混凝土泵车布料软管状态的检测系统.pdf

本发明公开一种能准确检测混凝土泵车布料软管状态的检测系统，以便臂架控制系统计算操作所期望的浇灌点的移动方向及移动速度，为臂架控制系统的调节控制提供依据；该系统包括：检测装置、数据采集单元、微处理器计算单元、无线发射模块、电池组件；检测装置周向分布有3-24组应变式传感器，可检测布料管在对应位置的形变；微处理器计算单元依据检测结果可分析计算出布料管弯曲方位及弯曲程度；无线发射模块可将计算结果发送给臂架控制系统的主控制器；布料软管弯曲方位及弯曲程度表征泵车在实施混凝土浇灌作业时，浇灌点的移动方向与移动速度；臂架控制系统的主控制器可依据本发明所提供的检测结果，计算调节臂架姿态的控制指令。

1.  一种混凝土泵车布料软管状态的检测系统，其特征在于包括：检测装置[101]、数据采集单元[201]、微处理器计算单元[301]、无线发射模块[401]、电池组件[501]；
所述检测装置[101]，用以检测混凝土泵车布料软管弯曲的形变；所述检测装置[101]包含3-24个桥式检测电路[102～104]；桥式检测电路的输出信号采用电气连接的方式与所述数据采集单元[201]连接；
所述数据采集单元[201]，用以将所述检测装置[101]的输出信号进行信号调理，并转换为数值信号，提供给所述微处理器计算单元[301]；所述数据采集单元[201]采用总线的方式连接到微处理器计算单元[301]；
所述微处理器计算单元[301]，依据从所述数据采集单元[201]获得的数据，计算混凝土泵车布料软管的弯曲程度与弯曲方向；
所述无线发射模块[401]，用于发射所述微处理器计算单元[301]计算得到的混凝土泵车布料软管的弯曲程度与弯曲方向；所述微处理器计算单元[301]与无线发射模块[401]之间通过串口方式通讯；
所述电池组件[501]，给所述数据采集单元[201]、微处理器计算单元[301]、无线发射模块[401]提供电源；电池组件[501]为所述数据采集单元[201]中所有桥式检测电路[102～104]提供电源。

2.  依据权利要求1所述的混凝土泵车布料软管状态的检测系统，其特征在于，所述检测装置[101]包括：
上固定块[1]，固定在混凝土泵车布料软管上，距离布料软管顶部200-300mm范围内；
保护罩[2]，与所述上固定块[1]紧固连接；用以限定所述检测装置[101]的测量范围，并对所述检测装置[101]中的其他元件加以防护；
弹性薄片[3]，在所述检测装置内部周向分布有3-24个弹性薄片[3]，弹性薄片[3]的顶部与所述上固定块[1]紧固连接，弹性薄片的底部贴紧所述下固定块[5]；
应变片[4]，在所述弹性薄片[3]的表面粘贴有1-4片应变片[4]，用以检测弹性薄片[3]的形变量；
下固定块[5]，固定在混凝土泵车布料软管上，位于所述上固定块[1]下方100-400mm范围内；下固定块[5]与所述保护罩[2]四周存在2-10mm的间隙；
保护螺钉[6]，所述保护罩[2]与所述下固定块[5]之间设置有1-3粒保护螺钉[6]；锁紧保护螺钉[6]，所述检测装置不工作；松开保护螺钉[6]，所述检测装置能正常工作；
零位指示孔[7]，设置在所述保护罩[2]上，用以表征布料软管弯曲方向的零位基准位置；
桥式检测电路[102～104]，每块弹性薄片[3]上粘贴的应变片[4]组成一个桥式检测电路； 桥式检测电路将弹性薄片[3]的形变量转化为电压信号输出；
辅助功能盒[8]，用以安装所述数据采集单元[102]、微处理器计算单元[103]、无线发射模块[104]、电池组件[501]、桥式检测电路[102～104]。

混凝土泵车布料软管状态的检测系统
技术领域
本发明涉及一种混凝土泵车布料软管状态的检测系统。
背景技术
混凝土泵车是采用泵送方式远距离实施混凝土浇注作业的一种工程机械。臂架系统是混凝土泵车在混凝土浇灌作业过程中，用以调节混凝土浇注位置的功能单元。混凝土泥浆在混凝土泵的泵送作用下，通过布置在臂架上的输送管道，由连接在臂架末端的布料软管排出到预定浇灌点，从而实现混凝土浇注作业。
实际使用过程中通常要求混凝土泵车能够实现沿预定轨迹实施混凝土浇注。普通的混凝土泵车，需要至少2人配合作业：混凝土泵车操作员甲手持遥控器(臂架系统的每个关节至少对应遥控器的一个控制按钮)，人工调节控制臂架系统的转塔及各节臂架的姿态；操作员乙拖拽布料软管，控制混凝土排出落点，来完成沿预定轨迹实施浇注作业的任务。如若操作员甲不便于观察操作员乙的作业环境，或是在狭小区域内实施浇灌时，这种普通的作业方式实施困难。加载了智能臂架控制系统的混凝土泵车，只需一个操作员沿预定的浇灌轨迹拖拽布料软管，自动检测控制系统根据操作员拖拽布料软管的方向，自动识别和判断操作员所期望的浇灌点的移动方向与移动速度，并将信息上传到智能臂架控制系统的主控制器，经过主控制器计算处理后发出控制指令，自主协调臂架动作，实现预定的浇注作业。工作过程可简略描述为：施工人员沿预定浇注轨迹拖拽布料软管，控制系统根据施工人员的拖拽动作将自动协调转塔及各节臂架动作，使得臂架系统末端跟随施工人员的拖拽方向运动。这一功能也被称为臂架系统末端随动功能，解决了混凝土泵车操作人员和现场施工人员的协调问题，为施工提供了方便，提高了作业效率。
混凝土泵车布料软管状态定义为：混凝土泵车布料软管所受外力的大小及方向。可以认为：操作员施加在布料软管上的作用力越大，则所期望的浇灌点的移动速度越快，即布料软管所受外力的大小与期望的浇灌点的移动速度正相关；布料软管所受外力的方向与期望的浇灌点的移动方向相同。因此，在混凝土泵车在沿预定轨迹进行混凝土浇灌作业时，可通过布料软管状态计算出浇灌点的移动期望。混凝土泵车布料软管状态的检测是实现臂架系统末端随动功能的关键检测技术之一。
现有技术已提出了多种采用自动控制技术实现混凝土泵车臂架系统末端随动功能的解决方案。如已公开的专利“混凝土泵车位置检测装置和方法及混凝土泵车”(CN101718861)，通过多点超声波测距的方式，获得布料软管上设置的测量点，在测量所用的参考坐标系中的坐标位置。通过分析布料软管测量点坐标位置的变化规律，从而计算出浇灌点的移动期望。 该方法采用的多点超声波测距系统结构复杂，且多路超生波之间存在一定的干扰，且需要做复杂的坐标变换。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种能准确检测混凝土泵车布料软管状态的检测系统，以便智能臂架控制系统计算浇灌点的移动方向及移动速度，为臂架系统的调节控制提供依据。
本发明提供的混凝土泵车布料软管状态的检测系统包括：检测装置(101)、数据采集单元(201)、微处理器计算单元(301)、无线发射模块(401)、电池组件(501)。
所述检测装置(101)，输出一组(3-24个)检测信号，用以检测混凝土泵车布料软管弯曲的形变；所述检测装置(101)的输出端口连接到所述数据采集单元的模拟量输入端口；检测装置(101)包括：
上固定块1，固定在混凝土泵车布料软管上，距离布料软管顶部200-300mm范围内；
保护罩2，与所述上固定块1紧固连接；用以限定所述检测装置(101)的测量范围，并对所述检测装置(101)中的其他元件加以防护；
弹性薄片3，在所述检测装置(101)内部周向分布有3-24个弹性薄片3，弹性薄片3的顶部与所述上固定块1紧固连接，弹性薄片3的底部贴紧所述下固定块5；
应变片4，在所述弹性薄片3的表面粘贴有1-4片应变片4，用以检测弹性薄片3的形变量；
下固定块5，固定在混凝土泵车布料软管上，位于所述上固定块1下方100-400mm范围内；下固定块5与所述保护罩2四周存在2-10mm的间隙；
保护螺钉6，所述保护罩2与所述下固定块5之间设置有1-3粒保护螺钉6；锁紧保护螺钉6，所述检测装置(101)不工作；松开保护螺钉6，所述检测装置(101)能正常工作；
零位指示孔7，设置在所述保护罩2上，用以表征软管弯曲方向的零位基准位置；
桥式检测电路，每块弹性薄片3上粘贴的应变片组成一个桥式检测电路；桥式检测电路将弹性薄片3的形变量转化为电压信号输出；
辅助功能盒8，用以安装所述数据采集单元(102)、微处理器计算单元(103)、无线发射模块(104)、电池组件(501)。
所述数据采集单元(201)，用以将所述检测装置(101)的输出信号进行信号调理，并转换为数值信号，提供给所述微处理器计算单元(301)；所述数据采集单元(201)采用总线的方式连接到微处理器计算单元(301)；
所述微处理器计算单元(301)，依据从所述数据采集单元(201)获得的数据，计算混凝土泵车布料软管的弯曲程度与弯曲方向；
所述无线发射模块(401)，用于发射所述微处理器计算单元(301)计算得到的混凝土泵车 布料软管的弯曲程度与弯曲方向；所述微处理器计算单元(301)与无线发射模块(401)之间通过串口方式通讯；
所述电池组件(501)，给所述数据采集单元(201)、微处理器计算单元(301)、无线发射模块(401)提供电源；电池组件(501)为所述数据采集单元(201)中所有桥式检测电路(102～104)提供电源。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
1.本检测系统在安装固定在布料软管上，通过检测分布在布料软管四周的弹性薄片的弯曲变形量，从而计算出混凝土泵车布料软管的弯曲状态，以便智能臂架控制系统计算浇灌点的移动方向及移动速度。
2.用分布在布料软管四周的弹性薄片检测布料软管的弯曲变形，用应变片组成测量电桥检测弹性薄片的变形。可有效去除混凝土浇注作业所致的臂架振动和振荡干扰。
3.本发明装置采用微处理器分析应变片的输出信号，计算混凝土泵车布料软管的弯曲状态。
4.检测装置的外部设计有保护罩，可减少外界环境对检测装置的干扰，同时可避免弹性薄片因变形量过大而产生塑性变形。
因此，本发明结构简单、易于实现，抗干扰能力强。
说明书附图
图1为本系统的结构图。
图2为本发明的具体实施方式结构图
图3为本发明系统中检测装置的结构示意图。
图4为图3的A-A剖视图。
图5为全桥检测电路的电路图。
图6为本系统工作时的安装图。
图7为微处理器计算单元程序的主流程图。
具体实施方式
下面以在检测装置内部设置四个矩形弹性薄片，每个弹性薄片上设置四个应变片的实施方式对本发明作进一步描述。
本系统的具体实施方式如图2所示，本系统由检测装置、数据采集单元、微处理器计算单元、无线发射模块、电池组件构成。本实施方式中桥式测量电路为全桥测量电路，电池组件由干电池及必要的稳压电路构成，微处理器计算单元采用单片机系统。
检测装置中的第1全桥测量电路的输出端口UO1与数据采集单元中第1放大电路的输入端口i1连接；检测装置中的第2全桥测量电路的输出端口UO2与数据采集单元中第2放大电路的输入端口i2连接；检测装置中的第3全桥测量电路的输出端口UO3与数据采集单元中第 3放大电路的输入端口i3连接；检测装置中的第4全桥测量电路的输出端口UO4与数据采集单元中第4放大电路的输入端口i4连接；第1放大器的输出端口p1连接第1滤波器的输入端口m1；第2放大器的输出端口p2连接第2滤波器的输入端口m2；第3放大器的输出端口p3连接第3滤波器的输入端口m3；第4放大器的输出端口p4连接第4滤波器的输入端口m4；第1滤波器的输出端口w1连接多路开关的选择端口k1；第2滤波器的输出端口w2连接多路开关的选择端口k2；第3滤波器的输出端口w3连接多路开关的选择端口k3；第4滤波器的输出端口w4连接多路开关的选择端口k4；多路开关的输出端口S连接采样保持器的输入端口a；多路开关的地址选择端口A0连接微处理器计算单元的P0.2端口；多路开关的地址选择端口A1连接微处理器计算单元的P0.3端口；采样保持器的使能端SN连接微处理器计算单元的P0.4；采样保持器的输出端口b连接A/D转换器的模拟量输入端口sng。A/D转换器的转换结果输出端口D0-D7分别依次连接微处理器计算单元的P1.0-P1.7端口；A/D转换器的选择端口CE连接微处理器计算单元的P0.0端口；A/D转换器的转换状态端口R/C连接微处理器计算单元的P0.1端口；微处理器计算单元的接收数据端口RXD0与无线通讯模块的发送数据端口TXD1连接；微处理器计算单元的发送数据端口TXD0与无线通讯模块的接收数据端口RXD1连接；微处理器计算单元的地线端口GND0与无线通讯模块的地线端口GND1连接。
电池组件的V1端口与检测装置中的UI1、UＩ2、UＩ3、UＩ4连接在一起，为第1全桥测量电路、第2全桥测量电路、第3全桥测量电路、第4全桥测量电路供电；电池组件的V2端口为数据采集单元中的各个部分供电；电池组件的V3端口连接微处理器计算单元的C-VCC端口，为微处理器计算单元供电；电池组件的V4端口连接无线通讯模块的T-VCC端口，为无线通讯模块供电。
图3、4是本实施方式中检测装置的结构示意图，包括：
上固定块1，可固定在混凝土泵车布料软管上，距离布料软管顶部200-300mm范围内；
保护罩2，与上固定块1紧固连接；用以限定检测装置的测量范围，并对检测装置中的其他元件加以防护；
弹性薄片3，在检测装置内部周向分布有3-24个弹性薄片3，弹性薄片3的顶部与上固定块1紧固连接，弹性薄片的底部贴紧下固定块5；
应变片4，在弹性薄片3的表面粘贴有1-4片应变片4，用以检测弹性薄片3的形变量；
下固定块5，可固定在混凝土泵车布料软管上，位于上固定块1下方100-400mm范围内；下固定块5与保护罩2四周存在2-10mm的间隙；
保护螺钉6，所述保护罩2与下固定块5之间设置两粒保护螺钉6；当保护螺钉6处于锁紧状态时，检测装置不工作；如果保护螺钉6处于松开状态，则检测装置能正常工作；
零位指示孔7，设置在保护罩2上，用以表征软管弯曲方向的零位基准位置；
辅助功能盒8，焊接在保护罩2上用以安装数据采集单元、微处理器计算单元、无线发 射模块、电池组件、桥式检测电路。
每块弹性薄片上粘贴的四块应变片组成如图5所示的全桥测量电路。图5中R1、R2、R3、R4代表四块应变片；UI端口接电源；U0为检测信号输出端口。由图4所示的全桥检测电路原理可知，弹性薄片所受压力与弹性薄片表面应变存在如下关系：
ε＝KU_i/U_o(公式1)
F＝EWε/(l-a)(公式2)
其中U_i为全桥测量电路UI端口的供电电压，U_o全桥测量电路U0端口的输出电压，K为电阻应变片灵敏系数，ε为弹性薄片的表面应变，F为弹性薄片所受压力，U₁为应变片测量电桥供电电压，E为弹性薄片的弹性模量，W为弹性薄片横截面的抗弯弹性模量，l为压力F作用点至弹性薄片固定端的距离，a为应变片粘贴位置到弹性薄片固定端的距离。
具体的工作过程：图6是本系统工作时的安装图，其中9为臂架末端、10为布料软管、11为上固定块锁紧螺丝、12为下固定块锁紧螺丝。通过锁紧上固定块锁紧螺丝11和下固定块锁紧螺丝12，可将本系统固定在布料软管10上，其中上固定块1的顶部距离布料软管顶部约200～300mm，零位指示孔7指向混凝土泵车转塔的回转轴。在自然状态下，混凝土泵车末端布料软管的中心线呈直线状态，上固定块1与下固定块5的中心对正。此时，装置内的四块弹性薄片3无形变，相应的，所有全桥检测电路无输出信号。当施工人员施加外力F作用于布料软管10时，布料软管10将沿受力方向产生弯曲，下固定块5的中心相对上固定块1发生中心偏移。若布料软管10的弯曲量过大，则下固定块5将与保护罩2的内表壁接触接触，有效的防止了弹性薄片3发生塑性变形。在施工人员的牵引作用下，布料软管10将发生弯曲变形，弯曲变形的方向即为施工人员期望的浇注方向。布料软管发生弯曲变形后会对变形方向上的弹性薄片产生压力，引起弹性薄片的变形，布料软管的变形越大弹性薄片受到的压力以及产生的变形也越大。通过测量弹性薄片表面的应变，可得到弹性薄片3所受到软管的压力，计算四块弹性薄片所受到压力的矢量合，合力的方向即为浇注方向。
微处理器计算单元，计算压力的矢量合的具体过程如下：
S1-1设置弹性薄片的初始方位角α₁＝0，α₂＝π/2，α₃＝π，α₄＝3π/2，，外力响应阈值F_min＝0。
S1-2初始外力大小F＝0，外力方位角β＝0
S1-3采集全桥测量电路的输出电压信号，并依据公式1和公式2计算各个薄片所受到的压力。
S1-4计算各个薄片所受到的最大压力：x＝max{F_i|i＝1，2，3，4}；并记录薄片的编号n＝i。
S1-5判断x＜F_min，如果成立，说明没有外力，则进入S1-9，否则进入S1-6。
S1-6计算各个薄片所受到的次大压力：y＝max{F_i|i＝1，2，3，4∩i≠n}；并记录薄片的编号 m＝i。计算合力F=x2+y2]]>
S1-7判断m＞n，成立则进行S1-8-1，否则进行S1-8-2。
S1-8-1计算方位角β＝α_m-arcsin(x/F)。
S1-8-2计算方位角β＝α_n+arcsin(x/F)。
S1-9将β和F进行编码。
微处理器计算单元采用串口通讯的方式，将计算得到的编码结果，传送给无线发射模块。无线发射模块正确获取微处理器计算单元传送的数据后，将数据通过无线电波发送给智能臂架控制系统的主控制器。智能臂架控制系统的主控制器通过解码可得到布料管所受外力的大小与方向，以便智能臂架控制系统计算浇灌点的移动期望，进而为臂架系统的调节控制提供依据。