基于STM32的岸橋司機駕駛技術評估系統的設計

吳玉祥

摘? 要：該文針對岸橋起重機設計了一種以STM32系列單片機為核心處理芯片的岸橋司機駕駛技術評估系統。系統通過加速度傳感器和傾角傳感器，實時采集岸橋吊具的加速度信號和傾角信號，并對信號進行分析處理，得出評估結果，利用無線傳輸的方式將評估結果發送到顯示模塊，司機能夠在駕駛室中通過顯示模塊查看自身駕駛技術的評估結果。該系統能夠準確評估岸橋司機的駕駛技術，并能針對司機的駕駛習慣和行為給出合理的建議，幫助司機提高自身的駕駛技術。

關鍵詞：岸橋;姿態測量;駕駛評估;無線傳輸

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

當代港口作業的工作量大，岸橋能否安全高效的工作直接影響港口作業的效率，而岸橋駕駛員的操作水平則直接影響岸橋的工作效率。該文設計了一種基于STM32F103C8T6微處理器的評估系統，該系統能夠通過監測岸橋吊具的運行狀態，分析出岸橋司機的駕駛技術水平，并給出良好的建議，幫助岸橋司機能夠更安全、更高效地進行岸橋作業，其系統總體結構如圖1所示。

1 系統硬件設計

1.1 三軸加速度傳感器模塊

三軸加速度傳感器模塊采用LSM6DSM，該模塊是集成三軸加速度計和三軸陀螺儀的數字輸出型芯片，采用LGA 14-pin，2.530.83 mm封裝，電源電壓1.62 V～3.60 V。具有高精度、低功耗、低噪聲的特點。在該系統中通過SPI接口與MCU進行數據傳輸。

1.2 傾角傳感器模塊

傾角傳感器模塊采用LCA326T，該模塊是數字型小體積MEMS傾角傳感器，內置雙通道地球引力傾斜單元，通過測量靜態重力加速度，轉換成傾角變化。從而可以測量傳感器輸出相對于水平面的傾斜和俯仰角度。在該系統中通過TTL串口與MCU進行數據傳輸。

1.3 無線模塊

由于硬件部分安裝在吊具上，而數據結果需要在司機駕駛室中顯示，采用有線傳輸容易發送意外，不利于數據傳輸，因此系統采用無線傳輸方式將數據發送給上位機。

當系統采集處理完傳感器的數據時，需要通過無線模塊將得到的結果發送后給顯示模塊，無線傳輸模塊采用ESP8266模塊[1-3]，該模塊是一款超低功耗的UART-WIFI透傳模塊，擁有超小的封裝尺寸和超低的能耗技術，支持UART/GPIO數據通信接口，支持STA/AP/STA+AP? 3種工作模式。在該系統中通過UART接口與MCU進行數據傳輸，并在AP模式下工作。

2 STM32F103C8T6主控芯片

該系統的MCU核心處理器采用意法半導體的STM32F103C8T6芯片[4-6]，該芯片采用高性能ARM Cortex?-M3 32位RISC內核，工作頻率為72 MHz，擁有高速嵌入式存儲器，能提供2個SPI接口，3個USART接口，能夠滿足該系統的功能需求。通過AMS1117-3.3芯片可以將外部USB電源電壓由5 V轉換為3.3 V，為MCU及其他外圍設備供電。BOOT選擇電路能夠通過跳線帽來切換最小系統的啟動模式，當插入跳線帽時，MCU以FLASH啟動，當不插入跳線帽時，MCU以系統存儲器啟動，用于下載代碼。

3 系統軟件設計

系統軟件采用Keil C51軟件開發工具編寫，主要包括系統初始化、傳感器數據采集、數據濾波處理、數據發送等功能。

為了減少傳感器的測量誤差，該系統使用了卡爾曼濾波對傳感器數據進行處理?？柭鼮V波[7-9]也稱線性二次估計（LQE），它使用隨時間變換的一系列未知變量的測量值，包括統計噪聲和其他不確定性來產生未知變量的估計值，這些估計值往往比直接得到的測量值更準確。

評估系統根據三軸加速度傳感器和傾角傳感器的實時數據，判斷岸橋的運動狀態。

其具體流程為：首先建立坐標系，X軸對應小車運行方向，Y軸對應吊具升降方向，Z軸對應大車運行方向。對X軸，Y軸，Z軸的加速度信號的數值大小、吊具加減速時間及吊具繞X軸、Z軸的傾角信號的數值大小進行分析、判斷。每當X軸、Y軸經過2次減速階段，以及傾角傳感器經過2次波動階段，就對司機駕駛技術進行打分。

X軸、Y軸、Z軸上的加速度范圍和時間范圍，以及繞X軸、Z軸的傾角范圍，對應不同的駕駛習慣和行為，可以將岸橋司機駕駛習慣和行為評估劃分為5個環節。1） 小車駕駛習慣和行為評估。2）吊具升降駕駛習慣和行為評估。3）吊具起吊駕駛行為評估。4）大車駕駛行為評估。5）總體工作效率評估。

統計5 個環節中岸橋司機的得分情況，然后將結果由無線模塊發送給顯示模塊，并清空MCU中的數據。其主程序流程如圖2所示。

4 實驗結果

將該系統安裝在港機上進行測試，用PC端連接無線模塊，使用LabVIEW接收數據，得到的數據如圖3所示?？梢钥闯龈蹤C目前處于小車急剎車狀態，應提醒司機注意平穩操作小車移動，以免發生事故。

5 結論

該文設計了一種基于STM32系列單片機的集軟硬件與一體的岸橋司機駕駛技術評估系統，能夠準確獲取岸橋起重機的運動狀態并分析出司機的駕駛行為，而且能夠通過無線傳輸將數據發送給司機室中的上位機進行顯示。使岸橋司機能夠看出自己在駕駛過程中有哪些不合理的駕駛行為，便于司機改善駕駛技術。

參考文獻

[1]李少林，張維路，劉民，等.基于ZigBee/WiFi技術的無線數據采集與控制系統[J].組合機床與自動化加工技術，2018（9）：92-94，98.

[2]向慶，鄧浩欣，李嘉寶，等.基于STM32和Android的智能家居系統設計[J].電子設計工程，2018（18）：179-183.

[3]王愿祥，程悅琪，孫先松.基于WiFi的無線測控終端系統設計[J].物聯網技術，2018，8（9）：23-26.

[4]周利娜，周建平，許燕，等.基于STM32F103C8T6和ZigBee的油井壓力監控系統研究[J].物聯網技術，2014，4（6）：38-41.

[5]吳學富，劉忠富.基于STM32的車輛遠程預警系統設計[J].智能計算機與應用，2018，8（1）：138-140，144.

[6]吳飛，王博韜，毛晨曦，等.基于stm32f103c8t6的手機信號檢測系統的設計[J].電子世界，2018（11）：122-123，126.

[7]蒲曉湘，周世紀.基于卡爾曼濾波算法的姿態儀設計[J].重慶電力高等?？茖W校學報，2018，23（2）：39-43.

[8]谷樂， 陳志云. 加權最小二乘法與卡爾曼濾波實時穩像技術[J]. 計算機應用研究， 2019（11）：3121-3123.

[9]喬少杰，韓楠，朱新文，等.基于卡爾曼濾波的動態軌跡預測算法[J].電子學報，2018，46（2）：418-423.