输出子系统由光电耦合器经大功率MOS 驱动电路组成，可以直接实现门架，行车输出，比例等大功率电磁阀负载的驱动，电磁阀的输出回路全部经采样电路反馈给中央处理单元，提高了驱动输出子系统的可靠性，进一步抑制了噪声干扰。

图3 系统软件设计结构图

3 智能叉车控制系统软件设计

叉车的智能控制必须采用合理的软件平台，才能实现整个系统高效、稳定的运行。系统软件设计结构图如图3 所示。

软件系统是保障叉车运行的核心，也关系到系统中每个模块正常运行。软件系统结构设计的合理性和功能的高效性是系统能够正常运行的保障。为了提高系统的实时性及可靠性，本系统软件设计上采用自下而上的模块化软件原则，通过嵌入式实时操作系统（RTOS）来实现数据的分析与处理，RTOS 的使用可以更合理、更有效的利用CPU 强大的资源，通过任务调度，简化应用软件的设计，在系统设计上提供及时响应和高可靠性的特点。

软件系统根据外设任务的优先级别，进行任务调度，每个线程根据传感器种类，数据容量大小合理的分配CPU 和总线任务，实现数据筛选、压缩、处理和信号重现等功能，构造数据压缩算法，在叉车状态感知状态下进行稀疏变换。

4 智能叉车控制系统测试与应用

该控制系统经过不断合理优化，已具备很强的抗干扰能力，且所有驱动输出电路均具有光电隔离功能，避免了因环境扰动或电磁干扰对控制器带来的影响。从系统大量的测试数据结果表明，将该系统运用在叉车装置中，提升了传统叉车实际运行下的数据准确性和性能稳定性等基本要求。控制系统测试各项功能和指标均在正常范围，其中智能感知系统部分有效提升和规范了驾驶员的驾驶习惯，自动换挡功能更是操作简单易用，耐久性实验增加了企业的认可程度，系统强大的数据通讯及CRC 检验功能，有效保障了系统数据的准确性，驾驶员更直观的通过仪表信息了解叉车发动机的实时状况，控制系统的研制，受到当地企业的高度评价。

5 小结

本文针对叉车机械领域，从智能控制方面着手，结合压缩感知原理，通过重构叉车状态的有效数据，在传统叉车工艺的基础上，从叉车状态感知的实时性到系统稳定性围绕数据收敛算法进一步优化。最终实现了叉车和感知技术的有效融合。