本文關鍵詞：港口集裝箱起重機吊具姿態(tài)檢測系統(tǒng)研究

  更多相關文章： 集裝箱吊具 MEMS慣性傳感器 姿態(tài)檢測 四元素 姿態(tài)角

【摘要】：隨著我國智慧物流行業(yè)的飛速發(fā)展,極大的促進了港口集裝箱的吞吐量。提高港口操作效率的一個關鍵因素在于起重機在操作吊具的過程中,將吊具鎖頭精確對準集裝箱角件。由于風、沖擊及不均勻的負荷可能會引起吊具偏斜的振動,而且,由于吊具頻繁地進行起吊、平移、落吊等動作,不可避免地會存在吊具擺幅過大的現(xiàn)象,從而產(chǎn)生安全隱患。吊具姿態(tài)的實時檢測,不僅有利于吊具鎖頭準確快速鎖孔,提高港口作業(yè)效率；也有利于操作人員隨時掌握吊具工作狀態(tài),有效防止事故的發(fā)生。因此,對集裝箱吊具運行狀態(tài)的檢測具有重要的研究價值和實踐意義。目前,MEMS慣性傳感器的性能已經(jīng)相當優(yōu)越,可靠性高、成本低、使用壽命長等,已經(jīng)廣泛用于姿態(tài)檢測系統(tǒng)。本文所研究的港口集裝箱起重機吊具姿態(tài)檢測系統(tǒng),主要用于檢測集裝箱吊具的姿態(tài)。該系統(tǒng)采用LSM303DLHC、L3GD20傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊,以STM32F303為微控制器,基于MEMS噴性傳感器姿態(tài)檢測技術,通過上位機顯示界面,實現(xiàn)集裝箱吊具姿態(tài)實時檢測及動態(tài)監(jiān)控。首先,詳細分析了目前自動化集裝箱碼頭在集裝箱裝卸上應用的相關自動化技術,以及集裝箱吊具姿態(tài)檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀,探討了本課題研究的必要性。其次,在收集、查看相關文獻的基礎上,基于MEMS慣性傳感器的工作原理及誤差來源,針對開發(fā)板的數(shù)據(jù)采集模塊LSM303DLHC做了性能測試,通過串口調(diào)試助手在線調(diào)試,分析了其誤差范圍。在此基礎之上,結(jié)合姿態(tài)解算理論知識,采用基于梯度下降法傳感器姿態(tài)融合算法,以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)誤差修正。然后,設計了集裝箱吊具檢測系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu),給出在IAR開發(fā)平臺下下位機軟件的設計,實現(xiàn)了下位機通信模塊,數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)輸出模塊。最后,采用Python語言設計了吊具檢測系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面,分析了融合算法β參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響,以優(yōu)化融合算法在系統(tǒng)上的應用。通過下位機與上位機的聯(lián)合通信調(diào)試,對比分析融合算法前與融合算法后的數(shù)據(jù),驗證了本文采用的基于梯度下降法的姿態(tài)融合算法的性能,得出了算法的可行性。通過上位機集裝箱吊具的3D模型顯示,直觀、可靠、實時的顯示了集裝箱吊具姿態(tài)。
【關鍵詞】：集裝箱吊具 MEMS慣性傳感器 姿態(tài)檢測 四元素 姿態(tài)角
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH21;TP274
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 專業(yè)術語注釋7-8
• 中英文~.略對照表8-15
• 第一章 緒論15-22
• 1.1 研究背景及意義15-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-19
• 1.3 本文研究的主要內(nèi)容19-20
• 1.4 論文的章節(jié)安排20-22
• 第二章 姿態(tài)解算理論基礎22-37
• 2.1 常用坐標系與坐標變換22-26
• 2.1.1 常用坐標系定義22-24
• 2.1.2 坐標變換24-26
• 2.2 姿態(tài)表示方法26-34
• 2.2.1 歐拉角表示法26-28
• 2.2.2 方向余弦矩陣表示法28
• 2.2.3 四元數(shù)表示法28-31
• 2.2.4 三種算法分析對比31-34
• 2.3 姿態(tài)更新微分方程34-36
• 2.3.1 基于歐拉角法的微分方程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 本章小結(jié)36-37
• 第三章 MEMS傳感器工作原理與誤差分析37-47
• 3.1 MEMS技術發(fā)展概況37-38
• 3.2 MEMS傳感器工作原理38-42
• 3.2.1 三軸數(shù)字陀螺儀工作原理38-39
• 3.2.2 三軸數(shù)字加速度計工作原理39-40
• 3.2.3 三軸數(shù)字磁羅盤工作原理40-42
• 3.3 MEMS傳感器誤差分析42-43
• 3.3.1 三軸數(shù)字陀螺儀誤差分析42
• 3.3.2 三軸數(shù)字加速度計誤差分析42-43
• 3.3.3 三軸數(shù)字磁羅盤誤差分析43
• 3.4 傳感器誤差測試43-46
• 3.5 本章小結(jié)46-47
• 第四章 基于梯度下降法的四元數(shù)姿態(tài)融合算法研究47-57
• 4.1 梯度下降法原理47-48
• 4.2 誤差補償原理48
• 4.3 修正原理48-53
• 4.3.1 三軸數(shù)字加速度計修正原理48-50
• 4.3.2 三軸數(shù)字磁羅盤修正原理50-53
• 4.4 基于梯度下降法的四元素姿態(tài)融合算法53-56
• 4.5 本章小結(jié)56-57
• 第五章 姿態(tài)檢測系統(tǒng)硬件介紹與軟件設計57-77
• 5.1 系統(tǒng)架構(gòu)設計與硬件介紹57-62
• 5.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設計57-58
• 5.1.2 姿態(tài)檢測系統(tǒng)硬件介紹58-62
• 5.2 IAR項目工程搭建62-66
• 5.2.1 IAR開發(fā)環(huán)境配置62-63
• 5.2.2 項目文件架構(gòu)組織63-65
• 5.2.3 底層驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)65-66
• 5.3 通信方式配置實現(xiàn)66-70
• 5.3.1 USART配置與實現(xiàn)66-67
• 5.3.2 I2C配置與實現(xiàn)67-69
• 5.3.3 SPI配置與實現(xiàn)69-70
• 5.4 下位機軟件設計70-76
• 5.4.1 系統(tǒng)初始化71-72
• 5.4.2 傳感器初始化72-74
• 5.4.3 傳感器數(shù)據(jù)采集與處理74-75
• 5.4.4 姿態(tài)解算與融合更新75
• 5.4.5 串口數(shù)據(jù)輸出75-76
• 5.5 本章小結(jié)76-77
• 第六章 上位機模擬3D環(huán)境搭建與數(shù)據(jù)分析77-86
• 6.1 PYTHON語言介紹77
• 6.2 上位機軟件設計77-81
• 6.2.1 上位機界面初始化79
• 6.2.2 串口設置與數(shù)據(jù)讀取79-80
• 6.2.3 吊具3D模型和顯示信息更新80-81
• 6.2.4 上位機開發(fā)環(huán)境運行81
• 6.3 實驗數(shù)據(jù)測試與分析81-85
• 6.3.1 B參數(shù)對算法性能的影響81-83
• 6.3.2 融合算法誤差分析83-85
• 6.4 本章小結(jié)85-86
• 結(jié)論與展望86-87
• 參考文獻87-91
• 攻讀學位期間發(fā)表的論文及獲獎91-93
• 致謝93

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