CN103148830B - 基于物联网的结构形变检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的结构形变检测装置。包括检测结点、主控结点和数据服务中心。检测结点：包括控制模块、通信模块、存储模块和传感器模块。主控结点：包括控制模块、通信模块、存储模块和本地数据库。数据服务中心：支持以太网、移动无线网络和有线通信接口，包括专家系统和专家数据库，专家数据库存储有不同类型、不同型号的运动机械设备的各部件检测结点正常工作、形变或故障的详细数据；支持各运动机械设备的主控结点上传、下载数据；通过专家系统建立的运动模型，进行形变或故障数据分析。本发明有助于及时的发现铲车、叉车、吊车等各类机械设备的损坏，避免事故的发生，也有助于机械设备的改进。

Description

基于物联网的结构形变检测装置

技术领域

本发明涉及物联网应用领域，特别是一种基于物联网的结构形变检测装置。

背景技术

随着社会现代化建设和机械化程度的提高，越来越多的生产、生活环节，都采用机械设备辅助或者替代人工作业，例如：铲车、叉车、吊车等等。由于这些机械设备通常需要承载数吨甚至更重的负荷，所以它们的材料和结构要非常稳定、扎实。同时，大负荷的工作，常常会造成设备的变形、松脱和损坏。而这些情况的发生，往往会造成严重的事故发生。所以，对这些运动机械设备进行实时的形变检测，将有助于及时的发现装置的损坏，避免事故的发生，也有助于装置的改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于物联网的结构形变检测装置。

本发明是这样实现的：装置包括检测结点、主控结点和数据服务中心。

检测结点：包括控制模块、通信模块、存储模块和传感器模块。通信模块包括短距无线通信子模块和有线通信子模块；传感器模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器。

主控结点：包括控制模块、通信模块、存储模块和本地数据库。通信模块包括短距无线通信子模块、远距无线通信子模块和有线通信子模块；本地数据库存储包括所安装的运动机械设备各部件的检测结点在正常工作、形变或故障的数据。

数据服务中心：支持以太网、移动无线网络和有线通信接口，包括专家系统和专家数据库，专家数据库存储有不同类型、不同型号的运动机械设备的各部件检测结点正常工作、形变或故障的详细数据；支持各运动机械设备的主控结点上传、下载数据；通过专家系统建立的运动模型，进行形变或故障数据分析。

在一套运动机械设备上，安装一个主控结点和不只一个检测结点。

检测结点与主控结点之间采用短距无线方式通信。主控结点通过短距无线通信子模块构建的无线局域网与检测结点通信，并通过远距无线通信子模块或者有线通信子模块连接到数据服务中心。主控结点通过通信模块从数据服务中心下载基础数据和更新数据；并向数据服务中心上传数据。主控结点和各检测结点的数据保存在本地数据库和检测结点中，本地数据库存储有该运动机械设备各部件在正常工作、形变或故障的数据。

在该套运动机械设备上，有至少一个检测结点作为初级基准检测结点，该初级基准检测结点安装位置选在运动机械设备上结构稳定，且运动方向、速度与运动机械设备本身的运动形式保持一致的地方，用于其他检测结点的初始定位标准，其他检测结点安装在对运动机械设备的结构形变感应较敏感的位置或者运动机械设备上的两个连接件相互连接固定的位置。

在运动机械设备上安装的检测结点，利用传感器模块采集该检测点的线加速度、角速度和地磁数据，经过检测结点的控制模块预处理后，由通信模块将数据发送给主控结点，主控结点负责处理检测结点数据；主控结点建立有本地数据库，主控结点将收集到的各检测结点数据处理后，与本地数据库的数据进行对比，如出现形变、故障数据，就发出警报，并将检测数据通过通信模块上传给数据服务中心。

为了数据服务中心的统一管理和数据的分析，同类型、同型号的运动机械设备所安装的检测结点数量和位置一致。数据服务中心的专家数据库，由两部分数据来源：1、在运动机械设备出厂前的生产、设计、测试阶段，给运动机械设备安装检测结点，并对运动机械设备进行较为全面的调试，获取在正常运转工作时，行驶、颠簸、负重、碰撞等容易产生结构扭曲、形变、松脱等情况下的传感器数据。2、运动机械设备在出厂后的工作工程中，由运动机械设备上的检测结点采集，通过主控结点上传的传感器数据。

数据服务中心的专家系统给不同类型、不同型号的运动机械设备建立了3维动态运动模型，3维动态运动模型可以导入各主控结点上传的数据，并通过数据分析，还原运动机械设备运动轨迹和形变、故障情况，从而发现运动机械设备上的其他潜在的问题。

在一套运动机械设备上，根据彼此的连接关系将部件进行分类分级处理，分为：初级连接部件，一级连接部件，M（M为大于或等于2的自然数）级连接部件。

初级连接部件：安装在运动机械设备上结构稳定，且运动方向、速度等与运动机械设备本身的运动形式保持一致的部件。初级基准检测结点安装在这一级连接部件上。

一级连接部件：通过初级连接部件，连接安装在运动物体上，在运动机械设备工作运转时，有相对初级连接部件的相对运动发生或者形变发生的连接部件。一级基准检测结点和用于检测一级连接部件形变的其他检测结点，安装在这一级连接部件上。

M（M为大于或等于2的自然数）级连接部件：通过M-1级连接部件，连接安装在运动机械设备上，在运动机械设备工作运转时，有相对M-1级连接部件的相对运动发生或者形变发生的连接部件。M级基准检测结点和用于检测M级连接部件形变的其他检测结点，安装在这一级连接部件上。

如果有不只一个同一级的连接部件，且彼此间独立，无直接的连接关系时，每一个连接部件应选择各自独立的基准检测结点。

各基准检测结点，同时用做本级检测结点和该连接部件连接的下一级连接部件的基准检测结点数据的路由结点。

利用以上的结构形变检测装置进行物联网的结构形变检测：

结构形变检测主要通过分析传感器数据。数据分析有两个阶段：第一阶段在主控结点和检测结点完成，第二阶段在数据服务中心完成。在数据服务中心，收集汇总各运动机械设备上传的传感器数据，用单个运动机械设备上各检测结点的传感器数据，生成一个运动轨迹跟踪和结构形变的动态模型，并对模型进行分析。通过模型分析数据，判断运动机械设备的形变情况。

第一阶段在主控结点和检测结点的检测步骤如下：

步骤1：            初级基准检测结点的自校准。

步骤2：            以初级基准检测结点为参考结点，比较初级基准检测结点线加速度和一级基准检测结点的线加速度，比较初级基准检测结点角速度和一级基准检测结点的角速度，比较初级基准检测结点地磁数据和一级基准检测结点的地磁数据。

步骤3：            以一级基准检测结点为参考结点，比较一级基准检测结点线加速度和其他在一级连接部件上的N-1（N为大于或等于2的自然数）个一级检测结点的线加速度，比较一级基准检测结点角速度和其他在一级连接部件上的N-1个一级检测结点的角速度，比较一级基准检测结点的地磁数据和其他在一级连接部件上的N-1个一级检测结点的地磁数据。

步骤4：            以一级基准检测结点为参考结点，比较一级基准检测结点线加速度和二级基准检测结点的线加速度，比较一级基准检测结点角速度和二级基准检测结点的角速度，比较一级基准检测结点地磁数据和二级基准检测结点的地磁数据。

步骤5：            以二级基准检测结点为参考结点，比较二级基准检测结点线加速度和其他在二级连接部件上的N-1（N为大于或等于2的自然数）个二级检测结点的线加速度，比较二级基准检测结点角速度和其他在二级连接部件上的N-1个二级检测结点的角速度，比较二级基准检测结点的地磁数据和其他在二级连接部件上的N-1个二级检测结点的地磁数据。

步骤6：            以M级基准检测结点为参考结点，比较M（M为大于或等于2 的自然数）级基准检测结点线加速度和M + 1级基准检测结点的线加速度，比较M级基准检测结点角速度和M+1级基准检测结点的角速度，比较M级基准检测结点的地磁数据和M+1级基准检测结点的地磁数据。

步骤7：            以M+1级基准检测结点为参考结点，比较M + 1级基准检测结点线加速度和其他的N-1个M+1级检测结点的线加速度，比较M+1级基准检测结点角速度和其他的N-1个M+1级检测结点的角速度，比较M+1级基准检测结点的地磁数据和其他的N-1个M+1级检测结点的地磁数据。

步骤2、3、4、5、6、7的比较方法为：将检测结点的线加速度、角速度、地磁的数据，用平行四边形定则、三角形定则等方法进行矢量分解，将检测结点的线加速度分解成两个分量的组合：1、参考结点运动方向上的线加速度分量；     2、在某一个方向线加速度分量。

将检测结点的角速度分解成两个分量的组合：1、参考结点运动方向上的角速度分量；2、在某一个方向线角速度分量。将检测结点的地磁数据分解成两个分量的组合：1、参考结点运动方向上的地磁数据分量；2、在某一个方向线地磁数据分量。

检测结点的线加速度、角速度、地磁的数据与参考结点比较，如果方向、大小都一样，表示检测结点与参考结点相对静止；否则，对照数据库，根据数据库的值来判断安装该检测结点的部件的运动是否正常，是否发生形变、松动或者脱落。

本发明有助于及时的发现铲车、叉车、吊车等机械设备的损坏，避免事故的发生，也有助于机械设备的改进。

附图说明

图1为本发明的实施例的结构形变检测系统结构示意图。

图2为本发明的实施例在叉车上的检测结点安装示意图。

图中标记：1-门架；2-左货叉；3-右货叉；4-挡货架；5-链条，6-倾斜液缸；7-检测结点；8-主控结点；9-数据服务中心；10-吊车；11-钩机；12-叉车；001、111、112、113、121、122、131、132、141、142和143都是检测结点。

具体实施方式

实施例：

基于物联网的结构形变检测装置，包括检测结点7、主控结点8和数据服务中心9。

检测结点7：包括有控制模块、通信模块、存储模块和传感器模块。通信模块包括短距无线通信子模块和有线通信子模块；传感器模块包括三轴陀螺仪，三轴加速度传感器和三轴地磁传感器。

主控结点8：包括控制模块、通信模块、存储模块和本地数据库，通信模块包括短距无线通信子模块、远距无线通信子模块和有线通信子模块。本地数据库存储包括所安装的运动机械设备各部件的检测结点在正常工作、形变或故障的数据。

数据服务中心9：支持以太网、移动无线网络和有线通信接口，包括专家系统和专家数据库，专家数据库存储有不同类型、不同型号的运动机械设备的各部件检测结点7正常工作、形变或故障的详细数据。支持叉车12、钩机11、吊车10各运动机械设备的主控结点8上传、下载数据。并且，通过专家系统建立的运动模型，进行形变或故障数据分析。

在本实施例中，每个主控结点7装在一套运动机械设备上，每个主控结点8跟所装运动机械设备上的不只一个检测结点7，采用Zigbee无线网络通信。各主控结点8通过有线的串行通信，或者3G移动网络与数据服务中心9的专家数据库进行数据的上传、下载。

在本实施例中，分别在一台叉车12、一台钩机11、一台吊车10上安装一套主控结点8和不只一个检测结点7。

其中，将一套主控结点8和检测结点7安装在叉车12上，用于检测叉车12的左货叉2、右货叉3、门架1、挡货架4等承重、受力部分的形变。其中，有一个主控结点8和十一个检测结点7。

叉车12的倾斜液缸6连接门架1，门架1在倾斜液缸6的作用下，可以有一定角度的倾斜。门架1与挡货架4通过链条5连接，挡货架4可以沿链条5方向滑动。左货叉2、右货叉3固定连接在挡货架4上。

倾斜液缸6固定在叉车车身上的一端，做为初级连接部件，门架1做为一级连接部件，挡货架4做为二级连接部件，左货叉2和右货叉3分别做为两个三级连接部件。

如图2，检测结点001安装在倾斜液缸6固定在叉车12车身上的位置，作为初级基准检测结点。检测结点111安装在门架1与倾斜液缸6的连接处，检测结点112、检测结点113分别安装在门架1的下部和上部，检测结点111，作为一级基准检测结点。检测结点141、检测结点142、检测结点143分别安装在挡货架4上。检测结点141作为二级基准检测结点。检测结点121、检测结点122分别安装在左货叉2的顶部和底前部，检测结点121作为三级基准检测结点。检测结点131、检测结点132分别安装在右货叉3的顶部和底前部，检测结点131作为另一个三级基准检测结点。

在叉车12工作的任何一个时刻，倾斜液缸6连接门架1，在叉车12正常工作时，无论是前进、后退、转弯，还是其他的正常工作状态，门架1只有在倾斜液缸6的作用下发生倾斜，其他情况下门架1与倾斜液缸6应该始终保持相对静止，即：检测结点111与001相对静止。

检测结点111，作为一级基准检测结点，是检测结点112、113的参考结点。对于检测结点112而言，只有在倾斜液缸6工作，门架1倾斜运动的过程中，会有相对于检测结点111的相对转动外，其他的任何时刻，应该与检测结点111保持相对静止。同理，检测结点113。

由于挡货架4只能在链条5的带动下，沿着门架上1下移动，所以门架1和挡货架4的相对运动，只有链条5的轴向上的运动。检测结点141，作为二级基准检测结点，是检测结点142、143的参考结点,相对门架1上的检测结点111，只有在沿着门架1上下移动时，有链条5的轴向上的运动，其他情况应该相对静止。

左货叉2固定连接在挡货架4上，所以左货叉2应该与挡货架4始终保持相对静止。所以检测结点121应该与检测结点141保持相对静止。同时，检测结点121，作为三级基准检测结点，是检测结点122的参考结点。检测结点121与检测结点122，也是保持相对静止。

由以上说明可以知道：同一个部件的各个点，在未发生形变的前提下，在运动机械设备工作的任何瞬间，都应该相对静止或者是呈角速度相等的旋转。如果不满足以上两个条件，则说明部件本身发生形变。对于两个相连接的部件，一般情况下也是保持相对静止，只会工作在一定条件下，才会有某些特定方式的相对运动，例如：滑动、转动等。否则，说明部件之间发生松动、脱落等情况。

在叉车12上的结构形变检测方法如下：

首先，该叉车12上的主控结点需从数据服务中心的专家数据库下载各检测结点的数据，存入本地数据库。在叉车12工作时，对叉车进行实时的检测。步骤如下：

步骤1：叉车12车身上的初级基准检测结点001的自校准。

步骤2：以初级基准检测结点001为参考结点，比较初级基准检测结点001线加速度和门架1上的一级基准检测结点111的线加速度，比较初级基准检测结点001角速度和门架1上的一级基准检测结点111的角速度，比较初级基准检测结点001地磁数据和门架1上的一级基准检测结点111的地磁数据。

步骤3：以门架1上的一级基准检测结点111为参考结点，比较一级基准检测结点111线加速度和门架1上的其他一级检测结点112、113的线加速度，比较一级基准检测结点111角速度和门架1上的一级检测结点112、113的角速度，比较一级基准检测结点111的地磁数据和门架1上的一级检测结点112、113的地磁数据。

步骤4：以门架上1的一级基准检测结点为参考结点，比较门架1上的一级基准检测结点线加速度和挡货架4上的二级基准检测结点141的线加速度，比较门架1上的一级基准检测结点141角速度和挡货架4上的二级基准检测结点141的角速度，比较门架1上的一级基准检测结点141的地磁数据和挡货架4上的二级基准检测结点141的地磁数据。

步骤5：以挡货架4上的二级基准检测结点为参考结点，比较挡货架4上的二级基准检测结点线加速度和挡货架4上的其他二级检测结点142、143的线加速度，比较挡货架4上的二级基准检测结点142、143角速度和挡货架4上的其他二级检测结点142、143的角速度，比较挡货架4上的二级基准检测结点141的地磁数据和挡货架4上的其他二级检测结点142、143的地磁数据。

步骤6：以挡货架4上的二级基准检测结点141为参考结点，比较挡货架4上的二级基准检测结点141线加速度和左货叉2上的三级基准检测结点121的线加速度，比较挡货架4上的二级基准检测结点141角速度和左货叉2上的三级基准检测结点121的角速度，比较挡货架4上的二级基准检测结点141的地磁数据和左货叉2上的三级基准检测结点141的地磁数据。

步骤7：以左货叉2上的三级基准检测结点121为参考结点，比较左货叉2上的三级基准检测结点线121加速度和左货叉2上的其他三级检测结点122的线加速度，比较左货叉2上的三级基准检测结点121角速度和左货叉2上的其他三级检测结点122的角速度，比较左货叉2上的三级基准检测结点121的地磁数据和左货叉2上的其他三级检测结点122的地磁数据。

步骤8：以挡货架4上的二级基准检测结点141为参考结点，比较挡货架4上的二级基准检测结点线141加速度和右货叉3上的三级基准检测结点131的线加速度，比较挡货架4上的二级基准检测结点141角速度和右货叉3上的三级基准检测结点131的角速度，比较挡货架4上的二级基准检测结点141的地磁数据和右货叉3上的三级基准检测结点131的地磁数据。

步骤9：以右货叉3上的三级基准检测结点131为参考结点，比较右货叉3上的三级基准检测结点131线加速度和右货叉3上的其他三级检测结点132的线加速度，比较右货3叉上的三级基准检测结点131角速度和右货叉3上的其他三级检测结点132的角速度，比较右货3叉上的三级基准检测结点131的地磁数据和右货叉3上的其他三级检测结点132的地磁数据。

步骤2、3、4、5、6、7、8、9的比较方法为：将检测结点的线加速度、角速度、地磁的数据，用平行四边形定则、三角形定则等方法进行矢量分解，将检测结点的线加速度分解成两个分量的组合：1、参考结点运动方向上的线加速度分量；2、在某一个方向线加速度分量。

将检测结点的线加速度、角速度、地磁的数据与其参考结点比较，如果方向、大小都一样，表示检测结点与参考结点相对静止；否则，对照主控结点上的本地数据库，根据本地数据库的值来判断安装该检测结点的部件的运动是否正常，是否发生形变、松动或者脱落。

同时，主控结点8将从十一个检测结点7收集的数据，上传给数据服务中心9，在数据服务中心9的专家系统上建立一个如图2的3维动态模型，专家系统利用惯性导航的原理和计算方法，还原叉车12以及叉车12上门架1、挡货架4、左货叉2、右货叉3上各个检测结点的运动轨迹，从而发现各检测结点反应出来的微形变。并将这些数据提取出来的共性数据，存入数据服务中心9上的专家数据库，提供各个同型号叉车上的主控结点8下载。并向上传这些原始数据的叉车12的主控结点8发出预警信号，提醒及时检修。

同理，在吊车10、钩机11或者其他不同类型、不同型号上安装的每一套主控结点和检测结点都可以采样这样的方法实现结构形变检测。

Claims (1)

1.一种基于物联网的结构形变检测装置，其特征在于装置包括检测结点、主控结点和数据服务中心；

检测结点：包括控制模块、通信模块、存储模块和传感器模块；通信模块包括短距无线通信子模块和有线通信子模块；传感器模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器；

主控结点：包括控制模块、通信模块、存储模块和本地数据库；通信模块包括短距无线通信子模块、远距无线通信子模块和有线通信子模块；本地数据库存储包括所安装的运动机械设备各部件的检测结点在正常工作、形变或故障的数据；

数据服务中心：支持以太网、移动无线网络和有线通信接口，包括专家系统和专家数据库，专家数据库存储有不同类型、不同型号的运动机械设备的各部件检测结点正常工作、形变或故障的详细数据；支持各运动机械设备的主控结点上传、下载数据；通过专家系统建立的运动模型，进行形变或故障数据分析；

在一套运动机械设备上，安装一个主控结点和不只一个检测结点；

检测结点与主控结点之间采用短距无线方式通信；主控结点通过短距无线通信子模块构建的无线局域网与检测结点通信，并通过远距无线通信子模块或者有线通信子模块连接到数据服务中心；主控结点通过通信模块从数据服务中心下载基础数据和更新数据；并向数据服务中心上传数据；主控结点和各检测结点的数据保存在本地数据库和检测结点中，本地数据库存储有该运动机械设备各部件在正常工作、形变或故障的数据；

在该套运动机械设备上，有至少一个检测结点作为初级基准检测结点，该初级基准检测结点安装位置选在运动机械设备上结构稳定，且运动方向、速度与运动机械设备本身的运动形式保持一致的地方，用于其他检测结点的初始定位标准，其他检测结点安装在对运动机械设备的结构形变感应较敏感的位置或者运动机械设备上的两个连接件相互连接固定的位置；

在运动机械设备上安装的检测结点，利用传感器模块采集该检测点的线加速度、角速度和地磁数据，经过检测结点的控制模块预处理后，由通信模块将数据发送给主控结点，主控结点负责处理检测结点数据；主控结点建立有本地数据库，主控结点将收集到的各检测结点数据处理后，与本地数据库的数据进行对比，如出现形变、故障数据，就发出警报，并将检测数据通过通信模块上传给数据服务中心；

为了数据服务中心的统一管理和数据的分析，同类型、同型号的运动机械设备所安装的检测结点数量和位置一致；数据服务中心的专家数据库，由两部分数据来源：1、在运动机械设备出厂前的生产、设计、测试阶段，给运动机械设备安装检测结点，并对运动机械设备进行较为全面的调试，获取在正常运转工作时，行驶、颠簸、负重、碰撞容易产生结构扭曲、形变、松脱情况下的传感器数据；2、运动机械设备在出厂后的工作工程中，由运动机械设备上的检测结点采集，通过主控结点上传的传感器数据；

数据服务中心的专家系统给不同类型、不同型号的运动机械设备建立了3维动态运动模型，3维动态运动模型导入各主控结点上传的数据，并通过数据分析，还原运动机械设备运动轨迹和形变、故障情况；

在一套运动机械设备上，根据彼此的连接关系将部件进行分类分级处理，分为：初级连接部件，一级连接部件，M级连接部件；M为大于或等于2的自然数；

初级连接部件：安装在运动机械设备上结构稳定，且运动方向、速度与运动机械设备本身的运动形式保持一致的部件；初级基准检测结点安装在这一级连接部件上；

一级连接部件：通过初级连接部件，连接安装在运动物体上，在运动机械设备工作运转时，有相对初级连接部件的相对运动发生或者形变发生的连接部件；一级基准检测结点和用于检测一级连接部件形变的其他检测结点，安装在这一级连接部件上；

M级连接部件：通过M-1级连接部件，连接安装在运动机械设备上，在运动机械设备工作运转时，有相对M-1级连接部件的相对运动发生或者形变发生的连接部件；M级基准检测结点和用于检测M级连接部件形变的其他检测结点，安装在这一级连接部件上；M为大于或等于2的自然数；

如果有不止一个同一级的连接部件，且彼此间独立，无直接的连接关系时，每一个连接部件应选择各自独立的基准检测结点；

各基准检测结点，同时用做本级各检测结点的数据和该连接部件连接的下一级连接部件的基准检测结点向上一级结点传输数据的路由结点。