CN111397605A - 一种基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法 - Google Patents

一种基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，涉及建筑工程机械技术领域，包括以下步骤：通过惯性传感器分别测量对应臂架上相应端的X、Y和Z轴方向上的加速度值和角速度值；对惯性传感器进行标定以及对测得的数据进行处理，获得各臂架的弯曲角度以及相邻臂架之间的夹角；最后获得到臂架空间笛卡尔坐标，本发明相对于油缸位移法和倾角传感器法，基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法安装方便，数据内容丰富，检测结果支持更多的工程应用，特别为臂架控制技术提供了广阔的发展空间。

Description

一种基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法
技术领域
本发明涉及建筑工程机械技术领域，尤其涉及一种基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法。
背景技术
泵从车的本体端和作业端之问通常设置多节臂架，以便于远程操作控制。多节臂架通常是由多个单臂以可相对转动的方式铰接连接而成，通过控制各机械臂的姿态和方向实现对末端的作业端的位置控制。对于多节臂架的上述工况，会存在比较大的缺陷，比如静止工况下产生不规律的振动，可能会带来共振，平移状态下臂架会由于惯性作用发生摆动,这些都会对作业设备整体带米安全风险。现有技术中通过检测臂架姿态得到数据，通过此数据控制臂架抑制振动。
当前国内外臂架姿态检测方法主要有两种：
一种是基于油缸位移的检测方法：根据油缸伸缩长度和臂架结构尺寸计算相邻两臂的相对角度Ain2i(如图4所示，i为臂序数)，结合臂架长度1i推算出节点在竖直平面的笛卡尔坐标(Xi，Yi)，依次推算出臂架空间姿态；不足在于只能检测节点角度，检测结果信息单一且安装复杂。
另一种为基于倾角传感器的检测方法:检测臂架两端水平倾角值，臂架弯曲度Ain2i-1为臂架两端倾角值之差，相邻两节臂夹角Ain2i等于相邻两节臂靠近节点处传感器倾斜角之差：结合Ain2i-1、Ain2i与臂架长度li推算出每个节点在臂架所在竖直平面的笛卡尔坐标(Xi，Yi)，得到臂架空间姿态。优点是能够检测臂架弯曲情况，缺点是无法检测振动，检测数据单一。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，包括以下步骤：
S1:通过各臂架首末两端设置惯性传感器，分别测量对应臂架上相应端的X、Y和Z轴方向上的加速度值和角速度值；
S2：对惯性传感器进行标定以及对测得的数据进行处理，得到真实的获得加速度值和角速度值；
S3：根据加速度值和角速度值获得各臂架的弯曲角度以及相邻臂架之间的夹角；
S4：利用上述弯曲角度以及夹角可得到臂架因变形产生偏移；
S5：根据所述偏移即可获得到臂架空间笛卡尔坐标。
进一步的，所述惯性传感器安装于臂架的两端，检测的臂架两端X、Y轴方向上的加速度值与角速度值。
进一步的，所述惯性传感器采用ICM20689惯性传感器，所述惯性传感器内部集成三轴加速度与三轴陀螺仪传感器。
进一步的，所述标定传感器的过程为：
在臂架收起的状态下，臂架没有受到负载或外力，每节臂处于近似无弯曲状态下，使用倾角测量传感器n上平面倾角真值αn，同时记录数据处理器处理后的传感器真值数据Accyn和Accxn，传感器空间倾角真值与实际倾角值之间的移值γn通过如下计算过程得到：
γn＝arctan2(Accyn/Accxn)-αn
其中，an为传感器实际空间倾角值，Accyn为传感器的Y轴加速度，Accyn为感器的X轴加速度；
传感器检测所得空间倾角值θbn通过如下计算过程得到：
θbn＝arctan2(Accyn/Accxn)-γn
式中，θbn为传感器n的空问倾斜角，Accyn为传感器n检测得到的Y轴加速度,Accxn为传感器n检测得到的X轴加速度，γn为传感器的重力加速度偏移。
进一步的，所述数据处理的过程为：
通过互补滤波，对惯性传感器数据进行过滤消除漂移误差，通过如下方式实现：
An＝Complementary-Filter(θbn，Grozn)
式中，θbn为传感器n的空问倾斜角，Groz为传感器n检测得到Z轴角速度；
并构建臂架空间角度描述矩阵Ain，
Ain＝[A0，A1-A0，A2-A1，…，AN-1-AN-2]；
通过臂架空间角度描述矩阵变换可以换算得到传感器的空间倾斜角真值θn。
进一步的，所述获得到臂架空间笛卡尔坐标的方法为先计算臂架空间斜率，然后通过斜率得到计算臂架末端的坐标。
进一步的，所述计算臂架空间斜率的方法为：
泵车展开工况下，因自重或混凝土重力导致泵车臂架产生弯曲形变，弯曲形变使用bend(x)＝-asinh(t(x/2))/sin(x/2))平抛下落曲线近似模拟；
现对第i节臂进行推算，第i节臂起始端倾斜角为θ2i-1，末端倾斜角为θ2i，根据斜率在bend(x)上找到第节臂起始端(BX2i-1,BY2i-1)和末端(BX2i,BY2i)对应，通过计算公式：
bend'-1(tan(θ2i-1))＝BX2i-1bend(X2i-1)＝BY2i-1
bend'-1(tan(θ2i))＝BX2i bend(X2i)＝BY2i
得到第i节臂空间斜率k，得到空间斜率k的计算方法为k＝(BY2i-1-BY2i)/(BY2i-1-BY2i)。
进一步的，所述通过斜率得到计算臂架末端坐标的方法为：
假设已经求出第i节臂的空间笛卡尔起始坐标(Xsi，Ysi)，根据起始坐标求第i节臂的末端坐标(Xei，Yei)的方法为：
Figure BDA0002412461850000041
式中，(Xsi，Ysi)为任一臂架起始坐标，(Xei，Yei)为该节臂架末端坐标,1为该任一臂架的长度,k为第i节臂空间斜率；
其中，第i节臂的起点(Xsi，Ysi)与第i-1节臂的关系为：
(Xsi，Ysi)＝(0，0)，i＝1
(Xei-1，Yei-1)，i≠1
通过上述公式，可以从第1节臂的起点(0，0)开始递推至第i节臂，得到臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵：
Figure BDA0002412461850000051
进行分析，臂架空间姿态的描述数据为臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵M。
进一步的，还包括通过臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵M绘制臂架空间姿态。
进一步的，连接所述惯性传感器的线束插头为M12四芯孔头，线束在内部焊接后整体注塑成型，所注塑的材质为PUR弹性体。
本发明的有益效果是：本基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法中使用的惯性传感器通过互补滤波器计算得到传感器倾斜角，通过多个传感器联合计算，计算出各节臂的空间弯曲度，相邻臂之间的空间夹角，因惯性传感器可以检测加速度与角速度，因此能够实时分析臂架的振动与空间运动情况，为后续系统进行实时监测泵车臂架姿态与受力形变，泵车安全控制、智能化控制、臂架健康管理、减振控制提供有效的数据基础。
综上，相对于油缸位移法和倾角传感器法，本方法安装方便，数据内容丰富，检测结果支持更多的工程应用，特别为臂架控制技术提供了广阔的发展空间。
附图说明
图1为本发明提出的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法的步骤图；
图2为本发明提出的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法的惯性传感器安装示意图；
图3为发明提出的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法中线束的截面图；
图4为油缸检测法的臂架空间角度描述矩阵图。
图中：1基座、2臂架、3油缸、4传动连杆、5出料口、01-12惯性传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参考图2，本实施例中的泵送车设置有6个臂架2，但本发明中对臂架节数并不进行具体数量的限定,可以为任意其他节数。木实施例中,包括靠近泵送车的为第一臂架,它与泵送车基座1位连接，任意相邻两个臂架2之间设置油缸3,以在臂架连接部位进行驱动,用于控制臂架2在立体空间白如伸缩、白动调节姿态或相对距离。油缸3上的驱动杆通过传动连杆4与臂架连接，以用于实现相邻臂架2之间的相对转动。臂架未端设置出料口5，通过各节臂架的联动实现对作业部件的位置控制。
为监测泵车臂架空间、运动等状态,在各节臂架2两端均安装有惯性传感器，惯性传感器安装于01-12处，这12个惯性传感器可通过线束连接到CAN总线上,各惯性传感器检测到的实时信号通过例如CAN总线3传送到控制器。
进一步的，所述惯性传感器采用ICM20689惯性传感器，ICM20689惯性传感器适用于检测加速度、角速度的多自由度运动传感器，传感器内部集成三轴加速度与三轴陀螺仪传感器，三轴加速度传感器测量X、Y、Z三轴的加速度(Accx、Accy、Accz)，三轴陀螺仪传感器用于测量X、Y、Z三轴的角速度(Grox、Groy、Groz)，其中XYZ轴方向遵循笛卡尔坐标系；陀螺仪最高分辨率0.0076°/s，最大量程±2000°，静态漂移小于2％，噪音小于0.05°/s，采样频率8000Hz，测得数据为对应轴的角速度；加速度最高分辨率0.0006G，最大量程±16G静态漂移小于0.02％，噪音小于0.024G，检测频率1000Hz，测得数据为对应轴的加速度；惯性传感器广泛的用于工业自动化、工程机械、姿态控制等工业领域、惯性传感器通常配合互补滤波器一起使用。
参考图1，在惯性传感器测量之前需要进行传感器标定，惯性传感器标定的过程为：
在臂架收起的状态下，臂架没有受到负载或外力，每节臂处于近似无弯曲状态下，使用倾角测量传感器n上平面倾角真值αn，同时记录数据处理器处理后的传感器真值数据Accyn和Accxn，传感器空间倾角真值与实际倾角值之间的移值γn通过如下计算过程得到：
γn＝arctan2(Accyn/Accxn)-αn
其中，an为传感器实际空间倾角值，Accyn为传感器的Y轴加速度，Accyn为感器的X轴加速度；
传感器检测所得空间倾角值θbn通过如下计算过程得到：
θbn＝arctan2(Accyn/Accxn)-γn
式中，θbn为传感器n的空问倾斜角，Accyn为传感器n检测得到的Y轴加速度,Accxn为传感器n检测得到的X轴加速度，γn为传感器的重力加速度偏移。
惯性传感器检测得到的数据经互补过滤波器处理，互补滤波器是专门针对于惯性传感器数据处理的综合滤波器，惯性传感器中加速度传感器灵敏度高，噪音大；而陀螺仪积分得到的角度不受加速度影响，但积分产生的漂移和温度漂移带来的误差较大，这两个传感器可以互相弥补对方的缺点，准确地测量出惯性传感器空间偏移角；短时间采用陀螺仪积分数据为最优，定时使用加速度采样取平均值来修正陀螺仪得到的角度，以此达到互补的作用。
互补滤波器的算法为：
一阶互补滤波器：
Angle＝K·AngAcc+(1-K)·(Angle+Gro*dt)；
二阶互补滤波器：
y1＝y1+(AngAcc-Angle)·(1-K)2·dt
x2＝y1+2·(1-K)·(AngAcc-Angle)+Gro
Angle＝Angle+x2·dt
其中，K＝τ/(τ+dt)，dt＝1/f，f为采样频率，τ为修正时间间隔，在z轴垂直于重力方向的情况下AngAcc＝atanh2(Accx，Accy)，Gro＝Groz。
假定方向以混凝土泵车底座为起始端，以臂架尾部为末端；X轴方向为臂架水平展开时由起始端指向末端，Y轴方向为臂架垂直水平面指向天空时由起始端指向末端，z轴方向垂直于XY轴所在平面,由泵车顶端向下观测的顺时针方向。设定N＝2I，N为传感器数量，I为臂架数量，n为传感器序数，i为臂架序数，θb为传感器输出值，θ为平衡滤波器输出值。
通过互补滤波，对惯性传感器数据进行过滤消除漂移误差，通过如下方式实现：
An＝Complementary-Filter(θbn，Grozn)
式中，θbn为传感器n的空问倾斜角，Groz为传感器n检测得到Z轴角速度；
并构建臂架空间角度描述矩阵Ain，
Ain＝[A0，A1-A0，A2-A1，…，AN-1-AN-2]；
通过臂架空间角度描述矩阵变换可以换算得到传感器的空间倾斜角真值θn，间倾斜角真值θn＝nj＝0ΣAin[j]。
进一步的，所述获得到臂架空间笛卡尔坐标的方法为先计算臂架空间斜率，然后通过斜率得到计算臂架末端的坐标。
所述计算臂架空间斜率的方法为：
泵车展开工况下，因自重或混凝土重力导致泵车臂架产生弯曲形变，弯曲形变使用bend(x)＝-asinh(t(x/2))/sin(x/2))平抛下落曲线近似模拟；
现对第i节臂进行推算，第i节臂起始端倾斜角为θ2i-1，末端倾斜角为θ2i，根据斜率在bend(x)上找到第节臂起始端(BX2i-1,BY2i-1)和末端(BX2i,BY2i)对应，通过计算公式：
bend'-1(tan(θ2i-1))＝BX2i-1bend(X2i-1)＝BY2i-1
bend'-1(tan(θ2i))＝BX2i bend(X2i)＝BY2i
得到第i节臂空间斜率k，得到空间斜率k的计算方法为k＝(BY2i-1-BY2i)/(BY2i-1-BY2i)。
进一步的，所述通过斜率得到计算臂架末端坐标的方法为：
假设已经求出第i节臂的空间笛卡尔起始坐标(Xsi，Ysi)，根据起始坐标求第i节臂的末端坐标(Xei，Yei)的方法为：
Figure BDA0002412461850000101
式中，(Xsi，Ysi)为任一臂架起始坐标，(Xei，Yei)为该节臂架末端坐标,l为该任一臂架的长度,k为第i节臂空间斜率；
其中，第i节臂的起点(Xsi，Ysi)与第i-1节臂的关系为：
(Xsi，Ysi)＝(0，0)，i＝1
(Xei-1，Yei-1)，i≠1
通过上述公式，可以从第1节臂的起点(0，0)开始递推至第i节臂，得到臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵：
Figure BDA0002412461850000102
进行分析，臂架空间姿态的描述数据为臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵M。
进一步的，基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法还包括通过臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵M绘制臂架空间姿态。
进一步的，连接所述惯性传感器的线束插头为M12四芯孔头，引脚定义为1脚：CANL、2脚:24V、3脚：CANH和4脚：GND，线束在内部焊接后整体注塑成型，所注塑的材质为PUR弹性体，PUR耐磨耐油耐高温，适用泵送车的车况。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:通过各臂架首末两端设置惯性传感器，分别测量对应臂架上相应端的X、Y和Z轴方向上的加速度值和角速度值；
S2：对惯性传感器进行标定以及对测得的数据进行处理，得到真实的获得加速度值和角速度值；
S3：根据加速度值和角速度值获得各臂架的弯曲角度以及相邻臂架之间的夹角；
S4：利用上述弯曲角度以及夹角可得到臂架因变形产生偏移；
S5：根据所述偏移获得到臂架空间笛卡尔坐标。
2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述惯性传感器安装于臂架的两端，检测的臂架两端X、Y轴方向上的加速度值与角速度值。
3.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述惯性传感器采用ICM20689惯性传感器，所述惯性传感器内部集成三轴加速度与三轴陀螺仪传感器。
4.根据权利要求3所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述标定传感器的过程为：
在臂架收起的状态下，臂架没有受到负载或外力，每节臂处于近似无弯曲状态下，使用倾角测量传感器n上平面倾角真值αn，同时记录数据处理器处理后的传感器真值数据Accyn和Accxn，传感器空间倾角真值与实际倾角值之间的移值γn通过如下计算过程得到：
γn＝arctan2(Accyn/Accxn)-αn
其中，an为传感器实际空间倾角值，Accyn为传感器的Y轴加速度，Accyn为感器的X轴加速度；
传感器检测所得空间倾角值θbn通过如下计算过程得到：
θbn＝arctan2(Accyn/Accxn)-γn
式中，θbn为传感器n的空问倾斜角，Accyn为传感器n检测得到的Y轴加速度,Accxn为传感器n检测得到的X轴加速度，γn为传感器的重力加速度偏移。
5.根据权利要求3所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述数据处理的过程为：
通过互补滤波，对惯性传感器数据进行过滤消除漂移误差，通过如下方式实现：
An＝Complementary-Filter(θbn，Grozn)
式中，θbn为传感器n的空问倾斜角，Groz为传感器n检测得到Z轴角速度；
并构建臂架空间角度描述矩阵Ain，
Ain＝[A0，A1-A0，A2-A1，…，AN-1-AN-2]；
通过臂架空间角度描述矩阵变换可以换算得到传感器的空间倾斜角真值θn。
6.根据权利要求3所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述获得到臂架空间笛卡尔坐标的方法为先计算臂架空间斜率，然后通过斜率得到计算臂架末端的坐标。
7.根据权利要求6所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述计算臂架空间斜率的方法为：
泵车展开工况下，因自重或混凝土重力导致泵车臂架产生弯曲形变，弯曲形变使用bend(x)＝-asinh(t(x/2))/sin(x/2))平抛下落曲线近似模拟；
现对第i节臂进行推算，第i节臂起始端倾斜角为θ2i-1，末端倾斜角为θ2i，根据斜率在bend(x)上找到第节臂起始端(BX2i-1,BY2i-1)和末端(BX2i,BY2i)对应，通过计算公式：
bend'-1(tan(θ2i-1))＝BX2i-1bend(X2i-1)＝BY2i-1
bend'-1(tan(θ2i))＝BX2ibend(X2i)＝BY2i
得到第i节臂空间斜率k，得到空间斜率k的计算方法为k＝(BY2i-1-BY2i)/(BY2i-1-BY2i)。
8.根据权利要求7所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述通过斜率得到计算臂架末端坐标的方法为：
假设已经求出第i节臂的空间笛卡尔起始坐标(Xsi，Ysi)，根据起始坐标求第i节臂的末端坐标(Xei，Yei)的方法为：
Figure FDA0002412461840000031
式中，(Xsi，Ysi)为任一臂架起始坐标，(Xei，Yei)为该节臂架末端坐标,l为该任一臂架的长度,k为第i节臂空间斜率；
其中，第i节臂的起点(Xsi，Ysi)与第i-1节臂的关系为：
(Xsi，Ysi)＝(0，0)，i＝1
(Xei-1，Yei-1)，i≠1
通过上述公式，可以从第1节臂的起点(0，0)开始递推至第i节臂，得到臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵：
Figure FDA0002412461840000041
进行分析，臂架空间姿态的描述数据为臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵M。
9.根据权利求1所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架要
姿态实时检测方法，其特征在于，还包括通过臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵M绘制臂架空间姿态。
10.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，连接所述惯性传感器的线束插头为M12四芯孔头，线束在内部焊接后整体注塑成型，所注塑的材质为PUR弹性体。
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