基于MEMS微加速度计的无视觉传感器防摇控制系统研究

文章摘要：摘要：通过建立起重机吊重摆动的数学模型，明确吊重摆角与小车运行加减速之间的关系，并将MEMS微加速度计应用到起重机的防摇控制中，建立闭环控制系统，适时根据吊重摆角大小修正小车速度指令，实现防摇控制。实验证明，这种方法简单、经济，不需要安装视觉传感器测量吊重摆角，可以有效地消除载荷的摇动。 关键词：起重机；防摇控制；微机电系统(MEMS)；微加速度计；视觉传感器 引 言 起重机在工作过程中，由于小车运行的加速或减速，经常会导致吊重的摇摆，这不仅增加吊重卸料难度，而且给起重机的作业带来了不安全因素。因此，在起重机作业时，吊重的摆幅必须控制在一定范围内，到达目的

基于MEMS微加速度计的无视觉传感器防摇控制系统研究,标签：传感技术知识,传感器与检测技术,http://www.88dzw.com
摘　要：通过建立起重机吊重摆动的数学模型，明确吊重摆角与小车运行加减速之间的关系，并将MEMS微加速度计应用到起重机的防摇控制中，建立闭环控制系统，适时根据吊重摆角大小修正小车速度指令，实现防摇控制。实验证明，这种方法简单、经济，不需要安装视觉传感器测量吊重摆角，可以有效地消除载荷的摇动。 

        关键词：起重机；防摇控制；微机电系统(MEMS)；微加速度计；视觉传感器 

引    言 

        起重机在工作过程中，由于小车运行的加速或减速，经常会导致吊重的摇摆，这不仅增加吊重卸料难度，而且给起重机的作业带来了不安全因素。因此，在起重机作业时，吊重的摆幅必须控制在一定范围内，到达目的地时吊重应立即停摆。为此，人们已经提出了多种防摇措施：如采用交叉钢丝绳减摇装置、分离小车减摇装置、翘板梁式减摇装置等机械防摇系统。由于机械式防摇其本质都是通过机械手段来消耗摆动能量以达到最终消除摆动的目的，没有将减摇与小车运行控制结合起来考虑，减摇效果在很大程度上取决于操作人员的熟练程度，而且在起重机满载和空载两种情况下的减摇效果差别很大，难以满足用户要求。后来出现了带视觉传感器电子防摇技术，通过各种传感器和检测元件将检测到的信息传送到控制系统中的微机，经微机内部控制软件处理后将最佳的控制参数(如PID控制参数)提供给小车调速系统，通过调节小车的速度和方向，控制小车的运行，来减少吊具及负载的摆动幅度。但由于目前所采用的是通过在小车架上安装一个发射装置(激光发射器、摄像头等)和一个接收装置，在吊具上架安装一个反射器，吊具前后摆动时，检测吊具前后摆动的角度。由于需要附加安装价格昂贵的视觉传感器检测和接收系统，所需付出的代价是很大的；在天气恶劣的情况下(如遇浓雾、暴雨、直射阳光等) ，视觉传感器的使用也常常受到某些限制，难以获得最佳控制效果。 

        本文通过建立起重机载荷摆动的数学模型，明确吊重摆幅与小车运行加减速之间的关系，并将基于微机电系统(MEMS)加工技术制作的微加速度计应用到起重机的防摇控制系统中，即时检测小车运行加速度并估计得到吊重偏摆角度。通过建立闭环控制系统，适时根据吊重摆幅大小修正小车速度指令，实现防摇控制。这种方法克服了传统的机械式防摇技术及带视觉传感器电子防摇技术中的不足与缺陷，达到理想的控制效果。 

起重机吊重摆动的数学模型 

        小车-吊重摆动系统简化力学模型分析如图1(a)所示。M和m分别为小车和吊重的质量，l为缆绳的长度，x表示小车在水平方向上的位移，θ表示吊重的摆角，F为小车运行牵引力，f为小车运行静阻力，g为重力加速度。 

        为了便于分析，根据起重机工作的基本情况，这里作一些简化处理： 

        (1)假定小车在行走的过程中，缆绳的质量相对于吊重及小车的质量可忽略不计； 

        (2)吊重及吊架看作整体视为质量块m加以分析； 

        (3)吊重与缆绳在运行过程中所受的风力和空气阻尼以及系统的弹性变形均不计。 

                    (a)小车-吊重摆动系统                     (b)吊重受力平衡 

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