基于MEMS微加速度計的無視覺傳感器防搖控制系統(tǒng)研究
發(fā)布時間:2008/5/29 0:00:00 訪問次數(shù):476
肖 鵬，王 冰
摘 要：通過建立起重機(jī)吊重擺動的數(shù)學(xué)模型，明確吊重擺角與小車運(yùn)行加減速之間的關(guān)系，并將mems微加速度計應(yīng)用到起重機(jī)的防搖控制中，建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，適時根據(jù)吊重擺角大小修正小車速度指令，實現(xiàn)防搖控制。實驗證明，這種方法簡單、經(jīng)濟(jì)，不需要安裝視覺傳感器測量吊重擺角，可以有效地消除載荷的搖動。
關(guān)鍵詞：起重機(jī)；防搖控制；微機(jī)電系統(tǒng)(mems)；微加速度計；視覺傳感器
引言
起重機(jī)在工作過程中，由于小車運(yùn)行的加速或減速，經(jīng)常會導(dǎo)致吊重的搖擺，這不僅增加吊重卸料難度，而且給起重機(jī)的作業(yè)帶來了不安全因素。因此，在起重機(jī)作業(yè)時，吊重的擺幅必須控制在一定范圍內(nèi)，到達(dá)目的地時吊重應(yīng)立即停擺。為此，人們已經(jīng)提出了多種防搖措施：如采用交叉鋼絲繩減搖裝置、分離小車減搖裝置、翹板梁式減搖裝置等機(jī)械防搖系統(tǒng)。由于機(jī)械式防搖其本質(zhì)都是通過機(jī)械手段來消耗擺動能量以達(dá)到最終消除擺動的目的，沒有將減搖與小車運(yùn)行控制結(jié)合起來考慮，減搖效果在很大程度上取決于操作人員的熟練程度，而且在起重機(jī)滿載和空載兩種情況下的減搖效果差別很大，難以滿足用戶要求。后來出現(xiàn)了帶視覺傳感器電子防搖技術(shù)，通過各種傳感器和檢測元件將檢測到的信息傳送到控制系統(tǒng)中的微機(jī)，經(jīng)微機(jī)內(nèi)部控制軟件處理后將最佳的控制參數(shù)(如pid控制參數(shù))提供給小車調(diào)速系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)小車的速度和方向，控制小車的運(yùn)行，來減少吊具及負(fù)載的擺動幅度。但由于目前所采用的是通過在小車架上安裝一個發(fā)射裝置(激光發(fā)射器、攝像頭等)和一個接收裝置，在吊具上架安裝一個反射器，吊具前后擺動時，檢測吊具前后擺動的角度。由于需要附加安裝價格昂貴的視覺傳感器檢測和接收系統(tǒng)，所需付出的代價是很大的；在天氣惡劣的情況下(如遇濃霧、暴雨、直射陽光等) ，視覺傳感器的使用也常常受到某些限制，難以獲得最佳控制效果。
本文通過建立起重機(jī)載荷擺動的數(shù)學(xué)模型，明確吊重擺幅與小車運(yùn)行加減速之間的關(guān)系，并將基于微機(jī)電系統(tǒng)(mems)加工技術(shù)制作的微加速度計應(yīng)用到起重機(jī)的防搖控制系統(tǒng)中，即時檢測小車運(yùn)行加速度并估計得到吊重偏擺角度。通過建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，適時根據(jù)吊重擺幅大小修正小車速度指令，實現(xiàn)防搖控制。這種方法克服了傳統(tǒng)的機(jī)械式防搖技術(shù)及帶視覺傳感器電子防搖技術(shù)中的不足與缺陷，達(dá)到理想的控制效果。
起重機(jī)吊重擺動的數(shù)學(xué)模型
小車-吊重擺動系統(tǒng)簡化力學(xué)模型分析如圖1(a)所示。m和m分別為小車和吊重的質(zhì)量，l為纜繩的長度，x表示小車在水平方向上的位移，θ表示吊重的擺角，f為小車運(yùn)行牽引力，f為小車運(yùn)行靜阻力，g為重力加速度。
為了便于分析，根據(jù)起重機(jī)工作的基本情況，這里作一些簡化處理：
(1)假定小車在行走的過程中，纜繩的質(zhì)量相對于吊重及小車的質(zhì)量可忽略不計；
(2)吊重及吊架看作整體視為質(zhì)量塊m加以分析；
(3)吊重與纜繩在運(yùn)行過程中所受的風(fēng)力和空氣阻尼以及系統(tǒng)的彈性變形均不計。
(a)小車-吊重擺動系統(tǒng) (b)吊重受力平衡
圖1 小車-吊重系統(tǒng)力學(xué)模型
如圖1(b)所示，設(shè)纜繩的張力為t，取x、θ為廣義坐標(biāo)，對小車建立運(yùn)動微分方程：
根據(jù)達(dá)朗伯原理，對吊重進(jìn)行受力分析，它受重力mg，纜繩張力t，法向慣性力fng ，切向慣性力fτg ，水平慣性力f1作用。如圖1( b)所示。在水平方向上建立平衡方程，有
在垂直于纜繩方向上建立平衡方程，有：
整理可得：
則吊具擺動的線性化模型為：
如果只考慮在操作點θ0附近只有很小的θ變化，并假定在整個過程中纜繩的長度l始終保持恒定不變，可作如下簡化：
由此方程組(6)轉(zhuǎn)化為：
對方程式(8)進(jìn)行l(wèi)aplace變換，有：
對象的傳遞函數(shù)為：
根據(jù)式(8)得到：
式(11)、(12)是初始條件為t = 0，θ= 0，θ=0的解，可以發(fā)現(xiàn)吊具的擺動是隨時間作周期性變化，其擺幅、擺速與小車運(yùn)行加速度成正比。因此，只要確定
關(guān)鍵詞：起重機(jī)；防搖控制；微機(jī)電系統(tǒng)(mems)；微加速度計；視覺傳感器
引言
起重機(jī)在工作過程中，由于小車運(yùn)行的加速或減速，經(jīng)常會導(dǎo)致吊重的搖擺，這不僅增加吊重卸料難度，而且給起重機(jī)的作業(yè)帶來了不安全因素。因此，在起重機(jī)作業(yè)時，吊重的擺幅必須控制在一定范圍內(nèi)，到達(dá)目的地時吊重應(yīng)立即停擺。為此，人們已經(jīng)提出了多種防搖措施：如采用交叉鋼絲繩減搖裝置、分離小車減搖裝置、翹板梁式減搖裝置等機(jī)械防搖系統(tǒng)。由于機(jī)械式防搖其本質(zhì)都是通過機(jī)械手段來消耗擺動能量以達(dá)到最終消除擺動的目的，沒有將減搖與小車運(yùn)行控制結(jié)合起來考慮，減搖效果在很大程度上取決于操作人員的熟練程度，而且在起重機(jī)滿載和空載兩種情況下的減搖效果差別很大，難以滿足用戶要求。后來出現(xiàn)了帶視覺傳感器電子防搖技術(shù)，通過各種傳感器和檢測元件將檢測到的信息傳送到控制系統(tǒng)中的微機(jī)，經(jīng)微機(jī)內(nèi)部控制軟件處理后將最佳的控制參數(shù)(如pid控制參數(shù))提供給小車調(diào)速系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)小車的速度和方向，控制小車的運(yùn)行，來減少吊具及負(fù)載的擺動幅度。但由于目前所采用的是通過在小車架上安裝一個發(fā)射裝置(激光發(fā)射器、攝像頭等)和一個接收裝置，在吊具上架安裝一個反射器，吊具前后擺動時，檢測吊具前后擺動的角度。由于需要附加安裝價格昂貴的視覺傳感器檢測和接收系統(tǒng)，所需付出的代價是很大的；在天氣惡劣的情況下(如遇濃霧、暴雨、直射陽光等) ，視覺傳感器的使用也常常受到某些限制，難以獲得最佳控制效果。
本文通過建立起重機(jī)載荷擺動的數(shù)學(xué)模型，明確吊重擺幅與小車運(yùn)行加減速之間的關(guān)系，并將基于微機(jī)電系統(tǒng)(mems)加工技術(shù)制作的微加速度計應(yīng)用到起重機(jī)的防搖控制系統(tǒng)中，即時檢測小車運(yùn)行加速度并估計得到吊重偏擺角度。通過建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，適時根據(jù)吊重擺幅大小修正小車速度指令，實現(xiàn)防搖控制。這種方法克服了傳統(tǒng)的機(jī)械式防搖技術(shù)及帶視覺傳感器電子防搖技術(shù)中的不足與缺陷，達(dá)到理想的控制效果。
起重機(jī)吊重擺動的數(shù)學(xué)模型
小車-吊重擺動系統(tǒng)簡化力學(xué)模型分析如圖1(a)所示。m和m分別為小車和吊重的質(zhì)量，l為纜繩的長度，x表示小車在水平方向上的位移，θ表示吊重的擺角，f為小車運(yùn)行牽引力，f為小車運(yùn)行靜阻力，g為重力加速度。
為了便于分析，根據(jù)起重機(jī)工作的基本情況，這里作一些簡化處理：
(1)假定小車在行走的過程中，纜繩的質(zhì)量相對于吊重及小車的質(zhì)量可忽略不計；
(2)吊重及吊架看作整體視為質(zhì)量塊m加以分析；
(3)吊重與纜繩在運(yùn)行過程中所受的風(fēng)力和空氣阻尼以及系統(tǒng)的彈性變形均不計。
(a)小車-吊重擺動系統(tǒng) (b)吊重受力平衡
圖1 小車-吊重系統(tǒng)力學(xué)模型
如圖1(b)所示，設(shè)纜繩的張力為t，取x、θ為廣義坐標(biāo)，對小車建立運(yùn)動微分方程：
根據(jù)達(dá)朗伯原理，對吊重進(jìn)行受力分析，它受重力mg，纜繩張力t，法向慣性力fng ，切向慣性力fτg ，水平慣性力f1作用。如圖1( b)所示。在水平方向上建立平衡方程，有
在垂直于纜繩方向上建立平衡方程，有：
整理可得：
則吊具擺動的線性化模型為：
如果只考慮在操作點θ0附近只有很小的θ變化，并假定在整個過程中纜繩的長度l始終保持恒定不變，可作如下簡化：
由此方程組(6)轉(zhuǎn)化為：
對方程式(8)進(jìn)行l(wèi)aplace變換，有：
對象的傳遞函數(shù)為：
根據(jù)式(8)得到：
式(11)、(12)是初始條件為t = 0，θ= 0，
肖 鵬，王 冰
摘 要：通過建立起重機(jī)吊重擺動的數(shù)學(xué)模型，明確吊重擺角與小車運(yùn)行加減速之間的關(guān)系，并將mems微加速度計應(yīng)用到起重機(jī)的防搖控制中，建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，適時根據(jù)吊重擺角大小修正小車速度指令，實現(xiàn)防搖控制。實驗證明，這種方法簡單、經(jīng)濟(jì)，不需要安裝視覺傳感器測量吊重擺角，可以有效地消除載荷的搖動。
關(guān)鍵詞：起重機(jī)；防搖控制；微機(jī)電系統(tǒng)(mems)；微加速度計；視覺傳感器
引言
起重機(jī)在工作過程中，由于小車運(yùn)行的加速或減速，經(jīng)常會導(dǎo)致吊重的搖擺，這不僅增加吊重卸料難度，而且給起重機(jī)的作業(yè)帶來了不安全因素。因此，在起重機(jī)作業(yè)時，吊重的擺幅必須控制在一定范圍內(nèi)，到達(dá)目的地時吊重應(yīng)立即停擺。為此，人們已經(jīng)提出了多種防搖措施：如采用交叉鋼絲繩減搖裝置、分離小車減搖裝置、翹板梁式減搖裝置等機(jī)械防搖系統(tǒng)。由于機(jī)械式防搖其本質(zhì)都是通過機(jī)械手段來消耗擺動能量以達(dá)到最終消除擺動的目的，沒有將減搖與小車運(yùn)行控制結(jié)合起來考慮，減搖效果在很大程度上取決于操作人員的熟練程度，而且在起重機(jī)滿載和空載兩種情況下的減搖效果差別很大，難以滿足用戶要求。后來出現(xiàn)了帶視覺傳感器電子防搖技術(shù)，通過各種傳感器和檢測元件將檢測到的信息傳送到控制系統(tǒng)中的微機(jī)，經(jīng)微機(jī)內(nèi)部控制軟件處理后將最佳的控制參數(shù)(如pid控制參數(shù))提供給小車調(diào)速系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)小車的速度和方向，控制小車的運(yùn)行，來減少吊具及負(fù)載的擺動幅度。但由于目前所采用的是通過在小車架上安裝一個發(fā)射裝置(激光發(fā)射器、攝像頭等)和一個接收裝置，在吊具上架安裝一個反射器，吊具前后擺動時，檢測吊具前后擺動的角度。由于需要附加安裝價格昂貴的視覺傳感器檢測和接收系統(tǒng)，所需付出的代價是很大的；在天氣惡劣的情況下(如遇濃霧、暴雨、直射陽光等) ，視覺傳感器的使用也常常受到某些限制，難以獲得最佳控制效果。
本文通過建立起重機(jī)載荷擺動的數(shù)學(xué)模型，明確吊重擺幅與小車運(yùn)行加減速之間的關(guān)系，并將基于微機(jī)電系統(tǒng)(mems)加工技術(shù)制作的微加速度計應(yīng)用到起重機(jī)的防搖控制系統(tǒng)中，即時檢測小車運(yùn)行加速度并估計得到吊重偏擺角度。通過建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，適時根據(jù)吊重擺幅大小修正小車速度指令，實現(xiàn)防搖控制。這種方法克服了傳統(tǒng)的機(jī)械式防搖技術(shù)及帶視覺傳感器電子防搖技術(shù)中的不足與缺陷，達(dá)到理想的控制效果。
起重機(jī)吊重擺動的數(shù)學(xué)模型
小車-吊重擺動系統(tǒng)簡化力學(xué)模型分析如圖1(a)所示。m和m分別為小車和吊重的質(zhì)量，l為纜繩的長度，x表示小車在水平方向上的位移，θ表示吊重的擺角，f為小車運(yùn)行牽引力，f為小車運(yùn)行靜阻力，g為重力加速度。
為了便于分析，根據(jù)起重機(jī)工作的基本情況，這里作一些簡化處理：
(1)假定小車在行走的過程中，纜繩的質(zhì)量相對于吊重及小車的質(zhì)量可忽略不計；
(2)吊重及吊架看作整體視為質(zhì)量塊m加以分析；
(3)吊重與纜繩在運(yùn)行過程中所受的風(fēng)力和空氣阻尼以及系統(tǒng)的彈性變形均不計。
(a)小車-吊重擺動系統(tǒng) (b)吊重受力平衡
圖1 小車-吊重系統(tǒng)力學(xué)模型
如圖1(b)所示，設(shè)纜繩的張力為t，取x、θ為廣義坐標(biāo)，對小車建立運(yùn)動微分方程：
根據(jù)達(dá)朗伯原理，對吊重進(jìn)行受力分析，它受重力mg，纜繩張力t，法向慣性力fng ，切向慣性力fτg ，水平慣性力f1作用。如圖1( b)所示。在水平方向上建立平衡方程，有
在垂直于纜繩方向上建立平衡方程，有：
整理可得：
則吊具擺動的線性化模型為：
如果只考慮在操作點θ0附近只有很小的θ變化，并假定在整個過程中纜繩的長度l始終保持恒定不變，可作如下簡化：
由此方程組(6)轉(zhuǎn)化為：
對方程式(8)進(jìn)行l(wèi)aplace變換，有：
對象的傳遞函數(shù)為：
根據(jù)式(8)得到：
式(11)、(12)是初始條件為t = 0，θ= 0，θ=0的解，可以發(fā)現(xiàn)吊具的擺動是隨時間作周期性變化，其擺幅、擺速與小車運(yùn)行加速度成正比。因此，只要確定
關(guān)鍵詞：起重機(jī)；防搖控制；微機(jī)電系統(tǒng)(mems)；微加速度計；視覺傳感器
引言
起重機(jī)在工作過程中，由于小車運(yùn)行的加速或減速，經(jīng)常會導(dǎo)致吊重的搖擺，這不僅增加吊重卸料難度，而且給起重機(jī)的作業(yè)帶來了不安全因素。因此，在起重機(jī)作業(yè)時，吊重的擺幅必須控制在一定范圍內(nèi)，到達(dá)目的地時吊重應(yīng)立即停擺。為此，人們已經(jīng)提出了多種防搖措施：如采用交叉鋼絲繩減搖裝置、分離小車減搖裝置、翹板梁式減搖裝置等機(jī)械防搖系統(tǒng)。由于機(jī)械式防搖其本質(zhì)都是通過機(jī)械手段來消耗擺動能量以達(dá)到最終消除擺動的目的，沒有將減搖與小車運(yùn)行控制結(jié)合起來考慮，減搖效果在很大程度上取決于操作人員的熟練程度，而且在起重機(jī)滿載和空載兩種情況下的減搖效果差別很大，難以滿足用戶要求。后來出現(xiàn)了帶視覺傳感器電子防搖技術(shù)，通過各種傳感器和檢測元件將檢測到的信息傳送到控制系統(tǒng)中的微機(jī)，經(jīng)微機(jī)內(nèi)部控制軟件處理后將最佳的控制參數(shù)(如pid控制參數(shù))提供給小車調(diào)速系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)小車的速度和方向，控制小車的運(yùn)行，來減少吊具及負(fù)載的擺動幅度。但由于目前所采用的是通過在小車架上安裝一個發(fā)射裝置(激光發(fā)射器、攝像頭等)和一個接收裝置，在吊具上架安裝一個反射器，吊具前后擺動時，檢測吊具前后擺動的角度。由于需要附加安裝價格昂貴的視覺傳感器檢測和接收系統(tǒng)，所需付出的代價是很大的；在天氣惡劣的情況下(如遇濃霧、暴雨、直射陽光等) ，視覺傳感器的使用也常常受到某些限制，難以獲得最佳控制效果。
本文通過建立起重機(jī)載荷擺動的數(shù)學(xué)模型，明確吊重擺幅與小車運(yùn)行加減速之間的關(guān)系，并將基于微機(jī)電系統(tǒng)(mems)加工技術(shù)制作的微加速度計應(yīng)用到起重機(jī)的防搖控制系統(tǒng)中，即時檢測小車運(yùn)行加速度并估計得到吊重偏擺角度。通過建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，適時根據(jù)吊重擺幅大小修正小車速度指令，實現(xiàn)防搖控制。這種方法克服了傳統(tǒng)的機(jī)械式防搖技術(shù)及帶視覺傳感器電子防搖技術(shù)中的不足與缺陷，達(dá)到理想的控制效果。
起重機(jī)吊重擺動的數(shù)學(xué)模型
小車-吊重擺動系統(tǒng)簡化力學(xué)模型分析如圖1(a)所示。m和m分別為小車和吊重的質(zhì)量，l為纜繩的長度，x表示小車在水平方向上的位移，θ表示吊重的擺角，f為小車運(yùn)行牽引力，f為小車運(yùn)行靜阻力，g為重力加速度。
為了便于分析，根據(jù)起重機(jī)工作的基本情況，這里作一些簡化處理：
(1)假定小車在行走的過程中，纜繩的質(zhì)量相對于吊重及小車的質(zhì)量可忽略不計；
(2)吊重及吊架看作整體視為質(zhì)量塊m加以分析；
(3)吊重與纜繩在運(yùn)行過程中所受的風(fēng)力和空氣阻尼以及系統(tǒng)的彈性變形均不計。
(a)小車-吊重擺動系統(tǒng) (b)吊重受力平衡
圖1 小車-吊重系統(tǒng)力學(xué)模型
如圖1(b)所示，設(shè)纜繩的張力為t，取x、θ為廣義坐標(biāo)，對小車建立運(yùn)動微分方程：
根據(jù)達(dá)朗伯原理，對吊重進(jìn)行受力分析，它受重力mg，纜繩張力t，法向慣性力fng ，切向慣性力fτg ，水平慣性力f1作用。如圖1( b)所示。在水平方向上建立平衡方程，有
在垂直于纜繩方向上建立平衡方程，有：
整理可得：
則吊具擺動的線性化模型為：
如果只考慮在操作點θ0附近只有很小的θ變化，并假定在整個過程中纜繩的長度l始終保持恒定不變，可作如下簡化：
由此方程組(6)轉(zhuǎn)化為：
對方程式(8)進(jìn)行l(wèi)aplace變換，有：
對象的傳遞函數(shù)為：
根據(jù)式(8)得到：
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