CN103134474B - 一种工作平台的倾斜角测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工作平台的倾斜角测量方法及装置，包括以下步骤：通过安装在工作平台上的倾角传感器采集工作平台在旋转状态下相对于竖直面的倾斜角β，通过安装在工作平台上的角速率传感器采集工作平台在旋转状态下的转动角速率ω；通过半径测量器测量工作平台的转动半径R；利用公式α=arccos(x-y)计算出工作平台的实际倾斜角α；其中：x=cosβ，y=ω2R/g，g为重力加速度；将计算得到的实际倾斜角α作为工作平台的倾斜角测量值。本发明能够在工作平台做旋转运动时准确测得其倾斜角的大小，解决现有技术中忽略了工作平台做旋转运动时向心力的影响而使得测量出来的倾斜角值要比实际的倾斜角值小的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种角度测量方法及装置，尤其涉及一种工作平台的倾斜角测量方法及装置。
背景技术
由于登高平台消防车是集消防灭火、应急救援、高空喷射和高空工程作业等功能于一身的综合性特种设备，因此必须保证其工作平台始终处于水平状态，从而保证工作平台上的工作人员的安全，因此对工作平台进行调平是必不可少的，要对工作平台进行调平首先需要准确地测量出工作平台的倾斜角大小。
目前，对工作平台的倾斜角进行测量的过程中，使用频率较高的是倾角传感器。倾角传感器是用于系统的水平测量或相对于水平面的倾斜角变化量的测量。倾角传感器的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但可以测量其加速度。如果初速度已知，则可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。所以倾角传感器实质上是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用的时候，作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是待测的倾斜角了。
但是，当曲臂1在展开或回收的过程中，工作平台2类似于在以曲臂1为半径、以曲臂1和主臂3的铰接点o为圆心作圆周运动（如图1所示）。由于倾角传感器4固定在工作平台2上，所以倾角传感器4与工作平台2一样，在以曲臂1为半径、以曲臂1和主臂3的铰接点o为圆心作圆周运动。此时，倾角传感器4由于向心力的存在，倾角传感器4将会对倾斜角的测量产生偏差。目前，市场上的倾角传感器采用的测角原理忽略了这种情况下向心力的影响，使得测量出来的倾斜角值要比实际的倾斜角值小，因此无法满足系统的水平测量精度的要求，对调平、检测造成影响。
发明内容
本发明的目的是提出一种工作平台的倾斜角测量方法及装置，其能够在工作平台做旋转运动时准确测得其倾斜角的大小，解决现有技术中忽略了工作平台做旋转运动时向心力的影响而使得测量出来的倾斜角值要比实际的倾斜角值小的问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种工作平台的倾斜角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过安装在所述工作平台上的倾角传感器采集所述工作平台在旋转状态下相对于竖直面的倾斜角β，通过安装在所述工作平台上的角速率传感器采集所述工作平台在旋转状态下的转动角速率ω；通过半径测量器测量所述工作平台的转动半径R；利用公式α=arccos(x-y)计算出所述工作平台的实际倾斜角α；其中：x=cosβ，y=ω2R/g，g为重力加速度；将计算得到的实际倾斜角α作为工作平台的倾斜角测量值。
进一步地，采集所述工作平台在旋转状态下相对于竖直面的倾斜角β和转动角速率ω的步骤之前，还包括：对所述倾角传感器和角速率传感器进行调零的步骤。
进一步地，其还包括：采集所述工作平台在旋转状态下相对于竖直面的倾斜角β和转动角速率ω的步骤之前，还包括：在所述工作平台上安装倾角传感器和角速率传感器的步骤。
进一步地，所述倾角传感器采用固体摆式倾角传感器。
进一步地，R为曲臂的长度。
一种工作平台的倾斜角测量装置，其包括：倾角传感器、角速率传感器、半径测量器和控制器，其中：所述倾角传感器和角速率传感器均安装在所述工作平台上，所述倾角传感器用于采集所述工作平台在旋转状态下相对于竖直面的倾斜角β，所述角速率传感器采集所述工作平台在旋转状态下的转动角速率ω；所述半径测量器用于测量所述工作平台的转动半径R；所述控制器中预先设置有公式α=arccos(x-y)，用于获取所述倾角传感器采集到的倾斜角β、所述角速率传感器采集到的转动角速率ω以及所述半径测量器测量到的转动半径R，利用公式α=arccos(x-y)计算出所述工作平台的实际倾斜角α，并将计算得到的实际倾斜角α作为工作平台的倾斜角测量值进行输出；其中：x=cosβ，y=ω2R/g，g为重力加速度。
进一步地，所述倾角传感器采用固体摆式倾角传感器。
进一步地，R为曲臂的长度。
基于上述技术方案中的任一技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
由于本发明利用测量得到的工作平台在静止状态下相对于竖直面的倾斜角β、工作平台在旋转状态下的角速率ω以及转动半径R，再利用公式α=arccos(x-y)，其中：值x=cosβ，y＝ω2R/g，g为重力加速度，便可以计算出工作平台的实际倾斜角α，这种测角方式考虑到了工作平台旋转状态下向心力的存在，因此测得的倾斜角大小更为准确。
此外，由于本发明采用“固体摆式”倾角传感器对工作平台在静止状态下相对于竖直面的倾斜角进行测量，而倾角传感器具有测量范围、精度及抗过载能力较高的优势，因此进一步使得测得的倾斜角大小更为准确。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为登高平台消防车的部分结构原理示意图；
图2为固体摆式倾角传感器的结构原理图；
图3为本发明所提供的工作平台的倾斜角测量方法的一实施例的工作流程图；
图4为本发明所提供的工作平台的倾斜角测量装置的一实施例的结构示意图；
图5为工作平台自动调平控制系统的框图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图2示出的是固体摆式倾角传感器的结构原理图。如图2所示，以固体摆式倾角传感器的倾斜角测量为例，固体摆式倾角传感器是由支架5、摆线6和摆锤7构成，它实际上是基于惯性原理的一种加速度传感器。支架5固定在工作平台上，摆线6一端固定在支架5上，另一端为自由端，连接摆锤7，摆锤7会随着工作平台的倾斜而与竖直面产生一个倾斜角度，即摆锤7与竖直方向之间的夹角α。固体摆式倾角传感器实际上测得的是摆线6对摆锤7提供的拉力T，而该拉力T的大小等于摆锤7的重力大小乘上摆锤7与竖直方向之间的夹角α的余弦值，由此便可以计算得出摆锤7与竖直方向之间的夹角α的大小，即工作平台相对于水平面的倾斜角度大小。
如图1所示，登高平台消防车的主臂3连接曲臂1，曲臂1连接工作平台2，固体摆式倾角传感器4安装在工作平台2上。当曲臂1的动作引起工作平台2的位置发生改变的时候，工作平台2与竖直面之间的夹角发生变化，此时固体摆式倾角传感器4便能检测到这一角度变化，即工作平台2相对于竖直面的倾斜角度大小。
当工作平台2处于静止状态时，即固体摆式倾角传感器4处于静止状态时，摆锤7所受的力包括摆线6提供的拉力T和摆锤7自身的重力G，此时固体摆式倾角传感器4测量出来的力为F测＝F实际=mgcosα。
但是当曲臂1展开或回收的过程中，工作平台2类似于在以曲臂1为半径、以曲臂1和主臂3的铰接点o为圆心作圆周运动（如图1所示）。由于倾角传感器4固定在工作平台2上，所以倾角传感器4与工作平台2一样，在以曲臂1为半径、以曲臂1和主臂3的铰接点o为圆心作圆周运动。此时，摆锤7所受的力除了重力G之外，还存在向心力，于是固体摆式倾角传感器4测量出来的力F测≠F实际=mgcosα，而是F动测＝F实际＋F向心，固体摆式倾角传感器4测量得到的倾斜角β大小与实际的倾斜角α大小将会产生误差。由于向心力的作用，固体摆式倾角传感器4测量得到的力的大小增加，该增加的值为摆锤7所受到的向心力F向心的大小，即mω2R，式中ω为工作平台2的角速率，R为工作平台2的转动半径，即图1中曲臂1的长度。
根据固体摆式倾角传感器的测量原理，无论是静止状态还是旋转状态（该旋转状态指的是“圆周运动状态”），固体摆式倾角传感器测量出来的力都是基于重力原理的，所以F实际=mgcosα，式中α为工作平台实际的倾斜角大小，g为重力加速度，F动测＝mgcosβ，β是固体摆式倾角传感器测出的倾斜角大小，所以有下式：
从而有了公式（1）
mgcosβ＝mgcosα+mω2R （1）
经过式（1）的推导可以得出下式：
cosβ＝cosα+ω2R/g （2）
由式（2）可以计算出实际的倾斜角α的大小。因此本发明首先需要根据固体摆式倾角传感器4测量的角度计算出角度的余弦值x=cosβ，然后根据角速率传感器测量的角速率计算y=ω2R/g，最后根据式α=arccos(x-y)计算出实际的倾斜角α的大小。
本发明正是针对工作平台的实际倾斜角与倾角传感器所测得的倾斜角存在误差提出的，考虑到了工作平台做圆周运动时受到的向心力作用，从而可以精确测量工作平台的倾斜角大小。本发明所提供的工作平台的倾斜角测量方法包括以下步骤（如图3所示）：
采集数据的步骤：通过安装在工作平台上的倾角传感器采集工作平台在旋转状态下相对于竖直面的倾斜角β，通过安装在工作平台上的角速率传感器采集工作平台在旋转状态下的转动角速率ω，以及测量工作平台的转动半径R；
计算工作平台的实际倾斜角α的步骤：利用公式α=arccos(x-y)计算出所述工作平台的实际倾斜角α；其中：x=cosβ，y=ω2R/g，g为重力加速度。
将计算得到的α作为工作平台的倾斜角测量值的步骤。
本发明充分考虑了向心力对倾角传感器的影响，纠正了倾角传感器在曲臂旋转运动情况下倾斜角度的测量误差，进而提高了测量精度。
上述步骤中，由于固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，因此目前在实际工程中“固体摆式”倾角传感器被广泛的应用，因此，本实施例中的倾角传感器采用固体摆式倾角传感器。
上述步骤中，本发明所提供的工作平台的倾斜角测量方法还包括安装传感器的步骤：在工作平台上安装倾角传感器和角速率传感器。
上述各步骤中，在采集工作平台在旋转状态下相对于水平面的倾斜角β和转动角速率ω之前，还包括：对倾角传感器和角速率传感器进行调零的步骤，从而可以进一步保证测量的准确性。
上述各步骤中，由于固体摆式倾角传感器4固定在工作平台2上，随着曲臂1绕其与主臂3之间的铰接点作旋转运动，因此R为曲臂1的长度。
如图4所示，本发明还提供一种工作平台的倾斜角测量装置，其包括：倾角传感器4、角速率传感器8、半径测量器9和控制器10，其中：倾角传感器4和角速率传感器8均安装在工作平台2上，倾角传感器4用于采集工作平台2在旋转状态下相对于水平面的倾斜角β，角速率传感器8采集工作平台2在旋转状态下的转动角速率ω。半径测量器9用于测量工作平台2的转动半径R。控制器10中预先设置有公式α=arccos(x-y)，用于获取倾角传感器4采集到的倾斜角β、角速率传感器8采集到的转动角速率ω以及半径测量器9测量到的转动半径R，利用公式α=arccos(x-y)计算出工作平台2的实际倾斜角α，并将计算得到的实际倾斜角α作为工作平台2的倾斜角测量值进行输出；其中：x=cosβ，y=ω2R/g，g为重力加速度，R为曲臂1的长度。
上述实施例中，倾角传感器4采用固体摆式倾角传感器。可以采用现有技术中的“固体摆式”、“液体摆式”、“气体摆式”的三种倾角传感器中的任意一种，但是由于“固体摆式”倾角传感器有明确的摆长和摆心，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，因此目前在实际工程中使用频率较高的还是“固体摆式”倾角传感器。
由此，本发明的测角方法和装置还可以用于工作平台的调平，本发明所提供的工作平台调平方法除了包括上述各实施例中给出的基于固体摆式倾角传感器的测角方法之外，还包括根据工作平台2的实际倾斜角α，对工作平台2进行调平的步骤。而根据倾斜角对工作平台进行调平的方法已经很多成熟的技术，下面简单介绍其中一种根据倾斜角对工作平台进行调平的方法。
图5为工作平台自动调平控制系统的框图。如图5所示，当曲臂1展开或回收的过程中，工作平台2与竖直面之间的夹角α发生变化，此时倾角传感器4和角速率传感器8检测到这一角度变化，并将此信号变换为电信号输送给控制器10进行计算，并输出准确的工作平台2的倾斜角测量值，由驱动电路（图中未示出）开通相应的电液转换元件11，让调平液压缸12动作，使大链轮（图中未示出）转动，带动工作平台2向减小α的方向摆动，倾角传感器4检测到的信号值减小，电液转换元件11的开口渐渐减小至α为0°时，倾角传感器4检测到信号电压为零，电液转换元件11关闭，进入平衡状态。当α角再发生变化时，则将重复上述过程。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (8)
1.一种工作平台的倾斜角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过安装在所述工作平台上的倾角传感器采集所述工作平台在旋转状态下相对于竖直面的倾斜角β，通过安装在所述工作平台上的角速率传感器采集所述工作平台在旋转状态下的转动角速率ω；
通过半径测量器测量所述工作平台的转动半径R；
利用公式α=arccos(x-y)计算出所述工作平台的实际倾斜角α；
其中：x=cosβ，y=ω2R/g，g为重力加速度；
将计算得到的实际倾斜角α作为工作平台的倾斜角测量值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采集所述工作平台在旋转状态下相对于竖直面的倾斜角β和转动角速率ω的步骤之前，还包括：对所述倾角传感器和角速率传感器进行调零的步骤。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其还包括：采集所述工作平台在旋转状态下相对于竖直面的倾斜角β和转动角速率ω的步骤之前，还包括：在所述工作平台上安装倾角传感器和角速率传感器的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述倾角传感器采用固体摆式倾角传感器。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，R为曲臂的长度。
6.一种工作平台的倾斜角测量装置，其特征在于，包括：倾角传感器、角速率传感器、半径测量器和控制器，其中：
所述倾角传感器和角速率传感器均安装在所述工作平台上，所述倾角传感器用于采集所述工作平台在旋转状态下相对于竖直面的倾斜角β，所述角速率传感器采集所述工作平台在旋转状态下的转动角速率ω；所述半径测量器用于测量所述工作平台的转动半径R；所述控制器中预先设置有公式α=arccos(x-y)，用于获取所述倾角传感器采集到的倾斜角β、所述角速率传感器采集到的转动角速率ω以及所述半径测量器测量到的转动半径R，利用公式α=arccos(x-y)计算出所述工作平台的实际倾斜角α，并将计算得到的实际倾斜角α作为工作平台的倾斜角测量值进行输出；
其中：x=cosβ，y=ω2R/g，g为重力加速度。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述倾角传感器采用固体摆式倾角传感器。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，R为曲臂的长度。
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