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基于MEMS微加速度计的防摇控制系统研究

2014年07月15日 09:21 次阅读

  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。

  基于MEMS微加速度计的防摇控制系统研究

  (a)小车-吊重摆动系统 (b)吊重受力平衡

  图1 小车-吊重系统力学模型

  如图1(b)所示,设缆绳的张力为T,取x、θ为广义坐标,对小车建立运动微分方程:

  

  根据达朗伯原理,对吊重进行受力分析,它受重力mg,缆绳张力T,法向惯性力Fng ,切向惯性力Fτg ,水平惯性力F1作用。如图1( b)所示。在水平方向上建立平衡方程,有

  MEMS

  在垂直于缆绳方向上建立平衡方程,有:

  

  整理可得:

  

  则吊具摆动的线性化模型为:

  

  如果只考虑在操作点θ0附近只有很小的θ变化,并假定在整个过程中缆绳的长度l始终保持恒定不变,可作如下简化:

  

  由此方程组(6)转化为:

  

  对方程式(8)进行Laplace变换,有:

  

  对象的传递函数为:

  

  根据式(8)得到:

  MEMS

  式(11)、(12)是初始条件为t = 0,θ= 0,θ=0的解,可以发现吊具的摆动是随时间作周期性变化,其摆幅、摆速与小车运行加速度成正比。因此,只要确定了小车运行加速度的大小与方向,吊重的摆幅、摆速也就相应得到确定。

  微机电系统(MEMS)及微加速度计

  微机电系统(MEMS)

  从20世纪60年代起,微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)的结合,制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微机电系统(MEMS)是集微机构、微传感器、微执行器、信号处理、控制电路、通信接日及电源于一体的微型电子机械系统。这种微机电系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令,还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。目前研究最成功、应用最广泛的微机电器件是微传感器,而微加速度计作为微传感器的杰出代表已经广泛应用于汽车智能化控制系统中,如安全气囊系统检测和监控前面后面的碰撞等等。

  微加速度计的结构模型

  图2为电容式微加速度计的结构模型。

  

  图2 微加速度计的结构示意图

  图中的质量块是微加速度计的执行器,与质量块相连的是可动臂;与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构,作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧,而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构,它在加速度计中的作用相当于弹簧。

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系统采用烟雾传感器,红外传感器和热释电传感器作为检测元件,以Philips公司生产的32位ARM7T...

发表于 2014-07-28 16:05 1512次阅读
基于RS-485总线的宿舍智能防火防盗报警系统

基于MSP430的质子旋进式磁力仪设计

针对国产的磁力仪功耗大,稳定性较差,精度较低(±1nT)的问题,采用超低功耗单片机MSP430F14...

发表于 2014-07-28 15:44 213次阅读
基于MSP430的质子旋进式磁力仪设计

基于免疫微传感器的微流体系统

近几年,基于电化学原理的安培酶免疫检测发展迅速,在食品工业、环境监测与处理、生物技术及临床诊断等领域...

发表于 2014-07-28 15:12 434次阅读
基于免疫微传感器的微流体系统

可穿戴型下肢助力机器人感知系统研究

可穿戴型下肢助力机器人是辅助型康复机器人的一种,是一种帮助人们扩展下肢运动能力的助力装置。##机器人...

发表于 2014-07-25 17:51 733次阅读
可穿戴型下肢助力机器人感知系统研究

基于MPX2100型压力传感器的高精度数据采集系...

本文介绍了一种基于MPX2100型压力传感器的高精度压力数据采集系统,给出了X型硅压力传感器MPX2...

发表于 2014-07-25 17:03 983次阅读
基于MPX2100型压力传感器的高精度数据采集系...

解析在传感器应用电路中如何降低噪声及干扰

传感器电路很容易接收到外界或内部一些无规则的噪声或干扰信号,如果这些噪声和干扰的大小可以与有用信号相...

发表于 2014-07-25 15:07 473次阅读
解析在传感器应用电路中如何降低噪声及干扰

近红外传感器在汽车改造技术中的应用研究

随着科学技术的不断发展,新技术新材料新工艺和新器件的相继出现,人们对红外光学进行了深入研究开发,为了...

发表于 2014-07-25 11:58 302次阅读
近红外传感器在汽车改造技术中的应用研究

采用ASIC技术的新一代电流传感器

本文介绍了一款新一代电流传感器,该传感器主要通过一种特别开发的ASIC技术来实现基于开环霍尔效应的电...

发表于 2014-07-24 16:57 528次阅读
采用ASIC技术的新一代电流传感器

采用接近传感器的火花探测器

霍尔效应IC作为接近传感器,用于接近检测和旋转机构的角速度测量等应用。

发表于 2014-07-24 14:54 431次阅读
采用接近传感器的火花探测器

烟雾传感器在宾馆火灾自动报警系统中的应用

火灾自动报警系统,对于及早发现火灾和对火灾进行早期的扑灭,最大化地减小火灾造成人员伤亡、经济损失及不...

发表于 2014-07-24 11:19 963次阅读
烟雾传感器在宾馆火灾自动报警系统中的应用

基于无线传感器网络的智能灌溉系统研究

水是农业的命脉,是生态环境的控制性要素,同时又是战略性的经济资源,因此采用水泵抽取地下水灌溉农田,实...

发表于 2014-07-24 10:57 755次阅读
基于无线传感器网络的智能灌溉系统研究

高精度酒精检测仪设计方案

动车驾驶人员“酒后驾车”以及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故,严重危害了道路交通安全和人民生命财产安...

发表于 2014-07-24 10:28 783次阅读
高精度酒精检测仪设计方案

创意耳纹识别系统的研究与实现方案

基于FPGA与传感技术的耳纹识别系统的研究与实现。

发表于 2014-07-24 09:13 178次阅读
创意耳纹识别系统的研究与实现方案

TS浊度传感器在洗衣机中的应用

如今,全自动洗衣机已走进千家万户,其功能也越来越多,花样不断翻新。判断洗衣机性能的参数已经不再是最基...

发表于 2014-07-23 16:57 330次阅读
TS浊度传感器在洗衣机中的应用

超声波物位仪在工业自动化中的应用

如今,科技进步使重庆兆洲科技发展有限公司生产的mhz(兆洲)牌超声波物位仪的这一功能日益强大。这些新...

发表于 2014-07-23 16:40 174次阅读
超声波物位仪在工业自动化中的应用

半导体指纹传感器工作效率的改装设计

目前生物识别——活体指纹识别系统的应用日益广泛,其中Veridicon推出的I-touch半导体指纹...

发表于 2014-07-23 15:57 567次阅读
半导体指纹传感器工作效率的改装设计