基于MMA7361的挖掘機動臂姿態研究

甘泉

【摘 要】挖掘機動臂在完成舉升動作過程中始終和豎直方向（或水平方向）成一定的角度關系。通過固定在動臂上的三軸加速度傳感器的各個軸與重力方向之間的夾角，就可以檢測出動臂的運動姿態。針對傾角測量，設計了一種基于C51單片機和MMA7361加速度傳感器的角度測量平臺。該平臺具有測量精度高、靈敏度高的特點，十分具有應用價值。

【關鍵詞】挖掘機；動臂姿態；MMA7361

【中圖分類號】TU621 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0195-02

動臂是挖掘機的關鍵部件，也是主要承力部件。挖掘機動臂姿態的研究，對挖掘機的工作有重要輔助的作用。能夠測量并保持挖掘機的水平姿態，就可實時掌握挖掘機工作狀態，防止巷道傾斜帶來影響，對于施工質量和效率都有積極的意義。

1 基本原理

1.1 動臂的工作原理分析

動臂結構可分為兩種，由整體式和組合式兩種。

（1）整體式動臂。整體式動臂的優點是結構簡單，質量輕而剛度大。整體式動臂又可分為直動臂和彎曲動臂兩種。其中的直動臂結構簡單質量輕制造方便，主要用于懸掛式挖掘機，但它不能使挖掘機獲得較大的挖掘深度，不適用于通用挖掘機；彎動臂是目前應用最廣泛的結構形式，與直動臂相比可以使挖掘機有較大的挖掘深度，但降低了卸土高度，這正符合挖掘機反鏟作業的要求。

（2）組合式動臂。組合式動臂有輔助連桿（或液壓缸）或螺栓連接而成。上下動臂之間的夾角可用輔助連桿或液壓缸來調節，雖然結構操作復雜化但在挖掘機作業中可隨時大幅度調整上下動臂者間的夾角，從而提高挖掘機的作業性能，組合式動臂的優點是，可以根據作業條件隨意調整挖掘機的作業尺寸和挖掘能力，且調整時間短。此外他的互換工作裝置多，可以滿足各種作業的需要，裝車運輸方便。其缺點是質量大，制造成本高，用于中小型挖掘機上。

首先，由傳感器可以得到加速度信息，通過對加速度一次積分求得速度，再對速度積分求出位移，進而檢測出的運動姿態。按照這一方法處理采集到的傳感器數據，得出結果。由于傳感器輸出和其受力方式有關，這里我們考慮外力（外力是指除了重力之外的其他作用力）。在擺放位置發生變化時也會引起輸出的改變。因此，我們需要考慮傳感器的受力和角度。對于一個同時受重力和其他外力作用的傳感器，在XOY平面的受力分析。

由于重力和外力都會影響傳感器輸出，假設傳感器在一個平面內的輸入和輸出有如下關系

式中a為傳感器受到外力的加速度，g為重力加速度，α為外力的加速度的方向與傳感器Y軸方向的夾角，β為X軸方向與豎直方向的夾角，Δx，Δy為相應的傳感器的2個軸的電壓輸出變化量，為已知值。

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，其中，x0，y0為指x軸、y軸不受任何外力時的靜態輸出，x，y是指傳感器的X軸、Y軸輸出電壓。k1，k2為傳感器x，y方向的靈敏度。

傳感器靈敏度k1，k2的確定可以采用重力標定方法，即將所要標定的測量方向沿著豎直方向，并在豎直面內將此軸的方向旋轉180°，記錄傳感器輸出的最小值θmin和最大值θmax，則靈敏度

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kiθθ （4）

根據式（4）得出重力與傳感器各軸的夾角β，由于重力方向是豎直向下，得到的角度β就是傳感器各軸與豎直方向的夾角，就可以依據β判斷出傳感器的擺放位置。在量的時候，傳感器是固定在待測物體上的，通過傳感器擺放位置也就判斷出待測物體的位置。所以，可以運用此方法檢測動臂的運動姿態。

2 硬件設計

MMA7361是一款高精度的模擬三軸加速度傳感器，其精度模式可以選擇1.5g或6g兩種。從工程需要的角度選擇1.5g模式，其精度為800 mV/g，將g—Select引腳置為低電平。在正常工作狀態，Sleep引腳需要置為高電平。同時啟動Self Test模式，芯片在工作之前先完成內部自檢。MMA7361三軸加速度傳感器實現角度測試，其核心算法是建立輸出電壓和角度之間的函數映射關系。零傾斜角度的選擇對于測量儀的精度影響比較大。

3 軟件設計

利用MMA7361三軸加速傳感器可以對物件運動和方向進行檢測，它根據物件運動和方向改變輸出信號的電壓值。各軸的信號在不運動或不被重力作用的狀態下（0g），其輸出為1.65V。如果沿著某一個方向活動，或者受到重力作用，輸出電壓就會根據其運動方向以及設定的傳感器靈敏度而改變其輸出電壓。用單片機的A/D轉換器讀取此輸出信號，就可以檢測其運動和方向。MMA7361角度檢測模塊電路如圖3所示。