甘泉

【摘 要】挖掘機(jī)動(dòng)臂在完成舉升動(dòng)作過程中始終和豎直方向（或水平方向）成一定的角度關(guān)系。通過固定在動(dòng)臂上的三軸加速度傳感器的各個(gè)軸與重力方向之間的夾角，就可以檢測出動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。針對(duì)傾角測量，設(shè)計(jì)了一種基于C51單片機(jī)和MMA7361加速度傳感器的角度測量平臺(tái)。該平臺(tái)具有測量精度高、靈敏度高的特點(diǎn)，十分具有應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】挖掘機(jī)；動(dòng)臂姿態(tài)；MMA7361

【中圖分類號(hào)】TU621 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）03-0195-02

動(dòng)臂是挖掘機(jī)的關(guān)鍵部件，也是主要承力部件。挖掘機(jī)動(dòng)臂姿態(tài)的研究，對(duì)挖掘機(jī)的工作有重要輔助的作用。能夠測量并保持挖掘機(jī)的水平姿態(tài)，就可實(shí)時(shí)掌握挖掘機(jī)工作狀態(tài)，防止巷道傾斜帶來影響，對(duì)于施工質(zhì)量和效率都有積極的意義。

1 基本原理

1.1 動(dòng)臂的工作原理分析

動(dòng)臂結(jié)構(gòu)可分為兩種，由整體式和組合式兩種。

（1）整體式動(dòng)臂。整體式動(dòng)臂的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕而剛度大。整體式動(dòng)臂又可分為直動(dòng)臂和彎曲動(dòng)臂兩種。其中的直動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡單質(zhì)量輕制造方便，主要用于懸掛式挖掘機(jī)，但它不能使挖掘機(jī)獲得較大的挖掘深度，不適用于通用挖掘機(jī)；彎動(dòng)臂是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式，與直動(dòng)臂相比可以使挖掘機(jī)有較大的挖掘深度，但降低了卸土高度，這正符合挖掘機(jī)反鏟作業(yè)的要求。

（2）組合式動(dòng)臂。組合式動(dòng)臂有輔助連桿（或液壓缸）或螺栓連接而成。上下動(dòng)臂之間的夾角可用輔助連桿或液壓缸來調(diào)節(jié)，雖然結(jié)構(gòu)操作復(fù)雜化但在挖掘機(jī)作業(yè)中可隨時(shí)大幅度調(diào)整上下動(dòng)臂者間的夾角，從而提高挖掘機(jī)的作業(yè)性能，組合式動(dòng)臂的優(yōu)點(diǎn)是，可以根據(jù)作業(yè)條件隨意調(diào)整挖掘機(jī)的作業(yè)尺寸和挖掘能力，且調(diào)整時(shí)間短。此外他的互換工作裝置多，可以滿足各種作業(yè)的需要，裝車運(yùn)輸方便。其缺點(diǎn)是質(zhì)量大，制造成本高，用于中小型挖掘機(jī)上。

首先，由傳感器可以得到加速度信息，通過對(duì)加速度一次積分求得速度，再對(duì)速度積分求出位移，進(jìn)而檢測出的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。按照這一方法處理采集到的傳感器數(shù)據(jù)，得出結(jié)果。由于傳感器輸出和其受力方式有關(guān)，這里我們考慮外力（外力是指除了重力之外的其他作用力）。在擺放位置發(fā)生變化時(shí)也會(huì)引起輸出的改變。因此，我們需要考慮傳感器的受力和角度。對(duì)于一個(gè)同時(shí)受重力和其他外力作用的傳感器，在XOY平面的受力分析。

由于重力和外力都會(huì)影響傳感器輸出，假設(shè)傳感器在一個(gè)平面內(nèi)的輸入和輸出有如下關(guān)系

式中a為傳感器受到外力的加速度，g為重力加速度，α為外力的加速度的方向與傳感器Y軸方向的夾角，β為X軸方向與豎直方向的夾角，Δx，Δy為相應(yīng)的傳感器的2個(gè)軸的電壓輸出變化量，為已知值。

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，其中，x0，y0為指x軸、y軸不受任何外力時(shí)的靜態(tài)輸出，x，y是指傳感器的X軸、Y軸輸出電壓。k1，k2為傳感器x，y方向的靈敏度。

傳感器靈敏度k1，k2的確定可以采用重力標(biāo)定方法，即將所要標(biāo)定的測量方向沿著豎直方向，并在豎直面內(nèi)將此軸的方向旋轉(zhuǎn)180°，記錄傳感器輸出的最小值θmin和最大值θmax，則靈敏度

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kiθθ （4）

根據(jù)式（4）得出重力與傳感器各軸的夾角β，由于重力方向是豎直向下，得到的角度β就是傳感器各軸與豎直方向的夾角，就可以依據(jù)β判斷出傳感器的擺放位置。在量的時(shí)候，傳感器是固定在待測物體上的，通過傳感器擺放位置也就判斷出待測物體的位置。所以，可以運(yùn)用此方法檢測動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

MMA7361是一款高精度的模擬三軸加速度傳感器，其精度模式可以選擇1.5g或6g兩種。從工程需要的角度選擇1.5g模式，其精度為800 mV/g，將g—Select引腳置為低電平。在正常工作狀態(tài)，Sleep引腳需要置為高電平。同時(shí)啟動(dòng)Self Test模式，芯片在工作之前先完成內(nèi)部自檢。MMA7361三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)角度測試，其核心算法是建立輸出電壓和角度之間的函數(shù)映射關(guān)系。零傾斜角度的選擇對(duì)于測量儀的精度影響比較大。

3 軟件設(shè)計(jì)

利用MMA7361三軸加速傳感器可以對(duì)物件運(yùn)動(dòng)和方向進(jìn)行檢測，它根據(jù)物件運(yùn)動(dòng)和方向改變輸出信號(hào)的電壓值。各軸的信號(hào)在不運(yùn)動(dòng)或不被重力作用的狀態(tài)下（0g），其輸出為1.65V。如果沿著某一個(gè)方向活動(dòng)，或者受到重力作用，輸出電壓就會(huì)根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方向以及設(shè)定的傳感器靈敏度而改變其輸出電壓。用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器讀取此輸出信號(hào)，就可以檢測其運(yùn)動(dòng)和方向。MMA7361角度檢測模塊電路如圖3所示。