基于MMA7361的挖掘机动臂姿态研究

甘泉

【摘 要】挖掘机动臂在完成举升动作过程中始终和竖直方向（或水平方向）成一定的角度关系。通过固定在动臂上的三轴加速度传感器的各个轴与重力方向之间的夹角，就可以检测出动臂的运动姿态。针对倾角测量，设计了一种基于C51单片机和MMA7361加速度传感器的角度测量平台。该平台具有测量精度高、灵敏度高的特点，十分具有应用价值。

【关键词】挖掘机；动臂姿态；MMA7361

【中图分类号】TU621 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0195-02

动臂是挖掘机的关键部件，也是主要承力部件。挖掘机动臂姿态的研究，对挖掘机的工作有重要辅助的作用。能够测量并保持挖掘机的水平姿态，就可实时掌握挖掘机工作状态，防止巷道倾斜带来影响，对于施工质量和效率都有积极的意义。

1 基本原理

1.1 动臂的工作原理分析

动臂结构可分为两种，由整体式和组合式两种。

（1）整体式动臂。整体式动臂的优点是结构简单，质量轻而刚度大。整体式动臂又可分为直动臂和弯曲动臂两种。其中的直动臂结构简单质量轻制造方便，主要用于悬挂式挖掘机，但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度，不适用于通用挖掘机；弯动臂是目前应用最广泛的结构形式，与直动臂相比可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。

（2）组合式动臂。组合式动臂有辅助连杆（或液压缸）或螺栓连接而成。上下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节，虽然结构操作复杂化但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上下动臂者间的夹角，从而提高挖掘机的作业性能，组合式动臂的优点是，可以根据作业条件随意调整挖掘机的作业尺寸和挖掘能力，且调整时间短。此外他的互换工作装置多，可以满足各种作业的需要，装车运输方便。其缺点是质量大，制造成本高，用于中小型挖掘机上。

首先，由传感器可以得到加速度信息，通过对加速度一次积分求得速度，再对速度积分求出位移，进而检测出的运动姿态。按照这一方法处理采集到的传感器数据，得出结果。由于传感器输出和其受力方式有关，这里我们考虑外力（外力是指除了重力之外的其他作用力）。在摆放位置发生变化时也会引起输出的改变。因此，我们需要考虑传感器的受力和角度。对于一个同时受重力和其他外力作用的传感器，在XOY平面的受力分析。

由于重力和外力都会影响传感器输出，假设传感器在一个平面内的输入和输出有如下关系

式中a为传感器受到外力的加速度，g为重力加速度，α为外力的加速度的方向与传感器Y轴方向的夹角，β为X轴方向与竖直方向的夹角，Δx，Δy为相应的传感器的2个轴的电压输出变化量，为已知值。

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，其中，x0，y0为指x轴、y轴不受任何外力时的静态输出，x，y是指传感器的X轴、Y轴输出电压。k1，k2为传感器x，y方向的灵敏度。

传感器灵敏度k1，k2的确定可以采用重力标定方法，即将所要标定的测量方向沿着竖直方向，并在竖直面内将此轴的方向旋转180°，记录传感器输出的最小值θmin和最大值θmax，则灵敏度

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kiθθ （4）

根据式（4）得出重力与传感器各轴的夹角β，由于重力方向是竖直向下，得到的角度β就是传感器各轴与竖直方向的夹角，就可以依据β判断出传感器的摆放位置。在量的时候，传感器是固定在待测物体上的，通过传感器摆放位置也就判断出待测物体的位置。所以，可以运用此方法检测动臂的运动姿态。

2 硬件设计

MMA7361是一款高精度的模拟三轴加速度传感器，其精度模式可以选择1.5g或6g两种。从工程需要的角度选择1.5g模式，其精度为800 mV/g，将g—Select引脚置为低电平。在正常工作状态，Sleep引脚需要置为高电平。同时启动Self Test模式，芯片在工作之前先完成内部自检。MMA7361三轴加速度传感器实现角度测试，其核心算法是建立输出电压和角度之间的函数映射关系。零倾斜角度的选择对于测量仪的精度影响比较大。

3 软件设计

利用MMA7361三轴加速传感器可以对物件运动和方向进行检测，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下（0g），其输出为1.65V。如果沿着某一个方向活动，或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压。用单片机的A/D转换器读取此输出信号，就可以检测其运动和方向。MMA7361角度检测模块电路如图3所示。