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技术

本发明专利技术公开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，涉及建筑工程机械技术领域，包括以下步骤：通过惯性传感器分别测量对应臂架上相应端的X、Y和Z轴方向上的加速度值和角速度值；对惯性传感器进行标定以及对测得的数据进行处理，获得各臂架的弯曲角度以及相邻臂架之间的夹角；最后获得到臂架空间笛卡尔坐标，本发明专利技术相对于油缸位移法和倾角传感器法，基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法安装方便，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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及建筑工程机械
，尤其涉及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。
技术介绍
泵从车的本体端和作业端之问通常设置多节臂架，以便于远程操作控制。多节臂架通常是由多个单臂以可相对转动的方式铰接连接而成，通过控制各机械臂的姿态和方向实现对末端的作业端的位置控制。对于多节臂架的上述工况，会存在比较大的缺陷，比如静止工况下产生不规律的振动，可能会带来共振，平移状态下臂架会由于惯性作用发生摆动,这些都会对作业设备整体带米安全风险。现有技术中通过检测臂架姿态得到数据，通过此数据控制臂架抑制振动。当前国内外臂架姿态检测方法主要有两种：一种是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4所示，i为臂序数)，结合臂架长度1i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。另一种为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-1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-1、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。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的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。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，包括以下步骤：S1:通过各臂架首末两端设置惯性传感器，分别测量对应臂架上相应端的X、Y和Z轴方向上的加速度值和角速度值；S2：对惯性传感器进行标定以及对测得的数据进行处理，得到真实的获得加速度值和角速度值；S3：根据加速度值和角速度值获得各臂架的弯曲角度以及相邻臂架之间的夹角；S4：利用上述弯曲角度以及夹角可得到臂架因变形产生偏移；S5：根据所述偏移即可获得到臂架空间笛卡尔坐标。进一步的，所述惯性传感器安装于臂架的两端，检测的臂架两端X、Y轴方向上的加速度值与角速度值。进一步的，所述惯性传感器采用ICM20689惯性传感器，所述惯性传感器内部集成三轴加速度与三轴陀螺仪传感器。进一步的，所述标定传感器的过程为：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和Accxn，传感器空间倾角真值与实际倾角值之间的移值γn通过如下计算过程得到：γn＝arctan2(Accyn/Accxn)-αn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通过如下计算过程得到：θbn＝arctan2(Accyn/Accxn)-γn式中，θbn为传感器n的空问倾斜角，Accyn为传感器n检测得到的Y轴加速度,Accxn为传感器n检测得到的X轴加速度，γn为传感器的重力加速度偏移。进一步的，所述数据处理的过程为：通过互补滤波，对惯性传感器数据进行过滤消除漂移误差，通过如下方式实现：An＝Complementary-Filter(θbn，Grozn)式中，θbn为传感器n的空问倾斜角，Groz为传感器n检测得到Z轴角速度；并构建臂架空间角度描述矩阵Ain，Ain＝[A0，A1-A0，A2-A1，…，AN-1-AN-2]；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。进一步的，所述获得到臂架空间笛卡尔坐标的方法为先计算臂架空间斜率，然后通过斜率得到计算臂架末端的坐标。进一步的，所述计算臂架空间斜率的方法为：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(t(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)和末端(BX2i,BY2i)对应，通过计算公式：bend'-1(tan(θ2i-1))＝BX2i-1bend(X2i-1)＝BY2i-1bend'-1(tan(θ2i))＝BX2ibend(X2i)＝BY2i得到第i节臂空间斜率k，得到空间斜率k的计算方法为k＝(BY2i-1-BY2i)/(BY2i-1-BY2i)。进一步的，所述通过斜率得到计算臂架末端坐标的方法为：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：式中，(Xsi，Ysi)为任一臂架起始坐标，(Xei，Yei)为该节臂架末端坐标,1为该任一臂架的长度,k为第i节臂空间斜率；其中，第i节臂的起点(Xsi，Ysi)与第i-1节臂的关系为：(Xsi，Ysi)＝(0，0)，i＝1(Xei-1，Yei-1)，i≠1通过上述公式，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：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。进一步的，还包括通过臂架空间笛卡尔坐标描述矩阵M绘制臂架空间姿态。进一步的，连接所述惯性传感器的线束插头为M12四芯孔头，线束在内部焊接后整体注塑成型，所注塑的材质为PUR弹性体。本专利技术的有益效果是：本基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法中使用的惯性传感器通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。综上，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。附图说明图1为本专利技术提出的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法的步骤图；图2为本专利技术提出的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法的惯性传感器安装示意图；图3为专利技术提出的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法中线束的截面图；图4为油缸检测法的臂架空间角度描述矩阵图。图中：1基座、2臂架、3油缸、4传动连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1:通过各臂架首末两端设置惯性传感器，分别测量对应臂架上相应端的X、Y和Z轴方向上的加速度值和角速度值；/nS2：对惯性传感器进行标定以及对测得的数据进行处理，得到真实的获得加速度值和角速度值；/nS3：根据加速度值和角速度值获得各臂架的弯曲角度以及相邻臂架之间的夹角；/nS4：利用上述弯曲角度以及夹角可得到臂架因变形产生偏移；/nS5：根据所述偏移获得到臂架空间笛卡尔坐标。/n

【技术特征摘要】
1.基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:通过各臂架首末两端设置惯性传感器，分别测量对应臂架上相应端的X、Y和Z轴方向上的加速度值和角速度值；
S2：对惯性传感器进行标定以及对测得的数据进行处理，得到真实的获得加速度值和角速度值；
S3：根据加速度值和角速度值获得各臂架的弯曲角度以及相邻臂架之间的夹角；
S4：利用上述弯曲角度以及夹角可得到臂架因变形产生偏移；
S5：根据所述偏移获得到臂架空间笛卡尔坐标。


2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述惯性传感器安装于臂架的两端，检测的臂架两端X、Y轴方向上的加速度值与角速度值。


3.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述惯性传感器采用ICM20689惯性传感器，所述惯性传感器内部集成三轴加速度与三轴陀螺仪传感器。


4.根据权利要求3所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述标定传感器的过程为：
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和Accxn，传感器空间倾角真值与实际倾角值之间的移值γn通过如下计算过程得到：
γn＝arctan2(Accyn/Accxn)-αn
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通过如下计算过程得到：
θbn＝arctan2(Accyn/Accxn)-γn
式中，θbn为传感器n的空问倾斜角，Accyn为传感器n检测得到的Y轴加速度,Accxn为传感器n检测得到的X轴加速度，γn为传感器的重力加速度偏移。


5.根据权利要求3所述的基于惯性传感器的混凝土泵送车臂架姿态实时检测方法，其特征在于，所述数据处理的过程为：
通过互补滤波，对惯性传感器数据进行过滤消除漂移误差，通过如下方式实现：
An＝Complementary-Filter(θbn，Grozn)
式中，θbn为传感器n的空问倾斜角，Groz为传感器n检测得到Z轴角速度；
并构建臂架空间角度描述矩阵Ain，
Ain＝[A0，A1-A0，A2-A1，…，AN-1-AN-2]；
通过臂架空间角度描述矩阵变换...

【专利技术属性】
技术研发人员：周艳红，荣志强，
申请(专利权)人：湖南易慧智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43