桥梁检测车机械臂监控系统设计与研究.doc

1、桥梁检测车机械臂监控系统设计与研究摘 要：随着我国现代化建设进程的不断深入，交通运输行业也实现了较大程度的发展，特别是城市高架桥建设数量的增加，使得人们对桥梁的安全性问题予以了高度的重视，特别是在坍塌事故频繁出现的现阶段，要求必须要加大对桥梁检测车的研究力度，保证桥梁检测工作能够实现高效的开展。为此，本文针对桥梁检测车机械臂监控系统，对其设计与研究工作进行了分析和探讨。 关键词：桥梁检测车；机械臂；监控系统；设计 随着经济水平的提高，交通运输压力的日益加剧，使得人们对于桥梁的需求量也在不断的增加，继而推动了桥梁检测工作的开展。桥梁检测车是对道路桥梁进行检测的专用车辆，对于桥梁检测的准确性、桥梁

2、使用的可靠性以及人们出行的安全性等方面具有十分重要的作用，特别是当机械臂的旋转速度超过设定范围值的时候，侧翻力矩的过大会导致车辆侧翻，造成十分严重的后果。因此，必须要加强对桥梁检测车机械臂监控系统的研发，切实发挥出桥梁检测车的实际作用。 1 桥梁检测车机械臂的数学建模 一般来说，桥梁检测车机械臂的数学建模有两个关键的环节，其一，是关节的定位，其二，是动力学的分析，关节的定位主要是计算桥梁检测车机械臂关节的空间坐标，而动力学的分析主要对依据机械臂的数据来对机械臂的惯性力以及危险等级等进行判定。 1.1 关节定位 通常情况下，桥梁检测车的机械臂都是由工作平台和一三臂共同组成的，其中的工作平台运用了

3、自动调平技术，因此可以将其模型转换成为三关节的模型，构建出如下图 1 所示的空间模型，其中的 O1 为定坐标系，O2、3、4 均为动坐标系，L 则代表了机械臂的长度；通过复合坐标之间的相互变换和平移量就可以计算出桥梁检测车机械臂关节的空间坐标。 图 1：桥梁检测车机械臂的空间建模示意图 1.2 动力学分析 要保证桥梁检测车机械臂监控系统的可靠性，其设计的难点在于对机械臂的侧翻力矩进行准确的计算，而利用静电的动力学分析理论来对桥梁检测车进行整体化的分析，获得机械臂在旋转过程中所可能产生的侧翻力矩和惯性力。例如，现有一宽为 2B 的桥检车处于水平位置，其质量为 m（不包括机械臂） ，重力力矩为 m

4、gB，履带在 x 和 y 方向的摩擦系数分别为 1 和 2，当产生的惯性力大于最大静摩擦力时，为了避免车辆出现滑动，要及时采取制动装置；系统危险等级分为 40 级，且不同等级具有各自的状态提示音。 2 桥梁检测车机械臂监控系统的设计 2.1 硬件系统结构设计 为了确保桥桥检车机械臂监控系统的稳定性，在设计中主要选择了ARM9 结构以及主频为 400MHz 的 S3C2440 型微处理器，其硬件系统的构架如下图 2 所示：传感器主要负责对数据信息的采集，数量较多的摄像头能够保证数据信息的全面性；对机械臂的操控则是通过可编程控制器来实现的；另外，为了有效的避免串行采集电路之间所具有的时间差问题，将

5、监测误差控制在合理的范围内，还采取了对接收数据实现融合估计的方式；显示系统是实现人机交互的接口，对模拟动画进行直观的展现。 根据图 2 所展示的框图可知，桥梁检测车机械臂监控系统的主要工作系统是 ARM 控制系统，通过倾角传感器所检测到的角度数据以及直线位移传感器所检测到的机械臂位移数据，能够对机械臂的详细运动轨迹进行一个合理推理，然后可以根据所输入的指令来进行语言的编程，在通过液压多路阀以及相关的元器件就能够使 ARM 系统对其进行控制，此外，应急预警的系统能够对系统中的错误指令以及错误的操作进行提示，以保证操作的规范性和安全性。 图 2：桥梁检测车机械臂监控系统硬件结构示意图 2.2 应用

6、程序设计 在进行相关应用程序的设计时，需要进行详细设计的模块主要有三个，其一，是通信模块，其主要起到各元器件之间的数据传输以及通信的功能；其二，是数据的处理模块，其主要的功能是传感器所检测到的数据进行整理和运算，以能够更好的动力学的分析，增强系统对危险等级判断的准确度；其三是动画显示模块，其主要的功能是将桥梁检测车的运行状态以三维动画的形式展现出来，帮助相关人员更好的了解桥梁检测车的运行情况。 2.2.1 通信模块 通信模块的主要功能是完成对数据的传输和不同模块之间的通信。在本项研究中，创建了 ReadDate 线程，利用其中的成员函数对机械臂、串口 ID 和 Handler 等之间实现了信息

7、的传递和读取；需要注意的是，必须要保证传感器和串口是共地连接的，否则将无法实现正常的通信；当数据采集出现异常情况的时候，基于 Android 的监控系统能够对异常数据进行准确的捕捉，并采用摒弃异常数据的方法，使得异常数据不会被传送到主线程的消息队列当中，极大的提高了系统的运行效率。 2.2.2 数据处理模块 数据处理模块的工作流程首先是对采集到的角度和机械臂伸展位移信息等进行融合状态下的估计，利用所计算出的估计值对机械臂关节自动进行空间定位和动力学分析，从而获取到机械臂的侧翻力矩和惯性力；然后将线程运算结果与安全阀值进行比较，根据结果做出与之相对应的危险等级的判断；当安全等级处于危险的状态时，

8、系统就会驱动蜂鸣器向驾驶员进行预警；另外，为了提高监控系统的可扩展性，在设计中还使用文本编辑空间来进行用户交互输入。 2.2.3 动画显示模块 动画显示模块的主要功能就是将桥梁检测车的运行姿态进行三维模拟显示，并标记出车辆的危险等级。如下图 3 所示的桥梁检测车的三维实时跟踪显示界面，主要包括了四个区域，其中的数字“272”即为读取到的传感器回转度数据，实际上也就是机械臂的转动动作的角度。 图 3：三维模型实时跟踪结果示意图 3 结束语 伴随着桥梁检测车的广泛使用，如何保证桥检车机械臂的稳定可靠运行已经是相关领域的研究重点。在对桥检车机械臂监控系统的设计中，将动力学分析作为理论依据，并通过虚拟技术对其运行状态进行了动画模拟，同时结合数据分析和安全预警等功能，一方面将桥梁检测车机械臂的作业安全等级控制在合理的范围内，另一方面又保证了监控系统的智能化和稳定性。 参考文献： 1张麒.基于 Android 的折叠臂式桥梁检测车智能监控系统的研究D.中国计量学院，2014. 2裴岩明.基于 Kinect 的远程机械臂体感控制系统研究D.大连理工大学，2013.