基于LabVIEW的混凝土布料機器人流量信號采集與處理

董有為，祁宇明，鄧三鵬

（天津職業技術師范大學，機器人及智能裝備研究所，天津300222）

在“中國制造2025”和“互聯網+”的大背景下，在現代建筑施工中，“以信息化與工業化深度融合為特征的智能裝備越來越多，混凝土布料機的優勢開始嶄露頭角，逐漸被應用到高層澆筑施工之中。現在，信息化和智能化已經成為智能裝備的必備條件，智能建筑機器人的出現把新技術與傳統建筑業結合，使其進入一個簇新的時代。本文以天津市智能制造科技重大專項（15ZXZNGX00260）——混凝土智能布料機器人系統研發項目為背景[1]，做了應用于混凝土流量測量的設計，為混凝土布料機器人控制系統的研發奠定基礎。

1 硬件構成

混凝土流量測試系統由四個部分組成：混凝土流量計、數據采集卡、Arduino板和上位機LabVIEW編程軟件，原理如圖1所示。混凝土流量計內部含有流量傳感器，該傳感器將混凝土布料機器人供給的流量信息對應變換為電信號，然后再將信號經過數據采集卡的采集和處理后，上傳到遠程計算機中，最后利用LabVIEW軟件編程，在其前面板中實現數據和波形的實時顯示[2]。本設計數據采集卡根據需要選擇摩莎公司生產的基于PCI總線的數據采集卡，型號為MOXA CP-168U，編程軟件LabVIEW選擇NI公司的2015版。

圖1 混凝土流量測量測試系統原理圖

（1）智能混凝土流量計

本設計中混凝土流量計采用江蘇奧科儀表公司的生產的智能混凝土流量計，型號為AKLD-10，如圖2所示。它本身包含傳感器和轉換器，其傳感器采用非均勻磁場技術及特殊的磁路結構，磁場穩定可靠，測量結果與流速分布、流體壓力、溫度、密度、粘度等物理參數無關，數據可靠，抗干擾能力強，混凝土流量計采用85V-250VAC/16V-36VDC電源供電，通信方式為RSD、GPRS、CDMA，同時具備無線通信功能，滿足本設計需求。

圖2 智能混凝土流量計

（2）數據采集卡

數據采集卡采集混凝土流量計輸出的電信號，將其轉換為數字信號并上傳給上位機。MOXA CP-168U數據采集卡通過PCI總線通信，可直接插在計算機內的PCI插槽中，即插即用，非常方便，廣泛應用于數據采集、波形分析和工業生產過程的監控系統。MOXA CP-168U數據采集卡具有12位A/D轉換器，效能超過700 Kpbs的數據吞吐量。A/D轉換器輸入信號范圍±5 V、±10 V、0-10 V，本設計選用±5 V范圍[3]。數據采集卡如圖3所示。

圖3 數據采集卡

（3）上位機

本設計利用計算機在LabVIEW中編程完成實時顯示流量的大小，并具有存儲數據、PID調節、實時顯示圖形輸出等功能。

2 軟件設計

（1）數據采集模塊的設計

本設計采用Arduino板作為中心控制單元，應用8位高精度A/D轉換芯片ADC0809和8通道模擬I/O實現數據采集工作。USB接口單元負責數據采集系統和上位PC機的通信。在進行數據采集時，Arduino采用中斷模式進行數據收發，將采集數據經USB口傳送給上位機，由上位機對實時數據進行處理[4]。采集流量信號部分的設計流程如圖4所示。

圖4 數據采集模塊設計流程

（2）PID調節

本設計利用LabVIEW自帶的PID控件對電機進行調節，根據混凝土流量計裝置反饋采樣的數據與設定值相對比，獲取偏差e（n），將偏差經由比例運算、積分運算和微分運算過程，從而控制PWM脈沖的占空比，達到控制電機兩端的電壓的目的，進而由電機平穩的轉速來控制流量的穩定。其運算公式為：

在LabVIEW中編寫程序，如圖5所示。

圖5 PID調節程序

電機加PID調節前的波形圖如圖6所示，調節后的波形圖如圖7所示。

圖6 調節前的波形圖

圖7 調節后的波形圖

（3）數據處理

反饋回來的流量數據體現在波形圖中，明顯存在畸波，采樣的圖如圖8所示，因存在干擾和噪聲等因素，波形明顯失真，不具有現實意義。因此，需要對所采集的信號進行濾波處理。在本設計中，通過LabVIEW進行流量信號的處理，并在前面板顯示處理前后的波形。

圖8 濾波前的波形

在LabVIEW后面板編程時，需要將本次的采樣值與前一次的值進行比較、判斷，這時候可以采用程序中移位寄存器功能，然后將待處理的信號進行濾波處理，最后編寫程序流程圖，如圖9所示。圖中字母c為濾波系數，在0～1之間取值。濾波要想達到理想的效果，就需要給一個恰當的的濾波系數，經過多次試驗、觀察和總結，得到的經驗是：濾波系數c=0.6時，適用于本設計的實際情況。同理可知，根據本系統的流量信號，可令滑動濾波長度平均值n=12.經過處理后的信號光滑、緩慢，較好的還原了系統信號真實的情況。濾波后的波形，如圖10所示。

圖9 濾波流程圖

圖10 濾波后的波形

3 結束語

通過本設計可以看出LabVIEW是一種綜合功能全面的虛擬儀器軟件，通過自帶的外部接口模塊、通信方式，結合以Arduino單片機為核心的系統，可以便捷的對混凝土流量計的流量信號進行采集及處理。另外，本設計實現了混凝土輸送過程中電機轉速穩定，對其進行了PID調節，最后對采集到的數據進行濾波處理。本設計為混凝土布料機器人的布料過程進行了有效地監控和控制，為整個控制系統的研發奠定基礎。