CN103303796A - 基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统及方法，系统包括处理器、运动控制系统、北斗信号接收板以及至少一组北斗卫星天线组；各组所述北斗卫星天线组分别固定安装在所述门座起重机臂架系统的各个支臂上，各个所述北斗卫星天线的信号输出端与所述北斗信号接收板的信号输入端连接；所述北斗信号接收板的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接，所述处理器的信号输出端与所述运动控制系统的信号输入端连接。基于北斗卫星测量门座起重机臂架系统回转变幅姿态，完全独立于运动部件和控制系统，不会受到机械部件磨损、老化等因素的影响，因此，具有使用寿命长的优点。并且，无累计误差，具有测量精度高的优点。

Description

基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统及方法

技术领域

本发明属于门座式起重机控制技术领域，具体涉及一种基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统及方法。

背景技术

门座式起重机是港口装卸作业、船舶建造的重要设备，主要用于部件和货物的吊装任务，由于门座式起重机本身具有良好的性能，所以船厂和港口广泛使用。

随着世界航运的快速发展、船舶建造效率的提高，船厂和港口所布置的门座式起重机越来越密集，门座式起重机之间的碰撞、以及门座式起重机与周边建筑物碰撞的频率也随之增高，重大事故时有发生。

为解决上述的碰撞问题，现有技术中，出现了实时监测门座式起重机回转变幅的设计，从而防止事故发生。但是，目前大型门座式起重机中，回转变幅设计主要为：在门座式起重机的塔臂与塔座结合部安装角度传感器或限位器，这是基于机械方式的角度偏转测量，具有安装复杂而且精度要求高，受机械磨损和老化等影响较大的问题。另外，现有技术中还出现了编码器方式测量回转变幅姿态，即：通过编码器测量转速和行程而间接测量角度，由于存在累计误差，还需要磁缸等装置配合清零，具有成本较高的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统及方法，不会受到机械部件磨损、老化等因素的影响，因此，具有使用寿命长的优点。并且，无累计误差，具有测量精度高的优点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统，包括：处理器、运动控制系统、北斗信号接收板以及至少一组北斗卫星天线组；各组所述北斗卫星天线组分别固定安装在所述门座起重机臂架系统的各个支臂上，各个所述北斗卫星天线的信号输出端与所述北斗信号接收板的信号输入端连接；所述北斗信号接收板的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接，所述处理器的信号输出端与所述运动控制系统的信号输入端连接。

优选的，所述门座起重机的臂架系统包括第一支臂、第二支臂、第三支臂和第四支臂；所述第一支臂、所述第二支臂、所述第三支臂和所述第四支臂顺次连接形成四连杆结构；每组所述北斗卫星天线组固定安装在所述第一支臂、第二支臂、第三支臂和第四支臂中的任意一个支臂上。

优选的，每组所述北斗卫星天线组包括至少两个北斗卫星天线。

优选的，每组所述北斗卫星天线组包括两个北斗卫星天线，即：第一北斗卫星天线和第二北斗卫星天线；所述第一北斗卫星天线和所述第二北斗卫星天线分别固定安装在所述臂架系统任意一个支臂的两端。

优选的，所述第一北斗卫星天线与所述支臂的接触点为第一测试点，所述第二北斗卫星天线与所述支臂的接触点为第二测试点；所述第一测试点与所述第二测试点之间的连线与所述支臂的轴线之间的夹角为0-90度。

优选的，还包括供电电源；所述供电电源分别与所述处理器和所述北斗信号接收板连接。

本发明还提供一种应用上述基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统的方法，包括以下步骤：

S1，在所述门座起重机的臂架系统中，第一支臂AB的长度为a，第二支臂BC的长度为d，第三支臂CE的长度为m，第三支臂CE与第四支臂DA相交于D点，臂CD的长度为c，第四支臂DA的长度为b，第一支臂AB与水平线的夹角为ε；

其中，a、d、m、c、b、ε均为已知值；

在所述门座起重机移动过程中，通过所述北斗卫星定位系统获得以下夹角中的一种或几种：所述第一支臂AB与水平线的夹角θ1、所述第二支臂BC与水平线的夹角θ2、所述第三支臂CE与水平线的夹角θ3和所述第四支臂DA与水平线的夹角θ4；

S2，所述处理器以所述a、d、m、c、b、ε为输入，同时，以θ1、θ2、θ3和θ4中的一项或几项为输入，通过余弦定理计算得出所述门座起重机的回转幅度值；

S3，所述处理器判断所述回转幅度值是否超过设定最大值，如果超过，则向所述运动控制系统发出控制信号，进而调整所述门座起重机的运动状态。

优选的，通过所述北斗卫星定位系统获得θ1、θ2、θ3和θ4的方法相同。

优选的，第四支臂DA与水平线的夹角θ4通过以下方法获得：

S1-1，将北斗卫星天线组P固定安装在第四支臂DA上；其中，北斗卫星天线组P包括至少两个北斗卫星天线；所述北斗卫星天线与所述第四支臂DA的接触点为测试点；

S1-2，在所述门座起重机移动的过程中，各个所述北斗卫星天线接收与其对应的测试点的当前位置信息，并将所述当前位置信息发送给所述北斗信号接收板；

S1-3，所述北斗信号接收板接收与各个所述测试点对应的所述当前位置信息，并将接收到的所述当前位置信息发送给所述处理器；

S1-4，所述处理器基于姿态解算算法对接收到的各个所述当前位置信息进行计算，得到各个所述测量基线的当前方位角；其中，所述测量基线为任意两个所述测试点之间的连线；

所述处理器建立三维静止坐标系，通过分析各个所述测试点以及所述第四支臂DA的轴线在所述三维静止坐标系的静止位置，得到各个所述测量基线与所述第四支臂DA之间的固定夹角；

S1-5，针对每一条所述测量基线，所述处理器对与所述测量基线对应的所述固定夹角与所述当前方位角进行综合计算，得到与所述测量基线对应的所述第四支臂DA与水平线的夹角。

优选的，S1-5之后还包括：

S1-6，所述处理器计算得到与各条所述测量基线分别对应的所述第四支臂DA与水平线的夹角；

S1-7，所述处理器将S6得到的各个所述第四支臂DA与水平线的夹角求平均值，得到所述第四支臂DA与水平线夹角的平均值。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统及方法，基于北斗卫星测量门座起重机臂架系统回转变幅姿态，完全独立于运动部件和控制系统，不会受到机械部件磨损、老化等因素的影响，因此，具有使用寿命长的优点。并且，通过测量支臂与地理南北之间的角度，可直接计算出支臂与水平线夹角，无累计误差，具有测量精度高的优点。

附图说明

图1为本发明提供的基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统的结构示意图；

其中，1---第一北斗卫星天线；2---第二北斗卫星天线；3---门座起重机的臂架系统；

图2为本发明提供的臂架系统的设备结构示意图；

图3为本发明提供的臂架系统的几何模型图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明提供的基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统，包括：处理器、运动控制系统、北斗信号接收板以及至少一组北斗卫星天线组；各组所述北斗卫星天线组分别固定安装在所述门座起重机臂架系统的各个支臂上，各个所述北斗卫星天线的信号输出端与所述北斗信号接收板的信号输入端连接；所述北斗信号接收板的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接，所述处理器的信号输出端与所述运动控制系统的信号输入端连接。还可以包括供电电源；供电电源分别与处理器和北斗信号接收板连接。

其中，为保证各个北斗卫星天线能够接收到卫星信号，北斗卫星天线需要固定安装在支臂的上表面，并且，北斗卫星天线的一端固定在支臂的上表面，北斗卫星天线的另一端朝向天空设置。

另外，门座起重机的臂架系统包括第一支臂、第二支臂、第三支臂和第四支臂；所述第一支臂、所述第二支臂、所述第三支臂和所述第四支臂顺次连接形成四连杆结构；每组所述北斗卫星天线组固定安装在所述第一支臂、第二支臂、第三支臂和第四支臂中的任意一个支臂上。本发明对所设置的北斗卫星天线组的数量并不限制。也就是说，可以设置1组北斗卫星天线组，将该北斗卫星天线组安装到任意一个支臂上，从而测量该支臂与水平线的夹角；也可以设置多组北斗卫星天线组，例如：设置北斗卫星天线组X和北斗卫星天线组Y，然后将北斗卫星天线组X安装到其中一个支臂上，将北斗卫星天线组Y安装到另一个支臂上，从而测量得到两个支臂与水平线的夹角。

对于任意一组北斗卫星天线组，包括至少两个北斗卫星天线。本发明中，一组北斗卫星天线组中，所包含的北斗卫星天线数量根据测量精度进行调整，北斗卫星天线设置的数量越多，其测量精度越高。但是，北斗卫星天线的数量至少为2个，才能实现支臂与水平线夹角测量的目的，当设置的北斗卫星天线的数量为两个时，这两个北斗卫星天线之间的距离越远，测量精度越高，因此，当这两个北斗卫星天线分别固定安装在支臂的两端时，支臂与水平线间夹角测量精度较高。

当采用两个北斗卫星天线时，两个北斗卫星天线的布置方式可以为：第一北斗卫星天线与支臂的接触点为第一测试点，第二北斗卫星天线与支臂的接触点为第二测试点；所述第一测试点与所述第二测试点之间的连线与所述支臂轴线之间的夹角为0-90度。优选为第一测试点与所述第二测试点之间的连线与支臂轴线平行。

本发明提供的应用上述基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统的方法，包括以下步骤：

S1，如图2和图3所示，在所述门座起重机的臂架系统中，第一支臂AB的长度为a，第二支臂BC的长度为d，第三支臂CE的长度为m，第三支臂CE与第四支臂DA相交于D点，臂CD的长度为c，第四支臂DA的长度为b，第一支臂AB与水平线的夹角为ε；

其中，a、d、m、c、b、ε均为已知值；

在所述门座起重机移动过程中，通过所述北斗卫星定位系统获得以下夹角中的一种或几种：所述第一支臂AB与水平线的夹角θ1、所述第二支臂BC与水平线的夹角θ2、所述第三支臂CE与水平线的夹角θ3和所述第四支臂DA与水平线的夹角θ4；

本步骤中，通过所述北斗卫星定位系统获得θ1、θ2、θ3和θ4的方法相同。仅以第四支臂DA与水平线的夹角θ4为例，通过以下方法测量得到；

S1-1，将北斗卫星天线组P固定安装在第四支臂DA上；其中，北斗卫星天线组P包括至少两个北斗卫星天线；所述北斗卫星天线与所述第四支臂DA的接触点为测试点；

S1-2，在所述门座起重机移动的过程中，各个所述北斗卫星天线接收与其对应的测试点的当前位置信息，并将所述当前位置信息发送给所述北斗信号接收板；其中，测试点当前位置信息可以为测试点地理经纬度坐标。

本发明中，北斗信号接收板的数量可以为一个也可以为多个。当采用一个北斗信号接收板时，该北斗信号接收板设置有不同的输入接口和输出接口，各个输入接口分别连接不同的北斗卫星天线。当北斗信号接收板的数量为多个时，例如：可以设置北斗信号接收板的数量与北斗卫星接收天线的数量相同，即：北斗信号接收板与北斗卫星接收天线一一对应，则每一个北斗信号接收板仅接收与其对应的北斗卫星接收天线发送的信号。

S1-3，所述北斗信号接收板接收与各个所述测试点对应的所述当前位置信息，并将接收到的所述当前位置信息发送给所述处理器；

S1-4，所述处理器基于姿态解算算法对接收到的各个所述当前位置信息进行计算，得到各个所述测量基线的当前方位角；其中，所述测量基线为任意两个所述测试点之间的连线；

任意两个测试点之间的连线即得到一条测量基线，通过对一条测量基线上的两个测试点的位置坐标进行分析，即可得到该测量基线的方位角，例如：北偏东5度或北偏西20度等。

所述处理器建立三维静止坐标系，通过分析各个所述测试点以及所述第四支臂DA的轴线在所述三维静止坐标系的静止位置，得到各个所述测量基线与所述第四支臂DA之间的固定夹角；

S1-5，针对每一条所述测量基线，所述处理器对与所述测量基线对应的所述固定夹角与所述当前方位角进行综合计算，得到与所述测量基线对应的所述第四支臂DA与水平线的夹角。

在上述步骤中，为针对任意一条测量基线计算得到的第四支臂DA与水平线的夹角，为提高测量精度，也可以将各条测量基线对应的第四支臂DA与水平线的夹角求平均值。具体的，包括以下步骤：

S1-6，所述处理器计算得到与各条所述测量基线分别对应的所述第四支臂DA与水平线的夹角；

S1-7，所述处理器将S6得到的各个所述第四支臂DA与水平线的夹角求平均值，得到所述第四支臂DA与水平线夹角的平均值。

例如：当采用3个北斗卫星天线时，即：北斗卫星天线m、北斗卫星天线n和北斗卫星天线p，其与支臂的接触点分别为m、n和p；则将得到三条测量基线，分别为：测量基线mn、测量基线mp和测量基线np。通过计算，获得与测量基线mn对应的第四支臂DA与水平线夹角为α，与测量基线mp对应的第四支臂DA与水平线夹角为β，与测量基线np对应的第四支臂DA与水平线夹角为γ；则第四支臂DA与水平线夹角的平均值＝(α+β+γ)/3。

S2，所述处理器以所述a、d、m、c、b、ε为输入，同时，以θ1、θ2、θ3和θ4中的一项或几项为输入，通过余弦定理计算得出所述门座起重机的回转幅度值；

例如：如果a、d、m、c、b、ε和θ4已知，则杆AG的长度R1＝b coS θ₄；

∠DAB＝180-θ4-ε；

杆DB长度f＝(a²+b²-2cos∠DAB)^1/2；

对于三角形CDB，由于三条边均已知，因此，根据余弦定理，可以计算出∠CDB；因此，∠EDG＝90-∠CDB；设∠EDG＝λ，则：杆GF的长度R2＝(m-c)sinλ；由此可得回转幅度AF的长度为R1+R2。

需要说明的是，基于余弦定理，当a、d、m、c、b、ε已知，并且，θ1、θ2、θ3和θ4中的一项或几项已知时，均可最终推导出回转幅度AF的长度。

S3，所述处理器判断所述回转幅度值是否超过设定最大值，如果超过，则向所述运动控制系统发出控制信号，进而调整所述门座起重机的运动状态。具体的，可以使门座起重机减速或制动。此外，当回转幅度值超过设定最大值时，还可以通过声光向驾驶室报警等，从而提高设备运行的安全性。

综上所述，本发明提供的基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统及方法，基于北斗卫星测量门座起重机臂架系统回转变幅姿态，完全独立于运动部件和控制系统，不会受到机械部件磨损、老化等因素的影响，因此，具有使用寿命长的优点。并且，通过测量支臂与地理南北之间的角度，可直接计算出支臂与水平线夹角，无累计误差，具有测量精度高的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统，其特征在于，包括：处理器、运动控制系统、北斗信号接收板以及至少一组北斗卫星天线组；各组所述北斗卫星天线组分别固定安装在所述门座起重机臂架系统的各个支臂上，各个所述北斗卫星天线的信号输出端与所述北斗信号接收板的信号输入端连接；所述北斗信号接收板的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接，所述处理器的信号输出端与所述运动控制系统的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统，其特征在于，所述门座起重机的臂架系统包括第一支臂、第二支臂、第三支臂和第四支臂；所述第一支臂、所述第二支臂、所述第三支臂和所述第四支臂顺次连接形成四连杆结构；每组所述北斗卫星天线组固定安装在所述第一支臂、第二支臂、第三支臂和第四支臂中的任意一个支臂上。

3.根据权利要求1所述的基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统，其特征在于，每组所述北斗卫星天线组包括至少两个北斗卫星天线。

4.根据权利要求3所述的基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统，其特征在于，每组所述北斗卫星天线组包括两个北斗卫星天线，即：第一北斗卫星天线和第二北斗卫星天线；所述第一北斗卫星天线和所述第二北斗卫星天线分别固定安装在所述臂架系统任意一个支臂的两端。

5.根据权利要求4所述的基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统，其特征在于，所述第一北斗卫星天线与所述支臂的接触点为第一测试点，所述第二北斗卫星天线与所述支臂的接触点为第二测试点；所述第一测试点与所述第二测试点之间的连线与所述支臂的轴线之间的夹角为0-90度。

6.根据权利要求1所述的基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统，其特征在于，还包括供电电源；所述供电电源分别与所述处理器和所述北斗信号接收板连接。

7.一种应用权利要求1-6任一项所述基于北斗卫星定位系统的门座起重机姿态监测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在所述门座起重机的臂架系统中，第一支臂AB的长度为a，第二支臂BC的长度为d，第三支臂CE的长度为m，第三支臂CE与第四支臂DA相交于D点，臂CD的长度为c，第四支臂DA的长度为b，第一支臂AB与水平线的夹角为ε；

其中，a、d、m、c、b、ε均为已知值；

在所述门座起重机移动过程中，通过所述北斗卫星定位系统获得以下夹角中的一种或几种：所述第一支臂AB与水平线的夹角θ1、所述第二支臂BC与水平线的夹角θ2、所述第三支臂CE与水平线的夹角θ3和所述第四支臂DA与水平线的夹角θ4；

S2，所述处理器以所述a、d、m、c、b、ε为输入，同时，以θ1、θ2、θ3和θ4中的一项或几项为输入，通过余弦定理计算得出所述门座起重机的回转幅度值；

S3，所述处理器判断所述回转幅度值是否超过设定最大值，如果超过，则向所述运动控制系统发出控制信号，进而调整所述门座起重机的运动状态。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过所述北斗卫星定位系统获得θ1、θ2、θ3和θ4的方法相同。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，第四支臂DA与水平线的夹角θ4通过以下方法获得：

S1-1，将北斗卫星天线组P固定安装在第四支臂DA上；其中，北斗卫星天线组P包括至少两个北斗卫星天线；所述北斗卫星天线与所述第四支臂DA的接触点为测试点；

S1-2，在所述门座起重机移动的过程中，各个所述北斗卫星天线接收与其对应的测试点的当前位置信息，并将所述当前位置信息发送给所述北斗信号接收板；

S1-3，所述北斗信号接收板接收与各个所述测试点对应的所述当前位置信息，并将接收到的所述当前位置信息发送给所述处理器；

S1-4，所述处理器基于姿态解算算法对接收到的各个所述当前位置信息进行计算，得到各个所述测量基线的当前方位角；其中，所述测量基线为任意两个所述测试点之间的连线；

所述处理器建立三维静止坐标系，通过分析各个所述测试点以及所述第四支臂DA的轴线在所述三维静止坐标系的静止位置，得到各个所述测量基线与所述第四支臂DA之间的固定夹角；

S1-5，针对每一条所述测量基线，所述处理器对与所述测量基线对应的所述固定夹角与所述当前方位角进行综合计算，得到与所述测量基线对应的所述第四支臂DA与水平线的夹角。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，S1-5之后还包括：

S1-6，所述处理器计算得到与各条所述测量基线分别对应的所述第四支臂DA与水平线的夹角；

S1-7，所述处理器将S6得到的各个所述第四支臂DA与水平线的夹角求平均值，得到所述第四支臂DA与水平线夹角的平均值。

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