基于STM32的岸桥司机驾驶技术评估系统的设计

吴玉祥

摘  要：该文针对岸桥起重机设计了一种以STM32系列单片机为核心处理芯片的岸桥司机驾驶技术评估系统。系统通过加速度传感器和倾角传感器，实时采集岸桥吊具的加速度信号和倾角信号，并对信号进行分析处理，得出评估结果，利用无线传输的方式将评估结果发送到显示模块，司机能够在驾驶室中通过显示模块查看自身驾驶技术的评估结果。该系统能够准确评估岸桥司机的驾驶技术，并能针对司机的驾驶习惯和行为给出合理的建议，帮助司机提高自身的驾驶技术。

关键词：岸桥;姿态测量;驾驶评估;无线传输

中图分类号：TP311          文献标志码：A

0 引言

当代港口作业的工作量大，岸桥能否安全高效的工作直接影响港口作业的效率，而岸桥驾驶员的操作水平则直接影响岸桥的工作效率。该文设计了一种基于STM32F103C8T6微处理器的评估系统，该系统能够通过监测岸桥吊具的运行状态，分析出岸桥司机的驾驶技术水平，并给出良好的建议，帮助岸桥司机能够更安全、更高效地进行岸桥作业，其系统总体结构如图1所示。

1 系统硬件设计

1.1 三轴加速度传感器模块

三轴加速度传感器模块采用LSM6DSM，该模块是集成三轴加速度计和三轴陀螺仪的数字输出型芯片，采用LGA 14-pin，2.530.83 mm封装，电源电压1.62 V～3.60 V。具有高精度、低功耗、低噪声的特点。在该系统中通过SPI接口与MCU进行数据传输。

1.2 倾角传感器模块

倾角传感器模块采用LCA326T，该模块是数字型小体积MEMS倾角传感器，内置双通道地球引力倾斜单元，通过测量静态重力加速度，转换成倾角变化。从而可以測量传感器输出相对于水平面的倾斜和俯仰角度。在该系统中通过TTL串口与MCU进行数据传输。

1.3 无线模块

由于硬件部分安装在吊具上，而数据结果需要在司机驾驶室中显示，采用有线传输容易发送意外，不利于数据传输，因此系统采用无线传输方式将数据发送给上位机。

当系统采集处理完传感器的数据时，需要通过无线模块将得到的结果发送后给显示模块，无线传输模块采用ESP8266模块[1-3]，该模块是一款超低功耗的UART-WIFI透传模块，拥有超小的封装尺寸和超低的能耗技术，支持UART/GPIO数据通信接口，支持STA/AP/STA+AP  3种工作模式。在该系统中通过UART接口与MCU进行数据传输，并在AP模式下工作。

2 STM32F103C8T6主控芯片

该系统的MCU核心处理器采用意法半导体的STM32F103C8T6芯片[4-6]，该芯片采用高性能ARM Cortex?-M3 32位RISC内核，工作频率为72 MHz，拥有高速嵌入式存储器，能提供2个SPI接口，3个USART接口，能够满足该系统的功能需求。通过AMS1117-3.3芯片可以将外部USB电源电压由5 V转换为3.3 V，为MCU及其他外围设备供电。BOOT选择电路能够通过跳线帽来切换最小系统的启动模式，当插入跳线帽时，MCU以FLASH启动，当不插入跳线帽时，MCU以系统存储器启动，用于下载代码。

3 系统软件设计

系统软件采用Keil C51软件开发工具编写，主要包括系统初始化、传感器数据采集、数据滤波处理、数据发送等功能。

为了减少传感器的测量误差，该系统使用了卡尔曼滤波对传感器数据进行处理。卡尔曼滤波[7-9]也称线性二次估计（LQE），它使用随时间变换的一系列未知变量的测量值，包括统计噪声和其他不确定性来产生未知变量的估计值，这些估计值往往比直接得到的测量值更准确。

评估系统根据三轴加速度传感器和倾角传感器的实时数据，判断岸桥的运动状态。

其具体流程为：首先建立坐标系，X轴对应小车运行方向，Y轴对应吊具升降方向，Z轴对应大车运行方向。对X轴，Y轴，Z轴的加速度信号的数值大小、吊具加减速时间及吊具绕X轴、Z轴的倾角信号的数值大小进行分析、判断。每当X轴、Y轴经过2次减速阶段，以及倾角传感器经过2次波动阶段，就对司机驾驶技术进行打分。

X轴、Y轴、Z轴上的加速度范围和时间范围，以及绕X轴、Z轴的倾角范围，对应不同的驾驶习惯和行为，可以将岸桥司机驾驶习惯和行为评估划分为5个环节。1） 小车驾驶习惯和行为评估。2）吊具升降驾驶习惯和行为评估。3）吊具起吊驾驶行为评估。4）大车驾驶行为评估。5）总体工作效率评估。

统计5 个环节中岸桥司机的得分情况，然后将结果由无线模块发送给显示模块，并清空MCU中的数据。其主程序流程如图2所示。

4 实验结果

将该系统安装在港机上进行测试，用PC端连接无线模块，使用LabVIEW接收数据，得到的数据如图3所示。可以看出港机目前处于小车急刹车状态，应提醒司机注意平稳操作小车移动，以免发生事故。

5 结论

该文设计了一种基于STM32系列单片机的集软硬件与一体的岸桥司机驾驶技术评估系统，能够准确获取岸桥起重机的运动状态并分析出司机的驾驶行为，而且能够通过无线传输将数据发送给司机室中的上位机进行显示。使岸桥司机能够看出自己在驾驶过程中有哪些不合理的驾驶行为，便于司机改善驾驶技术。

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