大型活塞平面3D運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研究

李紅民，牛曉光，馬玉真，王磊，李斌

（1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250022）

大型活塞平面3D運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研究

李紅民1，牛曉光1，馬玉真2，王磊1，李斌1

（1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250022）

煤氣儲(chǔ)氣柜柜位（容）、活塞平面傾斜度、活塞平臺(tái)運(yùn)行速度等都是監(jiān)控煤氣柜運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。常用檢測(cè)方法只能對(duì)其中某項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不能全面描述活塞平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因而局限性較大。文章構(gòu)建了煤氣柜活塞平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)模型的構(gòu)建及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析，并在LabVIEW平臺(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)不確定度進(jìn)行分析，證明3D運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)可以滿足用戶高精度檢測(cè)的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤氣儲(chǔ)氣柜活塞平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。

大型活塞平面；運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；激光測(cè)距傳感器；在線檢測(cè)

0 引言

大型活塞平面在威金斯型煤氣儲(chǔ)氣柜中有大量的應(yīng)用。威金斯型儲(chǔ)氣柜的柜體為圓柱形，大型活塞平面與柜體之間由撓性橡膠密封膜可靠聯(lián)接。氣體進(jìn)出柜時(shí)，通過(guò)大型活塞平面和T型擋板上升或下降來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與輸出，密封橡膠膜隨之卷上或卷下。若發(fā)生柜位過(guò)高或過(guò)低、活塞平面傾斜傾斜程度過(guò)大及升降速度變化過(guò)快等情況，都可能引起安全事故的發(fā)生［1］。為了保證煤氣柜運(yùn)行的安全性，煤氣柜柜位、活塞平面傾斜度、活塞運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不可或缺。

常用的檢測(cè)方法有使用水柱差壓法、超聲波物位計(jì)、光纖柜位儀、傾角傳感器法和雷達(dá)柜位計(jì)［2－4］等。超聲波物位計(jì)主要用于柜位的檢測(cè)，缺點(diǎn)在于超聲波測(cè)量探頭實(shí)際最大測(cè)量范圍受工況和環(huán)境影響較大，需經(jīng)復(fù)雜計(jì)算后才能確定。檢測(cè)活塞傾斜度一般采用水柱差壓法，測(cè)量誤差較大，連續(xù)運(yùn)行時(shí)還需頻繁維護(hù)。而光纖柜位儀檢測(cè)方法，信號(hào)傳輸較為穩(wěn)定，不足之處在于，除光纖傳感器外，還需安裝重錘、絞輪、鋼絲繩等，構(gòu)成較為復(fù)雜，且鋼絲繩的形變可能影響測(cè)量精度［5］。總的來(lái)說(shuō)，常用測(cè)量方法只能對(duì)煤氣儲(chǔ)氣柜柜位（容）或活塞平面傾斜度進(jìn)行單一測(cè)量，少有對(duì)兩者同時(shí)測(cè)量的測(cè)量方法，因而局限性較大

文章在3 D建模的基礎(chǔ)上提出了大型活塞平面運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)，是指通過(guò)建立活塞平面運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化模型來(lái)描述的煤氣柜活塞實(shí)時(shí)姿態(tài)變化。具體來(lái)說(shuō)，由最小二乘法擬合出一個(gè)連續(xù)變化的空間平面，以此代表實(shí)際活塞平面的運(yùn)動(dòng)變化狀態(tài)，并根據(jù)此平面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化情況來(lái)描述整個(gè)煤氣柜的運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)采用激光測(cè)距傳感器具有以下優(yōu)勢(shì)：準(zhǔn)直激光測(cè)距傳感器采用超大量程（0～200 m）非接觸式測(cè)量原理，適用于易燃、易爆場(chǎng)合，對(duì)大量程移動(dòng)的活塞平面在線式連續(xù)測(cè)量，從而達(dá)到對(duì)煤氣柜柜位、活塞平面傾斜度、活塞運(yùn)行速度等狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行綜合連續(xù)監(jiān)測(cè)［6］。

1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

將5只激光測(cè)距傳感器固定于煤氣柜頂?shù)乃街Ъ?，A、B、C、D四點(diǎn)與O點(diǎn)之間距離相等。準(zhǔn)直激光可垂直向下射在5個(gè)測(cè)量點(diǎn)上，在線連續(xù)測(cè)量獲得的安裝點(diǎn)至活塞平面的距離，通過(guò)R S 485總線將5組激光位移傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控室，經(jīng)嵌入式數(shù)據(jù)采集卡導(dǎo)入工控機(jī)，通過(guò)軟件將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和3 D圖像顯示。

1.1 測(cè)量點(diǎn)的選取

參照平面度誤差檢測(cè)［7］中對(duì)角線布點(diǎn)的測(cè)量布點(diǎn)形式，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在考慮到威金斯型柜具有特制橡膠模的活塞結(jié)構(gòu)，構(gòu)建本系統(tǒng)的活塞平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型并選取測(cè)量點(diǎn)時(shí)，可將活塞平臺(tái)近似看做一個(gè)不透光的圓形平面，選取于柜頂部的結(jié)構(gòu)支架上選取傳感器安裝點(diǎn)，在每一點(diǎn)安裝一臺(tái)激光測(cè)距傳感器，使其出射光線與落底時(shí)活塞基準(zhǔn)水平面垂直，即本系統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)為出射光線與活塞平臺(tái)的交點(diǎn)［8］。理論上說(shuō)，由于活塞平臺(tái)非剛性且面積較大，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，選取的測(cè)量點(diǎn)應(yīng)越多越好，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況并考慮成本等現(xiàn)實(shí)因素，最終在柜頂部的結(jié)構(gòu)支架上選取5個(gè)傳感器安裝點(diǎn)，對(duì)應(yīng)活塞平臺(tái)上選取的5個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

除根據(jù)平面度誤差對(duì)角線布點(diǎn)的測(cè)量布點(diǎn)形式選取A、B、C、D四點(diǎn)外，另選取支架結(jié)構(gòu)幾何中心點(diǎn)作為第五點(diǎn)，即O點(diǎn)。如圖1所示，其中O點(diǎn)為柜頂架構(gòu)支架平面的幾何中心，A、B、C、D四點(diǎn)與O點(diǎn)之間距離相等，且A C⊥B D。

圖1 測(cè)量點(diǎn)的選取圖

1.2 坐標(biāo)系的建立

考慮到威金斯柜圓柱體的外形特征和活塞平臺(tái)圓形的幾何特點(diǎn)，建立時(shí)刻坐標(biāo)系。對(duì)其描述如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)三維坐標(biāo)系圖

（1）由于激光測(cè)距傳感器Laser5的安裝位置在圓柱體上表面圓的圓心上，其出射光線平行是一條鉛垂線，取激光射在實(shí)際活塞平面上的測(cè)量點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)。

（2）以激光測(cè)距傳感器Laser5的出射光線作為z軸，x軸與直線A C、y軸與直線B D所共平面，垂直于平面x 0 y。

（3）由實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況可知，坐標(biāo)系的z軸不隨時(shí)間變化，x軸和y軸相對(duì)z軸水平方向不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而垂直方向隨時(shí)間變化，即x 0 y面在垂直方向上下運(yùn)動(dòng)。

設(shè)r為L(zhǎng)aser1～Laser4距Laser5的水平距離，h1～h5表示Laser1～Laser5的實(shí)際測(cè)量值。依據(jù)已建立的坐標(biāo)系，測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)可分別表示為A（xy，y1，z1），B（x2，y2，z2），C（x3，y3，z3），D（x4，y4，z4）和O（x5，y5，z5）。又根據(jù)系統(tǒng)建模形式，其中A、B、C、D四點(diǎn)可進(jìn)一步表示為A（r，0，h5－h(huán)1），B（0，－r，h5－h(huán)2），C（r，0，h5－h(huán)3）和D（0，－r，h5－h(huán)4），坐標(biāo)原點(diǎn)O（0，0，h5）。

2 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)模型的構(gòu)建及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析

2.1 最小二乘平面的獲取

獲取活塞傾斜度是通過(guò)建立一個(gè)最佳匹配的理想?yún)⒖计矫妫眉す馕灰苽鞲衅鳒y(cè)量獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建并仿真得出動(dòng)態(tài)的活塞平面，再通過(guò)與理想平面的對(duì)應(yīng)比較與關(guān)聯(lián)，即可得出活塞平面傾斜度測(cè)量值。采用選取對(duì)角線布點(diǎn)的測(cè)量布點(diǎn)形式，根據(jù)計(jì)算各測(cè)得點(diǎn)的坐標(biāo)值，進(jìn)而獲得理想?yún)⒖计矫娴姆匠獭?/p>

設(shè)理想?yún)⒖计矫娴姆匠蘻＝a x＋b y＋c，其中系數(shù)a、b、c為參數(shù)估計(jì)量，即a、b、c應(yīng)使得被測(cè)實(shí)際表面上全部觀測(cè)值z(mì)與評(píng)定基準(zhǔn)的回歸值z(mì)′的偏差平方和達(dá)到最小［8］，由式（1）表示為

對(duì)于通過(guò)試驗(yàn)給定的數(shù)據(jù)（xi，yvj，zij），S是a、b、c的非負(fù)二次式，所以最小值一定存在，a、b、c根據(jù)極限定理，應(yīng)是式（2）方程的解為

可將方程（1）進(jìn)一步化簡(jiǎn)為式（3）

聯(lián)立公式（3）中的三個(gè)方程式，其中N＝4，可得到a、b、c的值，繼而得到最小二乘活塞平面的平面方程。

2.2 最小二乘平面傾斜度計(jì)算

根據(jù)得出的最小二乘平面方程z＝a x＋b y＋c，可知最小二乘平面的法向量為n（a，b，－1）?？捎?jì)算獲得法向量與x、y、z坐標(biāo)軸正向的夾角α、β、γ，各個(gè)方向角的計(jì)算式（4）為

將各方向角與其臨界值相比較，可以獲得平面的傾斜度變化趨勢(shì)。

2.3 柜位（容）、活塞運(yùn)動(dòng)速度等計(jì)算

實(shí)際測(cè)量的中心點(diǎn)O與最小二乘平面的中心點(diǎn)O′之間距離即為平面z＝a x＋b y＋c在z軸上的截距，即O O′＝｜c(diǎn)｜，如圖3所示。

圖3 柜位計(jì)算示意圖

已知上柜面支架至底面的距離為G，t1時(shí)刻柜位ht1可由式（5）計(jì)算為

通過(guò)式（6）對(duì)實(shí)際柜位積分可得t1時(shí)刻柜內(nèi)氣體體積V由式（6）表示為

通過(guò)式（7）對(duì)柜位變化求全微分，可得到活塞垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度為

通過(guò)式（8）對(duì)活塞運(yùn)行速度進(jìn)行全微分，可得活塞垂直方向運(yùn)動(dòng)加速度為

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)分為底層程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)界曲設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用基于虛擬儀器技術(shù)的LabVIEW軟件。圖4為檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖。本系統(tǒng)由串口通訊圖模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，3 D圖像顯示模塊和歷史數(shù)據(jù)查詢模塊組成。

（1）串口通訊模塊使激光測(cè)距傳感器通過(guò)串口與工控機(jī)進(jìn)行通訊，將距離等測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)。

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型在進(jìn)入LabVIEW后被轉(zhuǎn)化為字符串類型，需要將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)已建立的活塞平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)三維模型，對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，可以獲得實(shí)時(shí)柜位、活塞平臺(tái)傾斜度、活塞平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度、活塞平臺(tái)運(yùn)動(dòng)加速度等。

（4）3 D圖像顯示模塊實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示活塞平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

（5）歷史數(shù)據(jù)查詢模塊進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并提供歷史數(shù)據(jù)的查詢功能。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

為了便于工作人員操作，設(shè)計(jì)了可供參數(shù)設(shè)置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示主界面以及數(shù)據(jù)記錄回放界面，并且具有超限聲光報(bào)警功能。圖5為截取的實(shí)際測(cè)量時(shí)顯示主界面，圖6為3 D監(jiān)控畫(huà)面。主界面顯示包括：柜位、柜容、活塞運(yùn)動(dòng)速度、活塞運(yùn)動(dòng)加速度、活塞傾斜角度等的實(shí)時(shí)測(cè)量值，并提供傾斜度超限報(bào)警、柜位超上限報(bào)警、柜位超下限報(bào)警、速度超限報(bào)警等多角度的監(jiān)測(cè)。在后面數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡進(jìn)行活塞半徑、活塞總高度、傾斜度限額、柜位上、下限額、速度限額的輸入，可以滿足不同柜型的要求［9－11］。

圖5 煤氣柜活塞平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控主界面圖

4 系統(tǒng)不確定度分析

測(cè)試系統(tǒng)不確定度的主要來(lái)源：激光測(cè)距傳感器誤差，激光傳感器安裝位置誤差，標(biāo)準(zhǔn)平面平面度誤差［12－15］。

（1）激光測(cè)距傳感器的誤差

圖63 D圖像顯示界面圖／m

用一標(biāo)準(zhǔn)平面分別將5只激光測(cè)距傳感器，在1000～7000m m范圍內(nèi)進(jìn)行多次標(biāo)準(zhǔn)距離測(cè)量，可得到傳感器Laser1～Laser5的重復(fù)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 激光測(cè)距傳感器重復(fù)測(cè)試數(shù)據(jù)／m m

由表可分別計(jì)算每只傳感器測(cè)量誤差的平均值，比較已得出的誤差值值的大小，取其中最大的誤差值，即5只傳感器中誤差最大的一只作為傳感器誤差［16］。經(jīng)比較后，選取Laser1的重復(fù)測(cè)量誤差作為傳感器誤差u1為±1.48 m m

（2）傳感器安裝位置誤差

激光測(cè)距傳感器位置由機(jī)械結(jié)構(gòu)保證，由于焊接等原因會(huì)產(chǎn)生位置誤差，據(jù)實(shí)際測(cè)量，該誤差u2可控制在±2 m m，且該誤差為系統(tǒng)誤差，運(yùn)行時(shí)可通過(guò)校零進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

（3）標(biāo)準(zhǔn)平面平面度誤差

經(jīng)過(guò)API激光測(cè)距儀測(cè)量，用于誤差標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)平面的平面度誤差u3為±0.05 m m

（4）系統(tǒng)的誤差可由合成誤差u表示為

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)不確定度分析和實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)的測(cè)量絕對(duì)誤差不大于3 m m，滿足檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)要求，即小于30 m m。

5 結(jié)語(yǔ)

大型活塞平面運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的傳統(tǒng)檢測(cè)方法自動(dòng)化程度低、測(cè)量準(zhǔn)確性差、對(duì)檢測(cè)人員的人身安全具有一定的威脅。文章提出的基于3 D仿真的大型活塞平面運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)建立活塞平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型，實(shí)時(shí)檢測(cè)活塞平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，大大提高了系統(tǒng)測(cè)量精度，提升了煤氣儲(chǔ)氣柜長(zhǎng)期運(yùn)行中的安全性和穩(wěn)定性，很大程度上保證了檢測(cè)人員的人身安全。系統(tǒng)對(duì)于同類型煤氣儲(chǔ)氣柜具有一定的推廣價(jià)值，大型活塞平面運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型對(duì)于其他大型運(yùn)動(dòng)平面姿態(tài)檢測(cè)的研究有一定的借鑒作用。在后續(xù)的工作中在可以通過(guò)分析活塞平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)活塞平面運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

［1］ 劉占剛，黃示禮，羅松.威金斯煤氣柜密封橡膠布簾破損分析及處理［J］.冶金動(dòng)力，2009（4）：32－34.

［2］ 祁耀斌，楊錦園，姜德生.光纖柜位儀測(cè)量煤氣柜偏移的研究［J］.國(guó)外建材科技，2005，26（3）：63－64.

［3］ 潘莉.基于高精度傾角傳感器的活塞傾斜度在線監(jiān)測(cè)［J］，冶金動(dòng)力，2012（5）：26－28.

［4］ 馮晶，田小果.雷達(dá)柜位計(jì)在寶鋼煤氣柜上的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2006（6）：70－71.

［5］ 賈文亞，熊禾根.威金斯型煤氣柜活塞傾斜度評(píng)價(jià)體系與方法研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（4）：24－24，47.

［6］ 靳麗靜.基于激光球面法橋梁變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2014.

［7］ G B／T 11337—2004.平面度誤差檢測(cè)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［8］ 葉珉?yún)危ㄏ蚣t，陳西江，等.基于正交整體最小二乘平面擬合的點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪方法研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2013（11）：37－39.

［9］ 陳萬(wàn)里，王麗霞.基于LabVIEW的虛擬儀器的研究.儀器儀表用戶［J］.2007，14（6）：14－15.

［10］陳鵬，蔡強(qiáng)富，劉美全，等.基于LabVIEW的電磁超聲數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（3）：816－818.

［11］李迺璐，呂躍剛，范曉旭.基于LabVIEW風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2010（5）：30－33.

［12］戴小磊，曹學(xué)東，楊文志，等.三點(diǎn)法檢測(cè)環(huán)形平面的平面度誤差［J］.光電工程，2010，37（5）：52－55，62.

［13］周景亮，林志熙.大型平面平面度誤差的可視化處理［J］.機(jī)床與液壓，2009，2（10）：130－132，136.

［14］邵宏偉，張旭東，鄭慶國(guó)，等.在線平面度測(cè)量?jī)x［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2006，27（3 A）：182－185.

［15］王文超.大型平面在線測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.大連：大連海市大學(xué)，2012.

（學(xué)科責(zé)編：李雪蕾）

Study of the piston moving posture detecting 3D system of large piston plane

Li Hongmin1，Niu Xiaoguang1，Ma Yuzhen2，et al.
（1.School of Information＆Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250022，China）

The gasmeter position，the angle of piston inclination and piston moving speed are important indicators tomonitor the running state of the gas gasmeter.The limitation is common，for the detection method can only be used to monitor one of the indicators.In this paper，the motion attitude detection system of the gasmeter piston is established，the model and the analysis of the movement posture of the moving attitude detection is built，the system software on the LabVIEW platform is designed，the uncertainty of the system analyzed，proving that this system can meet the requirements of high precision detection of the user and monitor the movement of the piston of the gasmeter on line.

large piston plane；moving posture；laser distancemeasuring sensor；online detection

TP27

A

2015－03－09

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)ZR2013EEL004）

李紅民（1964－），男，副教授，博士，主要從事精密儀器與測(cè)量等方面的研究.E-mail：lhm0023＠sdjzu.edu.cn

1673－7644（2015）05－0471－05