基于LabVIEW的混凝土布料机器人流量信号采集与处理

董有为，祁宇明，邓三鹏

（天津职业技术师范大学，机器人及智能装备研究所，天津300222）

在“中国制造2025”和“互联网+”的大背景下，在现代建筑施工中，“以信息化与工业化深度融合为特征的智能装备越来越多，混凝土布料机的优势开始崭露头角，逐渐被应用到高层浇筑施工之中。现在，信息化和智能化已经成为智能装备的必备条件，智能建筑机器人的出现把新技术与传统建筑业结合，使其进入一个簇新的时代。本文以天津市智能制造科技重大专项（15ZXZNGX00260）——混凝土智能布料机器人系统研发项目为背景[1]，做了应用于混凝土流量测量的设计，为混凝土布料机器人控制系统的研发奠定基础。

1 硬件构成

混凝土流量测试系统由四个部分组成：混凝土流量计、数据采集卡、Arduino板和上位机LabVIEW编程软件，原理如图1所示。混凝土流量计内部含有流量传感器，该传感器将混凝土布料机器人供给的流量信息对应变换为电信号，然后再将信号经过数据采集卡的采集和处理后，上传到远程计算机中，最后利用LabVIEW软件编程，在其前面板中实现数据和波形的实时显示[2]。本设计数据采集卡根据需要选择摩莎公司生产的基于PCI总线的数据采集卡，型号为MOXA CP-168U，编程软件LabVIEW选择NI公司的2015版。

图1 混凝土流量测量测试系统原理图

（1）智能混凝土流量计

本设计中混凝土流量计采用江苏奥科仪表公司的生产的智能混凝土流量计，型号为AKLD-10，如图2所示。它本身包含传感器和转换器，其传感器采用非均匀磁场技术及特殊的磁路结构，磁场稳定可靠，测量结果与流速分布、流体压力、温度、密度、粘度等物理参数无关，数据可靠，抗干扰能力强，混凝土流量计采用85V-250VAC/16V-36VDC电源供电，通信方式为RSD、GPRS、CDMA，同时具备无线通信功能，满足本设计需求。

图2 智能混凝土流量计

（2）数据采集卡

数据采集卡采集混凝土流量计输出的电信号，将其转换为数字信号并上传给上位机。MOXA CP-168U数据采集卡通过PCI总线通信，可直接插在计算机内的PCI插槽中，即插即用，非常方便，广泛应用于数据采集、波形分析和工业生产过程的监控系统。MOXA CP-168U数据采集卡具有12位A/D转换器，效能超过700 Kpbs的数据吞吐量。A/D转换器输入信号范围±5 V、±10 V、0-10 V，本设计选用±5 V范围[3]。数据采集卡如图3所示。

图3 数据采集卡

（3）上位机

本设计利用计算机在LabVIEW中编程完成实时显示流量的大小，并具有存储数据、PID调节、实时显示图形输出等功能。

2 软件设计

（1）数据采集模块的设计

本设计采用Arduino板作为中心控制单元，应用8位高精度A/D转换芯片ADC0809和8通道模拟I/O实现数据采集工作。USB接口单元负责数据采集系统和上位PC机的通信。在进行数据采集时，Arduino采用中断模式进行数据收发，将采集数据经USB口传送给上位机，由上位机对实时数据进行处理[4]。采集流量信号部分的设计流程如图4所示。

图4 数据采集模块设计流程

（2）PID调节

本设计利用LabVIEW自带的PID控件对电机进行调节，根据混凝土流量计装置反馈采样的数据与设定值相对比，获取偏差e（n），将偏差经由比例运算、积分运算和微分运算过程，从而控制PWM脉冲的占空比，达到控制电机两端的电压的目的，进而由电机平稳的转速来控制流量的稳定。其运算公式为：

在LabVIEW中编写程序，如图5所示。

图5 PID调节程序

电机加PID调节前的波形图如图6所示，调节后的波形图如图7所示。

图6 调节前的波形图

图7 调节后的波形图

（3）数据处理

反馈回来的流量数据体现在波形图中，明显存在畸波，采样的图如图8所示，因存在干扰和噪声等因素，波形明显失真，不具有现实意义。因此，需要对所采集的信号进行滤波处理。在本设计中，通过LabVIEW进行流量信号的处理，并在前面板显示处理前后的波形。

图8 滤波前的波形

在LabVIEW后面板编程时，需要将本次的采样值与前一次的值进行比较、判断，这时候可以采用程序中移位寄存器功能，然后将待处理的信号进行滤波处理，最后编写程序流程图，如图9所示。图中字母c为滤波系数，在0～1之间取值。滤波要想达到理想的效果，就需要给一个恰当的的滤波系数，经过多次试验、观察和总结，得到的经验是：滤波系数c=0.6时，适用于本设计的实际情况。同理可知，根据本系统的流量信号，可令滑动滤波长度平均值n=12.经过处理后的信号光滑、缓慢，较好的还原了系统信号真实的情况。滤波后的波形，如图10所示。

图9 滤波流程图

图10 滤波后的波形

3 结束语

通过本设计可以看出LabVIEW是一种综合功能全面的虚拟仪器软件，通过自带的外部接口模块、通信方式，结合以Arduino单片机为核心的系统，可以便捷的对混凝土流量计的流量信号进行采集及处理。另外，本设计实现了混凝土输送过程中电机转速稳定，对其进行了PID调节，最后对采集到的数据进行滤波处理。本设计为混凝土布料机器人的布料过程进行了有效地监控和控制，为整个控制系统的研发奠定基础。