基于MEMS传感器的起重机吊钩运动实时监控系统

 

    由于吊钩本身结构的限制及其工作环境的不确定性，国内外都较少开展对于起重机吊钩运动监控的研究。如使用图像处理方式跟踪吊钩运动状态，不足之处在于图像算法复杂，且误判率比较高。

 

    吊钩水平方位角过大，将产生旋转位移，造成所吊重物位置的不确定，而针对特型吊钩，仅给出了二维倾角测量方法。

 

    本研究从起重机现场应用角度出发，采用MEMS加速度计和微磁强计组合，通过误差补偿，实现对吊钩倾角和水平方位角的实时监控，开发低成本、高精度的运动状态监控系统，不仅可满足起重机现场使用要求，也可以为起重机吊臂闭环控制系统的研究提供物理参量。

 

    1吊钩运动状态测量原理吊钩主要由两部分构成：外框架和吊钩钩体（如所示）。外框架连接缆绳并起到固定支撑钩体的作用，钩体只能在外框架的支撑下做沿中心轴的单自由度旋转，吊钩运动状态的测量主要包含对吊钩沿缆绳垂直地面方向的二维倾角运动和沿钩体顶端水平方向的平面旋转角的测量，从吊钩结构可以看出，钩体和外框架的二维倾角相等，而对于平面内旋转，本研究更关心钩体及其所吊货物的当前状态。

 

    吊钩终端安装示意图本研究将姿态测量系统安装在吊钩钩体顶端，与之固连，定义载体坐标系如所示：X沿横轴向右，Y沿纵轴向前，Z轴沿缆绳垂直方向轴向上。如可实时测量得到该坐标系下相应物理量：X轴倾角、Y轴倾角、水平旋转角，即可确定吊钩的运动状态。

 

    1.1倾角解算方法倾角指X轴和Y轴分别与水平面的夹角，反映当前吊钩相对缆绳垂直方向的倾斜程度，若倾角超出一定范围，驾驶员应当采取措施减小摆动。

 

    在吊钩这种缓慢运动的物体上安装的加速度计的各轴测量值可近似认为是重力加速度g在各轴的分量，按照空间矢量合成原理，可以得到沿X、Y轴的倾角的计算公式分别为：M+g2y+g2：gx，gy，gz―三轴MEMS加速度计的测量值，根据吊钩实际应用情况，本研究定义ay的取值范围为1.2平面旋转角解算方法平面旋转角指吊钩绕Z轴相对初始角度的偏转角，主要反映吊钩的扭摆程度，若扭摆过大，则可能导致缆绳断裂或所吊重物碰撞到周边物体。三轴微磁强计可以输出立体空间内两两正交的3个轴的当前磁场强度值，磁强计通过测量地磁场强度确定吊钩的平面旋转角。本研究的初始角度取地磁北极方向。旋转角可以通过下面的公式计算：本研究定义屮0，3600），当确定初始位置角度后，即可测量出吊钩挂载后的相对值的旋转角度。

 

    2基于T-S模糊逻辑的吊钩旋转角误差补偿吊钩及周边都为铁磁材料，不可避免地受到强磁干扰，严重影响旋转角的测量精度。提出的四点补偿是一种常用的方法，该方法只适合弱磁环境下应用；采用神经网络方法对磁强计的系统误差和温度进行补偿，但存在不易编程实现、计算量较大等不足，其工程化可行性不高。本研究提出一种适合应用于强磁环境下的旋转角误差补偿方法。

 

    如采用弱磁补偿方法，在铁磁材料的。

 

    表1弱磁补偿法补偿结果真值误差真值误差从表1中可以看出，相对于值，其误差绝对值*大可达23.73.，均方差为20.36.，已不能作为测量值输出，需要经过在线补偿。本研究选用T-S模糊模型来对平面旋转角误差建模，借助T-S方法，建立非线性的模糊规则。

 

    为简化运算，本研究建立二次局部T-S模型规则：y偿前平面旋转角读数；ava2，b―敏感系数。

 

    制定模糊规则是建立在。

 

    费模糊隶属度函数在模糊逻辑算法中，ava2，b可视作线性局部模型系数，如能得到3个敏感系数，则可确定在R，规则下的模糊基函数。本研究通过表1中的重复。在此例中，模糊输出值为：成是第i条规则加权因子。

 

    本研究将表1数据作为模糊输入集合，经过模糊规则计算，输出结果如（b）所示，其误差绝对值*大不超过0.8°，均方差为0.54°，经过补偿后的精度有明显提高。

 

    3系统头现由于吊车的保养周期为几个月或1年，并且传感器进行在线标定后应避免频繁卸下，本研究引入安装误差，并在系统实现过程中考虑符合长期使用的要求，如在线标定、低功耗等。

 

    3.1系统功能模块为达到实际应用的目的，本研究采用重心法，将系统总体框图模糊集合映射为一个确定的点，对于任何输入平面旋该系统采用ADI公司的三轴MEMS加速度计转角读数，其模糊输出可写成：ADXL312作为倾角测量传感器，其量程为g，精度系统总体框架如所示，包含4个模块，分别是数据采集、信息处理、数传和控制显示模块。

 

    为2.9mg/LSB；微磁强计采用Honeywell公司的HMR2300.信息处理模块使用TI公司的低功耗16位单片机MSP430F149，实现对传感器的信号采集和姿态解算，通过数传模块将姿态信息发送给地面终端；地面终端通过相同的数传模块接收运动状态信息并控制液晶显示，同时，地面终端可以发送控制指令给吊钩终端，例如磁强计校正参数指令、系统休眠指令等。系统实物如所示。

 

    3.2方位角在线标定技术在吊钩测量模块安装好后，应尽量避免频繁拆下，同时为满足测量系统在各型吊钩上的通用性，采用套在线标定技术是十分有必要的，利用该技术，本研究可以在测量系统安装好后通过地面终端发送指令设定补偿参数，这样即使吊钩的使用环境变化后，本研究也可以迅速、方便地对方位角进行遥控标定。以铁磁转台为例，在线标定过程步骤如下：①将测量模块水平安装在转台上，并开机；②地面终端发送标定指令给测量模块，此时，测量模块进入标定模式；③按照第2节所述标定方法获得参数（式）后，通过地面终端发送回测量模块并存储；④地面终端发送标定完成指令，测量模块进入正常工作状态。

 

    3.3低功耗技术吊钩测量模块的电源设计是重点和难点之不仅要满足各个模块供电电压，同时还要兼顾系统总功耗。MEMS器件本身即具有低功耗的优势，如ADXL312本身带有多种低功耗模式，如睡眠模式和待机状态。在正常工作模式下，电流为57pA，而在待机模式下，电流只有0.1A.地面终端为操作员提供了待机按钮，可以通过数传模块发送指令给吊钩终端，控制MCU切断传感器供电。恢复供电的方法与之类似本研究通过读取分度台和转台的标称值，并和由接收终端得到的测量值进行比较。

 

    本研究对倾角的测试如Q所示，将系统固定于分度台上，调整分度头水平零位，与输出致，先对X轴方向的倾角进行测量，点从（-60.，60°），以10°递增并记录系统的输出值，其测量结果如表2所示。

 

    系统测试环境表2X轴倾角数据真值/（°）误差/真值/误差/由表2可知，相对值，X轴倾角各测量点的*大误差不超过0.3°，均方差为0.15本研究将系统转换90.方向安装并对Y轴进行测量，测量结果如表3所示，计算得滚转角测量*大误差不超过0.3°，均方差为0.15表3Y轴倾角数据真值/（°）误差/真值/误差/水平旋转角的测试在转台上进行，如b所示。

 

    转台由铁磁材料制作而成，可以反映系统应用现场的强磁环境，本研究将测量系统固定在转台上，点从0°起，以20°为增量递增到360°，测量结果如表4所示。

 

    从表4中可以看出测量点的*大误差不超过0.8°，均方差为0.39°。相对于表1的在线补偿前数据，精度提高了25倍。由此可知，基于T-S模糊逻辑的补偿算法在实际应用中能有效提高水平旋转角精度。

 

    表4平面旋转角真值/（°）差值/真值/差值/5结束语本研究从工程应用角度出发，不仅考察了起重机吊钩传感器的精度、带宽、量程等测量指标，同时对磁强计误差补偿、系统功耗以及系统组合进行了研究。

 

    从测量数据可以看出，俯仰角和滚转角精度达到0.3.，补偿后的平面旋转角精度达到0.8.，数据输出速率80Hz，可以满足用户需求。系统功耗实测正常工作电流50mA，待机电流小于5mA.驾驶员在驾驶室即可实时监测吊钩运功状态。