基于LabVIEW 的鋼包吊鉤姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭正剛， 周亞清， 喬建強(qiáng)， 陳 新， 于德躍

（1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連116000； 2.礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原030000）

0 引言

起重機(jī)廣泛應(yīng)用于物料運(yùn)輸作業(yè)中，具有效率高、載荷大、使用范圍廣等特點(diǎn)[1]。不同的起重機(jī)械，其最基本的機(jī)構(gòu)都大同小異[2]，但應(yīng)用的場(chǎng)所不同。其中，雙吊鉤起重機(jī)廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶煉車(chē)間。 目前是由地面人員觀察起重機(jī)的掛鉤狀態(tài)來(lái)指揮司機(jī)能否起吊， 避免起吊后發(fā)生鋼包傾覆事件。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，鋼包吊裝的安全檢測(cè)技術(shù)也有了飛速的提高。 目前基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)[3]、圖像處理[4]以及激光傳感器[5-6]設(shè)計(jì)的吊鉤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(chē)間中， 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不易獲取吊鉤角度信息。 而且，在圖像數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，會(huì)由于數(shù)據(jù)量過(guò)大導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)延時(shí)過(guò)長(zhǎng)。 吊鉤起重機(jī)在作業(yè)過(guò)程中常常伴有高強(qiáng)度和高頻率的沖擊， 激光傳感器屬于高精密的光學(xué)設(shè)備， 高強(qiáng)度的振動(dòng)和高粉塵的環(huán)境會(huì)降低測(cè)量精度，甚至接收不到反射信號(hào)，無(wú)法測(cè)量距離。

為了解決上述問(wèn)題，本文基于LabVIEW 設(shè)計(jì)了一種鋼包吊鉤姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于非視覺(jué)原理，利用姿態(tài)傳感器感知吊鉤姿態(tài)角[7-9]，因而不受光線的影響，能及時(shí)判斷雙吊鉤是否正常勾住鋼包的兩個(gè)耳軸。

1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件組成如圖1 所示，主要包括姿態(tài)傳感器A、姿態(tài)傳感器B、數(shù)據(jù)采集器A、數(shù)據(jù)采集器B、主機(jī)以及上位機(jī)。 姿態(tài)傳感器A 和B 選用YIS10-U， 輸出三軸加速度。數(shù)據(jù)采集器與主機(jī)都是基于STM32 微控制器設(shè)計(jì)。上位機(jī)發(fā)送指令給主機(jī)， 主機(jī)喚醒數(shù)據(jù)采集器A 和數(shù)據(jù)采集器B 工作， 姿態(tài)傳感器A 和B 分別安裝在吊鉤A 和B上，感知其姿態(tài)角度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器B 將吊鉤B 的姿態(tài)角度數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器A， 由數(shù)據(jù)采集器A 將數(shù)據(jù)打包并通過(guò)E31-T50S2 無(wú)線串口發(fā)送給主機(jī)， 主機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理、顯示以及保存。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.1 System hardware block diagram

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)是通過(guò)LabVIEW 程序設(shè)計(jì)，主要流程圖如圖2 所示。NI 公司的LabVIEW 是圖形化編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、波形顯示以及信號(hào)處理分析等功能[10]。

圖2 上位機(jī)軟件流程圖Fig.2 Upper computer software flow chart

2.1 串口配置

在系統(tǒng)中，主機(jī)與上位機(jī)通過(guò)串口通訊，上位機(jī)首先將“采集數(shù)據(jù)”指令以十六進(jìn)制的格式發(fā)送給主機(jī)喚醒系統(tǒng)工作。 在此之前要配置串口的各個(gè)參數(shù)，LabVIEW 利用VISA 資源配置串口見(jiàn)圖3 所示。資源名稱(chēng)定為吊鉤角度；波特率設(shè)為9600；數(shù)據(jù)位為8 位；無(wú)奇偶校驗(yàn)位；停止位為1 位；無(wú)終止符。

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

2.2 串口讀寫(xiě)

該系統(tǒng)的工作模式為上位機(jī)發(fā)送一次 “數(shù)據(jù)采集”指令，數(shù)據(jù)采集器采集一次姿態(tài)角度數(shù)據(jù)， 因此配置串口完成后， 需要編寫(xiě)串口循環(huán)讀寫(xiě)模塊。 在該循環(huán)讀寫(xiě)模塊中添加條件結(jié)構(gòu)，篩選出一幀正確格式的數(shù)據(jù)，濾除強(qiáng)磁的干擾。 串口讀寫(xiě)模塊如圖4 所示。起重機(jī)吊鉤作業(yè)比較緩慢，將采樣頻率設(shè)置為2Hz。 循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)放置“寫(xiě)入”和“讀取”控件，第一個(gè)條件結(jié)構(gòu)為真時(shí)，發(fā)送“采集數(shù)據(jù)指令”，系統(tǒng)啟動(dòng)后將該條件結(jié)構(gòu)的按鈕開(kāi)關(guān)打開(kāi)， 實(shí)現(xiàn)串口循環(huán)讀寫(xiě)功能。將“讀取”控件的返回?cái)?shù)作為下一條件結(jié)構(gòu)的判斷值，當(dāng)讀取的一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度正確時(shí)， 即數(shù)據(jù)進(jìn)入該條件結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行截取。 根據(jù)數(shù)據(jù)采集器的傳輸協(xié)議，“截取子字符串”控件分別截取姿態(tài)傳感器X、Y、Z 方向的加速度值對(duì)應(yīng)位置以及長(zhǎng)度的字符串，生成相應(yīng)的子字符串。

圖4 讀寫(xiě)模塊Fig.4 Read and write module

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

VISA 資源配置串口中，“VISA 讀取” 控件讀出的數(shù)據(jù)格式為十六進(jìn)制字符串。 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊Fig.5 Data conversion module

2.4 前面板設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)潔合理的前面板是人機(jī)交互的重要保證， 本文使用LabVIEW 的選項(xiàng)卡將前面板分為兩個(gè)界面。第一個(gè)是主界面，見(jiàn)圖6，主界面顯示兩個(gè)的吊鉤角度值、角度差以及電池電量等信息，此外還通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)提示起吊狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)主界面Fig.6 System main interface

第二個(gè)是配置界面，見(jiàn)圖7，配置界面用于系統(tǒng)工作前，調(diào)試采樣角度，角度閾值以及角度預(yù)警值。

圖7 系統(tǒng)配置界面Fig.7 System configuration interface

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后， 在鋼鐵冶煉車(chē)間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，見(jiàn)圖8。 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到雙吊鉤都正常勾住鋼包的兩個(gè)耳軸時(shí)，可進(jìn)行鋼包起吊作業(yè)；反之，上位機(jī)應(yīng)該發(fā)出報(bào)警信息， 停止鋼包的起吊作業(yè)。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是在某公司的鋼鐵冶煉車(chē)間進(jìn)行的， 起重機(jī)進(jìn)行了一個(gè)完整的運(yùn)輸作業(yè)。

圖8 鋼鐵冶煉車(chē)間實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Field experiment in steel smelting workshop

起重機(jī)吊鉤作業(yè)較為緩慢平穩(wěn)，一個(gè)工作周期大約為12min， 系統(tǒng)設(shè)定采樣頻率為2Hz，連續(xù)采樣16min，其姿態(tài)角度和姿態(tài)角度差分別見(jiàn)圖9和圖10， 圖9 和圖10 中的相同狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)同一時(shí)間段。該系統(tǒng)設(shè)定撞鉤的正方向?yàn)榈蹉^姿態(tài)角正方向，吊鉤自然懸垂?fàn)顟B(tài)的姿態(tài)角度為0°。 吊鉤角度預(yù)警值設(shè)為-5°，由起重機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可知，吊鉤的姿態(tài)角度無(wú)法穩(wěn)定在正方向，因此上位機(jī)即可設(shè)定-5 到0 的角度區(qū)間為正常掛鉤。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，狀態(tài)1 表示當(dāng)起重機(jī)靠近鋼包，吊鉤A、B 姿態(tài)角度均為0°，此時(shí)雙吊鉤為自然懸垂?fàn)顟B(tài)。狀態(tài)2 表示起重機(jī)撞擊鋼包耳軸，吊鉤往復(fù)運(yùn)動(dòng)模擬鉤尖勾住鋼包耳軸，所以吊鉤角度有較大的振動(dòng)，此時(shí)起吊無(wú)法吊起鋼包。 狀態(tài)3 表示起重機(jī)的兩個(gè)吊鉤都用鉤尖掛住鋼包耳軸，姿態(tài)角度差為0°，但姿態(tài)角為-6°，超過(guò)吊鉤的預(yù)警值。若此時(shí)起吊，起重機(jī)小車(chē)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊足以使鋼包從雙吊鉤上脫落，造成嚴(yán)重事故。狀態(tài)4 表示起重機(jī)兩個(gè)吊鉤都正常的勾住鋼包耳軸， 此時(shí)吊鉤的姿態(tài)角與正常懸垂時(shí)的姿態(tài)角相同，都為0°，上位機(jī)提示可以起吊。 狀態(tài)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(guò)吊鉤的預(yù)警值。若此時(shí)起吊，吊鉤B 會(huì)受到?jīng)_擊而與該側(cè)的鋼包耳軸脫離，導(dǎo)致鋼包側(cè)翻事故。狀態(tài)6 表示雙吊鉤正常勾住鋼包耳軸，與狀態(tài)4 完全相同。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地感知吊鉤的姿態(tài)角度變化， 并能及時(shí)準(zhǔn)確判斷雙吊鉤的掛鉤狀態(tài)，指導(dǎo)吊車(chē)司機(jī)工作，避免鋼包傾覆事故。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)姿態(tài)角度數(shù)據(jù)Fig.9 Attitude angle data of field experiment

圖10 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)姿態(tài)角度差數(shù)據(jù)Fig.10 Attitude angle difference of field experiment

4 結(jié)論

本文基于LabVIEW 軟件程序設(shè)計(jì)鋼包吊鉤姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)，用數(shù)據(jù)采集器A、B 和主機(jī)作為系統(tǒng)下位機(jī)硬件模塊， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雙吊鉤姿態(tài)角度來(lái)判別起重機(jī)的掛鉤狀態(tài)。根據(jù)在鋼鐵冶煉車(chē)間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)可知，系統(tǒng)在車(chē)間的通信狀態(tài)良好， 并且兩個(gè)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集器具有較高的穩(wěn)定性，能承受一定的沖擊振動(dòng)。在吊鉤角度和角度差預(yù)警值設(shè)定為5°時(shí)， 系統(tǒng)能夠通過(guò)兩個(gè)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集器采集的姿態(tài)信息判別起重機(jī)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(tài)。