港口集装箱起重机吊具姿态检测系统研究

发布时间：2017-08-03 09:00

  本文关键词：港口集装箱起重机吊具姿态检测系统研究

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【摘要】：随着我国智慧物流行业的飞速发展,极大的促进了港口集装箱的吞吐量。提高港口操作效率的一个关键因素在于起重机在操作吊具的过程中,将吊具锁头精确对准集装箱角件。由于风、冲击及不均匀的负荷可能会引起吊具偏斜的振动,而且,由于吊具频繁地进行起吊、平移、落吊等动作,不可避免地会存在吊具摆幅过大的现象,从而产生安全隐患。吊具姿态的实时检测,不仅有利于吊具锁头准确快速锁孔,提高港口作业效率；也有利于操作人员随时掌握吊具工作状态,有效防止事故的发生。因此,对集装箱吊具运行状态的检测具有重要的研究价值和实践意义。目前,MEMS惯性传感器的性能已经相当优越,可靠性高、成本低、使用寿命长等,已经广泛用于姿态检测系统。本文所研究的港口集装箱起重机吊具姿态检测系统,主要用于检测集装箱吊具的姿态。该系统采用LSM303DLHC、L3GD20传感器作为数据采集模块,以STM32F303为微控制器,基于MEMS喷性传感器姿态检测技术,通过上位机显示界面,实现集装箱吊具姿态实时检测及动态监控。首先,详细分析了目前自动化集装箱码头在集装箱装卸上应用的相关自动化技术,以及集装箱吊具姿态检测技术的发展现状,探讨了本课题研究的必要性。其次,在收集、查看相关文献的基础上,基于MEMS惯性传感器的工作原理及误差来源,针对开发板的数据采集模块LSM303DLHC做了性能测试,通过串口调试助手在线调试,分析了其误差范围。在此基础之上,结合姿态解算理论知识,采用基于梯度下降法传感器姿态融合算法,以实现传感器数据误差修正。然后,设计了集装箱吊具检测系统的框架结构,给出在IAR开发平台下下位机软件的设计,实现了下位机通信模块,数据采集模块及数据输出模块。最后,采用Python语言设计了吊具检测系统上位机监控界面,分析了融合算法β参数对系统性能的影响,以优化融合算法在系统上的应用。通过下位机与上位机的联合通信调试,对比分析融合算法前与融合算法后的数据,验证了本文采用的基于梯度下降法的姿态融合算法的性能,得出了算法的可行性。通过上位机集装箱吊具的3D模型显示,直观、可靠、实时的显示了集装箱吊具姿态。
【关键词】：集装箱吊具 MEMS惯性传感器 姿态检测 四元素 姿态角
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH21;TP274
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 专业术语注释7-8
• 中英文~.略对照表8-15
• 第一章 绪论15-22
• 1.1 研究背景及意义15-17
• 1.2 国内外研究现状17-19
• 1.3 本文研究的主要内容19-20
• 1.4 论文的章节安排20-22
• 第二章 姿态解算理论基础22-37
• 2.1 常用坐标系与坐标变换22-26
• 2.1.1 常用坐标系定义22-24
• 2.1.2 坐标变换24-26
• 2.2 姿态表示方法26-34
• 2.2.1 欧拉角表示法26-28
• 2.2.2 方向余弦矩阵表示法28
• 2.2.3 四元数表示法28-31
• 2.2.4 三种算法分析对比31-34
• 2.3 姿态更新微分方程34-36
• 2.3.1 基于欧拉角法的微分方程34-35
• 2.3.2 基于方向余弦法的微分方程35-36
• 2.3.3 基于四元素法的微分方程36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 MEMS传感器工作原理与误差分析37-47
• 3.1 MEMS技术发展概况37-38
• 3.2 MEMS传感器工作原理38-42
• 3.2.1 三轴数字陀螺仪工作原理38-39
• 3.2.2 三轴数字加速度计工作原理39-40
• 3.2.3 三轴数字磁罗盘工作原理40-42
• 3.3 MEMS传感器误差分析42-43
• 3.3.1 三轴数字陀螺仪误差分析42
• 3.3.2 三轴数字加速度计误差分析42-43
• 3.3.3 三轴数字磁罗盘误差分析43
• 3.4 传感器误差测试43-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 基于梯度下降法的四元数姿态融合算法研究47-57
• 4.1 梯度下降法原理47-48
• 4.2 误差补偿原理48
• 4.3 修正原理48-53
• 4.3.1 三轴数字加速度计修正原理48-50
• 4.3.2 三轴数字磁罗盘修正原理50-53
• 4.4 基于梯度下降法的四元素姿态融合算法53-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 姿态检测系统硬件介绍与软件设计57-77
• 5.1 系统架构设计与硬件介绍57-62
• 5.1.1 系统架构设计57-58
• 5.1.2 姿态检测系统硬件介绍58-62
• 5.2 IAR项目工程搭建62-66
• 5.2.1 IAR开发环境配置62-63
• 5.2.2 项目文件架构组织63-65
• 5.2.3 底层驱动程序实现65-66
• 5.3 通信方式配置实现66-70
• 5.3.1 USART配置与实现66-67
• 5.3.2 I2C配置与实现67-69
• 5.3.3 SPI配置与实现69-70
• 5.4 下位机软件设计70-76
• 5.4.1 系统初始化71-72
• 5.4.2 传感器初始化72-74
• 5.4.3 传感器数据采集与处理74-75
• 5.4.4 姿态解算与融合更新75
• 5.4.5 串口数据输出75-76
• 5.5 本章小结76-77
• 第六章 上位机模拟3D环境搭建与数据分析77-86
• 6.1 PYTHON语言介绍77
• 6.2 上位机软件设计77-81
• 6.2.1 上位机界面初始化79
• 6.2.2 串口设置与数据读取79-80
• 6.2.3 吊具3D模型和显示信息更新80-81
• 6.2.4 上位机开发环境运行81
• 6.3 实验数据测试与分析81-85
• 6.3.1 B参数对算法性能的影响81-83
• 6.3.2 融合算法误差分析83-85
• 6.4 本章小结85-86
• 结论与展望86-87
• 参考文献87-91
• 攻读学位期间发表的论文及获奖91-93
• 致谢93

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