智能控制桥臂的起重机防摇系统：提升起重作业效率与安全的创新方案
在当今全球化贸易蓬勃发展的时代，货物运输的效率与安全至关重要。起重机作为货物装卸的关键设备，广泛应用于机场、码头、工厂等大型运输场所。然而，由于钢丝绳柔性、操作熟练度、风力等因素影响，货物在吊运过程中极易产生摇摆，不仅降低装卸效率，还存在严重安全隐患。为解决这一难题，本文将详细介绍一种智能控制桥臂的起重机防摇系统的设计与实现。
一、起重机防摇系统设计背景
近年来，随着全球贸易往来日益频繁，货物运输需求不断增长，起重机在货物装箱、搬运环节的重要性愈发凸显。但在实际作业中，起重机位移装置与货物多通过钢丝绳连接，多种因素导致货物在运送过程中摇摆不定。虽然国内已采用电子防摇技术，但由于起重机系统数学模型具有非线性和不确定性，常规控制方法效果不佳，部分装备电子防摇系统的集装箱起重机甚至被拆除。因此，开发不依赖数学模型、适应不确定性的智能控制方法，对解决起重机防摇问题意义重大。一个高效的防摇装置，不仅能避免碰撞事故，还能显著提升起重机操作效率与安全性。
二、系统设计方案
1. 二维机械结构设计
该起重机防摇系统采用X、Y轴两个维度的线性滑杆龙门设计，这种设计是整个系统的基础架构。滑杆上的滑块可随滑台皮带传动在两个轴上灵活切换坐标位置，其下方的万向摆连接吸盘用于吸取重物。支架底部与四周使用铝型材和木棒固定，确保整体装置稳定。两个步进电机及驱动器安装在步进电机固定架上，负责驱动滑块移动。其中，滑块安装在X轴滑杆上，通过连接杆带动Y轴方向滑杆，实现滑块在Y轴方向的移动。控制电路板和气泵安装在滑块上方，电路板采用双层结构，上层布置主控芯片及显示屏，下层设置继电器模块、电源模块和蓝牙模块。姿态传感器安装在万向节杆上，用于检测各方向姿态角，并配备独立电池以便随时进行电脑上位机加计校准与Z轴归零。气泵与电磁阀安装在3D打印机内，一同固定在滑块上的防摇台上。此机械结构具备起重机平面移动、载重及卸货模拟的基本功能，与实际起重机结构相似，有助于提高数据算法的可靠性。
二维结构设计
气泵与电路板结构侧视图
防摇台设计图
2. 硬件总体设计
主控模块：选用意法半导体公司的STM32F429IGT6作为主控芯片，相较于STM32F407，它降低了停止模式的电流消耗，可延长便携应用的电池寿命。同时，增加了TFT – LCD控制器、STChrom – ARTAccelerator和SDRAM存储器接口，有效提升图形处理性能。
电源模块：负责为系统各模块供电，采用7.4V2000mA锂离子电池、3.3V锂离子充电电池以及22.8VBT48电池。由于各模块工作电压不同，还设计了3.3V稳压电路，确保各模块稳定运行。
电源模块
蓝牙姿态传感器：采用维特智能的蓝牙姿态传感器BWT61P，该传感器支持三维加速度、三维陀螺仪和三维欧拉角检测，具有高精度、高性能、低成本的优势，能精准获取货箱姿态信息。
步进电机及驱动模块：经对比伺服电机、直流电机和步进电机的特性，最终选择步进电机。它具有最大转矩，精度在3% – 5%，位置精度和运动重复性好，启停和反转响应优秀，能满足系统对电机的要求。
蓝牙通信模块：采用增强版蓝牙HC – 05模块，实现手机APP与单片机之间快速、准确的命令传输，并将处理结果显示在OLED上，方便用户操作和查看。
其它辅助模块：还使用了OLED模块、3.3V稳压模块和继电器模块作为辅助模块，协同各主要模块工作，保障系统稳定运行。
总体硬件框图
3. 软件总体设计
软件部分主要负责数据处理与系统控制，分为数据采集端、控制端和上位机端。数据采集端获取6轴加速度原始数据，经过硬件滤波、卡尔曼滤波和DMP库计算出姿态角，传输到控制端。控制端接收数据后，先进行校验，再解算摆角和摇摆速度，利用双闭环PID算法计算出步进电机的运作速度，并通过串口DMA发送给上位机端。上位机接收到数据后，同样先校验再分类，通过3D图片控件显示在主界面，同时在副界面显示货箱姿态数据。
PID控制器：货箱摆角调节与小车速度加速度密切相关。本系统以角度偏差为输入，经PID运算后输出值作为步进电机的输入脉冲频率，控制小车速度。考虑到系统需求，选择位置式PD控制，只调节货箱竖直状态，不考虑调节后小车位置。由于数据采集周期约10ms，每帧数据处理完成后进行PID运算，实时调整步进电机速度和转向。此外，为满足起重机工作要求，采用双闭环串级PID控制，加入速度环控制小车调整过程中的移动范围。
串口DMA数据传输：在数据采集和控制过程中，USART2用于数据采集，波特率为115200，对主控芯片负担较大。若USART1发送数据过于频繁，会影响通讯质量。因此，采用DMA数据传输方式，减轻主控芯片负担，确保通讯稳定。
软件设计总体流程图
三、系统功能与优势
该起重机防摇系统具备多项实用功能和显著优势。首先，能有效实现静态防摇效果，大幅提升起重机操作效率和安全性，减少货物吊运过程中的摇摆，降低事故风险。其次，系统设计便于技术人员进行二次开发与维护，为后续功能拓展和优化提供便利。再者，系统集成蓝牙和触摸屏功能，用户既可以通过蓝牙连接手机APP进行远程操作，也能通过触摸屏进行近距离操作，操作方式灵活多样。此外，还具备定位搬货功能，可通过手机APP或触摸屏发送命令，指定在某个位置卸货或装货，完成任务后自动返回原点，进一步提高装卸作业的智能化和自动化水平。
经调试，该起重机防摇系统成功实现桥臂的智能控制，为解决起重机吊具摇摆问题提供了可靠的技术方案。在未来，随着技术的不断进步，此类智能防摇系统有望在更多起重设备中得到应用，推动整个起重行业向更高效、更安全的方向发展。
