基于惯性传感器的混凝土泵车臂架实时姿态检测方法研究

游海涛，杨兆万，尹栋，周艳红，杨辉华

（1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，桂林　541004；2.武汉地和智能有限公司，武汉　430074；3.华中科技大学生命科学学院，武汉　430074）

基于惯性传感器的混凝土泵车臂架实时姿态检测方法研究

游海涛1，杨兆万2，尹栋2，周艳红3，杨辉华1

（1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，桂林541004；2.武汉地和智能有限公司，武汉430074；3.华中科技大学生命科学学院，武汉430074）

0　引言

混凝土泵车是将混凝土泵安装在汽车底盘上或专用车辆上，将混凝土的输送和浇灌工序综合在一起的工程车辆，节省了时间和劳动力，减轻劳动强度，保证了施工质量，减少成品混凝土的消耗［1］。目前市场常用泵车臂架一般由4臂节至6臂节组成，工作时臂架部分伸展较大，在力学上属悬臂梁结构，受力比较复杂［2］。实际工况下，臂架因混凝土泵的冲击而产生大量振动，使臂架结构尤其是臂架焊缝产生疲劳破坏，同时威胁施工安全。为克服振动问题，现有技术中一般通过主动减振的方式避免可能产生的安全风险，减振的核心技术之一即在于准确、实时地检测出臂架的位置与振动状态。混凝土泵车臂架模型如图1所示。

图1　混凝土泵车臂架模型图

当前国内外臂架姿态检测方法主要有两种：①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2所示，i为臂序数），结合臂架长度li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。②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-l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-l、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。

图2　臂架空间角度描述矩阵

针对以上情况，本文提出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。其混凝土泵车臂架模型如图1所示，惯性传感器安装在01至12处，传感器数据经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。

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。

1　惯性传感器与互补滤波器

1.1惯性传感器

本文使用MPU6050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 （分别为Accx、Accy、Accz、Grox、Groy、Groz）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。

1.2互补滤波器

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。

一阶互补滤波器：

Angle=K·AngAcc+（1-K）·（Angle+Gro*dt）（1）

二阶互补滤波器：

y1=y1+（AngAcc-Angle）·（1-K）2·dt（2）

x2=y1+2·（1-K）·（AngAcc-Angle）+Gro（3）

Angle=Angle+x2·dt（4）

2　方法的提出

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。

2.1标定传感器

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，使用倾角仪 （完备仪器）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、Accxn，通过：

得到传感器空间倾角真值与实际倾角值之间的偏移值γn；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为：

2.2数据处理

通过互补滤波，对惯性传感器数据进行过滤消除漂移误差（7），并构建臂架空间角度描述矩阵（8）Ain，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（9）：

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（tan （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）、末端（BX2i，BY2i）对应点：

第i节臂空间斜率k：

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：

第i节臂的起点（Xsi，Ysi）与第i-1节臂的关系为：

通过公式（14），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M：

到此通过上述的计算，臂架振动情况可以使用Accyn、Accxn、Grozn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，通过M可以轻易的绘制臂架空间姿态。

图3　试验现场

图4　臂架末端传感器数据

3　方法的检验

如图4所示，测试实验对象选择徐工集团某型号混凝土泵车，进行水平空载工况下的竖直平面臂架扫频实验，使用计算机控制泵车液压系统发送频驱动信号对第1节臂施加激励。实验过程中发动机转速为1650r/min，扫描起始频率为0.1Hz，终止频率为1Hz，持续时间为300秒，如图5所示。

图5为臂架12号传感器的检测数据，原始数据中与反映空间加速度变化状态，反映角速度变化状态，通过观察图形可以得到初步结论，在0.1Hz到1Hz之间臂架经历了一阶与二阶固有频率；图6为经过互补滤波器处理后的空间倾角数据，从滤波结果可以看出一阶互补滤波器（K=0.99）滤波现象理想，而二阶滤波器检测的空间倾角值更加能够反映出臂架振动的情况，通过一阶互补滤波器得出θ12=-3.17011。

图5　扫频驱动信号

图6　互补滤波器处理数据

图7所示为臂架停止后在空中的保留的姿态，图8为根据臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵所构建的臂架空间姿态。

可以看出，根据计算得到的臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵图8与实际姿态图7相同，由于照片存在偏差与绘制图无法进行精确对比。

图7　静止时臂架空中姿态　

图8　根据臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵绘制的臂架平面图粗端为起始端、细端为末端

4　结语

本文通过惯性传感器检测的方法对混凝土泵车臂架进行实时监测，实验结果表明，理想工况下能够实时精确地检测混凝土泵车臂架的振动状态，同时能够计算出混凝土泵车臂架空间姿态，对检测混凝土泵车臂架安全与高级应用提供了必要的数据依托，为混凝土泵车臂架高级控制提供了广阔的发展空间；经过简易的安装便可以对混凝土泵车臂架进行精确的测量，经过实际的工程应用，已经应用于混凝土泵车减振系统的姿态采集部分，为减振系统提供了必须的数据来源；但本系统仍然存在不足，传感器连接方式为有线连接，由于泵车臂架来回弯折，对信号线耐久性要求高，还需继续改进。

［1］宁富立.现代混凝土泵车技术与发展方向［J］.广东建材，2006.

［2］黄毅，吴斌兴，王佳茜.混凝土泵车臂架振动响应的主动控制实验研究［J］.振动与冲击，2012.

［3］李勋文，尹魏林.混凝土泵车臂架特点及选用［A］.工程与维修，2007，8：88-90

［4］王斌华，吕彭民.混凝土泵车臂架系统振动机理的研究［A］.振动与冲击，2011，9：258-263.

［5］雷新军，刘永红，张向阳，等.混凝土泵车臂架疲劳载荷谱研究［J］.工程机械，2010，41（8）：18-21.

［6］江国耀.混凝土泵的技术发展趋势和市场前景［J］.建筑机械，2008，8（上）：16-24.

Inertial Sensor；Concrete Pump Truck；Boom；Attitude Detection

Research on the Concrete Pump Truck Boom of Real-Time Gesture Detection Based on Inertial Sensor

YOU Hai-Tao1，YANG Zhao-Wan2，YIN dong2，ZHOU Yan-hong3，YANG Hui-hua1

（1.College of Electric Engineering&Control，Guilin University of Electronic Technology，Guangxi 541000；2.Wuhan Dihe Intelligent Co.Ltd.，Wuhan 430074；3.Huazhong University of Science&Technology，Wuhan 430074）

1007-1423（2015）26-0064-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.26.016

2015-04-03

2015-09-10

混凝土泵车臂架具有柔性多体系统的特点，泵送混凝土过程中臂架产生的振动增加设备整体的安全风险；实时姿态检测为实现臂架减振与智能控制提供必要的数据支撑与保障。给出一种基于惯性传感器的臂架姿态检测方法和系统，通过在臂架节点上安装惯性传感器以检测每节臂架的形变量和臂架运动状态，进而计算得到臂架的振动与空间运动状态，完成对臂架姿态的准确检测。检测结果表明，该方法大大提高对臂架位置检测的精度，为后续泵车安全控制、智能化控制、臂架健康管理、减振控制提供有效的数据基础。

惯性传感器；混凝土泵车；臂架；姿态检测

Concrete pump truck has the characteristics of flexible multi-body systems，pumping concrete vibration generated during the boom equipment increased overall security risks；to achieve real-time gesture detection and intelligent control arm vibration provides the necessary data to support the protection.Presents a method and system for detecting arm posture based on inertial sensors，inertial sensors by installing nodes on the jib boom to detect deformation and movement status of each boom section，and then calculates the vibration of the boom and space motion，complete and accurate detection of the boom attitude.Test results show that this method can greatly improve the detection accuracy of the position on the boom，as the follow-up pump security control，intelligent control，health management arm，damping control provides effective data base.