由于吊鉤本身結(jié)構(gòu)的限制及其工作環(huán)境的不確定性，國內(nèi)外都較少開展對于起重機吊鉤運動監(jiān)控的研究。如使用圖像處理方式跟蹤吊鉤運動狀態(tài)，不足之處在于圖像算法復(fù)雜，且誤判率比較高。

 

    吊鉤水平方位角過大，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移，造成所吊重物位置的不確定，而針對特型吊鉤，僅給出了二維傾角測量方法。

 

    本研究從起重機現(xiàn)場應(yīng)用角度出發(fā)，采用MEMS加速度計和微磁強計組合，通過誤差補償，實現(xiàn)對吊鉤傾角和水平方位角的實時監(jiān)控，開發(fā)低成本、高精度的運動狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可滿足起重機現(xiàn)場使用要求，也可以為起重機吊臂閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究提供物理參量。

 

    1吊鉤運動狀態(tài)測量原理吊鉤主要由兩部分構(gòu)成：外框架和吊鉤鉤體（如所示）。外框架連接纜繩并起到固定支撐鉤體的作用，鉤體只能在外框架的支撐下做沿中心軸的單自由度旋轉(zhuǎn)，吊鉤運動狀態(tài)的測量主要包含對吊鉤沿纜繩垂直地面方向的二維傾角運動和沿鉤體頂端水平方向的平面旋轉(zhuǎn)角的測量，從吊鉤結(jié)構(gòu)可以看出，鉤體和外框架的二維傾角相等，而對于平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，本研究更關(guān)心鉤體及其所吊貨物的當前狀態(tài)。

 

    吊鉤終端安裝示意圖本研究將姿態(tài)測量系統(tǒng)安裝在吊鉤鉤體頂端，與之固連，定義載體坐標系如所示：X沿橫軸向右，Y沿縱軸向前，Z軸沿纜繩垂直方向軸向上。如可實時測量得到該坐標系下相應(yīng)物理量：X軸傾角、Y軸傾角、水平旋轉(zhuǎn)角，即可確定吊鉤的運動狀態(tài)。

 

    1.1傾角解算方法傾角指X軸和Y軸分別與水平面的夾角，反映當前吊鉤相對纜繩垂直方向的傾斜程度，若傾角超出一定范圍，駕駛員應(yīng)當采取措施減小擺動。

 

    在吊鉤這種緩慢運動的物體上安裝的加速度計的各軸測量值可近似認為是重力加速度g在各軸的分量，按照空間矢量合成原理，可以得到沿X、Y軸的傾角的計算公式分別為：M+g2y+g2：gx，gy，gz―三軸MEMS加速度計的測量值，根據(jù)吊鉤實際應(yīng)用情況，本研究定義ay的取值范圍為1.2平面旋轉(zhuǎn)角解算方法平面旋轉(zhuǎn)角指吊鉤繞Z軸相對初始角度的偏轉(zhuǎn)角，主要反映吊鉤的扭擺程度，若扭擺過大，則可能導致纜繩斷裂或所吊重物碰撞到周邊物體。三軸微磁強計可以輸出立體空間內(nèi)兩兩正交的3個軸的當前磁場強度值，磁強計通過測量地磁場強度確定吊鉤的平面旋轉(zhuǎn)角。本研究的初始角度取地磁北極方向。旋轉(zhuǎn)角可以通過下面的公式計算：本研究定義屮0，3600），當確定初始位置角度后，即可測量出吊鉤掛載后的相對值的旋轉(zhuǎn)角度。

 

    2基于T-S模糊邏輯的吊鉤旋轉(zhuǎn)角誤差補償?shù)蹉^及周邊都為鐵磁材料，不可避免地受到強磁干擾，嚴重影響旋轉(zhuǎn)角的測量精度。提出的四點補償是一種常用的方法，該方法只適合弱磁環(huán)境下應(yīng)用；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對磁強計的系統(tǒng)誤差和溫度進行補償，但存在不易編程實現(xiàn)、計算量較大等不足，其工程化可行性不高。本研究提出一種適合應(yīng)用于強磁環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)角誤差補償方法。

 

    如采用弱磁補償方法，在鐵磁材料的。

 

    表1弱磁補償法補償結(jié)果真值誤差真值誤差從表1中可以看出，相對于值，其誤差絕對值*大可達23.73.，均方差為20.36.，已不能作為測量值輸出，需要經(jīng)過在線補償。本研究選用T-S模糊模型來對平面旋轉(zhuǎn)角誤差建模，借助T-S方法，建立非線性的模糊規(guī)則。

 

    為簡化運算，本研究建立二次局部T-S模型規(guī)則：y償前平面旋轉(zhuǎn)角讀數(shù)；ava2，b―敏感系數(shù)。

 

    制定模糊規(guī)則是建立在。

 

    費模糊隸屬度函數(shù)在模糊邏輯算法中，ava2，b可視作線性局部模型系數(shù)，如能得到3個敏感系數(shù)，則可確定在R，規(guī)則下的模糊基函數(shù)。本研究通過表1中的重復(fù)。在此例中，模糊輸出值為：成是第i條規(guī)則加權(quán)因子。

 

    本研究將表1數(shù)據(jù)作為模糊輸入集合，經(jīng)過模糊規(guī)則計算，輸出結(jié)果如（b）所示，其誤差絕對值*大不超過0.8°，均方差為0.54°，經(jīng)過補償后的精度有明顯提高。

 

    3系統(tǒng)頭現(xiàn)由于吊車的保養(yǎng)周期為幾個月或1年，并且傳感器進行在線標定后應(yīng)避免頻繁卸下，本研究引入安裝誤差，并在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中考慮符合長期使用的要求，如在線標定、低功耗等。

 

    3.1系統(tǒng)功能模塊為達到實際應(yīng)用的目的，本研究采用重心法，將系統(tǒng)總體框圖模糊集合映射為一個確定的點，對于任何輸入平面旋該系統(tǒng)采用ADI公司的三軸MEMS加速度計轉(zhuǎn)角讀數(shù)，其模糊輸出可寫成：ADXL312作為傾角測量傳感器，其量程為g，精度系統(tǒng)總體框架如所示，包含4個模塊，分別是數(shù)據(jù)采集、信息處理、數(shù)傳和控制顯示模塊。

 

    為2.9mg/LSB；微磁強計采用Honeywell公司的HMR2300.信息處理模塊使用TI公司的低功耗16位單片機MSP430F149，實現(xiàn)對傳感器的信號采集和姿態(tài)解算，通過數(shù)傳模塊將姿態(tài)信息發(fā)送給地面終端；地面終端通過相同的數(shù)傳模塊接收運動狀態(tài)信息并控制液晶顯示，同時，地面終端可以發(fā)送控制指令給吊鉤終端，例如磁強計校正參數(shù)指令、系統(tǒng)休眠指令等。系統(tǒng)實物如所示。

 

    3.2方位角在線標定技術(shù)在吊鉤測量模塊安裝好后，應(yīng)盡量避免頻繁拆下，同時為滿足測量系統(tǒng)在各型吊鉤上的通用性，采用套在線標定技術(shù)是十分有必要的，利用該技術(shù)，本研究可以在測量系統(tǒng)安裝好后通過地面終端發(fā)送指令設(shè)定補償參數(shù)，這樣即使吊鉤的使用環(huán)境變化后，本研究也可以迅速、方便地對方位角進行遙控標定。以鐵磁轉(zhuǎn)臺為例，在線標定過程步驟如下：①將測量模塊水平安裝在轉(zhuǎn)臺上，并開機；②地面終端發(fā)送標定指令給測量模塊，此時，測量模塊進入標定模式；③按照第2節(jié)所述標定方法獲得參數(shù)（式）后，通過地面終端發(fā)送回測量模塊并存儲；④地面終端發(fā)送標定完成指令，測量模塊進入正常工作狀態(tài)。

 

    3.3低功耗技術(shù)吊鉤測量模塊的電源設(shè)計是重點和難點之不僅要滿足各個模塊供電電壓，同時還要兼顧系統(tǒng)總功耗。MEMS器件本身即具有低功耗的優(yōu)勢，如ADXL312本身帶有多種低功耗模式，如睡眠模式和待機狀態(tài)。在正常工作模式下，電流為57pA，而在待機模式下，電流只有0.1A.地面終端為操作員提供了待機按鈕，可以通過數(shù)傳模塊發(fā)送指令給吊鉤終端，控制MCU切斷傳感器供電?；謴?fù)供電的方法與之類似本研究通過讀取分度臺和轉(zhuǎn)臺的標稱值，并和由接收終端得到的測量值進行比較。

 

    本研究對傾角的測試如Q所示，將系統(tǒng)固定于分度臺上，調(diào)整分度頭水平零位，與輸出致，先對X軸方向的傾角進行測量，點從（-60.，60°），以10°遞增并記錄系統(tǒng)的輸出值，其測量結(jié)果如表2所示。

 

    系統(tǒng)測試環(huán)境表2X軸傾角數(shù)據(jù)真值/（°）誤差/真值/誤差/由表2可知，相對值，X軸傾角各測量點的*大誤差不超過0.3°，均方差為0.15本研究將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換90.方向安裝并對Y軸進行測量，測量結(jié)果如表3所示，計算得滾轉(zhuǎn)角測量*大誤差不超過0.3°，均方差為0.15表3Y軸傾角數(shù)據(jù)真值/（°）誤差/真值/誤差/水平旋轉(zhuǎn)角的測試在轉(zhuǎn)臺上進行，如b所示。

 

    轉(zhuǎn)臺由鐵磁材料制作而成，可以反映系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場的強磁環(huán)境，本研究將測量系統(tǒng)固定在轉(zhuǎn)臺上，點從0°起，以20°為增量遞增到360°，測量結(jié)果如表4所示。

 

    從表4中可以看出測量點的*大誤差不超過0.8°，均方差為0.39°。相對于表1的在線補償前數(shù)據(jù)，精度提高了25倍。由此可知，基于T-S模糊邏輯的補償算法在實際應(yīng)用中能有效提高水平旋轉(zhuǎn)角精度。

 

    表4平面旋轉(zhuǎn)角真值/（°）差值/真值/差值/5結(jié)束語本研究從工程應(yīng)用角度出發(fā)，不僅考察了起重機吊鉤傳感器的精度、帶寬、量程等測量指標，同時對磁強計誤差補償、系統(tǒng)功耗以及系統(tǒng)組合進行了研究。

 

    從測量數(shù)據(jù)可以看出，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角精度達到0.3.，補償后的平面旋轉(zhuǎn)角精度達到0.8.，數(shù)據(jù)輸出速率80Hz，可以滿足用戶需求。系統(tǒng)功耗實測正常工作電流50mA，待機電流小于5mA.駕駛員在駕駛室即可實時監(jiān)測吊鉤運功狀態(tài)。