CN103145038A - 基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，包含测量模块、设置在测量模块上端的位置传感器、通过多组导线与位置传感器连接的信号处理模块；本发明公开了一种基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量方法，基于光电效应原理，通过检测测量模块中的红外发光二极管发出的光经光学系统聚焦在位置传感器上造成的电流变化来获得光斑位置的变化，从而计算获得摆角角度信息；本发明能够测量双吊具桥吊的摆动角度，效率高，抗干扰能力强，并且结构简单，成本低廉。

Description

基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种摆角测量装置，尤其涉及一种基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置及其检测方法。

背景技术

随着集装箱运输的发展和港口建设规模的扩大，为了提高集装箱的船舶装卸速度，集装箱桥吊双箱吊具的使用越来越广泛。

双起升集装箱桥吊的运动会引起双负载的摆动，若和周围的其它物体或操作人员发生碰撞，可能导致财物损失甚至人员伤亡，同时，更好地减少桥吊双吊具负载的摆动，以使得集装箱卡车准确对位成为提高集装箱装卸效率的关键。

双起升桥有两个可以独立起升的吊具，因而提高了集装箱的装卸效率。但是，其结构复杂，工作方式多样，两个吊具既可以各自单独起升，也可同步起升，这给吊具摆角检测带来很大的难度。

现有的桥吊摆角检测装置都是针对单吊具桥吊设计的，这些检测装置均采用了比较复杂的检测仪器如激光角度仪、角度传感器、高度摄像等，造价高，使用复杂，抗干扰能力差，准确性低，不能检测到微小的角度变化，而且维护不方便。而且，现有的集装箱起重机操作自动化程度较低，大多依靠操作员目视吊具及负载来获得其摆动情况，这种方法不但准确性低而且极易造成工作疲劳，影响工作效率及工作质量。因此控制桥吊下双吊具及负载的摆动以使得卡车准确对位成为制约提高集装箱装卸效率的关键。

位置传感器PSD（position sensitive detector）是一种高灵敏度光学器件，其也称为坐标光电池，可将光敏面上的光点位置转换为电信号，当一束光射在PSD的光敏面上时，在同一面上的不同电极之间就会有电流流过，这种电流随着光点位置的变化而变化。PSD器件能连线检测光点的位置，没有死区，分辨率高。

发明内容

本发明提供了一种基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置及其测量方法，基于光电效应原理，能够测量双吊具桥吊的摆动角度，效率高，抗干扰能力强，并且结构简单，成本低廉。

本发明采用如下技术方案实现：

一种基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，与双吊具桥吊的小车机构连接，该小车机构上设有起升电机，该起升电机包含转轴，所述双吊具桥吊包含起重机驾驶机构、一对吊具，起重机驾驶机构内设有计算机；其特点是，所述摆角测量装置包含测量模块；设置在测量模块上端的位置传感器；通过多组导线与位置传感器连接的信号处理模块；所述测量模块上端与双吊具桥吊的小车机构连接。 

上述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其中所述测量模块包含箱体，该箱体为矩形，其上表面设有定位圆孔，其下表面为搭载平台；设置在箱体内并贯穿箱体下表面的非金属套筒，所述非金属套筒与定位圆孔位置对应；依次穿过定位圆孔和非金属套筒的吊绳，所述吊绳上端与起升电机的转轴连接，其下端与双吊具桥吊的吊具连接。

上述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其中所述非金属套筒的外壁上设有红外发光二极管和设置在红外发光二极管正上方的光学系统。

上述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其中所述搭载平台上设有多组弹簧，各所述弹簧一端分别与箱体侧壁的下端连接，其另一端分别与非金属套筒的外壁连接，将非金属套筒固定在搭载平台上，非金属套筒不垂直运动。

上述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其中所述位置传感器包含光敏区，该光敏区设为矩形，其尺寸与测量模块的箱体侧壁尺寸对应；设置在光敏区各边中心位置的x方向电极、y方向电极；各所述x方向电极、y方向电极分别通过导线与信号处理模块连接。

上述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其中所述信号处理模块（3）包含CPU；分别与CPU连接的存储器、信号处理电路；与信号处理电路连接的I/O接口。

一种基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量方法，用于上述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，吊绳处于静止状态时，红外发光二极管发出的光经过光学系统聚焦后形成一个光斑成像于位置传感器上，位置传感器将光斑的位置转换为4个电流信号，并将这4个电流信号传输给信号处理模块，信号处理模块对静止状态的4个电流信号进行放大和模数转换后，将其传输到计算机中，将该静止状态作为初始参照状态；

步骤2，双吊具桥吊的小车机构接受运行命令后开始运行，此时吊具和吊绳发生摆动，摆角测量装置的非金属套筒随着吊绳摆动，设置在非金属套筒外壁上的红外发光二极管发出的光，通过光学系统聚焦后，形成一个光斑成像于位置传感器上，位置传感器将光斑的位置转化为4个电流信号，并将这4个电流信号传输给信号处理模块，信号处理模块对各电流信号进行放大和模数转换后，将其传输到起重机驾驶机构的计算机中；

步骤3，计算机由接收到的各电流值计算得到吊绳在x、y两个方向上的投影的二维坐标X、Y及角度θ_x、θ_y，通过公式                                                

计算得到光斑的摆角θ及光斑的三维坐标。

上述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量方法，其中所述步骤3中吊绳的摆角θ的计算过程包含以下步骤：

步骤3.1，计算机对位置传感器的4个电极的电流值进行变换得到吊绳在x、y两个方向的投影的二维坐标，变换公式为：

;

；其中I₁、I₂分别为x方向电极的输出电流， I₃、I₄分别为y方向电极的输出电流，X、Y分别为吊绳在x、y两个方向上的投影的坐标值看，L为相对电极的距离；

步骤3.2，计算机对吊绳在x、y两个方向的投影的二维坐标X、Y计算得到吊绳在x、y两个方向的偏转角度θ_x、θ_y，计算公式为：

；其中X、Y为吊绳在x、y方向偏转的距离，H为此刻吊绳的长度；

步骤3.3，计算机通过公式

计算得到光斑的摆角θ。

本发明具有以下积极效果：

本发明基于光电效应原理，采用位置传感器PSD和红外发光二极管，通过检测红外发光二极管发出的光经光学系统聚焦在位置传感器上造成的电流变化来获得光斑位置的变化，从而获得摆角角度信息，因此本发明效率高，抗干扰能力强，并且结构简单，成本低廉。

附图说明

图1为本发明基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置结构示意图；

图2为本发明基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置的位置传感器示意图；

图3为本发明基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置的应用实施例示意图；

图4为本发明基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

本发明一种基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，用于双吊具桥吊。双吊具桥吊包含大车，与大车连接的大车驱动机构；设置在大车上的小车驱动机构及与小车驱动机构连接的小车机构；设置在小车机构上的一对起升电机；分别通过一对吊绳与小车机构连接的一对吊具；分别与大车驱动机构、小车驱动机构、起升电机5连接的起重机驾驶机构，起重机驾驶机构内设有计算机、显示器、防摇控制装置等设备。

如图1所示，本发明摆角测量装置与双吊具桥吊的小车机构1连接，其包含测量模块7；设置在测量模块7上端的位置传感器PSD15；通过多组导线19与位置传感器PSD15连接的信号处理模块3。测量模块7上端与双吊具桥吊的小车机构1连接。 

测量模块7包含箱体8、非金属套筒17、吊绳16、搭载平台22、红外发光二极管14、光学系统23。箱体8为矩形，其上表面设有定位圆孔18，其下表面为搭载平台22，该箱体8的上端固定在双吊具桥吊的小车机构1上。非金属套筒17设置在箱体8内并贯穿箱体8下表面，该非金属套筒17与定位圆孔18位置对应。吊绳16依次穿过定位圆孔18和非金属套筒17，其上端与起升电机5的转轴21连接，其下端与双吊具桥吊的吊具11连接。定位圆孔18使吊绳16摆角顶点固定，吊绳16从定位圆孔18处开始摆动；并且要求吊绳18与非金属套筒17之间的间隙很小，使得吊绳16在非金属套筒17中刚刚能够自由上下运动，当吊绳16 摆动时会带动非金属套筒17一起摆动。搭载平台22用于搭载非金属套筒17，其上设有多组弹簧20，各弹簧20一端分别与箱体8侧壁的下端连接，其另一端分别与非金属套筒17的外壁连接，将非金属套筒17固定在搭载平台22上，以使得非金属套筒17不会在垂直方向运动。非金属套筒17的外壁上设有红外发光二极管14和设置在红外发光二极管14正上方的光学系统23，由于非金属套筒17随着吊绳16摆动，因此红外发光二极管14和光学系统23随着吊绳16的摆动而摆动，光学系统23将红外发光二极管14发出的光聚焦在位置传感器PSD15上形成一个光斑。光学系统23可以采用3v-g36自聚焦透镜实现。

如图2所示，位置传感器PSD15包含光敏区28，该光敏区28设为矩形，其尺寸与测量模块7的箱体8侧壁尺寸对应；设置在光敏区28各边中心位置的x方向电极24、25、y方向电极26、27。各电极分别沿互相垂直的x、y方向设置，每个方向设置方向相反的一对电极：沿x方向设置方向相反的x方向电极24、25，其方向分别为x₁、x₂；沿y方向设置方向相反的y方向电极26、27，其方向分别为y₁、y₂。相对电极的距离即矩形的光敏区边长的一半为L。红外发光二极管14发出的光经光学系统23聚焦在位置传感器PSD15的光敏区28上，各x方向电极24、25、y方向电极26、27分别通过导线19与信号处理模块3连接，各导线19将位置传感器PSD15产生的电流信号传输到信号处理模块3中。当吊绳16摆动时，光斑29与位置传感器PSD15的各电极之间的距离发生变化，使各电极输出电流随光斑29的位置变化而发生变化。

信号处理模块3由CPU、存储器、信号处理电路（放大、滤波和整形）以及I/O接口等组成。其中CPU分别与存储器、信号处理电路连接，I/O接口电路与信号处理电路连接。其中的信号处理电路具有放大、滤波、整形功能，其可以采用市售的电路模块实现。信号处理模块3具有同时处理两路信号的能力，以其中一路为例：位置传感器PSD15将输出的电流信号传送给信号处理模块3，信号处理模块3通过信号处理电路对其进行放大和滤波，然后通过A/D转换模块转换成数字信号，并将转换后的数字信号传送到起重机驾驶机构内设置的计算机中进行进一步的分析处理，计算机处理后将结果一部分存储到存储器内，作为反馈信息送入防摇控制装置中，一部分传输到设置在起重机驾驶机构内的显示器上供桥吊驾驶员参考。

图3为本发明应用实施例示意图，本发明摆角测量装置设置在双吊具桥吊上，该双吊具桥吊包含大车2、与大车连接的大车驱动机构12、设置在大车上的小车驱动机构9及与小车驱动机构连接的小车机构1、设置在小车机构1上的一对起升电机5、与小车机构连接的一对摆角测量装置、分别与一对摆角测量装置的吊绳16连接的一对吊具11、分别与大车驱动机构12、小车驱动机构9、起升电机5连接的起重机驾驶机构13。一对吊具11可以各自独立工作，也可以同时工作。本发明摆角测量装置的信号处理模块3设置在小车机构1上，位置传感器PSD15、测量模块7设置在小车机构1的下方，吊绳16与起升电机5的转轴连接。

如图4所示，本发明一种基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量方法，用于上述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，包含以下步骤：

步骤1，吊绳16处于静止状态时，红外发光二极管14发出的光经过光学系统23聚焦后形成一个光斑成像于位置传感器PSD15上，位置传感器PSD15将光斑29的位置转换为4个电流信号，并将这4个电流信号传输给信号处理模块3，信号处理模块3对静止状态的4个电流信号进行放大和模数转换后，将其传输到起重机驾驶机构的计算机中，将静止状态作为初始参照状态。

步骤2，双吊具桥吊的小车机构1接受运行命令后开始运行，此时吊具11和吊绳16发生摆动，本发明摆角测量装置的非金属套筒17随着吊绳16摆动，设置在非金属套筒17外壁上的红外发光二极管14发出的光，通过光学系统23聚焦后，形成一个光斑29成像于位置传感器PSD15上；位置传感器PSD15将光斑29的位置转化为4个电流信号，并将这4个电流信号传输给信号处理模块3，信号处理模块3对各电流信号进行放大和模数转换后，将其传输到起重机驾驶机构的计算机中。

步骤3，计算机由接收到的各电流值计算得到吊绳16在x、y两个方向上的投影的二维坐标X、Y及角度θ_x、θ_y，通过公式

计算得到光斑29的摆角θ及光斑29的三维坐标。

步骤3中吊绳16的摆角θ的计算过程包含以下步骤：

步骤3.1，计算机对位置传感器的4个电极的电流值进行变换得到吊绳在x、y两个方向的投影的二维坐标，变换公式为：

; ；其中I₁、I₂分别为x方向电极24、25的输出电流， I₃、I₄分别为y方向电极26、27的输出电流，X、Y分别为吊绳在x、y两个方向上的投影的坐标值，L为相对电极的距离。

步骤3.2，计算机对吊绳在x、y两个方向的投影的二维坐标X、Y计算得到吊绳在x、y两个方向的偏转角度θ_x、θ_y，计算公式为：

；其中X、Y为吊绳在x、y方向偏转的距离，H为此刻吊绳的长度。

步骤3.3，计算机通过公式

计算得到光斑29的摆角θ。

计算机还可以通过桥吊运动学模型计算得到吊具的三维坐标。

计算机可以将计算的结果传输到设置在起重机驾驶机构内的显示器上供桥吊驾驶员参考，也可以作为反馈信息送入防摇控制装置中。

当一对吊具工作在互锁模式时，一对摆角测量装置测量得到的两个摆角值理论上应该相同，如果不同，计算机将两个摆角值互相作为对照对摆角值进行修订。当一对吊具工作在独立模式下时，一对吊具的摆角互不影响，一对摆角测量装置分别测量得到两个摆角值。

综上所述，本发明基于光电效应原理，采用位置传感器PSD和红外发光二极管，通过检测红外发光二极管发出的光经光学系统聚焦在位置传感器上造成的电流变化来获得光斑位置的变化，从而通过计算获得摆角角度信息。本发明效率高，抗干扰能力强，并且结构简单，成本低廉。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，与双吊具桥吊的小车机构（1）连接，该小车机构（1）上设有起升电机（5），该起升电机（5）包含转轴（21），所述双吊具桥吊包含起重机驾驶机构（13）、一对吊具（11），起重机驾驶机构内设有计算机；其特征在于，所述摆角测量装置包含测量模块（7）；设置在测量模块（7）上端的位置传感器（15）；通过多组导线（19）与位置传感器（15）连接的信号处理模块（3）；所述测量模块（7）上端与双吊具桥吊的小车机构（1）连接。

2.如权利要求1所述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，所述测量模块（7）包含箱体（8），该箱体（8）为矩形，其上表面设有定位圆孔（18），其下表面为搭载平台（22）；设置在箱体（8）内并贯穿箱体（8）下表面的非金属套筒（17），所述非金属套筒（17）与定位圆孔（18）位置对应；依次穿过定位圆孔（18）和非金属套筒（17）的吊绳（16），所述吊绳（16）上端与起升电机（5）的转轴（21）连接，其下端与双吊具桥吊的吊具（11）连接。

3.如权利要求2所述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，所述非金属套筒（17）的外壁上设有红外发光二极管（14）和设置在红外发光二极管（14）正上方的光学系统（23）。

4.如权利要求2所述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，所述搭载平台（22）上设有多组弹簧（20），各所述弹簧（20）一端分别与箱体（8）侧壁的下端连接，其另一端分别与非金属套筒（17）的外壁连接，将非金属套筒（17）固定在搭载平台（22）上，非金属套筒（17）不垂直运动。

5.如权利要求1所述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，所述位置传感器（15）包含光敏区（28），该光敏区（28）设为矩形，其尺寸与测量模块（7）的箱体（8）侧壁尺寸对应；设置在光敏区（28）各边中心位置的x方向电极（24、25）、y方向电极（26、27）；各所述x方向电极（24、25）、y方向电极（26、27）分别通过导线（19）与信号处理模块（3）连接。

6.如权利要求1所述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，所述信号处理模块（3）包含CPU；分别与CPU连接的存储器、信号处理电路；与信号处理电路连接的I/O接口。

7.一种基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量方法，用于上述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，吊绳（16）处于静止状态时，红外发光二极管（14）发出的光经过光学系统（23）聚焦后形成一个光斑成像于位置传感器（15）上，位置传感器（15）将光斑（29）的位置转换为4个电流信号，并将这4个电流信号传输给信号处理模块（3），信号处理模块（3）对静止状态的4个电流信号进行放大和模数转换后，将其传输到计算机中，将该静止状态作为初始参照状态；

步骤2，双吊具桥吊的小车机构（1）接受运行命令后开始运行，此时吊具（11）和吊绳（16）发生摆动，摆角测量装置的非金属套筒（17）随着吊绳（16）摆动，设置在非金属套筒（17）外壁上的红外发光二极管（14）发出的光，通过光学系统（23）聚焦后，形成一个光斑（29）成像于位置传感器（15）上，位置传感器（15）将光斑（29）的位置转化为4个电流信号，并将这4个电流信号传输给信号处理模块（3），信号处理模块（3）对各电流信号进行放大和模数转换后，将其传输到起重机驾驶机构（13）的计算机中；

步骤3，计算机由接收到的各电流值计算得到吊绳在x、y两个方向上的投影的二维坐标X、Y及角度θ_x、θ_y，通过公式                                                

计算得到光斑（29）的摆角θ及光斑的三维坐标。

8.如权利要求7所述的基于位置传感器的双吊具桥吊摆角测量方法，其特征在于，所述步骤3中吊绳（16）的摆角θ的计算过程包含以下步骤：

步骤3.1，计算机对位置传感器（15）的4个电极的电流值进行变换得到吊绳在x、y两个方向的投影的二维坐标，变换公式为：

;

；其中I₁、I₂分别为x方向电极（24、25）的输出电流， I₃、I₄分别为y方向电极（26、27）的输出电流，X、Y分别为吊绳在x、y两个方向上的投影的坐标值看，L为相对电极的距离；

步骤3.2，计算机对吊绳在x、y两个方向的投影的二维坐标X、Y计算得到吊绳在x、y两个方向的偏转角度θ_x、θ_y，计算公式为：

；其中X、Y为吊绳在x、y方向偏转的距离，H为此刻吊绳的长度；

步骤3.3，计算机通过公式

计算得到光斑（29）的摆角θ。

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