智能控制橋臂的起重機(jī)防搖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉佩霞，范藝凡，向春妮，郭天汭，閆明珠

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471009)

0 引言

近年來，隨著世界各國貿(mào)易互通往來頻繁，貨箱的運(yùn)輸成為了重要的一環(huán)。在貨物的裝箱、搬運(yùn)過程中，起重機(jī)起著重要作用。橋式、門式起重機(jī)廣泛用于機(jī)場、碼頭、工廠等大型運(yùn)輸場所[1]。由于起重機(jī)的位移裝置和貨物之間的連接多以鋼絲繩為媒介，操作熟練度、鋼絲繩的柔性、風(fēng)力等多方面因素會(huì)導(dǎo)致貨物在運(yùn)送過程中產(chǎn)生搖擺[2]。起重機(jī)防搖就是使吊起貨物快速消除擺動(dòng)，盡快達(dá)到豎直狀態(tài)，以加快貨物運(yùn)輸?shù)臏?zhǔn)確性、快速性，從而提高貨物的裝卸效率，減輕工作人員的勞動(dòng)[3]。國內(nèi)當(dāng)前采用的電子防搖技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)吊具擺動(dòng)的控制，但某些裝備了電子防搖系統(tǒng)的集裝箱起重機(jī)后來又被拆除[4]。原因在于起重機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型具有非線性特性和不確定性，常規(guī)的控制方法往往難以奏效，因此只有不依賴數(shù)學(xué)模型且能適應(yīng)不確定性的智能控制方法才適合應(yīng)用到這類控制中來。一個(gè)好的防搖裝置，可以避免碰撞等一系列事故的發(fā)生，大大提高起重機(jī)的操作效率和起重機(jī)操作過程的安全性。所以起重機(jī)防搖問題的解決意義極大[5]。

1 二維機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，采用X、Y軸兩個(gè)維度的線性滑桿龍門設(shè)計(jì)，滑桿上的滑塊可隨著滑臺(tái)皮帶的傳動(dòng)在兩個(gè)軸上任意切換坐標(biāo)位置，滑塊下方帶有一個(gè)萬向擺，擺下面的吸盤可吸重物，支架的底部與四周用鋁型材以及木棒固定來穩(wěn)定整體裝置，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)器安裝在步進(jìn)電機(jī)固定架上，滑塊安裝在X軸滑桿上，連接桿連接Y軸方向的滑桿帶動(dòng)滑塊在Y軸方向上的移動(dòng)。在滑塊上方安裝控制電路板和氣泵，結(jié)構(gòu)如圖2所示。電路板采用雙層結(jié)構(gòu)，上層是主控芯片以及顯示屏，下層是繼電器模塊、電源模塊以及藍(lán)牙模塊，姿態(tài)傳感器安裝在萬向節(jié)桿上檢測各個(gè)方向的姿態(tài)角，并帶有獨(dú)立電池以隨時(shí)進(jìn)行電腦上位機(jī)加計(jì)校準(zhǔn)與Z軸歸零。氣泵與電磁閥各安裝在3D打印機(jī)內(nèi)一同固定在滑塊上的防搖臺(tái)上，防搖臺(tái)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖1 二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 氣泵與電路板結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

圖3 防搖臺(tái)設(shè)計(jì)圖

二維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作為本論文的最終設(shè)計(jì)，該機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具備起重機(jī)平面移動(dòng)、載重以及卸貨模擬的基本條件。本系統(tǒng)雖然是模擬起重機(jī)，但是搭建的起重機(jī)結(jié)構(gòu)與真正的起重機(jī)沒有太大的差別，以便增強(qiáng)數(shù)據(jù)算法的可靠性。

2 硬件總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集端選用MPU6050加速度傳感器，計(jì)算出貨箱擺角，再由HC-06模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。步進(jìn)電機(jī)控制端包含STM32主控芯片、OLED顯示屏、無線藍(lán)牙通信模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。HC-05模塊同USB-TTL模塊連接，給電腦提供數(shù)據(jù)接口。總體硬件框圖如圖4所示。

圖4 總體硬件框圖

2.1 主控模塊

本系統(tǒng)主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F429IGT6，相較于STM32F407降低了停止模式的電流消耗，可延長便攜應(yīng)用的電池壽命。此外，還增加了TFT-LCD控制器，加快圖形處理性能的ST Chrom-ART Accelerator 和SDRAM存儲(chǔ)器接口。

2.2 電源模塊

電源模塊為系統(tǒng)其他各個(gè)模塊供電。設(shè)計(jì)中用7.4 V 2 000 mA鋰離子電池，3.3 V鋰離子充電電池，以及22.8 VBT48電池。由于電路中各模塊所需工作電壓不同，電源模塊中還包含3.3 V 穩(wěn)壓電路，因此本設(shè)計(jì)電路中共兩種電壓，如圖5所示。

圖5 電源模塊

2.3 藍(lán)牙姿態(tài)傳感器

姿態(tài)傳感器采用維特智能的藍(lán)牙姿態(tài)傳感器BWT61P,支持三維加速度，三維陀螺儀，三維歐拉角，具有高精度，高性能，低成本等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊

需用電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)在X，Y方向上移動(dòng)。對(duì)于電機(jī)的選擇，有如下幾種方案：

1) 伺服電機(jī)：伺服電機(jī)具有精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。但伺服電機(jī)完全不防水防油，不能用于油水侵襲的場所,成本價(jià)高，因此不適合本設(shè)計(jì)。

2) 直流電機(jī)：直流電機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)距離大，調(diào)速特性優(yōu)秀，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障高，可靠性低。在此設(shè)計(jì)中也不適用。

3) 步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)具有最大的轉(zhuǎn)矩，精度在3%～5%，有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性及優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。因此比較適合本設(shè)計(jì)。

2.5 藍(lán)牙通信模塊

本系統(tǒng)需要連接手機(jī)APP通過藍(lán)牙快速而準(zhǔn)確地發(fā)送命令傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理，并將結(jié)果顯示在OLED上，因此我們使用增強(qiáng)版藍(lán)牙HC-05模塊。

2.6 其它輔助模塊

本設(shè)計(jì)還使用了OLED模塊，3.3 V穩(wěn)壓模塊，繼電器模塊。作為輔助模塊。

3 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件部分主要分三部分處理數(shù)據(jù)，首先數(shù)據(jù)采集端獲取6軸加速度原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過硬件濾波、卡爾曼濾波，DMP庫計(jì)算出姿態(tài)角，傳輸?shù)娇刂贫??？刂贫瞬糠纸邮諗?shù)據(jù)后，先進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算算出擺角和搖擺速度，利用雙閉環(huán)PID算法計(jì)算出下個(gè)周期步進(jìn)電機(jī)該以哪種速度運(yùn)作，將數(shù)據(jù)通過串口DMA發(fā)送給上位機(jī)端。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)，先校驗(yàn)再分類，通過3D圖片控件顯示到主界面，并在副界面顯示貨箱姿態(tài)數(shù)據(jù)。三端的程序流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)總體流程

3.1 PID控制器

貨箱的擺角調(diào)節(jié)與小車的速度加速度直接相關(guān)。本控制系統(tǒng)以角度偏差為輸入，經(jīng)過PID運(yùn)算輸出值為步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖頻率，對(duì)應(yīng)著小車的速度。PID控制器在各種工業(yè)控制中使用廣泛，特點(diǎn)簡單實(shí)用，主要有三部分組成，P(比例控制)、I(積分控制)和D(微分控制)。比例控制使得系統(tǒng)反應(yīng)迅速但容易出現(xiàn)超調(diào)，微分控制可以一直超調(diào)但是響應(yīng)時(shí)間會(huì)有所延后，積分環(huán)節(jié)可以消除誤差但容易滯后，三種控制相互配合又可以組成PI控制、PD控制等。

PID控制器最重要的輸入?yún)?shù)是偏差，本系統(tǒng)希望貨箱始終處在豎直狀態(tài)記為0度，以采集角度值作為直接偏差輸入控制器中，做PD運(yùn)算。功能是實(shí)現(xiàn)只調(diào)節(jié)豎直狀態(tài)而不考慮調(diào)節(jié)后小車所處的位置，選擇位置式PD控制。

由于數(shù)據(jù)采集周期10 ms左右，在每幀數(shù)據(jù)處理完成之后進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出值直接作為步進(jìn)電機(jī)的輸入頻率，更改步進(jìn)電機(jī)的速度及轉(zhuǎn)向。

考慮到起重機(jī)在貨物運(yùn)送過程中小車是一直運(yùn)動(dòng)的，而且在對(duì)位吊貨過程中要求小車調(diào)節(jié)幅度不能過大，所以單閉環(huán)并不能保證起重機(jī)在工作過程中的要求?；谶@一原因，本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)串級(jí)PID控制，加入速度環(huán)來控制小車調(diào)整過程中的移動(dòng)范圍。

3.2 串口DMA數(shù)據(jù)傳輸

上述程序設(shè)計(jì)主要是針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，控制端還包括與上位機(jī)的通訊問題。在數(shù)據(jù)采集時(shí)用到了USART2，波特率為115200，對(duì)于主控芯片來說是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)，如果遇上位機(jī)通訊選用的USART1發(fā)送數(shù)據(jù)過于頻繁，會(huì)對(duì)通訊質(zhì)量產(chǎn)生影響，這種情況下采用DMA數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)起重機(jī)防搖系統(tǒng)，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠模擬起重機(jī)平面移動(dòng)，載重及卸貨模式，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)算法的可靠性。硬件設(shè)計(jì)方面，選用MPU6050加速度傳感器，STM32主控芯片，OLED顯示屏，藍(lán)牙通信模塊以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的防搖功能。軟件方面，數(shù)據(jù)采集端獲取原始數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波再用DMP庫計(jì)算出姿態(tài)角，傳輸?shù)娇刂贫?，利用雙閉環(huán)串級(jí)PID算法計(jì)算起重機(jī)合適的運(yùn)作速度，數(shù)據(jù)通過串口DMA發(fā)送給上位機(jī)端顯示在主界面，并在副界面顯示出貨箱姿態(tài)，調(diào)整參數(shù)以實(shí)現(xiàn)裝置的精確控制。調(diào)試結(jié)果表明，該起重機(jī)防搖系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橋臂的智能控制，有效地提高了起重機(jī)的操作效率和起重機(jī)操作過程的安全性。