混凝土泵车末端软管运动趋势检测系统的设计.pdf

l lI 矽 化 混凝土泵车末端软管运动趋势检测系统的设计 Desi gn of t he m o vem ent t r end det ect i on s y st em f or t he end of t h e concr et e Pum P t r uck h ose 余金华，陈新元 YU J i n h u aCHEN Xi n - y u a n ( 武汉科技大学 机械自动化学院，武汉 4 3 0 0 0 0 ) 摘要：针对混凝土泵车末端软管的运动趋势，提出用三轴重力加速度传感器进行检测的方法，确定检 测系统的组成及功能。经过电子元器件的选型、电路的设计和程序的编写，完成了测试系统 的硬件设计和软件设计，使运动趋势检测系统得到实现。通过静态条件下的功能测试 ，运动 趋势检测系统能够完成对末端软管运动趋势检测 ， 并在显示设备上进行显示。 关键词：混凝土泵车；运动趋势检测；相对方位角 中圈分类号：T U 6 4 6 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 9 0 1 3 4 ( 2 0 1 4 ) 0 5 ( 下) - o i 4 3 - 0 3 D o i ：1 0 3 9 6 9 J 1 s s n 1 0 。 9 0 1 3 4 2 0 1 4 0 5 ( 下 ) 4 1 0 引言 混凝土泵车臂架 系统的控制是通过遥控器分 别控制单节臂来调整末端软管 出料 口的位置 ，这 种 控制单节臂的方式需要 多步操作才能实现 ，操 作 方式比较复杂 ，对操作 人的业务能力要求很 高，臂架动作缓慢 。实现混凝土泵车臂架 系统控 制 智能化 ，可以避免现有控制方式的诸多弊端 ， 实现快速准确浇注。 臂架 系统控制智能化 的一种方 式是在混凝土 泵车 各节臂和末端软管上安装传感器 ，这些传感 器将 测量数 据送到中央处理 器 ，当人工拖拽布料 软 管时 ，中央处理 器根据末端软 管的运动趋势及 臂架 系统 的当前状 态计算出各节 臂及回转台的运 动状态，并将参数反馈给各执行元件执行，这样就 能实现混凝土泵车臂架系统末端随动功能 ，末端随 动控制要依据末端布 料软管的姿态来确定其运动 趋势 ，因而对混凝土泵车末端软管运动趋势进行检 测，是臂架系统末端随动控制系统的重要环节。 1 运动趋势检测原理 软管在 自由状 态下呈现 竖直状态 ，当人工 进 行拖拽后软管会发生一定方位 的倾斜 ，软 管倾斜 的方位就是它的运动趋势 。对软管倾斜状态的倾斜 方位进行相应的量化，并用数学方法进行描述 ，便 是对混凝土泵车末端软管运动趋势的测量。 以布料软管 竖直状态时 中心轴线 的顶端 为坐 标原点 ，建立一个空间直角坐标系0一 x y z ，将此坐 标系命名为相对方位坐标 系。相对坐标 系的位置 随着混凝土泵 车臂架 系统运动状态的改变而发生 位置的变 化，坐标系的Z 轴保持竖直状态。将末端 布料软管简化成一条线段 ，软 管竖直状态如图1 中 线段OA，人工拖拽发生倾斜后的状态如图1 中线 线段OB。软管的运动趋势如图1 中虚线所示，将 虚线投影到x Oy 平面上如 图1 中向量O P，软管的运 动趋势就是向量O P 所指向的方位 。 x 。 图 1 末端软 管运动趋势示意 图 对向量OP 的方位进行量 化，便可用具体的数 学参量来描述末端软管的运动趋势 。令向量O P 与x 轴正半轴沿逆时针方向夹角为 a，如图1 所示，夹 角 n称为相对方位 角，用数 学参量 a可对末端软 管运动趋势 进行准确 的数 学描述 ， 0取值范围为 0 。到3 6 0 。在对软管运动趋势 的检测 中，以相 对方位 角 a为 目标参量进行测量 。在得到相对 方 位 角 a的值 后，即可作为混凝土泵车臂架系统 智 收稿日期：2 0 1 4 - 0 2 -2 7 作者简介：余金华 ( 1 9 8 6一)，男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事液压传动与控制方面的研究工作。 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 0 5 ( 下) 1 4 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参l 匐 化 能控制计算中一个参量 ，为智能控制确定方位 。 2 运动趋势检测方法 建立一个测量轴 ，当测量轴产生倾斜时 ，重 力加 速 度会 在测 量轴 上产 生一 个重 力加 速 度分 量 ，应用加速 度传感器可 以对 测量轴上的重力加 速度分量进行测量 。 用上述测量重力加速度分量 的方法进行混凝 土泵车末端软 管运运动 趋势 检测，可选用三轴重 力加速度传感器 ，在混凝土泵车末端软管上构建 三轴空间测量坐标系如图2 所示 ，三个测量轴分别 对应测量坐标系的X 、Y 、z 轴。当末端软管处于 自 然竖直状 态时，测量坐标 系与相对方位坐标 系中 的X 、Y 、z 轴平行，但正半轴方向相反 。三轴重力 加速度传感器的三个轴分别对应测量坐标 系的X 、 Y 、z 轴。g 、g 、g z 分 别为重力加速度g 在X 、Y 、Z 轴上的分量 。 D 图2测重 力加速 度分量求 相对 方位 角原理 图 调整重力加速度传感器的Z 轴与布料软管的中 心轴线平行 ，那么重力加速 度传感器 与布料软管 在测量位置处将有相同的姿 态。当布料软管姿态 发生改变时，测量轴上 重力加速度分量就会发生 变化 ，重力加速度传感器测得 重力加速度分量值 后便可计算相对方位角 a。根据g 和g 计算 出Q ， 如式 ( 1 )。 ：a r c s i n ( 1 ) g + g y 由式 ( 1 )计算 出来的相对方位 角 Q 的范围 为一 9 0 。 到9 0 。 ，根据软管运动趋势检测原理，相对 方位角 n取值范 围为0 。 到3 6 0 。 。当相对方位角超 出 的范围时，就需要根据g 和g 的正负对 a的象 限进行判断 ，并由此将式 ( 1 )计算出的相对方位 角Q 转换为0 。 到3 6 0 。 范围内的值，如式 ( 2 )。 1 1 4 4 1 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 0 5 ( 下) I ， g 0 ， g 0 ； = 3 6 0 + 2 ， g 0 ， g 0 ； ( 2 ) l l 8 0 。 一 ，g 0 ； 因此 ，只要 测得重力加速度在测量坐标 系中 的X 轴分量和Y 轴分量 ，便可计算得出相对方位 角 n的准 确值 。 3 检测系统方案设计 根 据测量 重力加速 度分量 的方法对软管运动 趋势进行检 测，设计一套运动趋势检测系统 。运 动趋势检测系统的方案设计框 图如图3 所示 。 ； ! 数据采集端 - 一 - - 一 一 一 - 一 - 一 一 一 - 一 - 一 一- - 一 一 一 - 一 一 一 一 一 一 一 _ 一 + - - _ 一 一 一 - - 一 一一一一一- 一 一 一 一 一 - 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | - 一 竺 图3 无线运动趋势检测 系统设计框图 在运动趋势检测 系统 中，传感器负责测量重 力加 速 度分 量 ，单 片机是 检 测系统 的 中央 处理 器 ，系统的控制指令都是由单 片机 发出的，是检 测 系统的核心部分 。数 据采集端 的单 片机 系统要 接收传感器的输 出信号并对接 收到 的信号进行数 据处理 ，包括A D转换 、相对方位角的计算等，并 将处理好 的信息发送到无线传输模块，控制无线 传输模块进行数据的发送 。数 据监测端 的单 片机 系统要控制无线传输模块对数 据进行接收处理 ， 并控制显示模块对运动趋势信息进行显示，同时 将运动趋势检测信息传送 到计 算机 。无线传输模 块完成信号的调 制和解调 。计 算机可对运动趋势 信息进行曲线绘制，并对信号进行分析。 4 系统硬件选定及软件设计 在测试 系统 中，采用S T C8 9 C5 2 R C单 片机 系 统与计算机通讯，从计算机下载程序到单片机 ， 单片机与计算机之间采用US B 数 据线进行数据 的 传输。MMA7 3 6 1 三轴重力加速度传感器模块采集 到 的数据 以模拟量为输 出，P CF 8 5 9 1 芯片将 传感 器模块输 出的模拟量转换成数字量 ，并 由单片机 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 控制进行数 据的传输 。液 晶显示模块 1 2 8 6 4 Z W与 S T C 8 9 C5 2 R C单片机之 间采用串行方式进行数据的 读 写操作 ，根据需要编写出相应的显示内容。 本文应用MAT L AB 软件进行界面的设计和程 序的编 写 ，MAT L AB软件有 自带的GUI 设计工具 GUI DE，并且MAT L AB 软件的绘图功能很完善， 能够很好的完成界面设计和程序编写 。 用c 语言程序分别设计A D转换程 序模块、无 线通 讯程序模块、串 口通讯程序模块 、L CD显示 程序模块 、数据采集端 的程序 、数据监 测端 的程 序和计算机监测程序 。 5 设计成果 根 据选 定的硬件 设计 实物 图如 图4 所 示 ，将 MMA7 3 6 1 三轴 加速度传 感器模块 水平放置 后向 各个方 向倾斜 以模拟混凝 上泵 车末端软 管的运动 时 ，运动趋势检 测系统 能够 测量得到末端软 管运 动的相对方位角 ，并能将实时方位角 显示 出来 。 传感器静态时测得 的方位角LC D显示及计算机动 态图形绘制如图5 和图6 所示 。 图4 混凝 土泵车末端软管运动趋势检 测系统实物图 6 结束语 本 文以混凝土泵车末端软 管运动 趋势为研究 图5 运动趋势在显示器上显示 图6 运动趋势检测计算机监控界面 对象 ，对软管运动趋势检测原理进行 了总结 ，并 且根据测量原理提出可用 于软管运动趋势检测的 方法 ，运用单片机及相关模块编程实现了信号的采 集、分析处理和在电脑和单片机显示模块上 的实时 显示 。对软管运动趋势检测系统进行了设计实现 。 参考文献： 1 刘 白雁 ， 苏义 脑， 陈新元， 等 自动垂直 钻井 中井 斜动态 测 量理论与实验研究 J 石油学报， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 4 ) 2 陆 刚 论 混凝 土 泵 车发 展新 主 张 【 J 】 混凝 土世 界 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 2 8 3 2 【 3 】张艳 伟， 孙 国正， 石来 德 混凝土泵 车支 腿反 力计算及 基 于 ANS YS的支腿 结构分析 J 中国工程机械学报， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 2 5 3 2 5 8 【 4 】张鑫， 孙新香 基于 MMA 7 2 6 0 QT三轴加速度传感器的 跌倒探 测仪 的研制 J 】 世界 电子元器件， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 8 9 9 4 彘 重 j国 出I 岛 重 出 重 I 出 盘 j蠡 盘 出 岛 ，蠡 j童 j童 【 上接第 1 0 9 页 】 参考文献： 【 1 】陈伯 时 电力拖动 自动控 制系统 M】 北 京： 高 等教育 出版 社， 2 0 0 0 【 2 张 崇巍， 张 兴 P WM整 流器及 其控制 【 M 北京 ： 机 械工 业 出版社， 2 0 0 3 【 3 】魏 克新， 张 刚， 等 基 于滞环 空间矢量三 相P WM整流器 的 研究 J 电气传动， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 9 ) ： 3 3 3 5 【 4 】徐金榜 三 相电压源P WM整流器控制技 术研 究 D 】 华 中 科技大学博士 学位论 文 2 0 0 4 【 5 】张辑， 魏胜彪等 S VP WM整流器的无差拍控制技术 J 】 制 造业 自动化， 2 0 1 0 ， 6 ( 6 ) ： 2 3 6 2 3 7 【 6 】蒯松 岩， 代 尚方， 张 能 基 于电流无差 拍控制 的P WM整 流 器f J 】 电气传动， 2 0 1 1 , 4 1 ( 9 ) ： 2 3 2 5 【 7 】陈继 侠， 孙辉 电能质量调 节器 的改进无 差拍控制 J 电 力 自动化设备， 2 0 0 4 ，2 4 ( 8 ) ： 5 5 5 8 【 8 】 M i t s ubi S hi PM 75RLA 1 20 I nt e1 1 i gent POWe r Mo d u l e s R 2 0 0 4 9 舒正 国， 罗运强 美 国C DE 电容模块在缓 冲电路中的应用 【 J J _ 电源技术应用， 2 0 0 1 ， 7 ( 7 ) ： 1 2 1 4 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 0 5 ( 下) 1 4 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m