基于LabVIEW 的鋼包吊鉤姿態監測系統設計

郭正剛， 周亞清， 喬建強， 陳 新， 于德躍

（1.大連理工大學 機械工程學院， 遼寧 大連116000； 2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室， 山西 太原030000）

0 引言

起重機廣泛應用于物料運輸作業中，具有效率高、載荷大、使用范圍廣等特點[1]。不同的起重機械，其最基本的機構都大同小異[2]，但應用的場所不同。其中，雙吊鉤起重機廣泛應用于鋼鐵冶煉車間。 目前是由地面人員觀察起重機的掛鉤狀態來指揮司機能否起吊， 避免起吊后發生鋼包傾覆事件。隨著自動化技術的發展，鋼包吊裝的安全檢測技術也有了飛速的提高。 目前基于計算機視覺[3]、圖像處理[4]以及激光傳感器[5-6]設計的吊鉤監測系統已有較為廣泛的研究。 但是，在粉塵大、光線不足的鋼鐵冶煉車間中， 基于計算機視覺技術設計的監測系統不易獲取吊鉤角度信息。 而且，在圖像數據傳輸過程中，會由于數據量過大導致整個系統延時過長。 吊鉤起重機在作業過程中常常伴有高強度和高頻率的沖擊， 激光傳感器屬于高精密的光學設備， 高強度的振動和高粉塵的環境會降低測量精度，甚至接收不到反射信號，無法測量距離。

為了解決上述問題，本文基于LabVIEW 設計了一種鋼包吊鉤姿態監測系統，該系統基于非視覺原理，利用姿態傳感器感知吊鉤姿態角[7-9]，因而不受光線的影響，能及時判斷雙吊鉤是否正常勾住鋼包的兩個耳軸。

1 系統硬件組成

系統硬件組成如圖1 所示，主要包括姿態傳感器A、姿態傳感器B、數據采集器A、數據采集器B、主機以及上位機。 姿態傳感器A 和B 選用YIS10-U， 輸出三軸加速度。數據采集器與主機都是基于STM32 微控制器設計。上位機發送指令給主機， 主機喚醒數據采集器A 和數據采集器B 工作， 姿態傳感器A 和B 分別安裝在吊鉤A 和B上，感知其姿態角度數據。數據采集器B 將吊鉤B 的姿態角度數據發送給數據采集器A， 由數據采集器A 將數據打包并通過E31-T50S2 無線串口發送給主機， 主機將數據傳輸給上位機進行處理、顯示以及保存。

圖1 系統硬件組成框圖Fig.1 System hardware block diagram

2 系統軟件設計

系統上位機是通過LabVIEW 程序設計，主要流程圖如圖2 所示。NI 公司的LabVIEW 是圖形化編程語言的開發平臺，它能實現數據采集、數據存儲、波形顯示以及信號處理分析等功能[10]。

圖2 上位機軟件流程圖Fig.2 Upper computer software flow chart

2.1 串口配置

在系統中，主機與上位機通過串口通訊，上位機首先將“采集數據”指令以十六進制的格式發送給主機喚醒系統工作。 在此之前要配置串口的各個參數，LabVIEW 利用VISA 資源配置串口見圖3 所示。資源名稱定為吊鉤角度；波特率設為9600；數據位為8 位；無奇偶校驗位；停止位為1 位；無終止符。

圖3 串口配置模塊Fig.3 Serial port configuration module

2.2 串口讀寫

該系統的工作模式為上位機發送一次 “數據采集”指令，數據采集器采集一次姿態角度數據， 因此配置串口完成后， 需要編寫串口循環讀寫模塊。 在該循環讀寫模塊中添加條件結構，篩選出一幀正確格式的數據，濾除強磁的干擾。 串口讀寫模塊如圖4 所示。起重機吊鉤作業比較緩慢，將采樣頻率設置為2Hz。 循環結構內放置“寫入”和“讀取”控件，第一個條件結構為真時，發送“采集數據指令”，系統啟動后將該條件結構的按鈕開關打開， 實現串口循環讀寫功能。將“讀取”控件的返回數作為下一條件結構的判斷值，當讀取的一幀數據長度正確時， 即數據進入該條件結構內進行截取。 根據數據采集器的傳輸協議，“截取子字符串”控件分別截取姿態傳感器X、Y、Z 方向的加速度值對應位置以及長度的字符串，生成相應的子字符串。

圖4 讀寫模塊Fig.4 Read and write module

2.3 數據轉換

VISA 資源配置串口中，“VISA 讀取” 控件讀出的數據格式為十六進制字符串。 數據轉換模塊如圖5 所示。

圖5 數據轉換模塊Fig.5 Data conversion module

2.4 前面板設計

簡潔合理的前面板是人機交互的重要保證， 本文使用LabVIEW 的選項卡將前面板分為兩個界面。第一個是主界面，見圖6，主界面顯示兩個的吊鉤角度值、角度差以及電池電量等信息，此外還通過按鈕開關提示起吊狀態。

圖6 系統主界面Fig.6 System main interface

第二個是配置界面，見圖7，配置界面用于系統工作前，調試采樣角度，角度閾值以及角度預警值。

圖7 系統配置界面Fig.7 System configuration interface

3 現場實驗驗證

該系統設計完成后， 在鋼鐵冶煉車間進行了實驗驗證，見圖8。 系統監測到雙吊鉤都正常勾住鋼包的兩個耳軸時，可進行鋼包起吊作業；反之，上位機應該發出報警信息， 停止鋼包的起吊作業。系統的實驗是在某公司的鋼鐵冶煉車間進行的， 起重機進行了一個完整的運輸作業。

圖8 鋼鐵冶煉車間實驗現場Fig.8 Field experiment in steel smelting workshop

起重機吊鉤作業較為緩慢平穩，一個工作周期大約為12min， 系統設定采樣頻率為2Hz，連續采樣16min，其姿態角度和姿態角度差分別見圖9和圖10， 圖9 和圖10 中的相同狀態分別對應同一時間段。該系統設定撞鉤的正方向為吊鉤姿態角正方向，吊鉤自然懸垂狀態的姿態角度為0°。 吊鉤角度預警值設為-5°，由起重機實際運動狀態可知，吊鉤的姿態角度無法穩定在正方向，因此上位機即可設定-5 到0 的角度區間為正常掛鉤。由實驗數據可知，狀態1 表示當起重機靠近鋼包，吊鉤A、B 姿態角度均為0°，此時雙吊鉤為自然懸垂狀態。狀態2 表示起重機撞擊鋼包耳軸，吊鉤往復運動模擬鉤尖勾住鋼包耳軸，所以吊鉤角度有較大的振動，此時起吊無法吊起鋼包。 狀態3 表示起重機的兩個吊鉤都用鉤尖掛住鋼包耳軸，姿態角度差為0°，但姿態角為-6°，超過吊鉤的預警值。若此時起吊，起重機小車運動產生的沖擊足以使鋼包從雙吊鉤上脫落，造成嚴重事故。狀態4 表示起重機兩個吊鉤都正常的勾住鋼包耳軸， 此時吊鉤的姿態角與正常懸垂時的姿態角相同，都為0°，上位機提示可以起吊。 狀態5 表示吊鉤A 正常勾住鋼包耳軸而吊鉤B 只是鉤尖勾住鋼包耳軸，吊鉤AB 的角度差為6°，超過吊鉤的預警值。若此時起吊，吊鉤B 會受到沖擊而與該側的鋼包耳軸脫離，導致鋼包側翻事故。狀態6 表示雙吊鉤正常勾住鋼包耳軸，與狀態4 完全相同。該實驗結果表明系統能實時地感知吊鉤的姿態角度變化， 并能及時準確判斷雙吊鉤的掛鉤狀態，指導吊車司機工作，避免鋼包傾覆事故。

圖9 現場實驗姿態角度數據Fig.9 Attitude angle data of field experiment

圖10 現場實驗姿態角度差數據Fig.10 Attitude angle difference of field experiment

4 結論

本文基于LabVIEW 軟件程序設計鋼包吊鉤姿態監測系統上位機，用數據采集器A、B 和主機作為系統下位機硬件模塊， 實時監測雙吊鉤姿態角度來判別起重機的掛鉤狀態。根據在鋼鐵冶煉車間的現場實驗可知，系統在車間的通信狀態良好， 并且兩個姿態數據采集器具有較高的穩定性，能承受一定的沖擊振動。在吊鉤角度和角度差預警值設定為5°時， 系統能夠通過兩個姿態數據采集器采集的姿態信息判別起重機撞鉤、 吊鉤正常勾住鋼包耳軸、吊鉤非正常勾住鋼包耳軸等狀態。