基于LabVIEW的混凝土布料機器人流量信號采集與處理

董有為，祁宇明，鄧三鵬

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，機器人及智能裝備研究所，天津300222）

在“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，在現(xiàn)代建筑施工中，“以信息化與工業(yè)化深度融合為特征的智能裝備越來越多，混凝土布料機的優(yōu)勢開始嶄露頭角，逐漸被應(yīng)用到高層澆筑施工之中。現(xiàn)在，信息化和智能化已經(jīng)成為智能裝備的必備條件，智能建筑機器人的出現(xiàn)把新技術(shù)與傳統(tǒng)建筑業(yè)結(jié)合，使其進入一個簇新的時代。本文以天津市智能制造科技重大專項（15ZXZNGX00260）——混凝土智能布料機器人系統(tǒng)研發(fā)項目為背景[1]，做了應(yīng)用于混凝土流量測量的設(shè)計，為混凝土布料機器人控制系統(tǒng)的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 硬件構(gòu)成

混凝土流量測試系統(tǒng)由四個部分組成：混凝土流量計、數(shù)據(jù)采集卡、Arduino板和上位機LabVIEW編程軟件，原理如圖1所示。混凝土流量計內(nèi)部含有流量傳感器，該傳感器將混凝土布料機器人供給的流量信息對應(yīng)變換為電信號，然后再將信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的采集和處理后，上傳到遠(yuǎn)程計算機中，最后利用LabVIEW軟件編程，在其前面板中實現(xiàn)數(shù)據(jù)和波形的實時顯示[2]。本設(shè)計數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)需要選擇摩莎公司生產(chǎn)的基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，型號為MOXA CP-168U，編程軟件LabVIEW選擇NI公司的2015版。

圖1 混凝土流量測量測試系統(tǒng)原理圖

（1）智能混凝土流量計

本設(shè)計中混凝土流量計采用江蘇奧科儀表公司的生產(chǎn)的智能混凝土流量計，型號為AKLD-10，如圖2所示。它本身包含傳感器和轉(zhuǎn)換器，其傳感器采用非均勻磁場技術(shù)及特殊的磁路結(jié)構(gòu)，磁場穩(wěn)定可靠，測量結(jié)果與流速分布、流體壓力、溫度、密度、粘度等物理參數(shù)無關(guān)，數(shù)據(jù)可靠，抗干擾能力強，混凝土流量計采用85V-250VAC/16V-36VDC電源供電，通信方式為RSD、GPRS、CDMA，同時具備無線通信功能，滿足本設(shè)計需求。

圖2 智能混凝土流量計

（2）數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡采集混凝土流量計輸出的電信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并上傳給上位機。MOXA CP-168U數(shù)據(jù)采集卡通過PCI總線通信，可直接插在計算機內(nèi)的PCI插槽中，即插即用，非常方便，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、波形分析和工業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)控系統(tǒng)。MOXA CP-168U數(shù)據(jù)采集卡具有12位A/D轉(zhuǎn)換器，效能超過700 Kpbs的數(shù)據(jù)吞吐量。A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍±5 V、±10 V、0-10 V，本設(shè)計選用±5 V范圍[3]。數(shù)據(jù)采集卡如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集卡

（3）上位機

本設(shè)計利用計算機在LabVIEW中編程完成實時顯示流量的大小，并具有存儲數(shù)據(jù)、PID調(diào)節(jié)、實時顯示圖形輸出等功能。

2 軟件設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

本設(shè)計采用Arduino板作為中心控制單元，應(yīng)用8位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809和8通道模擬I/O實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工作。USB接口單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位PC機的通信。在進行數(shù)據(jù)采集時，Arduino采用中斷模式進行數(shù)據(jù)收發(fā)，將采集數(shù)據(jù)經(jīng)USB口傳送給上位機，由上位機對實時數(shù)據(jù)進行處理[4]。采集流量信號部分的設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計流程

（2）PID調(diào)節(jié)

本設(shè)計利用LabVIEW自帶的PID控件對電機進行調(diào)節(jié)，根據(jù)混凝土流量計裝置反饋采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值相對比，獲取偏差e（n），將偏差經(jīng)由比例運算、積分運算和微分運算過程，從而控制PWM脈沖的占空比，達(dá)到控制電機兩端的電壓的目的，進而由電機平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速來控制流量的穩(wěn)定。其運算公式為：

在LabVIEW中編寫程序，如圖5所示。

圖5 PID調(diào)節(jié)程序

電機加PID調(diào)節(jié)前的波形圖如圖6所示，調(diào)節(jié)后的波形圖如圖7所示。

圖6 調(diào)節(jié)前的波形圖

圖7 調(diào)節(jié)后的波形圖

（3）數(shù)據(jù)處理

反饋回來的流量數(shù)據(jù)體現(xiàn)在波形圖中，明顯存在畸波，采樣的圖如圖8所示，因存在干擾和噪聲等因素，波形明顯失真，不具有現(xiàn)實意義。因此，需要對所采集的信號進行濾波處理。在本設(shè)計中，通過LabVIEW進行流量信號的處理，并在前面板顯示處理前后的波形。

圖8 濾波前的波形

在LabVIEW后面板編程時，需要將本次的采樣值與前一次的值進行比較、判斷，這時候可以采用程序中移位寄存器功能，然后將待處理的信號進行濾波處理，最后編寫程序流程圖，如圖9所示。圖中字母c為濾波系數(shù)，在0～1之間取值。濾波要想達(dá)到理想的效果，就需要給一個恰當(dāng)?shù)牡臑V波系數(shù)，經(jīng)過多次試驗、觀察和總結(jié)，得到的經(jīng)驗是：濾波系數(shù)c=0.6時，適用于本設(shè)計的實際情況。同理可知，根據(jù)本系統(tǒng)的流量信號，可令滑動濾波長度平均值n=12.經(jīng)過處理后的信號光滑、緩慢，較好的還原了系統(tǒng)信號真實的情況。濾波后的波形，如圖10所示。

圖9 濾波流程圖

圖10 濾波后的波形

3 結(jié)束語

通過本設(shè)計可以看出LabVIEW是一種綜合功能全面的虛擬儀器軟件，通過自帶的外部接口模塊、通信方式，結(jié)合以Arduino單片機為核心的系統(tǒng)，可以便捷的對混凝土流量計的流量信號進行采集及處理。另外，本設(shè)計實現(xiàn)了混凝土輸送過程中電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，對其進行了PID調(diào)節(jié)，最后對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理。本設(shè)計為混凝土布料機器人的布料過程進行了有效地監(jiān)控和控制，為整個控制系統(tǒng)的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。