基于MEMS的吊車系統擺角無線測量*

2014-09-25 08:19:24高丙團張羅馬范怡然朱振宇

傳感器與微系統 2014年9期

高丙團, 張羅馬, 范怡然, 朱振宇, 周勰

(東南大學電氣工程學院，江蘇南京 210096)

0 引言

在碼頭、倉庫、工地等工業場所廣泛應用著吊車系統，其在吊運過程中不可避免地會出現“擺動”現象，這種擺動會危害吊車作業和工人安全，也會降低吊車的工作效率。所以，對吊車系統進行有效的防擺控制非常必要，基于反饋控制進行防擺的一個重要前提是能夠準確地進行擺角檢測[1]。

吊車擺角檢測方法主要包括光電編碼器[2]、電位計[3]、視覺傳感器[4]和傾角計[5]等。光電編碼器和電位計一般只適用于小型的實驗室實驗裝置，視覺傳感器成本較高且易受環境影響；傾角計在檢測過程中具有一定的優勢，特別是基于微機電系統(MEMS)的傾角計成本較低。傾角計檢測吊車擺角的缺點是當負載圍繞吊繩轉動時刻，則無法判斷負載的實際擺動角度。在多數的吊運過程中，特別是單股吊繩的情況，負載一般都具有圍繞吊繩轉動的特征，此刻采用傾角計則不能準確檢測負載的空間擺角，然而可采用廣泛應用于航天航空的航姿參考系統(AHRS)模塊[6]實現。

基于國內外在吊車系統和移動物體姿態導航方面的研究成果，本文提出一種吊車系統擺角檢測方法：由2套基于MEMS傳感器的AHRS模塊分別檢測吊車和負載的空間姿態，經無線傳輸后相互校核解算獲得吊車負載的擺角。

1 檢測系統設計

吊車系統負載空間擺動和設計的擺角檢測系統如圖1所示，參考坐標XOY固定在吊車本體上，吊桿的末端A連接吊繩的始端，吊繩末端B連接負載，負載在空間擺動，o點為A點在水平面oCBD的投影。最終需要測量的空間擺角為θx和θy，θx為負載相對于吊臂的左右方向的擺動，θy為負載相對于吊臂的前后方向的擺動。

圖1 吊車擺角無線檢測示意圖

傳感器1安裝在吊繩末端的吊鉤上，作用是采用基于MEMS技術的三自由度的磁場計、三自由度的陀螺儀和三自由度的加速度計測量計算并通過擴展卡爾曼濾波得到吊鉤的空間姿態參數；傳感器2安裝在吊車本體控制箱中，可得到吊車本體的空間姿態參數；本文中采用導航學中常用航向角ψ、俯仰角θ和橫滾角φ作為空間載體的姿態角。Zig Bee無線通信模塊將傳感器1測得的吊鉤空間姿態參數傳送給傳感器2，傳感器2的處理器通過對吊鉤和吊車本體兩部分的姿態進行標定解算，得到吊車負載相對于吊車本體的空間擺角θx和θy并最終將該擺角信息上傳至吊車控制系統，進行防擺控制。

2 擺角的解算

吊車的擺角解算包括2個重要步驟：1) 基于MEMS傳感器的AHRS解算；2) 基于AHRS信息的吊車擺角標定解算。基于MEMS傳感器的AHRS解算主要包括：首先，基于三自由度加速度傳感器計算得到物體俯仰角θ和橫滾角φ；其次，基于三自由度磁場計計算得到物體的航向角ψ；最后，結合三自由度的陀螺儀的數據結合姿態更新算法(如擴展卡爾曼濾波)對物體的空間姿態參數進行實時更新。對于基于MEMS傳感器實現AHRS解算的具體方法不是本文的重點，可參考文獻[6,7]。本文重點在于如何采用基于MEMS技術的AHRS模塊實現吊車擺角的無線檢測。

結合圖1，由于俯仰角與橫滾角都是反映載體坐標XOY平面與參考坐標XOY平面夾角的姿態角，假設吊繩平行于傳感模塊1中MEMS器件的Z軸方向，對于吊鉤/負載針對吊繩沒有旋轉的特殊情況：坐標系中某一特定位置只存在兩者中的一個角，這樣就可以將2個角簡化成一個。設只有俯仰角，橫滾角為0，則傳感器模塊1檢測到的俯仰角為θ=∠oAB，傳感模塊1和傳感模塊2檢測到的偏航角之差為Δψ=∠BoD，根據三角幾何可知

sin∠oBA=sin∠ABD·sin∠ADo,

cos∠ABD=cos∠oAB·cos∠oBD.

θy=arcsin(sinθ·sin Δψ),

(1)

θx=arccos(cosθ·secθy).

(2)

對于一般情況下負載在參考坐標系中既有橫滾角又有俯仰角，可利用方向余弦矩陣旋轉成上述特殊情況。不妨設一般情況下負載AHRS解算得到的空間姿態為(ψ,θ,φ)，同時設特殊情況下的航向角為ψ′,俯仰角為θ′。需要注意的是，負載在擺動時不僅隨繩子搖擺，還有可能繞著繩子自身旋轉，這種情況可以看成負載在載體坐標系中繞Z軸旋轉一個角度α，故還需左乘方向余弦矩陣

(3)

(4)

由式(3)中對應項相等，可解得

θ′=arccos(cosφ·cosθ),

(5)

(6)

θ′為特殊情況下的俯仰角，且θ′范圍為[0°,180°]；ψ′即是相對于參考坐標系的偏航角，此時即可將它與傳感模塊2檢測的偏航角相減，得到Δψ。至此已求得轉換到特殊情況下的偏航角Δψ和俯仰角θ′，則將式(5)和式(6)代入式(1)和式(2)，可求得一般情況下吊車擺角擺角θx和θy。

3 實驗驗證

實驗系統的結構如圖2所示。每一個傳感模塊由電源模塊、AHRS模塊和Zig Bee模塊組成；AHRS模塊由ARM STM32F103TB嵌入式處理器集成MEMS器件三軸陀螺儀和三軸加速度計MPU6050，三軸磁力計HMC5883實現載體的空間姿態檢測；AHRS模塊得到的姿態信息由串口經過基于CC2530的Zig Bee模塊進行無線通信。傳感數據可經過傳感模塊2基于串口上傳給上位機使用和處理。

圖2 實驗系統結構

基于實驗平臺進行了靜態擺角和動態擺角的檢測，靜態擺角的檢測結果如表1所示，動態擺角檢測的結果如圖3所示。靜態檢測通過將負載固定至4個典型的角度進行靜態檢測；動態檢測將負載拉至任意空間角度后釋放，記錄產生的自然擺動角度，上位機記錄周期為50 ms。表1所示的靜態檢測結果顯示檢測的誤差隨著角度的增大而增大，負載在小范圍擺動時候檢測角度的誤差小于1°，擺動角度接近60°時，檢測最大誤差接近3°；且由于θx要基于θy進行計算，因此，前者的誤差要大于后者，這也在實驗結果中得到正確體現。圖3所示的動態檢測結果顯示，擺動呈現平滑的周期性，且由于阻尼的存在呈現一定的衰減，這與實際擺動情況符合。

根據上一節的擺角的理論解算可知，擺角的檢測精度依賴于基于MEMS傳感器檢測的空間姿態角(ψ，θ，φ)的解算精度，目前較好的基于MEMS的AHRS產品檢測誤差可小于0.5°[8]，該精度能夠滿足吊車擺角檢測與防擺控制的要求。

表1 擺角靜態檢測實驗結果

4 結束語

本文設計了一種基于MEMS器件和Zig Bee無線通信的吊車擺角檢測系統，給出了吊車系統基于AHRS模塊的擺角計算公式，實驗驗證了提出方案的正確性和可行性。提出的吊車擺角檢測方案具有成本低，檢測模塊體積小，易于安裝的優點，可推廣用于吊車系統擺角檢測和防擺控制。

參考文獻:

[1] Ngo Q H,Hong K S.Sliding-mode antisway control of an offshore container crane[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2012,17(2):201-209.

圖3 擺角動態檢測實驗結果

[2] Liu D,Yi J,Zhao D,et al.Adaptive sliding mode fuzzy control for a two-dimensional overhead crane[J].Mechatronics,2005,15:502-522.

[3] Gao B,Chen H,Zhang X,et al.A practical optimal controller for underactuated gantry crane systems[C]∥Symposium on System and Control of Aerospace and Aeronatics,2006:720-725.

[4] Yoshida Y,Tsuzuki K.Visual tracking and control of a moving overhead crane load[C]∥IEEE International Workshop on Advanced Motion Control,2006:630-635.

[5] Yu Y,Ou J,Zhang C,et al.Wireless inclinometer acquisition system for reducing swing movement control module experiment of hook model[C]∥Proceedings of SPIE,Sensors and Smart Structures Technologies for Civil,Mechanical,and Aerospace Systems,2008:693216—1-693216—9.

[6] Markley F L,Crassidis J L,Cheng Y.Nonlinear attitude filtering methods[J].Journal of Guidance,Control,Dynamics,2007,30(1):12-28.

[7] 張榮輝，賈宏光，陳濤，等.基于四元數法的捷聯式慣性導航系統的姿態解算[J].光學精密工程，2008，16(10)：1963-1970.