CN107063233B - 基于惯性传感器的产线管控装置 - Google Patents

基于惯性传感器的产线管控装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于惯性传感器的产线管控装置，其包括生产流水线以及手环，手环包括手环体以及位于手环体内的数据采集单元、数据处理单元以及数据传输单元；通过数据采集单元能实时采集工人工作时佩戴手环的加速度、角速度以及地磁场数据，数据处理单元能根据数据采集单元采集并传输的加速度、角速度以及地磁场数据实现对工人工作时的姿态解算、运动轨迹跟踪以及动作检测，然后根据动作检测的结果计算出工人已完成的工件数量和完成每一件工件的操作时间，最后将计算出已经完成的工件数量和完成每一件工件的操作时间通过蓝牙发送到现场信息监控***中。本发明能有效准确地检测出佩戴手环的工人在单位时间内加工完成的工件数量，从而能有效评价工人的工作效率。

Description

基于惯性传感器的产线管控装置
技术领域
本发明涉及一种监控装置，尤其是一种基于惯性传感器的产线管控装置，属于生产流水线监控的技术领域。
背景技术
随着我国制造产业的高速发展，越来越多的工厂采用流水化作业。流水化的作业方式在装配企业中可以不仅可以提高工厂的装配效率、加快生产进度，而且可以统计每个工人的生产信息状况以供管理人员调查。但是，在一条流水线生产***中，某一个工人的装配速度都有可能影响整条流水线的效率。因此，需要一套流水线监控***来监控每个工人的工作效率。
目前的流水线监控***主要是工人使用采集器扫描工件上的条形码，通过采集器里工人的工号和扫描条形码的时间来判定一个工人的操作时间和操作的工件数量。这种方式虽然可以准确的检测工人的操作时间，但是这种方式需要在生产线上额外加上条形码***和采集器，增加了工人的工作量，降低了流水线的工作效率。此外，还有文献提出了基于计算机视觉的监控工人装配动作的方法，这种监控方式只适合于流水线中的传送带上无遮挡物的情况下并且基于图像的检测方法存在一定的检测误差，容易被遮挡，并不适用于大部分的流水线装配***。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于惯性传感器的产线管控装置，其能有效准确地检测工人的取件和放回工件动作，从而能有效评价工人的工作效率。
按照本发明提供的技术方案，所述基于惯性传感器的产线管控装置，包括用于传送工件的生产流水线；还包括用于佩戴在操作工人手腕部的手环，所述手环包括用于佩戴手腕部的手环体以及位于所述手环体内的数据采集单元、数据处理单元以及数据传输单元；
通过数据采集单元能实时采集工人工作时佩戴手环的加速度、角速度以及地磁场数据，数据处理单元能根据数据采集单元采集并传输的加速度、角速度以及地磁场数据实现对工人工作时的姿态解算、运动轨迹跟踪以及动作检测，并根据检测的动作计算出工人已完成的工件数量和完成每一件工件的操作时间，且将计算出已经完成的工件数量和完成每一件工件的操作时间通过数据传输单元发送到现场信息监控***中。
数据处理单元对数据采集单元传输的加速度、角速度以及地磁场数据先进行零漂补偿、平滑滤波以及互补滤波后，再进行姿态解算、运动轨迹跟踪以及动作检测。
所述数据采集单元通过SPI总线与数据处理单元连接，数据采集单元包括加速度计、陀螺仪以及电子罗盘。
本发明的优点：利用手环内的数据采集单元能实时采集工人工作时佩戴手环的加速度、角速度以及地磁场数据，数据处理单元能根据数据采集单元采集并传输的加速度、角速度以及地磁场数据实现对工人工作时的姿态解算、运动轨迹跟踪以及动作检测，数据处理单元将解算的姿态、跟踪的运动轨迹以及检测的动作通过数据传输单元传输至生产流水线上的上位机内，以通过上位机统计确定工人的操作工件数以及相应的操作时间，从而能有效准确地检测工人的取件和放回工件动作，从而能有效评价工人的工作效率。
附图说明
图1本发明的结构示意图。
图2为本发明手环的结构框图。
图3为本发明的运动轨迹的示意图。
附图标记说明：1-生产流水线、2-工件、3-工作台、4-数据采集单元、5-数据处理单元、6-数据传输单元、7-电源、8-加速度计、8-陀螺仪以及9-电子罗盘。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为了能有效准确地检测工人的取件和放回工件动作，进而能有效评价工人的工作效率，本发明包括用于传送工件2的生产流水线1；还包括用于佩戴在操作工人手腕部的手环，所述手环包括用于佩戴手腕部的手环体以及位于所述手环体内的数据采集单元4、数据处理单元5以及数据传输单元6；
通过数据采集单元4能实时采集工人工作时佩戴手环的加速度、角速度以及地磁场数据，数据处理单元5能根据数据采集单元4采集并传输的加速度、角速度以及地磁场数据实现对工人工作时的姿态解算、运动轨迹跟踪以及动作检测，并根据检测的动作计算出工人已完成的工件数量和完成每一件工件的操作时间，且将计算出已经完成的工件数量和完成每一件工件的操作时间通过数据传输单元6发送到现场信息监控***中。
具体地，将手环佩戴于操作工人的手腕部，手环具体可以采用本技术领域常用的结构形式，在操作工人从生产流水线1上取工件2、加工工件2以及往生产流水线1上放回工件2的过程中，通过手环的数据采集单元4能采集运动中手环的加速度、角速度以及地磁场数据，从而数据处理采集单元5根据数据采集单元4传输的加速度、角速度以及地磁场数据实现对工人工作时的姿态解算、运动轨迹跟踪以及动作检测，并根据检测的动作计算出工人已完成的工件数量和完成每一件工件的操作时间，且将计算出已经完成的工件数量和完成每一件工件的操作时间通过数据传输单元6发送到现场信息监控***中。
如图2所示，所述数据采集单元4通过SPI总线与数据处理单元5连接，数据采集单元4包括加速度计8、陀螺仪9以及电子罗盘10。
本发明实施例中，手环内还设有电源7，通过电源7提供加速度计、陀螺仪9、电子罗盘10、数据处理单元5以及数据传输单元6的工作电源，数据处理单元5包括微处理器，数据传输单元6包括蓝牙模块。
具体实施时，数据采集单元4采用由InvenSense公司生产的九轴惯性传感器MPU9250，九轴惯性传感器MPU9250是全球首例整合九轴运动姿态检测的数字传感器，其内部集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴电子罗盘。加速度计8的测量范围可以达到±16g，陀螺仪9的角速度测量范围2000o/s。MPU9250传感器数据采用串行外设接口SPI(Serial Peripheral Interface)或者I2C(Inter-Integrated Circuit)总线方式与单片机进行高速通讯；本发明实施例中，采用SPI方式与微处理器进行数据交互，传输速度可以达到1MHz。数据处理单元5包括采用STM32单片机的微处理器，型号为STM32F302K8，所述微处理器体积小、功耗低，同时其内部带有DSP(Digital Signal Processor)和FPU(FloatPoint Unit)，可以快速的进行数据解算和动作检测。数据传输单元6采用的蓝牙串口透传模块HC-05，该模块体积小、功耗低，最大发射功率为8db，最大传输距离80m，可以比较方便的和上位机监控***进行无线通讯。
进一步地，数据处理单元5对数据采集单元4传输的加速度、角速度以及地磁场数据先进行零漂补偿、平滑滤波以及互补滤波后，再进行姿态解算、运动轨迹跟踪以及动作检测。
本发明实施例中，数据处理单元5可采用本技术领域常用的技术手段实现零漂补偿、平滑滤波以及互补滤波，以得到准确的加速度、角速度以及地磁场数据，具体实现零漂补偿、平滑滤波以及互补滤波的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。在进行姿态解算时，可以采用基于四元数的捷联式惯性导航方法解算出运动载体的欧拉角，即偏航角、翻滚角和俯仰角，这三者可以描绘出运动载体在空间中的实时姿态，具体进行姿态解算的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
为了检测工人的操作动作，首先需要确定出工人在工作时手环的实时位置信息，进而绘制出完整的运动轨迹。因此，在检测动作之前需要对工人的工作轨迹进行实时追踪。
手环的运动轨迹是根据数据采集单元4采集到的运动数据经过一系列的处理得到的位置信息绘制出，
加速度、角速度和地磁场数据经过滤波、姿态解算和卡尔曼滤波可以解算出表示载体空间状态信息的四元数。四元数是一个超复数，表达式为：
Q(q0,q1,q2,q3)＝q0+q1i+q2j+q3k (1)
其中，q0、q1、q2、q3是实数，i、j、k是虚数单位且互相正交。通过解算出的四元数可以求得去除重力后的运动加速度
Figure BDA0001267762900000031
和载体坐标系(b系)与惯性导航坐标系(n系)之间转换的姿态矩阵
Figure BDA0001267762900000032
Figure BDA0001267762900000033
由公式(2)可以求得载体在空间位置相对于地面的加速度
Figure BDA0001267762900000034
Figure BDA0001267762900000041
是去除重力后的运动加速度，即空间中的绝对加速度。
根据公式(3)，对
Figure BDA0001267762900000042
进行一次积分可以得到载体的运动速度
Figure BDA0001267762900000043
式中，
Figure BDA0001267762900000044
为t时刻的速度，t0代表初始时刻，是一个确定量，中间不在变化，tn代表第n个采样点的时刻。
Figure BDA0001267762900000045
就代表t0时的运动速度。
根据公式(4)，对运动速度再次进行积分可以得到载体运动的位移
Figure BDA0001267762900000046
其中，
Figure BDA0001267762900000047
为t时刻的位移，
Figure BDA0001267762900000048
代表t0时刻的位移。
本发明实施例中，主要检测的动作是以下四个动作：空手取件、带件返回、放回工件和缩手。通过惯性传感器采集一次操作工人在完整的装配工件过程中的所有动作经过轨迹追踪之后可以得到如图3所示的运动轨迹图(XY平面)。从图3中可以明显的看出：空手取件和带件返回的轨迹基本重合，可以归结为取件过程；在工作过程中会长时间停留在工作台上；放回工件动作和缩手的动作基本重合，可以归结为放件过程。
根据图3所示的运动轨迹图可以比较准确的判断出工人在操作时的所处的位置区域。在使用轨迹进行动作判断之前，为了消除人在运动时的抖动，需要对位置坐标进行平滑滤波处理，由于是在微处理中进行，本***采用多次数据取平均值的方式进行平滑滤波。平滑滤波公式为：
Figure BDA0001267762900000049
tn代表第n个采样点时刻，ti代表第i个采样点的时刻，N代表要进行平滑滤波的采样点个数。
得到实时的位置坐标后，可以根据坐标中x和y的大小判断出工人操作时的是处在工作过程、取件还是放回工件过程。一般地，等坐标x与坐标y的绝对值均小于0.4时，则判定为工作过程；当x＜-0.4而y＞0.4时，则判定为取件过程；当x＞0.4且y＞0.4时，则判定为放件过程。
判断出工人的是处在取件过程还是放回工件过程后还要对工人是否完成了一次完整的工件操作进行判断。在取件和放回工件过程中，工人的运动轨迹存在着重合，这就需要对运动方向进行判断。这两个过程存在一定的相似性，接下来将以放回工件的过程为例进行介绍如何进行运动方向判断。
在运动方向判定上，采用的载体运动的坐标一阶微分计算。即
Δx(ti)＝x(ti)-x(ti-1) (7)
Δy(ti)＝y(ti)-y(ti-1) (8)
式中，x(ti)、y(ti)为ti时刻载***置的坐标。Δx(ti)代表ti时刻的坐标中x变量的一阶微分Δy(ti)代表ti时刻的坐标中y变量的一阶微分。
载体运动中的方向向量
Figure BDA0001267762900000051
由公式(9)得到方向向量后，就可以判断出在取件过程中是空手取件还是带件返回动作，在放件过程中是放回工件还是缩手动作。
当连续检测到完整的取件过程、工作过程和放件过程，则可以判定为工人完成了一次工件的操作，此时应当将工人完成的工件数量增加一个，同时记录下完成这个过程所需要的时间，最后将数据以蓝牙方式发送到上位机信息监控***中。至此，就完成了一次动作检测过程。

Claims (2)

1.一种基于惯性传感器的产线管控装置，包括用于传送工件(2)的生产流水线(1)；其特征是：还包括用于佩戴在操作工人手腕部的手环，所述手环包括用于佩戴手腕部的手环体以及位于所述手环体内的数据采集单元(4)、数据处理单元(5)以及数据传输单元(6)；
通过数据采集单元(4)能实时采集工人工作时佩戴手环的加速度、角速度以及地磁场数据，数据处理单元(5)能根据数据采集单元(4)采集并传输的加速度、角速度以及地磁场数据实现对工人工作时的姿态解算、运动轨迹跟踪以及动作检测，并根据检测的动作计算出工人已完成的工件数量和完成每一件工件的操作时间，且将计算出已经完成的工件数量和完成每一件工件的操作时间通过数据传输单元(6)发送到现场信息监控***中；
数据处理单元(5)对数据采集单元(4)传输的加速度、角速度以及地磁场数据先进行零漂补偿、平滑滤波以及互补滤波后，再进行姿态解算、运动轨迹跟踪以及动作检测；
数据处理单元(5)根据加速度、角速度和地磁场数据经过滤波、姿态解算和卡尔曼滤波可以解算出表示载体空间状态信息的四元数；四元数是一个超复数，表达式为：
Q(q0,q1,q2,q3)＝q0+q1i+q2j+q3k (1)
其中，q0、q1、q2、q3是实数，i、j、k是虚数单位且互相正交；通过解算出的四元数求得去除重力后的运动加速度
Figure FDA0002413147670000011
和载体坐标系b系与惯性导航坐标系n系之间转换的姿态矩阵
Figure FDA0002413147670000012
Figure FDA0002413147670000013
由公式(2)可以求得载体在空间位置相对于地面的加速度
Figure FDA0002413147670000014
Figure FDA0002413147670000015
是去除重力后的运动加速度，即空间中的绝对加速度；
根据公式(3)，对
Figure FDA0002413147670000016
进行一次积分可以得到载体的运动速度
Figure FDA0002413147670000017
式中，
Figure FDA0002413147670000018
为t时刻的速度，t0代表初始时刻，是一个确定量，中间不在变化，tn代表第n个采样点的时刻；
Figure FDA0002413147670000019
就代表t0时的运动速度；
根据公式(4)，对运动速度再次进行积分可以得到载体运动的位移
Figure FDA00024131476700000110
其中，
Figure FDA00024131476700000111
为t时刻的位移，
Figure FDA00024131476700000112
代表t0时刻的位移；
对手环主要检测的动作是以下四个动作：空手取件、带件返回、放回工件和缩手；通过惯性传感器采集一次操作工人在完整的装配工件过程中的所有动作经过轨迹追踪之后可以得到运动轨迹图XY平面；在运动轨迹图中：空手取件和带件返回的轨迹基本重合，可以归结为取件过程；在工作过程中会长时间停留在工作台上；放回工件动作和缩手的动作基本重合，可以归结为放件过程；
根据运动轨迹图能比较准确的判断出工人在操作时的所处的位置区域；在使用轨迹进行动作判断之前，为了消除人在运动时的抖动，需要对位置坐标进行平滑滤波处理，由于是在微处理中进行，本***采用多次数据取平均值的方式进行平滑滤波；平滑滤波公式为：
Figure FDA0002413147670000021
tn代表第n个采样点时刻，ti代表第i个采样点的时刻，N代表要进行平滑滤波的采样点个数；
得到实时的位置坐标后，根据坐标中x和y的大小判断出工人操作时的是处在工作过程、取件还是放回工件过程；当坐标x与坐标y的绝对值均小于0.4时，则判定为工作过程；当x＜-0.4而y＞0.4时，则判定为取件过程；当x＞0.4且y＞0.4时，则判定为放件过程；
判断出工人的是处在取件过程还是放回工件过程后还要对工人是否完成了一次完整的工件操作进行判断；在取件和放回工件过程中，工人的运动轨迹存在着重合，这就需要对运动方向进行判断；这两个过程存在一定的相似性，接下来将以放回工件的过程为例进行介绍如何进行运动方向判断；
在运动方向判定上，采用的载体运动的坐标一阶微分计算；即
Δx(ti)＝x(ti)-x(ti-1) (7)
Δy(ti)＝y(ti)-y(ti-1) (8)
式中，x(ti)、y(ti)为ti时刻载***置的坐标；Δx(ti)代表ti时刻的坐标中x变量的一阶微分Δy(ti)代表ti时刻的坐标中y变量的一阶微分；
载体运动中的方向向量
Figure FDA0002413147670000022
由公式(9)得到方向向量后，就可以判断出在取件过程中是空手取件还是带件返回动作，在放件过程中是放回工件还是缩手动作；
当连续检测到完整的取件过程、工作过程和放件过程，则判定为工人完成了一次工件的操作，此时应当将工人完成的工件数量增加一个，同时记录下完成这个过程所需要的时间，最后将数据以蓝牙方式发送到上位机信息监控***中；至此，就完成了一次动作检测过程。
2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的产线管控装置，其特征是：所述数据采集单元(4)通过SPI总线与数据处理单元(5)连接，数据采集单元(4)包括加速度计(8)、陀螺仪(9)以及电子罗盘(10)。
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