大型活塞平面3D運動姿態檢測系統研究

李紅民，牛曉光，馬玉真，王磊，李斌

（1.山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東濟南250101；2.濟南大學機械工程學院，山東濟南250022）

大型活塞平面3D運動姿態檢測系統研究

李紅民1，牛曉光1，馬玉真2，王磊1，李斌1

（1.山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東濟南250101；2.濟南大學機械工程學院，山東濟南250022）

煤氣儲氣柜柜位（容）、活塞平面傾斜度、活塞平臺運行速度等都是監控煤氣柜運行狀態的重要指標。常用檢測方法只能對其中某項指標進行監測，不能全面描述活塞平臺運動狀態，因而局限性較大。文章構建了煤氣柜活塞平臺運動姿態檢測系統，進行了運動姿態檢測模型的構建及運動姿態分析，并在LabVIEW平臺上進行系統軟件的設計，通過對系統不確定度進行分析，證明3D運動姿態檢測系統可以滿足用戶高精度檢測的要求，能夠實現對煤氣儲氣柜活塞平臺運動姿態的在線監測。

大型活塞平面；運動姿態；激光測距傳感器；在線檢測

0 引言

大型活塞平面在威金斯型煤氣儲氣柜中有大量的應用。威金斯型儲氣柜的柜體為圓柱形，大型活塞平面與柜體之間由撓性橡膠密封膜可靠聯接。氣體進出柜時，通過大型活塞平面和T型擋板上升或下降來實現存儲與輸出，密封橡膠膜隨之卷上或卷下。若發生柜位過高或過低、活塞平面傾斜傾斜程度過大及升降速度變化過快等情況，都可能引起安全事故的發生［1］。為了保證煤氣柜運行的安全性，煤氣柜柜位、活塞平面傾斜度、活塞運行速度的實時監測不可或缺。

常用的檢測方法有使用水柱差壓法、超聲波物位計、光纖柜位儀、傾角傳感器法和雷達柜位計［2－4］等。超聲波物位計主要用于柜位的檢測，缺點在于超聲波測量探頭實際最大測量范圍受工況和環境影響較大，需經復雜計算后才能確定。檢測活塞傾斜度一般采用水柱差壓法，測量誤差較大，連續運行時還需頻繁維護。而光纖柜位儀檢測方法，信號傳輸較為穩定，不足之處在于，除光纖傳感器外，還需安裝重錘、絞輪、鋼絲繩等，構成較為復雜，且鋼絲繩的形變可能影響測量精度［5］。總的來說，常用測量方法只能對煤氣儲氣柜柜位（容）或活塞平面傾斜度進行單一測量，少有對兩者同時測量的測量方法，因而局限性較大

文章在3 D建模的基礎上提出了大型活塞平面運動姿態檢測，是指通過建立活塞平面運動姿態變化模型來描述的煤氣柜活塞實時姿態變化。具體來說，由最小二乘法擬合出一個連續變化的空間平面，以此代表實際活塞平面的運動變化狀態，并根據此平面運動狀態的變化情況來描述整個煤氣柜的運行狀態。

系統采用激光測距傳感器具有以下優勢：準直激光測距傳感器采用超大量程（0～200 m）非接觸式測量原理，適用于易燃、易爆場合，對大量程移動的活塞平面在線式連續測量，從而達到對煤氣柜柜位、活塞平面傾斜度、活塞運行速度等狀態參數進行綜合連續監測［6］。

1 檢測系統構建

將5只激光測距傳感器固定于煤氣柜頂的水平支架，A、B、C、D四點與O點之間距離相等。準直激光可垂直向下射在5個測量點上，在線連續測量獲得的安裝點至活塞平面的距離，通過R S 485總線將5組激光位移傳感器的測量數據傳輸到中央監控室，經嵌入式數據采集卡導入工控機，通過軟件將測量數據進行分析處理和3 D圖像顯示。

1.1 測量點的選取

參照平面度誤差檢測［7］中對角線布點的測量布點形式，并結合現場實際情況，在考慮到威金斯型柜具有特制橡膠模的活塞結構，構建本系統的活塞平臺運動姿態模型并選取測量點時，可將活塞平臺近似看做一個不透光的圓形平面，選取于柜頂部的結構支架上選取傳感器安裝點，在每一點安裝一臺激光測距傳感器，使其出射光線與落底時活塞基準水平面垂直，即本系統的測量點為出射光線與活塞平臺的交點［8］。理論上說，由于活塞平臺非剛性且面積較大，為保證測量的準確性，選取的測量點應越多越好，結合現場情況并考慮成本等現實因素，最終在柜頂部的結構支架上選取5個傳感器安裝點，對應活塞平臺上選取的5個測量點。

除根據平面度誤差對角線布點的測量布點形式選取A、B、C、D四點外，另選取支架結構幾何中心點作為第五點，即O點。如圖1所示，其中O點為柜頂架構支架平面的幾何中心，A、B、C、D四點與O點之間距離相等，且A C⊥B D。

圖1 測量點的選取圖

1.2 坐標系的建立

考慮到威金斯柜圓柱體的外形特征和活塞平臺圓形的幾何特點，建立時刻坐標系。對其描述如圖2所示。

圖2 運動姿態三維坐標系圖

（1）由于激光測距傳感器Laser5的安裝位置在圓柱體上表面圓的圓心上，其出射光線平行是一條鉛垂線，取激光射在實際活塞平面上的測量點為坐標系原點。

（2）以激光測距傳感器Laser5的出射光線作為z軸，x軸與直線A C、y軸與直線B D所共平面，垂直于平面x 0 y。

（3）由實際運動情況可知，坐標系的z軸不隨時間變化，x軸和y軸相對z軸水平方向不發生旋轉，而垂直方向隨時間變化，即x 0 y面在垂直方向上下運動。

設r為Laser1～Laser4距Laser5的水平距離，h1～h5表示Laser1～Laser5的實際測量值。依據已建立的坐標系，測量點的坐標可分別表示為A（xy，y1，z1），B（x2，y2，z2），C（x3，y3，z3），D（x4，y4，z4）和O（x5，y5，z5）。又根據系統建模形式，其中A、B、C、D四點可進一步表示為A（r，0，h5－h1），B（0，－r，h5－h2），C（r，0，h5－h3）和D（0，－r，h5－h4），坐標原點O（0，0，h5）。

2 運動姿態檢測模型的構建及運動姿態分析

2.1 最小二乘平面的獲取

獲取活塞傾斜度是通過建立一個最佳匹配的理想參考平面，利用激光位移傳感器測量獲取的檢測數據，構建并仿真得出動態的活塞平面，再通過與理想平面的對應比較與關聯，即可得出活塞平面傾斜度測量值。采用選取對角線布點的測量布點形式，根據計算各測得點的坐標值，進而獲得理想參考平面的方程。

設理想參考平面的方程z＝a x＋b y＋c，其中系數a、b、c為參數估計量，即a、b、c應使得被測實際表面上全部觀測值z與評定基準的回歸值z′的偏差平方和達到最?。?］，由式（1）表示為

對于通過試驗給定的數據（xi，yvj，zij），S是a、b、c的非負二次式，所以最小值一定存在，a、b、c根據極限定理，應是式（2）方程的解為

可將方程（1）進一步化簡為式（3）

聯立公式（3）中的三個方程式，其中N＝4，可得到a、b、c的值，繼而得到最小二乘活塞平面的平面方程。

2.2 最小二乘平面傾斜度計算

根據得出的最小二乘平面方程z＝a x＋b y＋c，可知最小二乘平面的法向量為n（a，b，－1）。可計算獲得法向量與x、y、z坐標軸正向的夾角α、β、γ，各個方向角的計算式（4）為

將各方向角與其臨界值相比較，可以獲得平面的傾斜度變化趨勢。

2.3 柜位（容）、活塞運動速度等計算

實際測量的中心點O與最小二乘平面的中心點O′之間距離即為平面z＝a x＋b y＋c在z軸上的截距，即O O′＝｜c｜，如圖3所示。

圖3 柜位計算示意圖

已知上柜面支架至底面的距離為G，t1時刻柜位ht1可由式（5）計算為

通過式（6）對實際柜位積分可得t1時刻柜內氣體體積V由式（6）表示為

通過式（7）對柜位變化求全微分，可得到活塞垂直方向的運動速度為

通過式（8）對活塞運行速度進行全微分，可得活塞垂直方向運動加速度為

3 軟件設計

系統的上位機軟件設計分為底層程序設計和上位機界曲設計。系統選用基于虛擬儀器技術的LabVIEW軟件。圖4為檢測系統軟件設計流程圖。本系統由串口通訊圖模塊、數據轉化模塊，數據處理模塊，3 D圖像顯示模塊和歷史數據查詢模塊組成。

（1）串口通訊模塊使激光測距傳感器通過串口與工控機進行通訊，將距離等測量數據上傳至工控機。

（2）數據轉化模塊測量數據的數據類型在進入LabVIEW后被轉化為字符串類型，需要將測量數據轉化為十進制數。

（3）數據處理模塊根據已建立的活塞平臺運動姿態三維模型，對獲取數據進行相應的處理，可以獲得實時柜位、活塞平臺傾斜度、活塞平臺運動速度、活塞平臺運動加速度等。

（4）3 D圖像顯示模塊實時動態顯示活塞平臺的運動姿態。

（5）歷史數據查詢模塊進行歷史數據的存儲，并提供歷史數據的查詢功能。

圖4 軟件設計流程圖

為了便于工作人員操作，設計了可供參數設置的實時數據顯示主界面以及數據記錄回放界面，并且具有超限聲光報警功能。圖5為截取的實際測量時顯示主界面，圖6為3 D監控畫面。主界面顯示包括：柜位、柜容、活塞運動速度、活塞運動加速度、活塞傾斜角度等的實時測量值，并提供傾斜度超限報警、柜位超上限報警、柜位超下限報警、速度超限報警等多角度的監測。在后面數據選項卡進行活塞半徑、活塞總高度、傾斜度限額、柜位上、下限額、速度限額的輸入，可以滿足不同柜型的要求［9－11］。

圖5 煤氣柜活塞平臺運動姿態檢測系統監控主界面圖

4 系統不確定度分析

測試系統不確定度的主要來源：激光測距傳感器誤差，激光傳感器安裝位置誤差，標準平面平面度誤差［12－15］。

（1）激光測距傳感器的誤差

圖63 D圖像顯示界面圖／m

用一標準平面分別將5只激光測距傳感器，在1000～7000m m范圍內進行多次標準距離測量，可得到傳感器Laser1～Laser5的重復測試數據如表1所示。

表1 激光測距傳感器重復測試數據／m m

由表可分別計算每只傳感器測量誤差的平均值，比較已得出的誤差值值的大小，取其中最大的誤差值，即5只傳感器中誤差最大的一只作為傳感器誤差［16］。經比較后，選取Laser1的重復測量誤差作為傳感器誤差u1為±1.48 m m

（2）傳感器安裝位置誤差

激光測距傳感器位置由機械結構保證，由于焊接等原因會產生位置誤差，據實際測量，該誤差u2可控制在±2 m m，且該誤差為系統誤差，運行時可通過校零進行誤差補償。

（3）標準平面平面度誤差

經過API激光測距儀測量，用于誤差標定的標準平面的平面度誤差u3為±0.05 m m

（4）系統的誤差可由合成誤差u表示為

經過系統不確定度分析和實際運行，系統的測量絕對誤差不大于3 m m，滿足檢測現場的技術要求，即小于30 m m。

5 結語

大型活塞平面運動姿態的傳統檢測方法自動化程度低、測量準確性差、對檢測人員的人身安全具有一定的威脅。文章提出的基于3 D仿真的大型活塞平面運動姿態檢測系統，通過建立活塞平臺運動姿態模型，實時檢測活塞平臺運動狀態數據并進行數據分析，大大提高了系統測量精度，提升了煤氣儲氣柜長期運行中的安全性和穩定性，很大程度上保證了檢測人員的人身安全。系統對于同類型煤氣儲氣柜具有一定的推廣價值，大型活塞平面運動姿態模型對于其他大型運動平面姿態檢測的研究有一定的借鑒作用。在后續的工作中在可以通過分析活塞平臺實時運動數據，對活塞平面運動趨勢進行預測。

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（學科責編：李雪蕾）

Study of the piston moving posture detecting 3D system of large piston plane

Li Hongmin1，Niu Xiaoguang1，Ma Yuzhen2，et al.
（1.School of Information＆Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250022，China）

The gasmeter position，the angle of piston inclination and piston moving speed are important indicators tomonitor the running state of the gas gasmeter.The limitation is common，for the detection method can only be used to monitor one of the indicators.In this paper，the motion attitude detection system of the gasmeter piston is established，the model and the analysis of the movement posture of the moving attitude detection is built，the system software on the LabVIEW platform is designed，the uncertainty of the system analyzed，proving that this system can meet the requirements of high precision detection of the user and monitor the movement of the piston of the gasmeter on line.

large piston plane；moving posture；laser distancemeasuring sensor；online detection

TP27

A

2015－03－09

山東省自然科學基金項目（編號ZR2013EEL004）

李紅民（1964－），男，副教授，博士，主要從事精密儀器與測量等方面的研究.E-mail：lhm0023＠sdjzu.edu.cn

1673－7644（2015）05－0471－05