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面向快递包裹运输的自供电环境监测系统设计和仿真

时间:2022年04月08日 分类:经济论文 次数:

摘要:目的 针对包裹运输实时状态监测的能源和续航问题,本文设计了自供电物流环境监测系统。方法 通过分析公路运输车辆振动分布情况,获得振动能量主要集中在 8~11Hz 低频带中;对此,设计了一种电磁振动能量收集器和能量管理电路,建立了能量收集器的物理和数学模型;

  摘要:目的 针对包裹运输实时状态监测的能源和续航问题,本文设计了自供电物流环境监测系统。方法 通过分析公路运输车辆振动分布情况,获得振动能量主要集中在 8~11Hz 低频带中;对此,设计了一种电磁振动能量收集器和能量管理电路,建立了能量收集器的物理和数学模型;通过仿真和实验对比了本文提出的收集器其模型和实测的输出结果、并测试了能量管理电路性能以及相应阻抗匹配分析。结果 收集器仿真结果和实测结果基本吻合,输出电压的峰峰值均高于 1V;文中提出的能量管理电路能够有效完成收集器输出电压的升压整流,与收集器配合后充电效率最高可达 51.1%,阻抗匹配在 1kΩ时输出效果最优。结论 文中提出的数学模型有效、可靠,且自供电物流环境监测系统方案,有效提升了包裹实时监测的续航能力提升可行性。

  关键词:快递包裹;数学建模;物流环境监测;电磁;振动能量收集器;阻抗匹配

快递包装

  中国是世界上快递业规模最大的国家。在 2021 年上半年,国内快递业务量和收入完成493.9 亿件和 4842.1 亿元,同比分别增长 45.8%和 26.6%,增速均为上年同期的 2 倍以上[1]。随着快递行业的快速发展,运输过程中的快递包裹实时状态(振动冲击、实时位置、温湿度、放置姿态等)越来越受关注,诸多企业和院所也开发了相应的快递包裹状态监测算法和装置[2-5],但是这类监测装置大多受限于电池容量,而无法完成运输全过程多传感数据的实时采集、无线传输和精准辨识。虽然,为了缓解续航压力可以采用关闭部分传感器、降低采样频率、删除缓存功能等折中方式,但这又导致了数据类型不完整、数据量少、丢包严重等一系列问题。

  此外,随着快递包裹状态监测装置的使用量剧增,除了电池所带来的运输安全和环境污染问题之外,电池的大批量同时充电问题也尚未得到有效解决。因此,续航问题已经成为制约快递包裹状态在途精确监测的一大瓶颈。自供电技术是指通过收集环境中各种能量并转化为电能从而驱动低功耗设备工作的技术,被认为是解决能源问题的一种有效途径。在包裹运输场景下,车辆在行驶途中始终伴随着振动,因此运输振动能量的高效收集和转化有望为解决供能问题提供新途径。

  在自供电技术领域,已有学者进行了机械能收集方法研究和收集器设计。按照能量转化方式的不同,主要有压电式[6,7]、静电式[8]、摩擦纳米发电式[9]、电磁式[10,11]等。压电式和电磁式是最主要的两大类研究方向,压电材料可因机械应变产生电能,其具有耐用、可靠、微小、输出功率大和电压大等特点[12],灵活的运用于可穿戴设备[13]、生物医学设备[14-17]、交通运输及环境监测设备[18-21]、智能家居设备[22]等,自身也可作为传感器监测[23-24],而其电能输出极其依赖于材料属性和结构,在实际应用中成本较高。电磁式设备可将磁感应的改变转化为电能,具有无需额外电源与功能材料、输出电流大、结构多样,应用范围广[25,26]等特点,十分适用于驱动低功耗的数字集成器件[27]。

  孔令强等[26]在单自由度磁悬浮振动能量收集器的设计基础上添加了一个线性弹簧振子,悬浮磁体与弹簧振子相互耦合成了双自由度俘能系统,在相应激励下其输出功率提高了 1.5 倍;K Aouali[27]在电磁振动能量收集器中进行非线性和能量定位调谐,非线性装置由两个弹性梁引导并由排斥磁力耦合的移动磁体组成,收集器的功率和频率带宽分别提高了 19.4%和 116%;Shen 等[28]提出了一种基于自由运动的非共振电磁能量收集器用于收集低频振动能量,其原型机可以在 4.5Hz 频率下和 40mm 振幅下产生748μW/cm3 的功率密度;李丹晖等[29]提出了应用于运输包装的电磁振动能量收集器,通过同论分析法等方法进行计算分析为收集器结构优化提供理论依据。

  Yu 等[30]设计了一种用于智能铁路运输的小型滚珠丝杠式电磁能量收集器,当列车以 30km/h 车速通过时,两个原型机的平均功率分别为 1.12W 和 2.24W;同年,Yu 等[31]设计了一种用于货运轨道车的电磁能量收集器,在以 90km/h 速度运行的轨道车上,使用 66:1 和 43:1 齿轮头的收集器分别获得了 14.5W 和 9.2W 的平均功率。

  Ouyang 等[32]设计了一种基于圆柱滚动磁铁和一个或三个固定磁铁的电磁振动能量收集器,可达到单稳态和三稳态势能状态,并通过减小柔性制造系统和柔性制造系统之间的垂直间隙来增强系统的非线性,带有一固定磁体收集器在 8.0Hz 时达到最大瞬时功率为 40.6mW,带有三个固定磁体收集器在 7.5Hz 时达到 9.8mW。Wang 等[33]设计一种可安装在轮对上的紧凑型一体化转子电磁能量收集器,其增加了配重充当摩擦摆,在列车转速为 420~820r/min 的情况下的输出性能高达 1982W/m3。

  如上所述,鉴于电磁式振动能量收集器具有寿命长、易维护、低成本、无污染等优点,本文提出采用电磁式振动能量收集和转化技术解决快递包裹运输中物流环境监测装置的续航问题,在搭建了物流环境监测软硬件系统的基础上,根据快递包裹运输中物流车辆的振动分布情况,针对性设计了振动能量收集器的结构和与之匹配的能量管理电路,实验结果表明本文提出基于振动能量收集的自供电装置能够有效增加物流环境监测系统的续航时间。

  1.自供电物流环境监测系统自供电物流环境监测系统主要分为跟随快递包裹完成物流全过程的硬件终端和基于云服务的 Web 界面。其主要功能是根据硬件终端实时采集并无线传输至云服务器的各种状态数据进行快递包裹在途状态的精准辨识和监测。以下对硬件终端和 Web 界面分别进行简要介绍。

  1.1 硬件终端

  整体电路模块主要由能源采集管理模块,传感器检测模块、无线数据上送模块、主控模块等四部分组成。传感器检测模块包含三轴加速度、温湿度、地磁、GPS、陀螺仪等传感器,能够实现包裹状态和硬件终端自身状态数据的实时采集功能。无线数据上送模块主要基于 4G 实现动态数据的无线实时传送。主控模块负责接受 Web 端发出的控制指令并负责协调各个模块有序工作。能源采集管理模块为整个系统提供持续稳定的电能,包含电磁式振动能量收集器、能量管理电路和锂电池。

  其中,振动能量收集器将振动转化为电能后可输出交流电,后经能量管理电路的整流升压后对锂电池进行充电,锂电池输出稳定的直流电供给其他三个模块工作。本文的研究重点在自供电设备在快递包裹运输环境下的有效输出及应用。

  1.2 Web 端数据管理

  Web 端软件基于云服务器进行搭建,主要负责接收硬件终端上送的实时状态数据,并根据实时状态数据进行包裹状态的监测和辨识,并具有监测和管理硬件终端工作情况、包裹在途状态实时可视化展示等功能。

  2. 面向快递包裹运输的振动能量

  收集器设计本章面向快递包裹运输的实际场景,在进行了公路运输物流车辆的振动情况分析并得出振动能量分布较集中的频率范围后,有针对性地设计了电磁式振动能量收集器。

  2.1 公路运输车辆的振动情况分析振动能量收集器需要依据振动激励的频率范围和能量分布进行针对性设计,因此本文梳理了公路运输中振动特性的相关研究成果,整理了不同运输车辆的垂向振动情况.

  无论是钢板弹簧、螺旋弹簧还是独立悬架的车辆,公路运输振动信号的能量均集中在 1~30Hz 的中低频率范围。更细化地,考虑载重、车型等因素,本文确定以 11Hz范围为振动能量收集器设计中需响应的主要频率范围。

  2.2 电磁式振动能量收集器的结构设计本文提出的电磁式振动能量收集器是在圆柱型容器中放入了三块磁极相斥的圆柱形永磁体、两个弹簧和两个垫片,其中:两块永磁体分别固定于容器的上下两端,剩余一块磁体在上下两块固定磁体的排斥力作用下悬浮于容器中部,弹簧一端粘接在固定于容器两端的永磁体,另一端粘接垫片,在容器的中部缠绕了线圈,如图 2 所示。相邻磁体间产生的斥力相当于一个磁力弹簧,和机械弹簧相比,磁力弹簧产生的是非线性作用力。当能量收集器在激励作用下振动时,中间悬浮磁体和容器上的线圈做相对运动,线圈切割磁场中的磁感线,引起磁通量产生变化,根据法拉第电磁感应定律,此时会在外部线圈中产生电流。

  2.3 电磁式振动能量收集器的数学模型

  由于公路运输车辆的振动能量较集中在 5~16Hz 频带之间,频率较低。因此,为了提升物流环境监测系统在公路运输环境下的续航能力,需对能量收集器的输出电压进行升压整流。

  3 仿真及实测结果对比分析

  为验证振动能量收集器的数学模型可行性和能量管理电路的性能,实验测试了不同频率激励下的振动能量收集器的输出和仿真结果对比及其阻抗匹配分析,并对能量管理电路的升压效果进行了仿真。

  3.1 参数设置和实验环境

  能量收集器的数学模型是两阶常微分方程组,采用 MATLAB 数值方法中的龙格库塔法求解磁悬浮振动能量收集器在振动情况下的运动方程。龙格库塔法的思想是根据某些点的值的线性组合构造公式,首先将其根据泰勒展开,再与初值问题解的泰勒展开式进行对比,按照使尽可能多的项完全相等的原则确定参数,从而确保公式具有更高的精度。

  主要由信号发生器、功率放大器、加速度传感器、激振器、示波器等实验设备构成。信号发生器用于产生 8~11Hz 范围内不同频率的正弦激励信号,所产生的激励信号经过功率放大器后传输给激振器。振动能量收集器通过铝制专用夹具采用 M5 螺纹固定于激振器的振动台上。同时,能量收集器的另一端也通过夹具和 M5 螺纹固定有加速度传感器,用于感知振动能量收集器受到的实际激励。振动能量收集器的输出和加速度传感器的输出分别连接至示波器的两个通道。

  信号发生器的输出为 8~11Hz 的正弦波。在信号频率确定的基础上调整功率放大器以保证激励大小保持与数学模型振幅一致稳定在±1g。振动能量收集器的输出直连示波器探头。振动能量收集器容器长度为 34mm,外径为 19mm,内径为 17mm;内部动磁铁的直径为 8mm,厚度为 8mm,上下固定磁铁的直径为 16mm,厚度 2mm,磁铁的材料皆为钕铁硼;弹簧长度为 20mm;垫片直径为 16mm,厚度为 1mm;外部的线圈匝数为 2500 匝,厚度为5mm,内径为 20mm,外径为 28.2mm,线径为 0.08mm。

  仿真和实测对比结果及阻抗匹配分析振动能量收集器其数学模型和实测输出结果对比,波形基本吻合。振动能量收集器在 8~11Hz 不同激励下的输出电压峰峰值均大于 1V,而激励频率为 9Hz 时输出电压的峰峰值最大,达到 3.12V。即,在 8~11Hz 激励下的振动能量收集器有较好的响应特性,输出电压整体较高。综上,实验结果表明本文提出的振动能量收集器数学模型有效,此结构也能够较好地收集快递包裹运输中的振动能量并有效地完成能量转换,其输出能够满足后续整流升压的基本条件。

  结语本文主要开展了如下工作:针对快递包裹运输的实时状态监测能源和续航问题,提出了自供电物流环境监测系统,并进行了设计实现和实验验证。分析了公路运输车辆的振动分布情况,我国公路运输车辆的主要振动能量频率范围约为8~11Hz,能量集中处的振幅大小约为±1g。针对快递包裹运输环境设计了振动能量收集器,进行了物理和数学建模并仿真。仿真和实测输出结果波形基本吻合。

  在其中的振动激励下收集器不外接负载时输出电压的峰峰值均高于 1V,外接负载时在负载为 1kΩ左右输出功率最优。完成了能量管理电路的设计和仿真,试验结果表明该电路能够有效完成振动能量收集器输出电压的整流升压,与收集器配合后充电效率可达 38.7%~51.1%。本文的后续工作将在现有基础上继续丰富应用场景如汽车胎压监测等,优化能量收集器的结构,加宽响应频带,提升能量转化效率。此外,能量管理电路的优化集成及其与系统其他模块根据实际采集需求的能源消耗方法研究也是后续工作之一。

  参考文献:

  [1] 中华人民共和国国家邮政局. 国家邮政局关于 2021 年上半年行业经济运行情况的通报[EB/OL].

  The Official Website of the State Post Bureau of the People's Republic of China. The State PostOffice Announced the Distribution of Transportation Industry in Recent Five Years[EB/OL].

  [4] DING A, ZHANG Y, ZHU L, et al. Recognition Method Research on Rough Handling ofExpress Parcels Based on Acceleration Features and CNN[J]. Measurement, 2020, 163: 1—11.

  [5] 丁奥, 张媛, 朱磊, 等. 基于加速度分布特征的快递暴力分拣识别方法[J]. 包装工程,2020,41(23): 162—171.DING Ao, ZHANG Yuan, ZHU Lei, et al. Express Delivery Violence Sorting Recognition MethodBased on Acceleration Distribution Characteristics[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(23): 162—171.

  作者:屠迪龙1a, 1b,张媛1a, 1b,朱磊1a, 1b,秦勇2,杜艳平

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