混凝土泵車末端軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

余金華，陳新元

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

混凝土泵車末端軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

余金華，陳新元

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

針對(duì)混凝土泵車末端軟管的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，提出用三軸重力加速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)的方法，確定檢測(cè)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(jì)和程序的編寫，完成了測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，使運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)得到實(shí)現(xiàn)。通過靜態(tài)條件下的功能測(cè)試，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)能夠完成對(duì)末端軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)，并在顯示設(shè)備上進(jìn)行顯示。

混凝土泵車；運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)；相對(duì)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(duì)操作工人的業(yè)務(wù)能力要求很高，臂架動(dòng)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(cè)量數(shù)據(jù)送到中央處理器，當(dāng)人工拖拽布料軟管時(shí)，中央處理器根據(jù)末端軟管的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及臂架系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)計(jì)算出各節(jié)臂及回轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)功能，末端隨動(dòng)控制要依據(jù)末端布料軟管的姿態(tài)來確定其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，因而對(duì)混凝土泵車末端軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)，是臂架系統(tǒng)末端隨動(dòng)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

1 運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)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(huì)發(fā)生一定方位的傾斜，軟管傾斜的方位就是它的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。對(duì)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(duì)混凝土泵車末端軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的測(cè)量。

以布料軟管豎直狀態(tài)時(shí)中心軸線的頂端為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立一個(gè)空間直角坐標(biāo)系O-xyz，將此坐標(biāo)系命名為相對(duì)方位坐標(biāo)系。相對(duì)坐標(biāo)系的位置隨著混凝土泵車臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)趨勢(shì)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(dòng)趨勢(shì)就是向量OP所指向的方位。

圖1 末端軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)示意圖

對(duì)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(dòng)趨勢(shì)。令向量OP與x軸正半軸沿逆時(shí)針方向夾角為α，如圖1所示，夾角α稱為相對(duì)方位角，用數(shù)學(xué)參量α可對(duì)末端軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述，α取值范圍為0°到360°。在對(duì)軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的檢測(cè)中，以相對(duì)方位角α為目標(biāo)參量進(jìn)行測(cè)量。在得到相對(duì)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(jì)算中一個(gè)參量，為智能控制確定方位。

2 運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)方法

建立一個(gè)測(cè)量軸，當(dāng)測(cè)量軸產(chǎn)生傾斜時(shí)，重力加速度會(huì)在測(cè)量軸上產(chǎn)生一個(gè)重力加速度分量，應(yīng)用加速度傳感器可以對(duì)測(cè)量軸上的重力加速度分量進(jìn)行測(cè)量。

用上述測(cè)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(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)，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(cè)量坐標(biāo)系如圖2所示，三個(gè)測(cè)量軸分別對(duì)應(yīng)測(cè)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(shí)，測(cè)量坐標(biāo)系與相對(duì)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(gè)軸分別對(duì)應(yīng)測(cè)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(cè)重力加速度分量求相對(duì)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(cè)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(shí)，測(cè)量軸上重力加速度分量就會(huì)發(fā)生變化，重力加速度傳感器測(cè)得重力加速度分量值后便可計(jì)算相對(duì)方位角α。根據(jù)gx和gy計(jì)算出*α，如式（1）。

由式（1）計(jì)算出來的相對(duì)方位角*α的范圍為-90°到90°，根據(jù)軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)原理，相對(duì)方位角α取值范圍為0°到360°。當(dāng)相對(duì)方位角超出*α的范圍時(shí)，就需要根據(jù)gx和gy的正負(fù)對(duì)α的象限進(jìn)行判斷，并由此將式（1）計(jì)算出的相對(duì)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(cè)得重力加速度在測(cè)量坐標(biāo)系中的x軸分量和y軸分量，便可計(jì)算得出相對(duì)方位角α的準(zhǔn)確值。

3 檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)量重力加速度分量的方法對(duì)軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)一套運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 無線運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

在運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)中，傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量重力加速度分量，單片機(jī)是檢測(cè)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(cè)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(hào)并對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括A/D轉(zhuǎn)換、相對(duì)方位角的計(jì)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(cè)端的單片機(jī)系統(tǒng)要控制無線傳輸模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理，并控制顯示模塊對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)信息進(jìn)行顯示，同時(shí)將運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)信息傳送到計(jì)算機(jī)。無線傳輸模塊完成信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。計(jì)算機(jī)可對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)信息進(jìn)行曲線繪制，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

4 系統(tǒng)硬件選定及軟件設(shè)計(jì)

在測(cè)試系統(tǒng)中，采用STC89C52RC單片機(jī)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通訊，從計(jì)算機(jī)下載程序到單片機(jī)，單片機(jī)與計(jì)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(jì)和程序的編寫，MATLAB軟件有自帶的GUI設(shè)計(jì)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(jì)和程序編寫。

用c語言程序分別設(shè)計(jì)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(cè)端的程序和計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)程序。

5 設(shè)計(jì)成果

根據(jù)選定的硬件設(shè)計(jì)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(gè)方向傾斜以模擬混凝土泵車末端軟管的運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量得到末端軟管運(yùn)動(dòng)的相對(duì)方位角，并能將實(shí)時(shí)方位角顯示出來。傳感器靜態(tài)時(shí)測(cè)得的方位角LCD顯示及計(jì)算機(jī)動(dòng)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(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

6 結(jié)束語

圖5 運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)在顯示器上顯示

圖6 運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面

本文以混凝土泵車末端軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為研究對(duì)象，對(duì)軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)原理進(jìn)行了總結(jié)，并且根據(jù)測(cè)量原理提出可用于軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)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(hào)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(shí)顯示。對(duì)軟管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(dòng)與控制方面的研究工作。