1  引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的航空制造方式已經(jīng)越來(lái)越難以滿足航空機(jī)載設(shè)備的專用精細(xì)化零件日益增大的需求量，此外，在其他工業(yè)領(lǐng)域，也存在著傳統(tǒng)工業(yè)制造技術(shù)對(duì)操作人員專業(yè)水平要求過(guò)高的現(xiàn)象，我國(guó)的勞動(dòng)力資源豐富，而過(guò)高的專業(yè)技術(shù)要求不利于充分發(fā)揮我國(guó)的人口紅利優(yōu)勢(shì)[1]。為此，中國(guó)航空制造技術(shù)研究院工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一套智能人工作業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)具有模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、交互式特點(diǎn)的人工作業(yè)系統(tǒng)，符合人體工程學(xué)和精益生產(chǎn)原理。系統(tǒng)由投影指示/體感攝像、觸摸顯示、物料存取、工具作業(yè)等功能區(qū)組成，形成一套完整的智能化人工作業(yè)系統(tǒng)。有一個(gè)可自由配置的系統(tǒng)操作軟件，它將物理工作站與虛擬模塊連接起來(lái)，具備全面聯(lián)網(wǎng)、模塊擴(kuò)展、簡(jiǎn)易集成、靈活裝卸等優(yōu)點(diǎn)。該作業(yè)系統(tǒng)可為員工提供多種產(chǎn)品裝配的技術(shù)指導(dǎo)。工作計(jì)劃直觀呈現(xiàn)在觸摸屏上，作業(yè)過(guò)程逐步說(shuō)明顯示給員工，或通過(guò)投影儀和按燈取貨來(lái)引導(dǎo)作業(yè)步驟，最大限度降低了對(duì)操作人員專業(yè)技能的要求，同時(shí)多種輔助外設(shè)也可以有效保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量[2~3]。

本系統(tǒng)集成了大量的輔助外設(shè)，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助外設(shè)的有效控制便成為了系統(tǒng)高效運(yùn)行的重要指標(biāo)，本系統(tǒng)采用以Cortex-A53為核心的實(shí)驗(yàn)室自研邊緣控制器，將云計(jì)算能力下沉到邊緣側(cè)、設(shè)備側(cè)，外設(shè)響應(yīng)延遲大幅度縮短，數(shù)據(jù)處理更加快速，實(shí)驗(yàn)室云平臺(tái)僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管控，由此帶來(lái)的成本、能耗及帶寬也大幅度降低。云邊協(xié)同使整個(gè)智能人工作業(yè)系統(tǒng)具備更低的能耗和帶寬成本以及更高的系統(tǒng)集成化、實(shí)時(shí)性和簡(jiǎn)易性。

2  邊緣控制器介紹

本系統(tǒng)采用了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室自研的邊緣控制器，該設(shè)備具有四個(gè)基于ARM架構(gòu)的Cortex-53內(nèi)核，主頻最高可達(dá)1.3GHz。此外，邊緣控制器內(nèi)核還集成了一個(gè)Cortex-M4內(nèi)核，板載2GB RAM、8GB ROM。圖1是邊緣控制器的實(shí)物照片，圖2是邊緣控制器接口圖示。

圖1 邊緣控制器實(shí)物照片

圖2 邊緣控制器接口圖示

邊緣控制器Cortex-A53內(nèi)核基于Linux5.4系統(tǒng)，Cortex-M4內(nèi)核基于RT系統(tǒng)；具備兩個(gè)可以自行設(shè)置不同網(wǎng)段的10/100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)接口；擁有一個(gè)1080P HDMI接口；8路24V~0V I/O輸出接口，16路24V~0V I/O輸入接口；兩個(gè)USB3.0接口；RS232和RS485串口各一個(gè)；工作溫度：-40℃～+85℃；存儲(chǔ)溫度：-55℃～+85℃。除了較為寬松的溫濕度條件外，邊緣控制器還具備多項(xiàng)抗電磁干擾特性，如靜電放電干擾、輻射電磁場(chǎng)干擾、快速瞬變干擾、工頻磁場(chǎng)干擾、衰減振蕩波干擾、射頻傳導(dǎo)干擾等。

3  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1   系統(tǒng)組成

圖3是智能人工作業(yè)系統(tǒng)的整體實(shí)物照片，其中系統(tǒng)各部分組成設(shè)備名稱如下：1-腳踏開關(guān)；2-蜂鳴器；3-三色按鈕；4-夾具；5-夾具按鈕；6-掃碼槍；7-一體機(jī)；  8-電子秤；  9-LED燈帶；  10-零件料盒；  11-擰緊器；12-三色燈；13-深度攝像機(jī)；14-投影儀；15-RFID讀卡器；16-游標(biāo)卡尺；17-邊緣控制器

圖3 智能人工作業(yè)系統(tǒng)組成

3.2   系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接

圖4是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖，可以看出，深度相機(jī)由TX2作為GPU模塊進(jìn)行直接控制，這是由于機(jī)器視覺(jué)相關(guān)函數(shù)庫(kù)的配置需要，其中一體機(jī)因用戶與系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，邊緣控制器、一體機(jī)和TX2通過(guò)網(wǎng)線連接至交換機(jī)，利用MQTT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行信息交互。同時(shí)，為了滿足云邊結(jié)合的需求，邊緣控制器通過(guò)網(wǎng)線連接至實(shí)驗(yàn)室云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)的上傳。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖示

3.3   系統(tǒng)工作流程

圖5是智能人工作業(yè)系統(tǒng)的工作流程圖，演示了對(duì)一個(gè)專用航空機(jī)載設(shè)備零件的加工過(guò)程，使用到了智能人工作業(yè)系統(tǒng)的全部輔助外設(shè)，從操作人員登錄開始至零件測(cè)距稱重結(jié)束。可以看出，每一步的操作信息都是預(yù)設(shè)好的，需要輔助外設(shè)及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行配合，因此，邊緣控制器對(duì)各外設(shè)的有效控制十分重要。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖示

3.4   輔助外設(shè)的邊緣控制實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)邊緣控制器對(duì)多種不同功能的輔助外設(shè)的有效控制，需要充分利用邊緣控制器的各項(xiàng)交互功能，就本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要用到的有USB接口、USB轉(zhuǎn)串口、RS232串口、GPIO、網(wǎng)絡(luò)接口、HDMI接口、PWM輸出等。由于本系統(tǒng)邊緣控制器基于Linux5.4操作系統(tǒng)，為便于用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互，本文給出的控制程序均通過(guò)QT5.13.2交叉編譯實(shí)現(xiàn)。表1是輔助外設(shè)的匯總表及每種輔助外設(shè)的邊緣控制實(shí)現(xiàn)方法。

表1 輔助外設(shè)統(tǒng)計(jì)

3.4.1   腳踏開關(guān)

腳踏開關(guān)用于發(fā)出加工步驟結(jié)束信息，通過(guò)USB與邊緣控制器連接。腳踏開關(guān)的工作方式與鍵盤相同，即踩下腳踏開關(guān)的動(dòng)作相當(dāng)于按下鍵盤的特定字符鍵。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，沒(méi)有輸入光標(biāo)，因此采用按鍵事件觸發(fā)函數(shù)來(lái)捕捉腳踏開關(guān)信號(hào)，即通過(guò)函數(shù)void MainWindow::keyPressEvent（QKeyEvent*ev）實(shí)現(xiàn)按鍵信號(hào)捕捉，同時(shí)，為了保證所有的輸入均表達(dá)為按鍵事件觸發(fā)，在構(gòu)造函數(shù)中需執(zhí)行語(yǔ)句this->grabKeyboard()。

3.4.2   蜂鳴器

蜂鳴器用于操作錯(cuò)誤時(shí)的提示報(bào)警，通過(guò)邊緣控制器的GPIO實(shí)現(xiàn)控制，當(dāng)邊緣控制器得到錯(cuò)誤信息提示時(shí)，將蜂鳴器對(duì)應(yīng)的輸出I/O置為高電平并持續(xù)一定的時(shí)間。

3.4.3   三色按鈕

三色按鈕的用途與腳踏開關(guān)一致，也是用于發(fā)出加工步驟結(jié)束信息，由于操作臺(tái)面積較大，操作人員在進(jìn)行不同的操作步驟時(shí)，可能會(huì)處于不同的位置，為了方便人員操作，在與腳踏開關(guān)相對(duì)的位置加裝了三色按鈕，三色按鈕的控制方式與腳踏開關(guān)不同，其通過(guò)邊緣控制器輸入I/O控制，操作人員按下按鈕的時(shí)間并不固定，因此邊緣控制器需要時(shí)刻監(jiān)控I/O口的電平變化，為此在程序中設(shè)置單獨(dú)的線程來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)語(yǔ)句thread_1 = new thread_one(this)創(chuàng)建新的線程，  接著通過(guò)語(yǔ)句connect(thread_1, &thread_one::over,this, &MainWindow::dealover)將該線程的結(jié)束信號(hào)與主程序的槽函數(shù)連接，在槽函數(shù)中創(chuàng)建while(1)永續(xù)循環(huán)來(lái)持續(xù)監(jiān)控輸入I/O的電平變化。

3.4.4   掃碼槍

掃碼槍用于掃描產(chǎn)品任務(wù)條形碼或二維碼來(lái)獲取產(chǎn)品加工任務(wù)信息，  通過(guò)USB與邊緣控制器連接，  掃碼槍的工作方式與腳踏開關(guān)相同，也是鍵盤輸入的方式，不同的是掃碼槍得到的信息是字符串而非單個(gè)字符，同時(shí)字符串以回車符為結(jié)尾，因此在按鍵事件觸發(fā)函數(shù)中需要針對(duì)性地加入判定機(jī)制。

3.4.5   電子秤

電子秤用于零件加工結(jié)束后的重量稱量，通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口與邊緣控制器連接，在串口通信建立后，每次稱重?cái)?shù)值穩(wěn)定后，電子秤會(huì)將稱重?cái)?shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送給邊緣控制器。創(chuàng)建串口的語(yǔ)句為serial = newQSerialPort；  接著是需要打開的串口名稱serial->setPortName("ttyUSB0")，隨后打開串口serial->open(QIODevice::ReadWrite)，并加以適當(dāng)?shù)难訒r(shí)Delay_MSec(500)以保證數(shù)據(jù)的完整接收，最后存儲(chǔ)通信數(shù)據(jù)buf = serial->readAll()。

3.4.6   LED燈帶

LED燈帶用于提示操作人員需要拿取的加工零件 所 放 置 的 位置，   本 系 統(tǒng) 所 使 用 的 LE D燈 帶型 號(hào) 為WS2812b[4] ，該型號(hào)燈帶通過(guò)特定的方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈珠亮滅，在邊緣控制器上集成了特定的PWM信號(hào)輸出I/O口，專門用于驅(qū)動(dòng)LED燈帶。

3.4.7   擰緊器

擰緊器用于加工零件的連接與緊固，本系統(tǒng)所使用的擰緊器為Desoutter馬頭高級(jí)擰緊系統(tǒng)，該擰緊器也通過(guò)串口與邊緣控制器進(jìn)行通信，與電子秤不同的是，  擰緊器通過(guò)邊緣控制器的RS232芯片實(shí)現(xiàn)串口通信 [5] 。每次通信，擰緊器會(huì)將扭矩信息與角度信息通過(guò)串口發(fā)送，同時(shí)擰緊系統(tǒng)還預(yù)設(shè)了扭矩與角度信息，用于判斷擰緊結(jié)果是否正確并向邊緣控制器發(fā)送結(jié)果信息。

3.4.8   三色燈

三色燈的功能與蜂鳴器類似，也有提示操作錯(cuò)誤信息的功能，不同的是，當(dāng)操作步驟正確時(shí)，其同樣會(huì)進(jìn)行綠燈提示，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)其它故障問(wèn)題時(shí)，三色燈會(huì)進(jìn)行紅燈報(bào)警。三色燈通過(guò)輸出I/O進(jìn)行控制，邊緣控制器會(huì)根據(jù)具體信息來(lái)置高對(duì)應(yīng)顏色報(bào)警燈的I/O口。

3.4.9   投影儀

投影儀用于在工作臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前步驟的加工信息指導(dǎo)、操作結(jié)果及員工信息，  通過(guò)HDMI與邊緣控制器連接，   由邊緣控制器通過(guò)MQTT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接收需要顯示的文字及圖片信息實(shí)現(xiàn)，這里的關(guān)鍵在于圖片的傳輸，邊緣控制器接收的圖片信息為from64類型數(shù)據(jù)，  需要通過(guò)QByteArray::fromBase64(message.payload())將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)顯示。

3.4.10   RFID讀卡器

RFID讀卡器用于操作人員登錄智能人工作業(yè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)使用的讀卡器型號(hào)為D-Think501。操作人員開機(jī)后刷卡，RFID讀卡器將讀取員工姓名及工號(hào)，并獲得登錄時(shí)間。RFID讀卡器通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口與邊緣控制器連接。D-Think501使用專用的通信協(xié)議讀取卡片，本系統(tǒng)使用的協(xié)議為ISO14443A[6]。與按鈕單線程監(jiān)控類似，RFID讀卡器同樣使用單獨(dú)的線程持續(xù)對(duì)讀卡行為進(jìn)行監(jiān)控。

3.4.11   游標(biāo)卡尺

游標(biāo)卡尺用于零件加工過(guò)程中及加工結(jié)束后的尺寸 測(cè)量，使用USB線與邊緣控制器連接，  每次測(cè)量完畢后按下數(shù)據(jù)發(fā)送鍵發(fā)送至邊緣控制器。游標(biāo)卡尺也使用鍵盤輸入的工作方式，因此控制程序中也對(duì)其設(shè)置了按鍵事件觸發(fā)函數(shù)用于讀取游標(biāo)卡尺的讀數(shù)。

3.4.12   深度攝像機(jī)

深度攝像機(jī)用于識(shí)別手部位置，除了LED燈帶的提示，深度攝像機(jī)也用于監(jiān)控操作人員拿取零件是否正確，當(dāng)拿取錯(cuò)誤時(shí)，錯(cuò)誤信息反饋至邊緣控制器，邊緣控制器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和三色燈對(duì)操作人員進(jìn)行報(bào)警提示。深度相機(jī)與GPU模塊共同完成手部識(shí)別，本系統(tǒng)的GPU模塊為Nvidia TX2，反饋結(jié)果信息則通過(guò)MQTT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸至邊緣控制器[7]。

3.5   系統(tǒng)的云邊協(xié)同技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.5.1   云邊協(xié)同技術(shù)

智能人工作業(yè)系統(tǒng)作為航空制造等工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的通用生產(chǎn)設(shè)備，可以用于大規(guī)模產(chǎn)品制造，但系統(tǒng)數(shù)量逐漸增加，所產(chǎn)生的系統(tǒng)和工作數(shù)據(jù)也將急劇增加。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，云計(jì)算從最初的新興概念成為成熟的應(yīng)用。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，云計(jì)算的應(yīng)用也非常廣泛。然而，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大導(dǎo)致云計(jì)算所要面對(duì)的數(shù)據(jù)規(guī)模成倍增加，如今的云計(jì)算面臨著新興計(jì)算場(chǎng)景、小數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理等方面的挑戰(zhàn)，云計(jì)算的發(fā)展出現(xiàn)了一些瓶頸，需要新技術(shù)來(lái)突破。這便涉及到了一個(gè)新的概念——云邊協(xié)同，將云計(jì)算的能力下沉到邊緣側(cè)、設(shè)備側(cè)，并通過(guò)中心進(jìn)行統(tǒng)一交付、運(yùn)維、管控，將是重要的發(fā)展趨勢(shì)。在本文中，邊緣控制器承擔(dān)邊緣計(jì)算工作，與用戶交互并控制外設(shè)執(zhí)行相關(guān)操作；整合系統(tǒng)數(shù)據(jù)向云平臺(tái)上傳，而實(shí)驗(yàn)室云平臺(tái)僅承擔(dān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)用與管控工作。這樣一來(lái)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算與處理工作在邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，更加貼近用戶，減少了中間數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程，數(shù)據(jù)的處理延遲大幅度降低，保證了用戶指令的實(shí)時(shí)處理；此外，由于數(shù)據(jù)處理不需要上傳到實(shí)驗(yàn)室云平臺(tái)，邊緣計(jì)算不需要使用太多的網(wǎng)絡(luò)帶寬，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的負(fù)荷降低，智能設(shè)備的能源消耗在網(wǎng)絡(luò)的邊緣也將大幅度減少。

3.5.2   數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)

無(wú)論是邊緣計(jì)算，還是云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，云邊協(xié)同技術(shù)都離不開數(shù)據(jù)交互。在本文中，智能人工作業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互過(guò)程是通過(guò)MQTT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MQTT協(xié)議是一種基于發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）模式的輕量級(jí)通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。MQTT最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以以極少的代碼和有限的帶寬，為遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，MQTT在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面都有著廣泛的應(yīng)用[8]。

本文中，云平臺(tái)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括操作信息及加工信息兩部分，具體的信息內(nèi)容及主題如表2所示。

表2 邊緣控制器上傳信息及主題

圖6和圖7分別為云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)所存儲(chǔ)的部分系統(tǒng)操作信息與加工信息，可以看到，智能人工作業(yè)系統(tǒng)的全部系統(tǒng)數(shù)據(jù)被完整地記錄在云平臺(tái)，便于隨時(shí)隨地訪問(wèn)獲取。

圖6 操作信息

圖7 加工信息

4  應(yīng)用驗(yàn)證

本節(jié)將智能人工作業(yè)系統(tǒng)加工某一專用航空機(jī)載設(shè)備零件的操作過(guò)程進(jìn)行部分實(shí)物圖片展示，其中加工零件的操作流程依據(jù)3.3節(jié)的系統(tǒng)工作流程圖。

圖8是智能人工作業(yè)系統(tǒng)的登錄界面，這里演示的是刷卡登錄，系統(tǒng)同時(shí)支持賬號(hào)密碼登錄；圖9為某一專用零件加工過(guò)程中第1步拿取零件的指導(dǎo)界面，由于篇幅限制這里只展示一個(gè)操作步驟，可以看到，指導(dǎo)界面有產(chǎn)品步驟進(jìn)度、具體操作信息以及步驟圖片指導(dǎo)等信息。

圖8 智能人工工作站登錄界面

圖9 智能人工作業(yè)系統(tǒng)零件加工指導(dǎo)界面

5  結(jié)論

本文利用以Cortex-A53為內(nèi)核的自研邊緣控制器，結(jié)合多種輔助外設(shè)，在MQTT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下實(shí)現(xiàn)了具有云邊協(xié)同工作能力的智能人工作業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備多種航空機(jī)載設(shè)備零件的專用化、定制化加工功能。通過(guò)邊緣設(shè)備的有效控制，各輔助外設(shè)的信息反饋全面準(zhǔn)確，指令響應(yīng)及時(shí)，符合工業(yè)生產(chǎn)對(duì)生產(chǎn)效率的要求；此外，通過(guò)云邊協(xié)同，數(shù)據(jù)處理工作由邊緣控制器完成，實(shí)驗(yàn)室云平臺(tái)僅承擔(dān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)用與管控工作，由此將帶來(lái)更低的能耗與帶寬，工業(yè)生產(chǎn)的成本將會(huì)進(jìn)一步下降。

作者簡(jiǎn)介：

劉平凡  （1995-），男，河北唐山人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、邊緣計(jì)算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化等研究工作。

鄒   方  （1965-），男，湖南婁底人，研究員，碩士，現(xiàn)就職于中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，從事智能制造基礎(chǔ)技術(shù)、系統(tǒng)控制與集成技術(shù)、邊緣計(jì)算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化等研究工作。

何昭巖  （1991-），男，吉林人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、邊緣計(jì)算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化等研究工作。

劉諾石  （1997-），男，湖北荊門人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、邊緣計(jì)算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化等研究工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊