余金華，陳新元

（武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，武漢 430000）

混凝土泵車末端軟管運(yùn)動趨勢檢測系統(tǒng)的設(shè)計

余金華，陳新元

（武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，武漢 430000）

針對混凝土泵車末端軟管的運(yùn)動趨勢，提出用三軸重力加速度傳感器進(jìn)行檢測的方法，確定檢測系統(tǒng)的組成及功能。經(jīng)過電子元器件的選型、電路的設(shè)計和程序的編寫，完成了測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，使運(yùn)動趨勢檢測系統(tǒng)得到實(shí)現(xiàn)。通過靜態(tài)條件下的功能測試，運(yùn)動趨勢檢測系統(tǒng)能夠完成對末端軟管運(yùn)動趨勢檢測，并在顯示設(shè)備上進(jìn)行顯示。

混凝土泵車；運(yùn)動趨勢檢測；相對方位角

0 引言

混凝土泵車臂架系統(tǒng)的控制是通過遙控器分別控制單節(jié)臂來調(diào)整末端軟管出料口的位置，這種控制單節(jié)臂的方式需要多步操作才能實(shí)現(xiàn)，操作方式比較復(fù)雜，對操作工人的業(yè)務(wù)能力要求很高，臂架動作緩慢。實(shí)現(xiàn)混凝土泵車臂架系統(tǒng)控制智能化，可以避免現(xiàn)有控制方式的諸多弊端，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確澆注。

臂架系統(tǒng)控制智能化的一種方式是在混凝土泵車各節(jié)臂和末端軟管上安裝傳感器，這些傳感器將測量數(shù)據(jù)送到中央處理器，當(dāng)人工拖拽布料軟管時，中央處理器根據(jù)末端軟管的運(yùn)動趨勢及臂架系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)計算出各節(jié)臂及回轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動狀態(tài)，并將參數(shù)反饋給各執(zhí)行元件執(zhí)行，這樣就能實(shí)現(xiàn)混凝土泵車臂架系統(tǒng)末端隨動功能，末端隨動控制要依據(jù)末端布料軟管的姿態(tài)來確定其運(yùn)動趨勢，因而對混凝土泵車末端軟管運(yùn)動趨勢進(jìn)行檢測，是臂架系統(tǒng)末端隨動控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

1 運(yùn)動趨勢檢測原理

軟管在自由狀態(tài)下呈現(xiàn)豎直狀態(tài)，當(dāng)人工進(jìn)行拖拽后軟管會發(fā)生一定方位的傾斜，軟管傾斜的方位就是它的運(yùn)動趨勢。對軟管傾斜狀態(tài)的傾斜方位進(jìn)行相應(yīng)的量化，并用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行描述，便是對混凝土泵車末端軟管運(yùn)動趨勢的測量。

以布料軟管豎直狀態(tài)時中心軸線的頂端為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立一個空間直角坐標(biāo)系O-xyz，將此坐標(biāo)系命名為相對方位坐標(biāo)系。相對坐標(biāo)系的位置隨著混凝土泵車臂架系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)的改變而發(fā)生位置的變化，坐標(biāo)系的z軸保持豎直狀態(tài)。將末端布料軟管簡化成一條線段，軟管豎直狀態(tài)如圖1中線段OA，人工拖拽發(fā)生傾斜后的狀態(tài)如圖1中線線段OB。軟管的運(yùn)動趨勢如圖1中虛線所示，將虛線投影到xOy平面上如圖1中向量OP，軟管的運(yùn)動趨勢就是向量OP所指向的方位。

圖1 末端軟管運(yùn)動趨勢示意圖

對向量OP的方位進(jìn)行量化，便可用具體的數(shù)學(xué)參量來描述末端軟管的運(yùn)動趨勢。令向量OP與x軸正半軸沿逆時針方向夾角為α，如圖1所示，夾角α稱為相對方位角，用數(shù)學(xué)參量α可對末端軟管運(yùn)動趨勢進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述，α取值范圍為0°到360°。在對軟管運(yùn)動趨勢的檢測中，以相對方位角α為目標(biāo)參量進(jìn)行測量。在得到相對方位角α的值后，即可作為混凝土泵車臂架系統(tǒng)智能控制計算中一個參量，為智能控制確定方位。

2 運(yùn)動趨勢檢測方法

建立一個測量軸，當(dāng)測量軸產(chǎn)生傾斜時，重力加速度會在測量軸上產(chǎn)生一個重力加速度分量，應(yīng)用加速度傳感器可以對測量軸上的重力加速度分量進(jìn)行測量。

用上述測量重力加速度分量的方法進(jìn)行混凝土泵車末端軟管運(yùn)運(yùn)動趨勢檢測，可選用三軸重力加速度傳感器，在混凝土泵車末端軟管上構(gòu)建三軸空間測量坐標(biāo)系如圖2所示，三個測量軸分別對應(yīng)測量坐標(biāo)系的x、y、z軸。當(dāng)末端軟管處于自然豎直狀態(tài)時，測量坐標(biāo)系與相對方位坐標(biāo)系中的x、y、z軸平行，但正半軸方向相反。三軸重力加速度傳感器的三個軸分別對應(yīng)測量坐標(biāo)系的x、y、z軸。gx、gy、gz分別為重力加速度g在x、y、z軸上的分量。

圖2 測重力加速度分量求相對方位角原理圖

調(diào)整重力加速度傳感器的z軸與布料軟管的中心軸線平行，那么重力加速度傳感器與布料軟管在測量位置處將有相同的姿態(tài)。當(dāng)布料軟管姿態(tài)發(fā)生改變時，測量軸上重力加速度分量就會發(fā)生變化，重力加速度傳感器測得重力加速度分量值后便可計算相對方位角α。根據(jù)gx和gy計算出*α，如式（1）。

由式（1）計算出來的相對方位角*α的范圍為-90°到90°，根據(jù)軟管運(yùn)動趨勢檢測原理，相對方位角α取值范圍為0°到360°。當(dāng)相對方位角超出*α的范圍時，就需要根據(jù)gx和gy的正負(fù)對α的象限進(jìn)行判斷，并由此將式（1）計算出的相對方位角*α轉(zhuǎn)換為0°到360°范圍內(nèi)的值，如式（2）。

因此，只要測得重力加速度在測量坐標(biāo)系中的x軸分量和y軸分量，便可計算得出相對方位角α的準(zhǔn)確值。

3 檢測系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)測量重力加速度分量的方法對軟管運(yùn)動趨勢進(jìn)行檢測，設(shè)計一套運(yùn)動趨勢檢測系統(tǒng)。運(yùn)動趨勢檢測系統(tǒng)的方案設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 無線運(yùn)動趨勢檢測系統(tǒng)設(shè)計框圖

在運(yùn)動趨勢檢測系統(tǒng)中，傳感器負(fù)責(zé)測量重力加速度分量，單片機(jī)是檢測系統(tǒng)的中央處理器，系統(tǒng)的控制指令都是由單片機(jī)發(fā)出的，是檢測系統(tǒng)的核心部分。數(shù)據(jù)采集端的單片機(jī)系統(tǒng)要接收傳感器的輸出信號并對接收到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括A/D轉(zhuǎn)換、相對方位角的計算等，并將處理好的信息發(fā)送到無線傳輸模塊，控制無線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。數(shù)據(jù)監(jiān)測端的單片機(jī)系統(tǒng)要控制無線傳輸模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理，并控制顯示模塊對運(yùn)動趨勢信息進(jìn)行顯示，同時將運(yùn)動趨勢檢測信息傳送到計算機(jī)。無線傳輸模塊完成信號的調(diào)制和解調(diào)。計算機(jī)可對運(yùn)動趨勢信息進(jìn)行曲線繪制，并對信號進(jìn)行分析。

4 系統(tǒng)硬件選定及軟件設(shè)計

在測試系統(tǒng)中，采用STC89C52RC單片機(jī)系統(tǒng)與計算機(jī)通訊，從計算機(jī)下載程序到單片機(jī)，單片機(jī)與計算機(jī)之間采用USB數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。MMA7361三軸重力加速度傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)以模擬量為輸出，PCF8591芯片將傳感器模塊輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由單片機(jī)控制進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。液晶顯示模塊12864ZW與STC89C52RC單片機(jī)之間采用串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀/寫操作，根據(jù)需要編寫出相應(yīng)的顯示內(nèi)容。

本文應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行界面的設(shè)計和程序的編寫，MATLAB軟件有自帶的GUI設(shè)計工具GUIDE，并且MATLAB軟件的繪圖功能很完善，能夠很好的完成界面設(shè)計和程序編寫。

用c語言程序分別設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換程序模塊、無線通訊程序模塊、串口通訊程序模塊、LCD顯示程序模塊、數(shù)據(jù)采集端的程序、數(shù)據(jù)監(jiān)測端的程序和計算機(jī)監(jiān)測程序。

5 設(shè)計成果

根據(jù)選定的硬件設(shè)計實(shí)物圖如圖4所示，將MMA7361三軸加速度傳感器模塊水平放置后向各個方向傾斜以模擬混凝土泵車末端軟管的運(yùn)動時，運(yùn)動趨勢檢測系統(tǒng)能夠測量得到末端軟管運(yùn)動的相對方位角，并能將實(shí)時方位角顯示出來。傳感器靜態(tài)時測得的方位角LCD顯示及計算機(jī)動態(tài)圖形繪制如圖5和圖6所示。

圖4 混凝土泵車末端軟管運(yùn)動趨勢檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

6 結(jié)束語

圖5 運(yùn)動趨勢在顯示器上顯示

圖6 運(yùn)動趨勢檢測計算機(jī)監(jiān)控界面

本文以混凝土泵車末端軟管運(yùn)動趨勢為研究對象，對軟管運(yùn)動趨勢檢測原理進(jìn)行了總結(jié)，并且根據(jù)測量原理提出可用于軟管運(yùn)動趨勢檢測的方法，運(yùn)用單片機(jī)及相關(guān)模塊編程實(shí)現(xiàn)了信號的采集、分析處理和在電腦和單片機(jī)顯示模塊上的實(shí)時顯示。對軟管運(yùn)動趨勢檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計實(shí)現(xiàn)。

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Design of the movement trend detection system for the end of the concrete pump truck hose

Y U Jin-hua, CHEN Xin-yuan

TU646

A

1009-0134(2014)05(下)-0143-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).41

2014-02-27

余金華（1986 -），男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事液壓傳動與控制方面的研究工作。