专利名称：一种吊车负载空间摆角检测技术及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于仪器仪表、自动控制领域，具体涉及一种吊车负载的空间姿态测量技术与装置。
背景技术：
起重机作为一种运载工具，广泛应用于建筑施工现场、散货码头以及仓库调度作业。它是利用连在活动架上的缆绳来提升和移动重物的。用绳索一类的柔体替代刚体工作使得起重机机构轻便，工作效率高。但是，采用柔体吊运也带来一些负面影响，由于运载车的加减速和负载的提升动作以及风、摩擦引起的扰动等会引起负载的来回摆动，要对吊钩进行自动防摆控制，首先就要知道负载在空间的摆动信息，这成为制约事故发生的可能性的一个重要因素，而且很大程度影响生产作业效率。目前用于吊车的摆角检测装置较少见到，三一汽车制造有限公司申请的发明专利“一种起重机及其吊绳摆角检测装置”包括至少一个角度传感器，还包括同轴地套装于吊绳外的套筒，是对吊绳偏摆角实现的直接测量。山东建筑大学信息与电气工程学院的李伟提出了一种测量起重机负荷摆角的方法，是通过固定的摄像机和图像采集卡采集的载荷数字图像进行实时处理来测量摆角。但上述装置对测量环境要求较高，有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有汽车起重机作业过程中的自动化防摆技术的不足，提供一种适用于汽车起重机在作业过程中抑制吊钩/负载摆动现象使之迅速衰减甚至消除的技术，通过将整个吊运任务进行分解，采用不同的防摆方法实现各部分吊运过程的高效防摆控制，从而实现汽车起重机整个吊运作业的自动化防摆控制，为各类型汽车起重机产品的技术升级提供这一先进技术，并可大大降低汽车起重机操作员的工作强度与要求。本发明采用以下技术方案一种吊车负载空间摆角检测系统，包括汽车本体、回转机构、俯仰机构、吊绳、负载、吊臂及钓钩，还包括测量盒和信号处理接收器。测量盒包括计算处理模块I、传感器�？�、A/D转换模块、无线通信�？榧暗缭茨？椋渲校衅髂？橹饕ɑ贛EMS (Micro Electro-Mechanical System,微机电系统)技术的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计及温度传感器，传感器测量的信号经过计算处理�？槿诤峡傻玫降豕�/负载的相对于大地坐标的空间姿态，然后通过无线通信�？楹托藕沤邮沾砥鹘惺萁换弧Ｐ藕糯斫邮掌靼扑愦砟？镮I、传感器�？�、A/D转换�？�、无线通信�？�、现场总线控制单元、电源�？椋渲校衅髂？橹饕ɑ贛EMS技术的轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计及温度传感器，传感器测量的信号经过计算处理�？槿诤峡傻玫降醭当咎�/吊臂的相对于大地坐标的空间姿态。测量盒可安装在吊钩上也可安装在负载上。信号接收处理器可安装在吊车本体上也可安装在吊臂上。一种吊车负载空间摆角检测方法，其特征在于以下步骤
(1)安装在吊绳末端的吊钩或负载上的测量盒，采用基于MEMS技术的三自由度的磁场计、三自由度的陀螺仪和三自由度的加速度计测量计算得到吊钩或负载的空间姿态参数；
(2)安装在吊车吊臂底端控制箱中的信号接收处理器，基于MEMS技术的三自由度的磁场计、三自由度的陀螺仪和三自由度的加速度计测量计算得到控制箱的空间姿态参数；
(3)测量盒测得的吊钩或负载的空间姿态参数通过无线通讯�？榇透藕沤邮沾砥鳎藕沤邮沾砥魍ü缘豕郴蚋涸睾涂刂葡淞讲糠值淖颂斜甓ǖ玫降醭蹈涸氐南喽杂诘醭当咎寤虻醣鄣目占浒诮�。 吊钩或负载的空间姿态参数和控制箱的空间姿态参数根据捷联算法计算出，采用扩展卡尔曼滤波进行误差补偿保证动态环境下的测量精度和可靠性。为了测得所述吊车负载的空间摆角，采用测量盒检测吊钩/负载相对于大地坐标的空间姿态，采用信号接收处理器测量吊车本体/吊臂相对于大地坐标的空间姿态，通过坐标变换得到吊钩/负载相对于吊车本体/吊臂的纵向偏摆(吊钩/负载在吊臂与其水平面投影所构成的平面内的相对于吊臂的前后方向的摆动)和横向偏摆(吊钩/负载在包含吊绳且与水平面和纵向偏摆平面垂直的平面内相对于吊臂的左右方向的摆动)。测量盒可安装在吊钩上也可安装在负载上，主要包括计算处理�？镮、传感器�？�、A/D转换模块、无线通信�？榧暗缭茨？椋黄渲校衅髂？橹饕ㄈ峒铀俣燃�、三轴陀螺仪、三轴磁强计及温度传感器，传感器测量的信号经过计算处理�？槿诤峡傻玫降豕�/负载的相对于大地坐标的空间姿态(以及角速度和线加速度的信息)，然后通过无线通信模块和权利要求I所述的信号接收处理器进行数据交换。信号接收处理器可安装在吊车本体上也可安装在吊臂上，主要包括计算处理�？镮I、传感器模块、A/D转换�？�、无线通信�？�、现场总线控制单元、电源�？椋黄渲校衅髂？橹饕ㄈ峒铀俣燃�、三轴陀螺仪、三轴磁强计及温度传感器，传感器测量的信号经过计算处理�？槿诤峡傻玫降醭当咎�/吊臂的相对于大地坐标的空间姿态(以及角速度和线加速度的信息)。信号接收处理器可直接安装到吊车自带的控制箱内，现场总线控制单元，其所选择的现场总线类别根据吊车自带控制器进行配备，从而保证由信号接收处理器处理得到的负载空间摆动信息可以方便的传输给吊车控制器用于防摆控制。传感器�？榧觳獾玫降摹敖撬俣群拖呒铀俣鹊男畔ⅰ焙腿ɡ驣所述的负载空间的摆角一样可作为吊车负载的防摆控制的重要反馈信息。本发明的有益效果如下。I、采用基于MEMS技术的传感器�？椋墒沟糜糜诩觳飧涸匕诙畔⒌牟饬亢刑寤凸姆浅Ｐ。阌诎沧霸诘豕�/负载上，同时该测量盒可制作成便携式装置，当某一起重机需要时，及时的安装到吊钩/负载上即可。2、采用基于MEMS技术的传感器模块，可使得所述信号接收处理器体积和功耗非常�。芍苯又谱饕豢榭刂瓢灏沧暗降醭悼刂葡涫实蔽恢茫浜偷醭悼刂破鞑捎没诘醭悼刂破髋渲玫淖芟叻绞浇型ㄑ叮桓谋涞醭悼刂破鹘峁梗辉黾佣钔獾牡醭悼刂葡�。3、所述的测量盒和信号接收处理器采用无线通讯的方式进行数据交换，无需额外布线，使用方便。
图I是检测吊车负载空间摆角参数的示意图。
图2是检测吊车负载空间摆角装置具体安装位置的示意图。图3是测量盒的�？榭蛲�。图4是信号接收处理器的�？榭蛲肌Ｍ�5是检测吊车负载空间摆角的程序流程图。
具体实施例方式下面结合附图，以汽车起重机为例对本发明的技术方案进行详细的说明。如图2所示，汽车起重机包括测量盒100、信号处理接收器200、汽车本体300、回转机构400、吊绳500、负载600、吊臂700、俯仰机构800以及吊钩900。汽车起重机吊臂700可以伸缩，并且在俯仰机构800的作用下，可以俯仰运动吊臂700在回转机构400的作用下，可以实现左右转动，负载在卷扬机构的作用下可以收放吊绳。测量盒100固定在吊钩900上，信号处理接收器200安装在吊车的控制箱中。本发明的吊车负载空间摆角的检测思想可结合图I说明。测量盒100安装在吊绳500末端的吊钩/负载上，作用是采用基于MEMS技术的三自由度的磁场计、三自由度的陀螺仪和三自由度的加速度计测量计算得到吊钩/负载的空间姿态参数；信号接收处理器200安装在吊车吊臂700底端的控制箱中，作用是基于MEMS技术的三自由度的磁场计、三自由度的陀螺仪和三自由度的加速度计测量计算得到控制箱的空间姿态参数，测量盒100测得的吊钩/负载的空间姿态参数通过无线通讯�？�140和240传送给信号接收处理器200，信号接收处理器200通过对吊钩/负载和控制箱两部分的姿态进行标定得到吊车负载的相对于吊车本体/吊臂的空间摆角，主要是摆角的大小和。结合图3说明测量盒100的各�？榻峁辜肮δ茏饔玫木咛迨凳┓椒ā２饬亢�100主要由计算处理模块I (如DSP或ARM芯片)130、基于MEMS技术的传感器模块110、A/D转换�？�120、无线通信�？�(如Zigbee模块)140和电源�？�150 ;其中，传感器110�？橹饕ㄈ峒铀俣燃�111、三轴陀螺仪112、三轴磁强计113及温度传感器114。传感器�？�110所测得的信息经过A/D转换器进入计算处理�？镮 130，根据捷联算法计算出吊钩/负载相对于大地坐标的空间姿态，采用扩展卡尔曼滤波进行误差补偿保证动态环境下的测量精度和可靠性；将采集计算得到的吊钩/负载相对于大地坐标的空间姿态(以及角速度和线加速度的信息)通过无线通讯�？�140传送给信号接收处理器200，其中无线通讯�？�140和计算处理�？镮 130可通过SPI (串行外设接口)进行数据交换。电源150为各元件提供电力供给。结合图4说明信号接收处理器200的各�？榻峁辜肮δ茏饔玫木咛迨凳┓椒�。信号接收处理器200主要由计算处理�？镮I (如DSP或ARM芯片)230、基于MEMS技术的传感器�？�210、A/D转换�？�220、无线通信�？�(如Zigbee模块)240、现场总线控制单元(如CAN总线)260和电源�？�250 ;其中，传感器210�？橹饕ㄈ峒铀俣燃�211、三轴陀螺仪212、三轴磁强计213及温度传感器214。传感器�？�210所测得的信息经过A/D转换器进入计算处理模块II 230，根据捷联算法计算出吊车本体/吊臂相对于大地坐标的空间姿态，采用扩展卡尔曼滤波进行误差补偿保证动态环境下的测量精度和可靠性；将采集计算得到的吊车本体/吊臂相对于大地坐标的空间姿态(以及角速度和线加速度的信息)和通过无线通讯�？�240接收得到的吊钩/负载相对于大地坐标的空间姿态(以及角速度和线加速度的信息)在计算处理�？镮I 230中进行坐标变换，得到吊钩/负载相对于吊车本体/吊臂的空间摆动情况(以及角速度和线加速度的信息)，主要是如图I所示的摆角和的大�。玫降牡豕�/负载相对于吊车本体/吊臂的空间摆动情况经由现场总线控制单元260实时传输给吊车控制器，以便实现自动控制；其中无线通讯�？�240和计算处理�？镮I230可通过SPI进行数据交换。电源250为各元件提供电力供给。结合图5所述吊车负载空间摆角检测的程序实现流程。流程包括初始化部分、数据采样部分、温度补偿部分、捷联算法解算部分、扩展卡尔曼滤波部分、姿态修正和坐标变换等部分；首先系统启动进行参数初始化，然后通过各传感器�？榻惺莶裳葾/D转换器将模拟信号转换为数字信号，输入数据处理�？榻形露炔钩ィ缓笸ü萘惴ń馑愠龈涸氐目占湮恢貌问涂刂葡涞目占湮恢貌问缓笥每ǘ瞬ǘ圆问形蟛畈� 偿保证动态环境下的测量精度和可靠性，即姿态修正，得到精确的吊钩/负载和吊车本体/吊臂的相对于大地坐标的空间姿态参数，对吊钩/负载和吊车本体/吊臂两部分的姿态标定得到吊车吊钩/负载相对于吊车本体/吊臂的空间摆动情况。
权利要求
1.一种吊车负载空间摆角检测系统，包括汽车本体、回转机构、俯仰机构、吊绳、负载、吊臂及钓钩，其特征在于还包括测量盒和信号处理接收器； 所述测量盒包括计算处理�？镮、传感器�？�、A/D转换�？�、无线通信�？榧暗缭茨？椋渲校衅髂？橹饕ɑ贛EMS技术的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计及温度传感器，传感器测量的信号经过计算处理�？槿诤峡傻玫降豕�/负载的相对于大地坐标的空间姿态，然后通过无线通信�？楹托藕沤邮沾砥鹘惺萁换唬� 所述信号处理接收器包括计算处理�？镮I、传感器�？�、A/D转换�？�、无线通信模块、现场总线控制单元、电源�？椋渲校衅髂？橹饕ɑ贛EMS技术的轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计及温度传感器，传感器测量的信号经过计算处理�？槿诤峡傻玫降醭当咎�/吊臂的相对于大地坐标的空间姿态。
2.根据权利要求I所述的检测系统，其特征在于所述测量盒可安装在吊钩上也可安装在负载上。
3.根据权利要求I所述的检测系统，其特征在于所述信号接收处理器可安装在吊车本体上也可安装在吊臂上。
4.一种吊车负载空间摆角检测方法，其特征在于以下步骤 安装在吊绳末端的吊钩或负载上的测量盒，采用基于MEMS技术的三自由度的磁场计、三自由度的陀螺仪和三自由度的加速度计测量计算得到吊钩或负载的空间姿态参数； 安装在吊车吊臂底端控制箱中的信号接收处理器，基于MEMS技术的三自由度的磁场计、三自由度的陀螺仪和三自由度的加速度计测量计算得到控制箱的空间姿态参数； 测量盒测得的吊钩或负载的空间姿态参数通过无线通讯�？榇透藕沤邮沾砥鳎藕沤邮沾砥魍ü缘豕郴蚋涸睾涂刂葡淞讲糠值淖颂斜甓ǖ玫降醭蹈涸氐南喽杂诘醭当咎寤虻醣鄣目占浒诮�。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于所述吊钩或负载的空间姿态参数根据捷联算法计算出，采用扩展卡尔曼滤波进行误差补偿保证动态环境下的测量精度和可靠性。
6.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于所述控制箱的空间姿态参数根据捷联算法计算出，采用扩展卡尔曼滤波进行误差补偿保证动态环境下的测量精度和可靠性。
全文摘要
本发明公开一种吊车负载空间摆角检测技术及装置，包括测量盒和信号接收处理器安装在吊钩/负载上的测量盒中传感器测得吊钩/负载相对于大地坐标的空间姿态，安装在吊车本体/吊臂上的信号接收处理器基于传感器测得吊车本体/吊臂相对于大地坐标的空间姿态，通过坐标变换可得到吊车负载相对于吊车本体/吊臂的空间姿态参数，计算出来的参数可以通过总线控制单元传输给吊车控制箱进行自动控制。本发明能准确测得吊车负载的空间摆动情况，从而帮助吊车实现防摆控制，提高安全生产效率。
文档编号G01C1/00GK102923572SQ20121008716
公开日2013年2月13日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者高丙团, 邓克愚, 汤奕 申请人:苏州市思玛特电力科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
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