基于慣性傳感器的混凝土泵車(chē)臂架實(shí)時(shí)姿態(tài)檢測(cè)方法研究

游海濤，楊兆萬(wàn)，尹棟，周艷紅，楊輝華

（1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，桂林　541004；2.武漢地和智能有限公司，武漢　430074；3.華中科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢　430074）

基于慣性傳感器的混凝土泵車(chē)臂架實(shí)時(shí)姿態(tài)檢測(cè)方法研究

游海濤1，楊兆萬(wàn)2，尹棟2，周艷紅3，楊輝華1

（1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，桂林541004；2.武漢地和智能有限公司，武漢430074；3.華中科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢430074）

0　引言

混凝土泵車(chē)是將混凝土泵安裝在汽車(chē)底盤(pán)上或?qū)Ｓ密?chē)輛上，將混凝土的輸送和澆灌工序綜合在一起的工程車(chē)輛，節(jié)省了時(shí)間和勞動(dòng)力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了施工質(zhì)量，減少成品混凝土的消耗［1］。目前市場(chǎng)常用泵車(chē)臂架一般由4臂節(jié)至6臂節(jié)組成，工作時(shí)臂架部分伸展較大，在力學(xué)上屬懸臂梁結(jié)構(gòu)，受力比較復(fù)雜［2］。實(shí)際工況下，臂架因混凝土泵的沖擊而產(chǎn)生大量振動(dòng)，使臂架結(jié)構(gòu)尤其是臂架焊縫產(chǎn)生疲勞破壞，同時(shí)威脅施工安全。為克服振動(dòng)問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中一般通過(guò)主動(dòng)減振的方式避免可能產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)，減振的核心技術(shù)之一即在于準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出臂架的位置與振動(dòng)狀態(tài)。混凝土泵車(chē)臂架模型如圖1所示。

圖1　混凝土泵車(chē)臂架模型圖

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外臂架姿態(tài)檢測(cè)方法主要有兩種：①基于油缸位移的檢測(cè)方法：根據(jù)油缸伸縮長(zhǎng)度和臂架結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算相鄰兩臂的相對(duì)角度Ain2i（如圖2所示，i為臂序數(shù)），結(jié)合臂架長(zhǎng)度li推算出節(jié)點(diǎn)在豎直平面的笛卡爾坐標(biāo)（Xi，Yi），依次推算出臂架空間姿態(tài)；不足在于只能檢測(cè)節(jié)點(diǎn)角度，檢測(cè)結(jié)果信息單一且安裝復(fù)雜。②基于傾角傳感器的檢測(cè)方法：檢測(cè)臂架兩端水平傾角值，臂架彎曲度Ain2i-l為臂架兩端傾角值之差，相鄰兩節(jié)臂夾角Ain2i等于相鄰兩節(jié)臂靠近節(jié)點(diǎn)處傳感器傾斜角之差；結(jié)合Ain2i-l、Ain2i與臂架長(zhǎng)度li推算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)在臂架所在豎直平面的笛卡爾坐標(biāo)（Xi，Yi），得到臂架空間姿態(tài)；優(yōu)點(diǎn)是能夠檢測(cè)臂架彎曲情況，缺點(diǎn)是無(wú)法檢測(cè)振動(dòng)，檢測(cè)數(shù)據(jù)單一。

圖2　臂架空間角度描述矩陣

針對(duì)以上情況，本文提出了一種基于慣性傳感器的混凝土泵送車(chē)臂架姿態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。其混凝土泵車(chē)臂架模型如圖1所示，慣性傳感器安裝在01至12處，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)互補(bǔ)濾波器計(jì)算得到傳感器傾斜角，通過(guò)多個(gè)傳感器聯(lián)合計(jì)算，計(jì)算出各節(jié)臂的空間彎曲度，相鄰臂之間的空間夾角，因慣性傳感器可以檢測(cè)加速度與角速度，因此能夠?qū)崟r(shí)分析臂架的振動(dòng)與空間運(yùn)動(dòng)情況，為后續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵車(chē)臂架姿態(tài)與受力形變，泵車(chē)安全控制、智能化控制、臂架健康管理、減振控制提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

相對(duì)于油缸位移法和傾角傳感器法，本方法安裝方便，數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富，檢測(cè)結(jié)果支持更多的工程應(yīng)用，特別為臂架控制技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展空間。

1　慣性傳感器與互補(bǔ)濾波器

1.1慣性傳感器

本文使用MPU6050慣性傳感器，適用于檢測(cè)加速度、角速度的多自由度運(yùn)動(dòng)傳感器，傳感器內(nèi)部集成三軸加速度與三軸陀螺儀傳感器 （分別為Accx、Accy、Accz、Grox、Groy、Groz）XYZ軸方向遵循笛卡爾坐標(biāo)系；陀螺儀最高分辨率0.0076°/s，最大量程±2000°，靜態(tài)漂移小于2%，噪音小于0.05°/s，采樣頻率8000Hz，測(cè)得數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)軸的角速度；加速度最高分辨率0.0006G，最大量程±16G靜態(tài)漂移小于 0.02%，噪音小于0.024G，檢測(cè)頻率1000Hz，測(cè)得數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)軸的加速度；慣性傳感器廣泛的用于工業(yè)自動(dòng)化、工程機(jī)械、姿態(tài)控制等工業(yè)領(lǐng)域，慣性傳感器通常配合互補(bǔ)濾波器一起使用。

1.2互補(bǔ)濾波器

互補(bǔ)濾波器是專(zhuān)門(mén)針對(duì)于慣性傳感器數(shù)據(jù)處理的綜合濾波器，慣性傳感器中加速度傳感器靈敏度高，噪音大；而陀螺儀積分得到的角度不受加速度影響，但積分產(chǎn)生的漂移和溫度漂移帶來(lái)的誤差較大，這兩個(gè)傳感器可以互相彌補(bǔ)對(duì)方的缺點(diǎn)，準(zhǔn)確地測(cè)量出慣性傳感器空間偏移角；短時(shí)間采用陀螺儀積分?jǐn)?shù)據(jù)為最優(yōu)，定時(shí)使用加速度采樣取平均值來(lái)修正陀螺儀得到的角度，以此達(dá)到互補(bǔ)的作用。

一階互補(bǔ)濾波器：

Angle=K·AngAcc+（1-K）·（Angle+Gro*dt）（1）

二階互補(bǔ)濾波器：

y1=y1+（AngAcc-Angle）·（1-K）2·dt（2）

x2=y1+2·（1-K）·（AngAcc-Angle）+Gro（3）

Angle=Angle+x2·dt（4）

2　方法的提出

假定方向以混凝土泵車(chē)底座為起始端，以臂架尾部為末端；X軸方向?yàn)楸奂芩秸归_(kāi)時(shí)由起始端指向末端，Y軸方向?yàn)楸奂艽怪彼矫嬷赶蛱炜諘r(shí)由起始端指向末端，z軸方向垂直于XY軸所在平面，由泵車(chē)頂端向下觀測(cè)的順時(shí)針?lè)较颉?/p>

設(shè)定N=2I，N為傳感器數(shù)量，I為臂架數(shù)量，n為傳感器序數(shù)，i為臂架序數(shù)，θb為傳感器輸出值，θ為平衡濾波器輸出值。

2.1標(biāo)定傳感器

在臂架收起的狀態(tài)下，臂架沒(méi)有受到負(fù)載或外力，每節(jié)臂處于近似無(wú)彎曲狀態(tài)下，使用傾角儀 （完備儀器）測(cè)量傳感器n上平面傾角真值αn，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)處理器處理后的傳感器真值數(shù)據(jù)Accyn、Accxn，通過(guò)：

得到傳感器空間傾角真值與實(shí)際傾角值之間的偏移值γn；其中，an為傳感器實(shí)際空間傾角值，Accyn為傳感器的Y軸加速度，Accyn為感器的X軸加速度；

傳感器檢測(cè)所得空間傾角值θbn為：

2.2數(shù)據(jù)處理

通過(guò)互補(bǔ)濾波，對(duì)慣性傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾消除漂移誤差（7），并構(gòu)建臂架空間角度描述矩陣（8）Ain，通過(guò)臂架空間角度描述矩陣變換可以換算得到傳感器的空間傾斜角真值θn（9）：

泵車(chē)展開(kāi)工況下，因自重或混凝土重力導(dǎo)致泵車(chē)臂架產(chǎn)生彎曲形變，彎曲形變使用bend（x）=-asinh（tan （x/2））/sin（x/2）平拋下落曲線(xiàn)近似模擬；現(xiàn)對(duì)第i節(jié)臂進(jìn)行推算，第i節(jié)臂起始端傾斜角為θ2i-1，末端傾斜角為θ2i，根據(jù)斜率在bend（x）上找到第節(jié)臂起始端（BX2i-1，BY2i-1）、末端（BX2i，BY2i）對(duì)應(yīng)點(diǎn)：

第i節(jié)臂空間斜率k：

假設(shè)已經(jīng)求出第i節(jié)臂的空間笛卡爾起始坐標(biāo)（Xsi，Ysi），根據(jù)起始坐標(biāo)求第i節(jié)臂的末端坐標(biāo)（Xei，Yei）的方法為：

第i節(jié)臂的起點(diǎn)（Xsi，Ysi）與第i-1節(jié)臂的關(guān)系為：

通過(guò)公式（14），可以從第1節(jié)臂的起點(diǎn)（0，0）開(kāi)始遞推至第I節(jié)臂，得到臂架空間笛卡爾坐標(biāo)描述矩陣M：

到此通過(guò)上述的計(jì)算，臂架振動(dòng)情況可以使用Accyn、Accxn、Grozn進(jìn)行分析，臂架空間姿態(tài)的描述數(shù)據(jù)為臂架空間笛卡爾坐標(biāo)描述矩陣M，通過(guò)M可以輕易的繪制臂架空間姿態(tài)。

圖3　試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖4　臂架末端傳感器數(shù)據(jù)

3　方法的檢驗(yàn)

如圖4所示，測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇徐工集團(tuán)某型號(hào)混凝土泵車(chē)，進(jìn)行水平空載工況下的豎直平面臂架掃頻實(shí)驗(yàn)，使用計(jì)算機(jī)控制泵車(chē)液壓系統(tǒng)發(fā)送頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)第1節(jié)臂施加激勵(lì)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1650r/min，掃描起始頻率為0.1Hz，終止頻率為1Hz，持續(xù)時(shí)間為300秒，如圖5所示。

圖5為臂架12號(hào)傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)中與反映空間加速度變化狀態(tài)，反映角速度變化狀態(tài)，通過(guò)觀察圖形可以得到初步結(jié)論，在0.1Hz到1Hz之間臂架經(jīng)歷了一階與二階固有頻率；圖6為經(jīng)過(guò)互補(bǔ)濾波器處理后的空間傾角數(shù)據(jù)，從濾波結(jié)果可以看出一階互補(bǔ)濾波器（K=0.99）濾波現(xiàn)象理想，而二階濾波器檢測(cè)的空間傾角值更加能夠反映出臂架振動(dòng)的情況，通過(guò)一階互補(bǔ)濾波器得出θ12=-3.17011。

圖5　掃頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖6　互補(bǔ)濾波器處理數(shù)據(jù)

圖7所示為臂架停止后在空中的保留的姿態(tài)，圖8為根據(jù)臂架空間笛卡爾坐標(biāo)描述矩陣所構(gòu)建的臂架空間姿態(tài)。

可以看出，根據(jù)計(jì)算得到的臂架空間笛卡爾坐標(biāo)描述矩陣圖8與實(shí)際姿態(tài)圖7相同，由于照片存在偏差與繪制圖無(wú)法進(jìn)行精確對(duì)比。

圖7　靜止時(shí)臂架空中姿態(tài)　

圖8　根據(jù)臂架空間笛卡爾坐標(biāo)描述矩陣?yán)L制的臂架平面圖粗端為起始端、細(xì)端為末端

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)慣性傳感器檢測(cè)的方法對(duì)混凝土泵車(chē)臂架進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，理想工況下能夠?qū)崟r(shí)精確地檢測(cè)混凝土泵車(chē)臂架的振動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)能夠計(jì)算出混凝土泵車(chē)臂架空間姿態(tài)，對(duì)檢測(cè)混凝土泵車(chē)臂架安全與高級(jí)應(yīng)用提供了必要的數(shù)據(jù)依托，為混凝土泵車(chē)臂架高級(jí)控制提供了廣闊的發(fā)展空間；經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的安裝便可以對(duì)混凝土泵車(chē)臂架進(jìn)行精確的測(cè)量，經(jīng)過(guò)實(shí)際的工程應(yīng)用，已經(jīng)應(yīng)用于混凝土泵車(chē)減振系統(tǒng)的姿態(tài)采集部分，為減振系統(tǒng)提供了必須的數(shù)據(jù)來(lái)源；但本系統(tǒng)仍然存在不足，傳感器連接方式為有線(xiàn)連接，由于泵車(chē)臂架來(lái)回彎折，對(duì)信號(hào)線(xiàn)耐久性要求高，還需繼續(xù)改進(jìn)。

［1］寧富立.現(xiàn)代混凝土泵車(chē)技術(shù)與發(fā)展方向［J］.廣東建材，2006.

［2］黃毅，吳斌興，王佳茜.混凝土泵車(chē)臂架振動(dòng)響應(yīng)的主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2012.

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Inertial Sensor；Concrete Pump Truck；Boom；Attitude Detection

Research on the Concrete Pump Truck Boom of Real-Time Gesture Detection Based on Inertial Sensor

YOU Hai-Tao1，YANG Zhao-Wan2，YIN dong2，ZHOU Yan-hong3，YANG Hui-hua1

（1.College of Electric Engineering&Control，Guilin University of Electronic Technology，Guangxi 541000；2.Wuhan Dihe Intelligent Co.Ltd.，Wuhan 430074；3.Huazhong University of Science&Technology，Wuhan 430074）

1007-1423（2015）26-0064-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.26.016

2015-04-03

2015-09-10

混凝土泵車(chē)臂架具有柔性多體系統(tǒng)的特點(diǎn)，泵送混凝土過(guò)程中臂架產(chǎn)生的振動(dòng)增加設(shè)備整體的安全風(fēng)險(xiǎn)；實(shí)時(shí)姿態(tài)檢測(cè)為實(shí)現(xiàn)臂架減振與智能控制提供必要的數(shù)據(jù)支撐與保障。給出一種基于慣性傳感器的臂架姿態(tài)檢測(cè)方法和系統(tǒng)，通過(guò)在臂架節(jié)點(diǎn)上安裝慣性傳感器以檢測(cè)每節(jié)臂架的形變量和臂架運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而計(jì)算得到臂架的振動(dòng)與空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，完成對(duì)臂架姿態(tài)的準(zhǔn)確檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，該方法大大提高對(duì)臂架位置檢測(cè)的精度，為后續(xù)泵車(chē)安全控制、智能化控制、臂架健康管理、減振控制提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

慣性傳感器；混凝土泵車(chē)；臂架；姿態(tài)檢測(cè)

Concrete pump truck has the characteristics of flexible multi-body systems，pumping concrete vibration generated during the boom equipment increased overall security risks；to achieve real-time gesture detection and intelligent control arm vibration provides the necessary data to support the protection.Presents a method and system for detecting arm posture based on inertial sensors，inertial sensors by installing nodes on the jib boom to detect deformation and movement status of each boom section，and then calculates the vibration of the boom and space motion，complete and accurate detection of the boom attitude.Test results show that this method can greatly improve the detection accuracy of the position on the boom，as the follow-up pump security control，intelligent control，health management arm，damping control provides effective data base.