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标题 基于STM32的岸桥司机驾驶技术评估系统的设计
范文

    吴玉祥

    

    

    

    摘? 要:该文针对岸桥起重机设计了一种以STM32系列单片机为核心处理芯片的岸桥司机驾驶技术评估系统。系统通过加速度传感器和倾角传感器,实时采集岸桥吊具的加速度信号和倾角信号,并对信号进行分析处理,得出评估结果,利用无线传输的方式将评估结果发送到显示模块,司机能够在驾驶室中通过显示模块查看自身驾驶技术的评估结果。该系统能够准确评估岸桥司机的驾驶技术,并能针对司机的驾驶习惯和行为给出合理的建议,帮助司机提高自身的驾驶技术。

    关键词:岸桥;姿态测量;驾驶评估;无线传输

    中图分类号:TP311? ? ? ? ? 文献标志码:A

    0 引言

    当代港口作业的工作量大,岸桥能否安全高效的工作直接影响港口作业的效率,而岸桥驾驶员的操作水平则直接影响岸桥的工作效率。该文设计了一种基于STM32F103C8T6微处理器的评估系统,该系统能够通过监测岸桥吊具的运行状态,分析出岸桥司机的驾驶技术水平,并给出良好的建议,帮助岸桥司机能够更安全、更高效地进行岸桥作业,其系统总体结构如图1所示。

    1 系统硬件设计

    1.1 三轴加速度传感器模块

    三轴加速度传感器模块采用LSM6DSM,该模块是集成三轴加速度计和三轴陀螺仪的数字输出型芯片,采用LGA 14-pin,2.530.83 mm封装,电源电压1.62 V~3.60 V。具有高精度、低功耗、低噪声的特点。在该系统中通过SPI接口与MCU进行数据传输。

    1.2 倾角传感器模块

    倾角传感器模块采用LCA326T,该模块是数字型小体积MEMS倾角传感器,内置双通道地球引力倾斜单元,通过测量静态重力加速度,转换成倾角变化。从而可以測量传感器输出相对于水平面的倾斜和俯仰角度。在该系统中通过TTL串口与MCU进行数据传输。

    1.3 无线模块

    由于硬件部分安装在吊具上,而数据结果需要在司机驾驶室中显示,采用有线传输容易发送意外,不利于数据传输,因此系统采用无线传输方式将数据发送给上位机。

    当系统采集处理完传感器的数据时,需要通过无线模块将得到的结果发送后给显示模块,无线传输模块采用ESP8266模块[1-3],该模块是一款超低功耗的UART-WIFI透传模块,拥有超小的封装尺寸和超低的能耗技术,支持UART/GPIO数据通信接口,支持STA/AP/STA+AP? 3种工作模式。在该系统中通过UART接口与MCU进行数据传输,并在AP模式下工作。

    2 STM32F103C8T6主控芯片

    该系统的MCU核心处理器采用意法半导体的STM32F103C8T6芯片[4-6],该芯片采用高性能ARM Cortex?-M3 32位RISC内核,工作频率为72 MHz,拥有高速嵌入式存储器,能提供2个SPI接口,3个USART接口,能够满足该系统的功能需求。通过AMS1117-3.3芯片可以将外部USB电源电压由5 V转换为3.3 V,为MCU及其他外围设备供电。BOOT选择电路能够通过跳线帽来切换最小系统的启动模式,当插入跳线帽时,MCU以FLASH启动,当不插入跳线帽时,MCU以系统存储器启动,用于下载代码。

    3 系统软件设计

    系统软件采用Keil C51软件开发工具编写,主要包括系统初始化、传感器数据采集、数据滤波处理、数据发送等功能。

    为了减少传感器的测量误差,该系统使用了卡尔曼滤波对传感器数据进行处理。卡尔曼滤波[7-9]也称线性二次估计(LQE),它使用随时间变换的一系列未知变量的测量值,包括统计噪声和其他不确定性来产生未知变量的估计值,这些估计值往往比直接得到的测量值更准确。

    评估系统根据三轴加速度传感器和倾角传感器的实时数据,判断岸桥的运动状态。

    其具体流程为:首先建立坐标系,X轴对应小车运行方向,Y轴对应吊具升降方向,Z轴对应大车运行方向。对X轴,Y轴,Z轴的加速度信号的数值大小、吊具加减速时间及吊具绕X轴、Z轴的倾角信号的数值大小进行分析、判断。每当X轴、Y轴经过2次减速阶段,以及倾角传感器经过2次波动阶段,就对司机驾驶技术进行打分。

    X轴、Y轴、Z轴上的加速度范围和时间范围,以及绕X轴、Z轴的倾角范围,对应不同的驾驶习惯和行为,可以将岸桥司机驾驶习惯和行为评估划分为5个环节。1) 小车驾驶习惯和行为评估。2)吊具升降驾驶习惯和行为评估。3)吊具起吊驾驶行为评估。4)大车驾驶行为评估。5)总体工作效率评估。

    统计5 个环节中岸桥司机的得分情况,然后将结果由无线模块发送给显示模块,并清空MCU中的数据。其主程序流程如图2所示。

    4 实验结果

    将该系统安装在港机上进行测试,用PC端连接无线模块,使用LabVIEW接收数据,得到的数据如图3所示。可以看出港机目前处于小车急刹车状态,应提醒司机注意平稳操作小车移动,以免发生事故。

    5 结论

    该文设计了一种基于STM32系列单片机的集软硬件与一体的岸桥司机驾驶技术评估系统,能够准确获取岸桥起重机的运动状态并分析出司机的驾驶行为,而且能够通过无线传输将数据发送给司机室中的上位机进行显示。使岸桥司机能够看出自己在驾驶过程中有哪些不合理的驾驶行为,便于司机改善驾驶技术。

    参考文献

    [1]李少林,张维路,刘民,等.基于ZigBee/WiFi技术的无线数据采集与控制系统[J].组合机床与自动化加工技术,2018(9):92-94,98.

    [2]向庆,邓浩欣,李嘉宝,等.基于STM32和Android的智能家居系统设计[J].电子设计工程,2018(18):179-183.

    [3]王愿祥,程悦琪,孙先松.基于WiFi的无线测控终端系统设计[J].物联网技术,2018,8(9):23-26.

    [4]周利娜,周建平,许燕,等.基于STM32F103C8T6和ZigBee的油井压力监控系统研究[J].物联网技术,2014,4(6):38-41.

    [5]吴学富,刘忠富.基于STM32的车辆远程预警系统设计[J].智能计算机与应用,2018,8(1):138-140,144.

    [6]吴飞,王博韬,毛晨曦,等.基于stm32f103c8t6的手机信号检测系统的设计[J].电子世界,2018(11):122-123,126.

    [7]蒲晓湘,周世纪.基于卡尔曼滤波算法的姿态仪设计[J].重庆电力高等专科学校学报,2018,23(2):39-43.

    [8]谷乐, 陈志云. 加权最小二乘法与卡尔曼滤波实时稳像技术[J]. 计算机应用研究, 2019(11):3121-3123.

    [9]乔少杰,韩楠,朱新文,等.基于卡尔曼滤波的动态轨迹预测算法[J].电子学报,2018,46(2):418-423.

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更新时间:2025/3/17 4:49:57