1、2 0 2 3 年 1 月 机 电 技 术 机 电 技 术船 舶 分 体 式 吊 装 监 测 装 置 研 究 船 舶 分 体 式 吊 装 监 测 装 置 研 究*徐 鹏1王 晶 奇2张 学 俊1（1.浙 江 国 际 海 运 职 业 技 术 学 院，浙 江 舟 山 3 1 6 0 2 1；2.舟 山 市 港 航 和 口 岸 管 理 局，浙 江 舟 山 3 1 6 0 2 1）摘 要 针 对 由 于 指 挥 人 员 判 断 不 当 使 船 体 重 物 未 对 准 定 位 桩 导 致 偏 移 使 重 物 掉 落 砸 伤 下 方 人 员 造 成 事 故 的 问 题，文 中 提 出 基 于 卡 尔 曼
2、滤 波 融 合 算 法 的 的 船 舶 分 体 式 吊 装 监 测 装 置 设 计。该 系 统 由 以 S T M 3 2 F 1 0 3 C 8 T 6 芯 片 为 核 心 的 控 制器 作 为 主 控 模 块，接 收 M P U 6 0 5 0 传 感 器 模 块 中 陀 螺 仪、加 速 度 计 采 集 的 数 据，使 用 卡 尔 曼 滤 波 算 法 对 数 据 进 行 处 理。测试 结 果 表 明：该 装 置 系 统 性 能 稳 定，准 确 性 和 实 时 性 高，可 满 足 对 吊 装 系 统 的 实 时 监 测 要 求。关 键 词 船 舶 分 体 式；S T M 3 2；卡 尔 曼
3、滤 波；M P U 6 0 5 0中 图 分 类 号：T P 2 1 2.9 文 献 标 识 码：A 文 章 编 号：1 6 7 2-4 8 0 1（2 0 2 3）0 1-0 1 0-0 4D O I：1 0.1 9 5 0 8/j.c n k i.1 6 7 2-4 8 0 1.2 0 2 3.0 1.0 0 3*浙 江 省 教 育 厅 一 般 科 研 项 目（Y 2 0 2 0 4 5 6 3 0）作 者 简 介：徐 鹏（1 9 8 8），男，讲 师，硕 士，研 究 方 向 为 智 能 控 制 技 术。船 舶 分 体 式 吊 装 是 船 舶 制 造 中 重 要 且 必 不 可少 的 一
4、环，由 于 所 吊 装 的 船 体 重 物 轻 则 几 十 吨 重则 上 百 吨 上 千 吨，存 在 极 大 的 潜 在 风 险，一 旦 发 生意 外 将 会 造 成 无 法 估 量 的 经 济 损 失 1-2。根 据 相 关资 料 显 示，船 体 吊 装 事 故 占 船 舶 大 型 起 重 机 事 故的 1 8%，伤 亡 人 员 较 多，财 产 损 失 巨 大，是 安 全 生产 中 一 个 重 要 的 危 险 源。事 故 调 查 发 现：在 吊 装作 业 中，工 作 人 员 主 要 通 过 肉 眼 判 断 吊 装 时 的 工作 距 离，根 据 经 验 确 定 工 作 距 离 之 后 指 挥
5、焊 接 人员 进 行 焊 接；但 由 于 指 挥 人 员 判 断 不 当，船 体 重 物未对准定位桩导致偏移使重物掉落砸伤下方人员。因 此，本 文 提 出 基 于 卡 尔 曼 滤 波 融 合 算 法 的船 舶 分 体 式 吊 装 监 测 装 置 设 计，该 装 置 能 实 时 检测 吊 装 重 物 的 状 态，在 提 升 工 作 效 率 的 同 时 也 极大 程 度 地 避 免 了 潜 在 的 安 全 隐 患。1 系 统 硬 件 设 计系 统 的 硬 件 电 路 结 构 框 图 如 图 1 所 示，主 要由 S T M 3 2 F 1 0 3 C 8 T 6 为 核 心 的 主 控 制 器 模
6、 块、M P U 6 0 5 0 模 块、O L E D 液 晶 屏、E E P R O M 芯 片 及 电源 模 块 等 几 部 分 构 成。电 源 模 块 负 责 系 统 各 个 模块 控 制 电 路 的 供 电，主 要 提 供 3.3 V 和 5 V 的 电 压。S T M 3 2 主 控 制 器 模 块 主 要 用 来 接 收 M P U 6 0 5 0 传感 器 模 块 中 陀 螺 仪 和 加 速 度 计 采 集 的 数 据，同 时对 数 据 进 行 卡 尔 曼 滤 波 处 理。M P U 6 0 5 0 姿 态 检 测模 块 实 时 地 对 装 置 角 速 度 及 角 加 速 度
7、进 行 采 集。E E P R O M 芯 片 存 储 采 集 的 数 据，方 便 后 续 数 据 的提 取 和 处 理。O L E D 显 示 屏 将 采 集 的 数 据 实 时 显示 方 便 观 察。STM32F103C8T6为 核 心 的 主 控 制器电 源 模 块MPU6050 模块OLED 液 晶屏AT24C02图 图 1 1 硬 件 电 路 结 构 硬 件 电 路 结 构1.1 主 控 制 器 模 块本 监 测 装 置 选 用 意 法 半 导 体 公 司 的S T M 3 2 F 1 0 3 C 8 T 6 作 为 主 控 制 器 芯 片，如 图 2 所 示。该 芯 片 是 一 种
8、 基 于 C o r t e x-M 3 内 核 的 C P U，最 高 工作 频 率 为 7 2 M H z，有 3 个 1 2 位 A D C、1 2 个 通 用 1 6VBAT1PC13/TAMPER_RTC2PC14/OSC32_IN3PC15/OSC32_OUT4PD0/OSC_IN5PD1/OSC_OUT6NRST7VSSA8VDDA9PA0/WKUP10PA111PA212PA313PA414PA515PA616PA717PB018PB119PB220PB1021PB1122PB1225PB1326PB1427PB1528PA829PA930PA1031PA1132PA1233P
9、A1334PA1437PA1538PB339PB440PB541PB642PB743BOOT044PB845PB946R210KPB0PB1PB3PB4PB5PB6PB7PB8PB9PB10PB11PB12PB13PB14PB15GNDPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PA8PA9PA10PA11PA12PA13PA14PA15PC13Y132.768KY28MBOOT03.3VRESET3.3VGNDSWDIOSWCLKLD_SCLLD_SDAKEY1IIC_SCLIIC_SDADHT11LED1LED2KEY2PB2WKUPC130.1uFC9 6PC10 6PC11 22P
10、C12 22P图 图 2 2 S T M S T M 3 2 3 2 F F 1 0 3 1 0 3 C C 8 8 T T 6 6 主 控 制 器 芯 片 原 理 图 主 控 制 器 芯 片 原 理 图1 0第 1 期位 定 时 器，片 上 资 源 丰 富，且 具 备 串 行 线 调 试 和J T A G 接 口，其 中 7 2 M H z 的 工 作 主 频 保 障 了 该 监测 装 置 的 实 时 性 3。该 芯 片 具 有 多 种 通 信 方 式，本文 中 采 用 I2C 和 U S A R T 通 信 方 式，I2C 用 于 主 控 制器 和 模 块 之 间 的 通 信，U S A
11、R T 主 要 用 于 电 脑 和 控制 器 的 调 试。1.2 O L E D 液 晶 模 块显 示 屏 幕 采 用 0.9 6 寸 O L E D 屏，1 2 8 6 4 分 辨率，采 用 4 线 制 I2C 总 线。该 总 线 是 由 电 源 线、数据 线 S D A、时 钟 线 S C L 和 地 线 构 成，数 据 主 要 通 过数 据 线 S D A 和 时 钟 线 S C L 接 收 和 发 送 4。I2C 总 线进 行 数 据 传 送 时 有 特 定 的 逻 辑 规 则，若 时 钟 信 号为 高 电 平，数 据 线 的 数 据 必 须 保 持 稳 定；若 时 钟 信号 为 低
12、电 平，数 据 线 上 才 允 许 进 行 高、低 电 平 状 态的 变 化。本 文 中 O L E D 液 晶 模 块 作 为 从 机 使 用，其 中 模 块 的 S D A、S C L 引 脚 与 S T M 3 2 的 P B 6、P B 7引 脚 进 行 通 信。1.3 姿 态 检 测 模 块本 装 置 中 M P U 6 0 5 0 姿 态 检 测 模 块 整 合 了 三轴 加 速 度 计 和 三 轴 陀 螺 仪，集 成 在 一 个 模 块 上 避免 了 多 传 感 器 之 间 数 据 通 信 不 同 步 的 问 题，因 此能 准 确 的 对 物 体 的 姿 态 进 行 实 时 检
13、测，具 体 实 现方 式 是 将 传 感 器 测 得 的 信 号 转 化 为 可 输 出 的 数 字量，以 每 帧 1 1 B y t e 经 4 0 0 k H z 的 I2C 总 线 与 S T M 3 2主 控 制 器 进 行 通 信 5-6。本 文 中 M P U 6 0 5 0 作 为 从机 使 用，其 中 模 块 的 S D A、S C L 引 脚 与 S T M 3 2 的P B 4、P B 5 引 脚 进 行 通 信。1.4 E E P R O M 模 块A T 2 4 C 0 2 是 最 常 用 的 一 个 2 K 串 行 E E P R O M芯 片，被 广 泛 应 用 于
14、 低 电 压 及 低 功 耗 的 工 商 业 领域。该 芯 片 内 部 含 有 2 5 6 个 8 位 字 节，采 用 先 进 的低 功 耗 C M O S 技 术。A T 2 4 C 0 2 支 持 标 准 I2C 通 信 协议，数 据 可 进 行 双 向 传 输，擦 写 数 据 次 数 多，存 储 数据 时 间 久 7。如 图 3 所 示，本 文 中 E E P R O M 模 块 作为 从 机 使 用，其 中 模 块 的 S D A、S C L 引 脚 和 S T M 3 2的 P B 9、P B 8 引 脚 进 行 通 信，用 于 存 储 M P U 6 0 5 0 采集 的 数 据。
15、A01A12A23GND4SDA5SCL6WP7VCC8AT24C023.3VIIC_SCLIIC_SDAC50.1uF图 图 3 3 E E P R O M E E P R O M 电 路 原 理 图 电 路 原 理 图2 系 统 软 件 设 计2.1 系 统 的 总 体 流 程 设 计软 件 开 发 过 程 主 要 采 用 C 语 言 在 M D K K E I L平 台 上 进 行 程 序 的 编 写、编 译、调 试 和 下 载。总 体流 程 如 图 4 所 示，主 要 由 系 统 初 始 化、M P U 6 0 5 0 传感 器 数 据 采 集、卡 尔 曼 滤 波 数 据 处 理、O
16、L E D 显 示等 组 成。其 中 初 始 化 程 序 包 括 串 口 初 始 化、M P U 6 0 5 0 初 始 化、O L E D 初 始 化 和 A T 2 4 C 0 2 初 始化。待 所 有 初 始 化 程 序 完 成 后，S T M 3 2 主 控 制 器读 取 M P U 6 0 5 0 传 感 器 采 集 的 数 据，同 时 将 数 据 用卡 尔 曼 滤 波 算 法 融 合，得 到 最 优 估 计 值，为 方 便 观察 将 数 据 显 示 在 O L E D 液 晶 屏。系 统 上 电 系 统 初 始 化MPU6050 检 测 角速 度 和 角 加 速 度卡 尔 曼 滤
17、波 算 法优 化 姿 态 数 据OLED 显 示图 图 4 4 主 程 序 控 制 流 程 主 程 序 控 制 流 程2.2 卡 尔 曼 滤 波 数 据 融 合 算 法2.2.1 卡 尔 曼 滤 波 算 法M P U 6 0 5 0 传 感 器 的 动 态 性 能 较 好，可 以 提 供瞬 间 的 角 速 度 值 和 加 速 度 值，但 总 是 会 存 在 微 小的 偏 差，随 时 间 的 增 加 误 差 累 积 逐 渐 增 大，最 终 造成 了 较 大 的 误 差，因 此 不 适 合 单 独 进 行 长 时 间 的使 用。因 此 需 要 用 卡 尔 曼 滤 波 算 法 采 集 数 据 进 行
18、数 据 融 合 得 到 最 优 值，其 核 心 思 想 是 根 据 上 一 次状 态 预 测 出 当 前 状 态，再 与 实 际 测 得 的 状 态 进 行比 较，从 而 修 正 预 估 的 当 前 的 状 态 8-9。本 系 统 采用 卡 尔 曼 滤 波 算 法 对 陀 螺 仪 实 时 得 到 的 角 速 度 值和 加 速 度 值 进 行 数 据 融 合，得 到 稳 定 的 角 度 值。2.2.2 卡 尔 曼 滤 波 器 设 计1）预 测 值 的 方 程：X(k|k-1)=A X(k-1|k-1)+B U(k)（1）式 中：X(k|k-1)是 利 用 上 一 状 态 预 测 出 来 的 结果
19、；A 是 状 态 转 移 矩 阵；X(k-1|k-1)是 上 一 状 态最 优 结 果；B 是 输 入 控 制 项 矩 阵；U(k)是 现 在 状 态控 制 量。2）预 测 值 与 真 实 值 之 间 误 差 的 协 方 差 矩 阵 方 程：P(k|k-1)=A P(k-1|k-1)AT+Q（2）式 中：P(k|k-1)是 上 一 状 态 预 测 结 果 的 协 方 差；P(k-1|k-1)是 上 一 状 态 最 优 结 果 的 协 方 差；Q是 噪 声 协 方 差。3）卡 尔 曼 增 益 方 程：G(k)=P(k|k-1)HT/(H P(k|k-1)HT+R（3）式 中：G(k)是 卡 尔 曼 增 益；H 是 测 量 矩 阵；R 是 测 量徐 鹏 等：船 舶 分 体 式 吊 装 监 测 装 置 研 究1 1
