混凝土泵车末端软管运动趋势检测系统的设计

余金华，陈新元

（武汉科技大学 机械自动化学院，武汉 430000）

混凝土泵车末端软管运动趋势检测系统的设计

余金华，陈新元

（武汉科技大学 机械自动化学院，武汉 430000）

针对混凝土泵车末端软管的运动趋势，提出用三轴重力加速度传感器进行检测的方法，确定检测系统的组成及功能。经过电子元器件的选型、电路的设计和程序的编写，完成了测试系统的硬件设计和软件设计，使运动趋势检测系统得到实现。通过静态条件下的功能测试，运动趋势检测系统能够完成对末端软管运动趋势检测，并在显示设备上进行显示。

混凝土泵车；运动趋势检测；相对方位角

0 引言

混凝土泵车臂架系统的控制是通过遥控器分别控制单节臂来调整末端软管出料口的位置，这种控制单节臂的方式需要多步操作才能实现，操作方式比较复杂，对操作工人的业务能力要求很高，臂架动作缓慢。实现混凝土泵车臂架系统控制智能化，可以避免现有控制方式的诸多弊端，实现快速准确浇注。

臂架系统控制智能化的一种方式是在混凝土泵车各节臂和末端软管上安装传感器，这些传感器将测量数据送到中央处理器，当人工拖拽布料软管时，中央处理器根据末端软管的运动趋势及臂架系统的当前状态计算出各节臂及回转台的运动状态，并将参数反馈给各执行元件执行，这样就能实现混凝土泵车臂架系统末端随动功能，末端随动控制要依据末端布料软管的姿态来确定其运动趋势，因而对混凝土泵车末端软管运动趋势进行检测，是臂架系统末端随动控制系统的重要环节。

1 运动趋势检测原理

软管在自由状态下呈现竖直状态，当人工进行拖拽后软管会发生一定方位的倾斜，软管倾斜的方位就是它的运动趋势。对软管倾斜状态的倾斜方位进行相应的量化，并用数学方法进行描述，便是对混凝土泵车末端软管运动趋势的测量。

以布料软管竖直状态时中心轴线的顶端为坐标原点，建立一个空间直角坐标系O-xyz，将此坐标系命名为相对方位坐标系。相对坐标系的位置随着混凝土泵车臂架系统运动状态的改变而发生位置的变化，坐标系的z轴保持竖直状态。将末端布料软管简化成一条线段，软管竖直状态如图1中线段OA，人工拖拽发生倾斜后的状态如图1中线线段OB。软管的运动趋势如图1中虚线所示，将虚线投影到xOy平面上如图1中向量OP，软管的运动趋势就是向量OP所指向的方位。

图1 末端软管运动趋势示意图

对向量OP的方位进行量化，便可用具体的数学参量来描述末端软管的运动趋势。令向量OP与x轴正半轴沿逆时针方向夹角为α，如图1所示，夹角α称为相对方位角，用数学参量α可对末端软管运动趋势进行准确的数学描述，α取值范围为0°到360°。在对软管运动趋势的检测中，以相对方位角α为目标参量进行测量。在得到相对方位角α的值后，即可作为混凝土泵车臂架系统智能控制计算中一个参量，为智能控制确定方位。

2 运动趋势检测方法

建立一个测量轴，当测量轴产生倾斜时，重力加速度会在测量轴上产生一个重力加速度分量，应用加速度传感器可以对测量轴上的重力加速度分量进行测量。

用上述测量重力加速度分量的方法进行混凝土泵车末端软管运运动趋势检测，可选用三轴重力加速度传感器，在混凝土泵车末端软管上构建三轴空间测量坐标系如图2所示，三个测量轴分别对应测量坐标系的x、y、z轴。当末端软管处于自然竖直状态时，测量坐标系与相对方位坐标系中的x、y、z轴平行，但正半轴方向相反。三轴重力加速度传感器的三个轴分别对应测量坐标系的x、y、z轴。gx、gy、gz分别为重力加速度g在x、y、z轴上的分量。

图2 测重力加速度分量求相对方位角原理图

调整重力加速度传感器的z轴与布料软管的中心轴线平行，那么重力加速度传感器与布料软管在测量位置处将有相同的姿态。当布料软管姿态发生改变时，测量轴上重力加速度分量就会发生变化，重力加速度传感器测得重力加速度分量值后便可计算相对方位角α。根据gx和gy计算出*α，如式（1）。

由式（1）计算出来的相对方位角*α的范围为-90°到90°，根据软管运动趋势检测原理，相对方位角α取值范围为0°到360°。当相对方位角超出*α的范围时，就需要根据gx和gy的正负对α的象限进行判断，并由此将式（1）计算出的相对方位角*α转换为0°到360°范围内的值，如式（2）。

因此，只要测得重力加速度在测量坐标系中的x轴分量和y轴分量，便可计算得出相对方位角α的准确值。

3 检测系统方案设计

根据测量重力加速度分量的方法对软管运动趋势进行检测，设计一套运动趋势检测系统。运动趋势检测系统的方案设计框图如图3所示。

图3 无线运动趋势检测系统设计框图

在运动趋势检测系统中，传感器负责测量重力加速度分量，单片机是检测系统的中央处理器，系统的控制指令都是由单片机发出的，是检测系统的核心部分。数据采集端的单片机系统要接收传感器的输出信号并对接收到的信号进行数据处理，包括A/D转换、相对方位角的计算等，并将处理好的信息发送到无线传输模块，控制无线传输模块进行数据的发送。数据监测端的单片机系统要控制无线传输模块对数据进行接收处理，并控制显示模块对运动趋势信息进行显示，同时将运动趋势检测信息传送到计算机。无线传输模块完成信号的调制和解调。计算机可对运动趋势信息进行曲线绘制，并对信号进行分析。

4 系统硬件选定及软件设计

在测试系统中，采用STC89C52RC单片机系统与计算机通讯，从计算机下载程序到单片机，单片机与计算机之间采用USB数据线进行数据的传输。MMA7361三轴重力加速度传感器模块采集到的数据以模拟量为输出，PCF8591芯片将传感器模块输出的模拟量转换成数字量，并由单片机控制进行数据的传输。液晶显示模块12864ZW与STC89C52RC单片机之间采用串行方式进行数据的读/写操作，根据需要编写出相应的显示内容。

本文应用MATLAB软件进行界面的设计和程序的编写，MATLAB软件有自带的GUI设计工具GUIDE，并且MATLAB软件的绘图功能很完善，能够很好的完成界面设计和程序编写。

用c语言程序分别设计A/D转换程序模块、无线通讯程序模块、串口通讯程序模块、LCD显示程序模块、数据采集端的程序、数据监测端的程序和计算机监测程序。

5 设计成果

根据选定的硬件设计实物图如图4所示，将MMA7361三轴加速度传感器模块水平放置后向各个方向倾斜以模拟混凝土泵车末端软管的运动时，运动趋势检测系统能够测量得到末端软管运动的相对方位角，并能将实时方位角显示出来。传感器静态时测得的方位角LCD显示及计算机动态图形绘制如图5和图6所示。

图4 混凝土泵车末端软管运动趋势检测系统实物图

6 结束语

图5 运动趋势在显示器上显示

图6 运动趋势检测计算机监控界面

本文以混凝土泵车末端软管运动趋势为研究对象，对软管运动趋势检测原理进行了总结，并且根据测量原理提出可用于软管运动趋势检测的方法，运用单片机及相关模块编程实现了信号的采集、分析处理和在电脑和单片机显示模块上的实时显示。对软管运动趋势检测系统进行了设计实现。

[1] 刘白雁,苏义脑,陈新元,等.自动垂直钻井中井斜动态测量理论与实验研究[J].石油学报,2006,27(4).

[2] 陆刚.论混凝土泵车发展新主张[J].混凝土世界,2011(3)：28-32.

[3] 张艳伟,孙国正,石来德.混凝土泵车支腿反力计算及基于 ANSYS 的支腿结构分析[J].中国工程机械学报,2004(3)：253-258.

[4] 张鑫,孙新香.基于 MMA7260QT 三轴加速度传感器的跌倒探测仪的研制[J].世界电子元器件,2008(1)：89-94.

Design of the movement trend detection system for the end of the concrete pump truck hose

Y U Jin-hua, CHEN Xin-yuan

TU646

A

1009-0134(2014)05(下)-0143-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).41

2014-02-27

余金华（1986 -），男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事液压传动与控制方面的研究工作。