基于MEMS傳感器的起重機(jī)吊鉤運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

 

    由于吊鉤本身結(jié)構(gòu)的限制及其工作環(huán)境的不確定性，國內(nèi)外都較少開展對(duì)于起重機(jī)吊鉤運(yùn)動(dòng)監(jiān)控的研究。如使用圖像處理方式跟蹤吊鉤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不足之處在于圖像算法復(fù)雜，且誤判率比較高。

 

    吊鉤水平方位角過大，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移，造成所吊重物位置的不確定，而針對(duì)特型吊鉤，僅給出了二維傾角測(cè)量方法。

 

    本研究從起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用角度出發(fā)，采用MEMS加速度計(jì)和微磁強(qiáng)計(jì)組合，通過誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊鉤傾角和水平方位角的實(shí)時(shí)監(jiān)控，開發(fā)低成本、高精度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可滿足起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用要求，也可以為起重機(jī)吊臂閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究提供物理參量。

 

    1吊鉤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量原理吊鉤主要由兩部分構(gòu)成：外框架和吊鉤鉤體（如所示）。外框架連接纜繩并起到固定支撐鉤體的作用，鉤體只能在外框架的支撐下做沿中心軸的單自由度旋轉(zhuǎn)，吊鉤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量主要包含對(duì)吊鉤沿纜繩垂直地面方向的二維傾角運(yùn)動(dòng)和沿鉤體頂端水平方向的平面旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量，從吊鉤結(jié)構(gòu)可以看出，鉤體和外框架的二維傾角相等，而對(duì)于平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，本研究更關(guān)心鉤體及其所吊貨物的當(dāng)前狀態(tài)。

 

    吊鉤終端安裝示意圖本研究將姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)安裝在吊鉤鉤體頂端，與之固連，定義載體坐標(biāo)系如所示：X沿橫軸向右，Y沿縱軸向前，Z軸沿纜繩垂直方向軸向上。如可實(shí)時(shí)測(cè)量得到該坐標(biāo)系下相應(yīng)物理量：X軸傾角、Y軸傾角、水平旋轉(zhuǎn)角，即可確定吊鉤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

 

    1.1傾角解算方法傾角指X軸和Y軸分別與水平面的夾角，反映當(dāng)前吊鉤相對(duì)纜繩垂直方向的傾斜程度，若傾角超出一定范圍，駕駛員應(yīng)當(dāng)采取措施減小擺動(dòng)。

 

    在吊鉤這種緩慢運(yùn)動(dòng)的物體上安裝的加速度計(jì)的各軸測(cè)量值可近似認(rèn)為是重力加速度g在各軸的分量，按照空間矢量合成原理，可以得到沿X、Y軸的傾角的計(jì)算公式分別為：M+g2y+g2：gx，gy，gz―三軸MEMS加速度計(jì)的測(cè)量值，根據(jù)吊鉤實(shí)際應(yīng)用情況，本研究定義ay的取值范圍為1.2平面旋轉(zhuǎn)角解算方法平面旋轉(zhuǎn)角指吊鉤繞Z軸相對(duì)初始角度的偏轉(zhuǎn)角，主要反映吊鉤的扭擺程度，若扭擺過大，則可能導(dǎo)致纜繩斷裂或所吊重物碰撞到周邊物體。三軸微磁強(qiáng)計(jì)可以輸出立體空間內(nèi)兩兩正交的3個(gè)軸的當(dāng)前磁場(chǎng)強(qiáng)度值，磁強(qiáng)計(jì)通過測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度確定吊鉤的平面旋轉(zhuǎn)角。本研究的初始角度取地磁北極方向。旋轉(zhuǎn)角可以通過下面的公式計(jì)算：本研究定義屮0，3600），當(dāng)確定初始位置角度后，即可測(cè)量出吊鉤掛載后的相對(duì)值的旋轉(zhuǎn)角度。

 

    2基于T-S模糊邏輯的吊鉤旋轉(zhuǎn)角誤差補(bǔ)償?shù)蹉^及周邊都為鐵磁材料，不可避免地受到強(qiáng)磁干擾，嚴(yán)重影響旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度。提出的四點(diǎn)補(bǔ)償是一種常用的方法，該方法只適合弱磁環(huán)境下應(yīng)用；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)磁強(qiáng)計(jì)的系統(tǒng)誤差和溫度進(jìn)行補(bǔ)償，但存在不易編程實(shí)現(xiàn)、計(jì)算量較大等不足，其工程化可行性不高。本研究提出一種適合應(yīng)用于強(qiáng)磁環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)角誤差補(bǔ)償方法。

 

    如采用弱磁補(bǔ)償方法，在鐵磁材料的。

 

    表1弱磁補(bǔ)償法補(bǔ)償結(jié)果真值誤差真值誤差從表1中可以看出，相對(duì)于值，其誤差絕對(duì)值*大可達(dá)23.73.，均方差為20.36.，已不能作為測(cè)量值輸出，需要經(jīng)過在線補(bǔ)償。本研究選用T-S模糊模型來對(duì)平面旋轉(zhuǎn)角誤差建模，借助T-S方法，建立非線性的模糊規(guī)則。

 

    為簡(jiǎn)化運(yùn)算，本研究建立二次局部T-S模型規(guī)則：y償前平面旋轉(zhuǎn)角讀數(shù)；ava2，b―敏感系數(shù)。

 

    制定模糊規(guī)則是建立在。

 

    費(fèi)模糊隸屬度函數(shù)在模糊邏輯算法中，ava2，b可視作線性局部模型系數(shù)，如能得到3個(gè)敏感系數(shù)，則可確定在R，規(guī)則下的模糊基函數(shù)。本研究通過表1中的重復(fù)。在此例中，模糊輸出值為：成是第i條規(guī)則加權(quán)因子。

 

    本研究將表1數(shù)據(jù)作為模糊輸入集合，經(jīng)過模糊規(guī)則計(jì)算，輸出結(jié)果如（b）所示，其誤差絕對(duì)值*大不超過0.8°，均方差為0.54°，經(jīng)過補(bǔ)償后的精度有明顯提高。

 

    3系統(tǒng)頭現(xiàn)由于吊車的保養(yǎng)周期為幾個(gè)月或1年，并且傳感器進(jìn)行在線標(biāo)定后應(yīng)避免頻繁卸下，本研究引入安裝誤差，并在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中考慮符合長期使用的要求，如在線標(biāo)定、低功耗等。

 

    3.1系統(tǒng)功能模塊為達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的，本研究采用重心法，將系統(tǒng)總體框圖模糊集合映射為一個(gè)確定的點(diǎn)，對(duì)于任何輸入平面旋該系統(tǒng)采用ADI公司的三軸MEMS加速度計(jì)轉(zhuǎn)角讀數(shù)，其模糊輸出可寫成：ADXL312作為傾角測(cè)量傳感器，其量程為g，精度系統(tǒng)總體框架如所示，包含4個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)采集、信息處理、數(shù)傳和控制顯示模塊。

 

    為2.9mg/LSB；微磁強(qiáng)計(jì)采用Honeywell公司的HMR2300.信息處理模塊使用TI公司的低功耗16位單片機(jī)MSP430F149，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的信號(hào)采集和姿態(tài)解算，通過數(shù)傳模塊將姿態(tài)信息發(fā)送給地面終端；地面終端通過相同的數(shù)傳模塊接收運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息并控制液晶顯示，同時(shí)，地面終端可以發(fā)送控制指令給吊鉤終端，例如磁強(qiáng)計(jì)校正參數(shù)指令、系統(tǒng)休眠指令等。系統(tǒng)實(shí)物如所示。

 

    3.2方位角在線標(biāo)定技術(shù)在吊鉤測(cè)量模塊安裝好后，應(yīng)盡量避免頻繁拆下，同時(shí)為滿足測(cè)量系統(tǒng)在各型吊鉤上的通用性，采用套在線標(biāo)定技術(shù)是十分有必要的，利用該技術(shù)，本研究可以在測(cè)量系統(tǒng)安裝好后通過地面終端發(fā)送指令設(shè)定補(bǔ)償參數(shù)，這樣即使吊鉤的使用環(huán)境變化后，本研究也可以迅速、方便地對(duì)方位角進(jìn)行遙控標(biāo)定。以鐵磁轉(zhuǎn)臺(tái)為例，在線標(biāo)定過程步驟如下：①將測(cè)量模塊水平安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，并開機(jī)；②地面終端發(fā)送標(biāo)定指令給測(cè)量模塊，此時(shí)，測(cè)量模塊進(jìn)入標(biāo)定模式；③按照第2節(jié)所述標(biāo)定方法獲得參數(shù)（式）后，通過地面終端發(fā)送回測(cè)量模塊并存儲(chǔ)；④地面終端發(fā)送標(biāo)定完成指令，測(cè)量模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

 

    3.3低功耗技術(shù)吊鉤測(cè)量模塊的電源設(shè)計(jì)是重點(diǎn)和難點(diǎn)之不僅要滿足各個(gè)模塊供電電壓，同時(shí)還要兼顧系統(tǒng)總功耗。MEMS器件本身即具有低功耗的優(yōu)勢(shì)，如ADXL312本身帶有多種低功耗模式，如睡眠模式和待機(jī)狀態(tài)。在正常工作模式下，電流為57pA，而在待機(jī)模式下，電流只有0.1A.地面終端為操作員提供了待機(jī)按鈕，可以通過數(shù)傳模塊發(fā)送指令給吊鉤終端，控制MCU切斷傳感器供電?；謴?fù)供電的方法與之類似本研究通過讀取分度臺(tái)和轉(zhuǎn)臺(tái)的標(biāo)稱值，并和由接收終端得到的測(cè)量值進(jìn)行比較。

 

    本研究對(duì)傾角的測(cè)試如Q所示，將系統(tǒng)固定于分度臺(tái)上，調(diào)整分度頭水平零位，與輸出致，先對(duì)X軸方向的傾角進(jìn)行測(cè)量，點(diǎn)從（-60.，60°），以10°遞增并記錄系統(tǒng)的輸出值，其測(cè)量結(jié)果如表2所示。

 

    系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境表2X軸傾角數(shù)據(jù)真值/（°）誤差/真值/誤差/由表2可知，相對(duì)值，X軸傾角各測(cè)量點(diǎn)的*大誤差不超過0.3°，均方差為0.15本研究將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換90.方向安裝并對(duì)Y軸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表3所示，計(jì)算得滾轉(zhuǎn)角測(cè)量*大誤差不超過0.3°，均方差為0.15表3Y軸傾角數(shù)據(jù)真值/（°）誤差/真值/誤差/水平旋轉(zhuǎn)角的測(cè)試在轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行，如b所示。

 

    轉(zhuǎn)臺(tái)由鐵磁材料制作而成，可以反映系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)磁環(huán)境，本研究將測(cè)量系統(tǒng)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，點(diǎn)從0°起，以20°為增量遞增到360°，測(cè)量結(jié)果如表4所示。

 

    從表4中可以看出測(cè)量點(diǎn)的*大誤差不超過0.8°，均方差為0.39°。相對(duì)于表1的在線補(bǔ)償前數(shù)據(jù)，精度提高了25倍。由此可知，基于T-S模糊邏輯的補(bǔ)償算法在實(shí)際應(yīng)用中能有效提高水平旋轉(zhuǎn)角精度。

 

    表4平面旋轉(zhuǎn)角真值/（°）差值/真值/差值/5結(jié)束語本研究從工程應(yīng)用角度出發(fā)，不僅考察了起重機(jī)吊鉤傳感器的精度、帶寬、量程等測(cè)量指標(biāo)，同時(shí)對(duì)磁強(qiáng)計(jì)誤差補(bǔ)償、系統(tǒng)功耗以及系統(tǒng)組合進(jìn)行了研究。

 

    從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角精度達(dá)到0.3.，補(bǔ)償后的平面旋轉(zhuǎn)角精度達(dá)到0.8.，數(shù)據(jù)輸出速率80Hz，可以滿足用戶需求。系統(tǒng)功耗實(shí)測(cè)正常工作電流50mA，待機(jī)電流小于5mA.駕駛員在駕駛室即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊鉤運(yùn)功狀態(tài)。