在當(dāng)今全球化貿(mào)易蓬勃發(fā)展的時(shí)代，貨物運(yùn)輸?shù)男逝c安全至關(guān)重要。起重機(jī)作為貨物裝卸的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、碼頭、工廠等大型運(yùn)輸場(chǎng)所。然而，由于鋼絲繩柔性、操作熟練度、風(fēng)力等因素影響，貨物在吊運(yùn)過(guò)程中極易產(chǎn)生搖擺，不僅降低裝卸效率，還存在嚴(yán)重安全隱患。為解決這一難題，本文將詳細(xì)介紹一種智能控制橋臂的起重機(jī)防搖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

一、起重機(jī)防搖系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

近年來(lái)，隨著全球貿(mào)易往來(lái)日益頻繁，貨物運(yùn)輸需求不斷增長(zhǎng)，起重機(jī)在貨物裝箱、搬運(yùn)環(huán)節(jié)的重要性愈發(fā)凸顯。但在實(shí)際作業(yè)中，起重機(jī)位移裝置與貨物多通過(guò)鋼絲繩連接，多種因素導(dǎo)致貨物在運(yùn)送過(guò)程中搖擺不定。雖然國(guó)內(nèi)已采用電子防搖技術(shù)，但由于起重機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型具有非線性和不確定性，常規(guī)控制方法效果不佳，部分裝備電子防搖系統(tǒng)的集裝箱起重機(jī)甚至被拆除。因此，開(kāi)發(fā)不依賴(lài)數(shù)學(xué)模型、適應(yīng)不確定性的智能控制方法，對(duì)解決起重機(jī)防搖問(wèn)題意義重大。一個(gè)高效的防搖裝置，不僅能避免碰撞事故，還能顯著提升起重機(jī)操作效率與安全性。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1. 二維機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該起重機(jī)防搖系統(tǒng)采用X、Y軸兩個(gè)維度的線性滑桿龍門(mén)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)?；瑮U上的滑塊可隨滑臺(tái)皮帶傳動(dòng)在兩個(gè)軸上靈活切換坐標(biāo)位置，其下方的萬(wàn)向擺連接吸盤(pán)用于吸取重物。支架底部與四周使用鋁型材和木棒固定，確保整體裝置穩(wěn)定。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器安裝在步進(jìn)電機(jī)固定架上，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)滑塊移動(dòng)。其中，滑塊安裝在X軸滑桿上，通過(guò)連接桿帶動(dòng)Y軸方向滑桿，實(shí)現(xiàn)滑塊在Y軸方向的移動(dòng)?？刂齐娐钒搴蜌獗冒惭b在滑塊上方，電路板采用雙層結(jié)構(gòu)，上層布置主控芯片及顯示屏，下層設(shè)置繼電器模塊、電源模塊和藍(lán)牙模塊。姿態(tài)傳感器安裝在萬(wàn)向節(jié)桿上，用于檢測(cè)各方向姿態(tài)角，并配備獨(dú)立電池以便隨時(shí)進(jìn)行電腦上位機(jī)加計(jì)校準(zhǔn)與Z軸歸零。氣泵與電磁閥安裝在3D打印機(jī)內(nèi)，一同固定在滑塊上的防搖臺(tái)上。此機(jī)械結(jié)構(gòu)具備起重機(jī)平面移動(dòng)、載重及卸貨模擬的基本功能，與實(shí)際起重機(jī)結(jié)構(gòu)相似，有助于提高數(shù)據(jù)算法的可靠性。

二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣泵與電路板結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

防搖臺(tái)設(shè)計(jì)圖

2. 硬件總體設(shè)計(jì)

主控模塊：選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F429IGT6作為主控芯片，相較于STM32F407，它降低了停止模式的電流消耗，可延長(zhǎng)便攜應(yīng)用的電池壽命。同時(shí)，增加了TFT – LCD控制器、STChrom – ARTAccelerator和SDRAM存儲(chǔ)器接口，有效提升圖形處理性能。

電源模塊：負(fù)責(zé)為系統(tǒng)各模塊供電，采用7.4V2000mA鋰離子電池、3.3V鋰離子充電電池以及22.8VBT48電池。由于各模塊工作電壓不同，還設(shè)計(jì)了3.3V穩(wěn)壓電路，確保各模塊穩(wěn)定運(yùn)行。

電源模塊

藍(lán)牙姿態(tài)傳感器：采用維特智能的藍(lán)牙姿態(tài)傳感器BWT61P，該傳感器支持三維加速度、三維陀螺儀和三維歐拉角檢測(cè)，具有高精度、高性能、低成本的優(yōu)勢(shì)，能精準(zhǔn)獲取貨箱姿態(tài)信息。

步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊：經(jīng)對(duì)比伺服電機(jī)、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的特性，最終選擇步進(jìn)電機(jī)。它具有最大轉(zhuǎn)矩，精度在3% – 5%，位置精度和運(yùn)動(dòng)重復(fù)性好，啟停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)優(yōu)秀，能滿足系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的要求。

藍(lán)牙通信模塊：采用增強(qiáng)版藍(lán)牙HC – 05模塊，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP與單片機(jī)之間快速、準(zhǔn)確的命令傳輸，并將處理結(jié)果顯示在OLED上，方便用戶操作和查看。

其它輔助模塊：還使用了OLED模塊、3.3V穩(wěn)壓模塊和繼電器模塊作為輔助模塊，協(xié)同各主要模塊工作，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

總體硬件框圖

3. 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制，分為數(shù)據(jù)采集端、控制端和上位機(jī)端。數(shù)據(jù)采集端獲取6軸加速度原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)硬件濾波、卡爾曼濾波和DMP庫(kù)計(jì)算出姿態(tài)角，傳輸?shù)娇刂贫?。控制端接收?shù)據(jù)后，先進(jìn)行校驗(yàn)，再解算擺角和搖擺速度，利用雙閉環(huán)PID算法計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)作速度，并通過(guò)串口DMA發(fā)送給上位機(jī)端。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，同樣先校驗(yàn)再分類(lèi)，通過(guò)3D圖片控件顯示在主界面，同時(shí)在副界面顯示貨箱姿態(tài)數(shù)據(jù)。

PID控制器：貨箱擺角調(diào)節(jié)與小車(chē)速度加速度密切相關(guān)。本系統(tǒng)以角度偏差為輸入，經(jīng)PID運(yùn)算后輸出值作為步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖頻率，控制小車(chē)速度?？紤]到系統(tǒng)需求，選擇位置式PD控制，只調(diào)節(jié)貨箱豎直狀態(tài)，不考慮調(diào)節(jié)后小車(chē)位置。由于數(shù)據(jù)采集周期約10ms，每幀數(shù)據(jù)處理完成后進(jìn)行PID運(yùn)算，實(shí)時(shí)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向。此外，為滿足起重機(jī)工作要求，采用雙閉環(huán)串級(jí)PID控制，加入速度環(huán)控制小車(chē)調(diào)整過(guò)程中的移動(dòng)范圍。

串口DMA數(shù)據(jù)傳輸：在數(shù)據(jù)采集和控制過(guò)程中，USART2用于數(shù)據(jù)采集，波特率為115200，對(duì)主控芯片負(fù)擔(dān)較大。若USART1發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)于頻繁，會(huì)影響通訊質(zhì)量。因此，采用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，減輕主控芯片負(fù)擔(dān)，確保通訊穩(wěn)定。

軟件設(shè)計(jì)總體流程圖

三、系統(tǒng)功能與優(yōu)勢(shì)

該起重機(jī)防搖系統(tǒng)具備多項(xiàng)實(shí)用功能和顯著優(yōu)勢(shì)。首先，能有效實(shí)現(xiàn)靜態(tài)防搖效果，大幅提升起重機(jī)操作效率和安全性，減少貨物吊運(yùn)過(guò)程中的搖擺，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。其次，系統(tǒng)設(shè)計(jì)便于技術(shù)人員進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)與維護(hù)，為后續(xù)功能拓展和優(yōu)化提供便利。再者，系統(tǒng)集成藍(lán)牙和觸摸屏功能，用戶既可以通過(guò)藍(lán)牙連接手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，也能通過(guò)觸摸屏進(jìn)行近距離操作，操作方式靈活多樣。此外，還具備定位搬貨功能，可通過(guò)手機(jī)APP或觸摸屏發(fā)送命令，指定在某個(gè)位置卸貨或裝貨，完成任務(wù)后自動(dòng)返回原點(diǎn)，進(jìn)一步提高裝卸作業(yè)的智能化和自動(dòng)化水平。

經(jīng)調(diào)試，該起重機(jī)防搖系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)橋臂的智能控制，為解決起重機(jī)吊具搖擺問(wèn)題提供了可靠的技術(shù)方案。在未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，此類(lèi)智能防搖系統(tǒng)有望在更多起重設(shè)備中得到應(yīng)用，推動(dòng)整個(gè)起重行業(yè)向更高效、更安全的方向發(fā)展。