基於MEMS傳感器的起重機吊鉤運動實時監控係統

 

    由(you)於(yu)吊(diao)鉤(gou)本(ben)身(shen)結(jie)構(gou)的(de)限(xian)製(zhi)及(ji)其(qi)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)的(de)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)
，國(guo)內(nei)外(wai)都(dou)較(jiao)少(shao)開(kai)展(zhan)對(dui)於(yu)起(qi)重(zhong)機(ji)吊(diao)鉤(gou)運(yun)動(dong)監(jian)控(kong)的(de)研(yan)究(jiu)。如(ru)使(shi)用(yong)圖(tu)像(xiang)處(chu)理(li)方(fang)式(shi)跟(gen)蹤(zong)吊(diao)鉤(gou)運(yun)動(dong)狀(zhuang)態(tai)
，不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)在(zai)於(yu)圖(tu)像(xiang)算(suan)法(fa)複(fu)雜(za)，且(qie)誤(wu)判(pan)率(lv)比(bi)較(jiao)高(gao)。

 

    吊鉤水平方位角過大，將產生旋轉位移
，造成所吊重物位置的不確定，而針對特型吊鉤，僅給出了二維傾角測量方法。

 

    本研究從起重機現場應用角度出發，采用MEMS加速度計和微磁強計組合，通過誤差補償，實現對吊鉤傾角和水平方位角的實時監控，開發低成本、高精度的運動狀態監控係統
，不僅可滿足起重機現場使用要求
，也可以為起重機吊臂閉環控製係統的研究提供物理參量。

 

    1吊鉤運動狀態測量原理吊鉤主要由兩部分構成：外框架和吊鉤鉤體（如所示）。外(wai)框(kuang)架(jia)連(lian)接(jie)纜(lan)繩(sheng)並(bing)起(qi)到(dao)固(gu)定(ding)支(zhi)撐(cheng)鉤(gou)體(ti)的(de)作(zuo)用(yong)，鉤(gou)體(ti)隻(zhi)能(neng)在(zai)外(wai)框(kuang)架(jia)的(de)支(zhi)撐(cheng)下(xia)做(zuo)沿(yan)中(zhong)心(xin)軸(zhou)的(de)單(dan)自(zi)由(you)度(du)旋(xuan)轉(zhuan)，吊(diao)鉤(gou)運(yun)動(dong)狀(zhuang)態(tai)的(de)測(ce)量(liang)主(zhu)要(yao)包(bao)含(han)對(dui)吊(diao)鉤(gou)沿(yan)纜(lan)繩(sheng)垂(chui)直(zhi)地(di)麵(mian)方(fang)向(xiang)的(de)二(er)維(wei)傾(qing)角(jiao)運(yun)動(dong)和(he)沿(yan)鉤(gou)體(ti)頂(ding)端(duan)水(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)的(de)平(ping)麵(mian)旋(xuan)轉(zhuan)角(jiao)的(de)測(ce)量(liang)，從(cong)吊(diao)鉤(gou)結(jie)構(gou)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，鉤(gou)體(ti)和(he)外(wai)框(kuang)架(jia)的(de)二(er)維(wei)傾(qing)角(jiao)相(xiang)等(deng)
，而(er)對(dui)於(yu)平(ping)麵(mian)內(nei)旋(xuan)轉(zhuan)，本(ben)研(yan)究(jiu)更(geng)關(guan)心(xin)鉤(gou)體(ti)及(ji)其(qi)所(suo)吊(diao)貨(huo)物(wu)的(de)當(dang)前(qian)狀(zhuang)態(tai)。

 

    吊鉤終端安裝示意圖本研究將姿態測量係統安裝在吊鉤鉤體頂端
，與之固連，定義載體坐標係如所示：X沿橫軸向右，Y沿縱軸向前，Z軸沿纜繩垂直方向軸向上。如可實時測量得到該坐標係下相應物理量：X軸傾角
、Y軸傾角、水平旋轉角，即可確定吊鉤的運動狀態。

 

    1.1傾角解算方法傾角指X軸和Y軸分別與水平麵的夾角

，反映當前吊鉤相對纜繩垂直方向的傾斜程度
，若傾角超出一定範圍，駕駛員應當采取措施減小擺動。

 

    在吊鉤這種緩慢運動的物體上安裝的加速度計的各軸測量值可近似認為是重力加速度g在各軸的分量
，按照空間矢量合成原理，可以得到沿X、Y軸的傾角的計算公式分別為：M+g2y+g2：gx，gy，gz―三軸MEMS加速度計的測量值，根據吊鉤實際應用情況，本研究定義ay的取值範圍為1.2平麵旋轉角解算方法平麵旋轉角指吊鉤繞Z軸(zhou)相(xiang)對(dui)初(chu)始(shi)角(jiao)度(du)的(de)偏(pian)轉(zhuan)角(jiao)，主(zhu)要(yao)反(fan)映(ying)吊(diao)鉤(gou)的(de)扭(niu)擺(bai)程(cheng)度(du)

，若(ruo)扭(niu)擺(bai)過(guo)大(da)，則(ze)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)纜(lan)繩(sheng)斷(duan)裂(lie)或(huo)所(suo)吊(diao)重(zhong)物(wu)碰(peng)撞(zhuang)到(dao)周(zhou)邊(bian)物(wu)體(ti)。三(san)軸(zhou)微(wei)磁(ci)強(qiang)計(ji)可(ke)以(yi)輸(shu)出(chu)立(li)體(ti)空(kong)間(jian)內(nei)兩(liang)兩(liang)正(zheng)交(jiao)的(de)3個(ge)軸(zhou)的(de)當(dang)前(qian)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)值(zhi)
，磁(ci)強(qiang)計(ji)通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)地(di)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)確(que)定(ding)吊(diao)鉤(gou)的(de)平(ping)麵(mian)旋(xuan)轉(zhuan)角(jiao)。本(ben)研(yan)究(jiu)的(de)初(chu)始(shi)角(jiao)度(du)取(qu)地(di)磁(ci)北(bei)極(ji)方(fang)向(xiang)。旋(xuan)轉(zhuan)角(jiao)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)下(xia)麵(mian)的(de)公(gong)式(shi)計(ji)算(suan)：本研究定義屮0，3600）
，當確定初始位置角度後，即可測量出吊鉤掛載後的相對值的旋轉角度。

 

    2基於T-S模mo糊hu邏luo輯ji的de吊diao鉤gou旋xuan轉zhuan角jiao誤wu差cha補bu償chang吊diao鉤gou及ji周zhou邊bian都dou為wei鐵tie磁ci材cai料liao
，不bu可ke避bi免mian地di受shou到dao強qiang磁ci幹gan擾rao，嚴yan重zhong影ying響xiang旋xuan轉zhuan角jiao的de測ce量liang精jing度du。提ti出chu的de四si點dian補bu償chang是shi一yi種zhong常chang用yong的de方fang法fa，該gai方fang法fa隻zhi適shi合he弱ruo磁ci環huan境jing下xia應ying用yong；采用神經網絡方法對磁強計的係統誤差和溫度進行補償，但存在不易編程實現、計算量較大等不足，其工程化可行性不高。本研究提出一種適合應用於強磁環境下的旋轉角誤差補償方法。

 

    如采用弱磁補償方法
，在鐵磁材料的。

 

    表1弱磁補償法補償結果真值誤差真值誤差從表1中可以看出，相對於值，其誤差絕對值*大可達23.73.，均方差為20.36.，已不能作為測量值輸出，需要經過在線補償。本研究選用T-S模糊模型來對平麵旋轉角誤差建模
，借助T-S方法
，建立非線性的模糊規則。

 

    為簡化運算，本研究建立二次局部T-S模型規則：y償前平麵旋轉角讀數；ava2，b―敏感係數。

 

    製定模糊規則是建立在。

 

    費模糊隸屬度函數在模糊邏輯算法中，ava2，b可視作線性局部模型係數，如能得到3個敏感係數，則可確定在R，規則下的模糊基函數。本研究通過表1中的重複。在此例中，模糊輸出值為：成是第i條規則加權因子。

 

    本研究將表1數據作為模糊輸入集合
，經過模糊規則計算，輸出結果如（b）所示，其誤差絕對值*大不超過0.8°
，均方差為0.54°，經過補償後的精度有明顯提高。

 

    3係統頭現由於吊車的保養周期為幾個月或1年，並且傳感器進行在線標定後應避免頻繁卸下
，本研究引入安裝誤差
，並在係統實現過程中考慮符合長期使用的要求，如在線標定、低功耗等。

 

    3.1係(xi)統(tong)功(gong)能(neng)模(mo)塊(kuai)為(wei)達(da)到(dao)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)的(de)目(mu)的(de)，本(ben)研(yan)究(jiu)采(cai)用(yong)重(zhong)心(xin)法(fa)，將(jiang)係(xi)統(tong)總(zong)體(ti)框(kuang)圖(tu)模(mo)糊(hu)集(ji)合(he)映(ying)射(she)為(wei)一(yi)個(ge)確(que)定(ding)的(de)點(dian)
，對(dui)於(yu)任(ren)何(he)輸(shu)入(ru)平(ping)麵(mian)旋(xuan)該(gai)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)ADI公司的三軸MEMS加速度計轉角讀數
，其模糊輸出可寫成：ADXL312作為傾角測量傳感器
，其量程為g，精度係統總體框架如所示
，包含4個模塊
，分別是數據采集、信息處理
、數傳和控製顯示模塊。

 

    為2.9mg/LSB；微磁強計采用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MSP430F149
，實現對傳感器的信號采集和姿態解算

，通過數傳模塊將姿態信息發送給地麵終端
；地(di)麵(mian)終(zhong)端(duan)通(tong)過(guo)相(xiang)同(tong)的(de)數(shu)傳(chuan)模(mo)塊(kuai)接(jie)收(shou)運(yun)動(dong)狀(zhuang)態(tai)信(xin)息(xi)並(bing)控(kong)製(zhi)液(ye)晶(jing)顯(xian)示(shi)，同(tong)時(shi)
，地(di)麵(mian)終(zhong)端(duan)可(ke)以(yi)發(fa)送(song)控(kong)製(zhi)指(zhi)令(ling)給(gei)吊(diao)鉤(gou)終(zhong)端(duan)，例(li)如(ru)磁(ci)強(qiang)計(ji)校(xiao)正(zheng)參(can)數(shu)指(zhi)令(ling)
、係統休眠指令等。係統實物如所示。

 

    3.2方(fang)位(wei)角(jiao)在(zai)線(xian)標(biao)定(ding)技(ji)術(shu)在(zai)吊(diao)鉤(gou)測(ce)量(liang)模(mo)塊(kuai)安(an)裝(zhuang)好(hao)後(hou)

，應(ying)盡(jin)量(liang)避(bi)免(mian)頻(pin)繁(fan)拆(chai)下(xia)
，同(tong)時(shi)為(wei)滿(man)足(zu)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)在(zai)各(ge)型(xing)吊(diao)鉤(gou)上(shang)的(de)通(tong)用(yong)性(xing)，采(cai)用(yong)套(tao)在(zai)線(xian)標(biao)定(ding)技(ji)術(shu)是(shi)十(shi)分(fen)有(you)必(bi)要(yao)的(de)
，利(li)用(yong)該(gai)技(ji)術(shu)，本(ben)研(yan)究(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)安(an)裝(zhuang)好(hao)後(hou)通(tong)過(guo)地(di)麵(mian)終(zhong)端(duan)發(fa)送(song)指(zhi)令(ling)設(she)定(ding)補(bu)償(chang)參(can)數(shu)
，這(zhe)樣(yang)即(ji)使(shi)吊(diao)鉤(gou)的(de)使(shi)用(yong)環(huan)境(jing)變(bian)化(hua)後(hou)，本(ben)研(yan)究(jiu)也(ye)可(ke)以(yi)迅(xun)速(su)

、方便地對方位角進行遙控標定。以鐵磁轉台為例，在線標定過程步驟如下：①將測量模塊水平安裝在轉台上，並開機；②地麵終端發送標定指令給測量模塊，此時，測量模塊進入標定模式
；③按照第2節所述標定方法獲得參數（式）後，通過地麵終端發送回測量模塊並存儲；④地麵終端發送標定完成指令，測量模塊進入正常工作狀態。

 

    3.3低功耗技術吊鉤測量模塊的電源設計是重點和難點之不僅要滿足各個模塊供電電壓，同時還要兼顧係統總功耗。MEMS器件本身即具有低功耗的優勢，如ADXL312本身帶有多種低功耗模式，如睡眠模式和待機狀態。在正常工作模式下
，電流為57pA，而在待機模式下，電流隻有0.1A.地麵終端為操作員提供了待機按鈕，可以通過數傳模塊發送指令給吊鉤終端
，控製MCU切斷傳感器供電。恢複供電的方法與之類似本研究通過讀取分度台和轉台的標稱值
，並和由接收終端得到的測量值進行比較。

 

    本研究對傾角的測試如Q所示，將係統固定於分度台上
，調整分度頭水平零位，與輸出致，先對X軸方向的傾角進行測量
，點從（-60.
，60°），以10°遞增並記錄係統的輸出值，其測量結果如表2所示。

 

    係統測試環境表2X軸傾角數據真值/（°）誤差/真值/誤差/由表2可知
，相對值
，X軸傾角各測量點的*大誤差不超過0.3°，均方差為0.15本研究將係統轉換90.方向安裝並對Y軸進行測量
，測量結果如表3所示，計算得滾轉角測量*大誤差不超過0.3°，均方差為0.15表3Y軸傾角數據真值/（°）誤差/真值/誤差/水平旋轉角的測試在轉台上進行
，如b所示。

 

    轉台由鐵磁材料製作而成，可以反映係統應用現場的強磁環境，本研究將測量係統固定在轉台上
，點從0°起，以20°為增量遞增到360°
，測量結果如表4所示。

 

    從表4中可以看出測量點的*大誤差不超過0.8°

，均方差為0.39°。相對於表1的在線補償前數據，精度提高了25倍。由此可知
，基於T-S模糊邏輯的補償算法在實際應用中能有效提高水平旋轉角精度。

 

    表4平麵旋轉角真值/（°）差值/真值/差值/5結束語本研究從工程應用角度出發，不僅考察了起重機吊鉤傳感器的精度
、帶寬
、量程等測量指標，同時對磁強計誤差補償
、係統功耗以及係統組合進行了研究。

 

    從測量數據可以看出，俯仰角和滾轉角精度達到0.3.

，補償後的平麵旋轉角精度達到0.8.


，數據輸出速率80Hz，可以滿足用戶需求。係統功耗實測正常工作電流50mA，待機電流小於5mA.駕駛員在駕駛室即可實時監測吊鉤運功狀態。