CN104098031A - 自调平式吊具控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自调平式吊具控制系统，包括手持设备模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块以及主控单元模块，所述手持设备模块通过主控单元模块分别控制伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块。同时还提供了该自调平式吊具控制系统的控制方法。本发明能够在空中悬停完成自调平工作，提高了星箭对接或载荷与平台水平对接的效率、可靠性。本发明调平控制精度优于1mm/m，经验证可在1min内完成自动调平。

Description

自调平式吊具控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及星箭对接调平控制系统技术领域，具体地，涉及一种自调平式吊具控制系统及控制方法，应用于多种航天器星箭对接或载荷与平台水平对接。

背景技术

当今卫星航天器领域进入了快速发展时期，多个工程项目并行开展，不论是卫星产品研制的数量，还是种类都大幅提升。随着卫星大型化和复杂化程度显著提高，卫星AIT过程对操作的质量、精度和安全性要求都有了质的飞跃。

卫星与适配器对接(尤其星箭对接)，以及卫星舱体之间对接对起吊水平要求较高，但国内现有调平吊具多属机械调平类型，调平精度与人为操作因素相关，调平周期耗时长、调平精度低(一般为4mm/m)、精度可靠性较低。因此，对接操作设备需引入自调平技术，减少认为因素的介入，实现资源优化配置。

国外航天器领域的智能吊具作为工装设备主要组成部分，其工业控制程度达较高水平，形成了通用化、智能化、多元化的设计理念。以法国泰雷兹·阿莱尼亚宇航公司为例，该公司设计的自动调平吊具，通过嵌入式控制系统结合电机伺服驱动控制机构，实现自动调节主吊点在X、Y向的位置，从而实现吊具自身水平，且其整个调平工况于空中完成。此自调平吊具控制算法采用插补解算法，解算程序较为复杂，且调平精度受限控制器的解算精度，解算精度一般不高，整个吊具的调平精度低于2mm/m。

国内航天器领域的智能吊具研制机构起步较早为北京航天设备制造厂。该厂制造的自动调平吊具具备一定的水平自动调平能力，其调平原理同样基于调节主吊点的位置，实现吊具自身水平。但限于控制系统架构的局限性，调平精度理论值达到2mm/m，调平时间长于2分钟。

鉴于航天器领域高精度水平对接需求，国内现有调平吊具多为机械调平装置，另外，现行研究设计的自调平吊具控制系统控制原理较为落后，操作过程较为复杂，调平效率与调平精度均有待提高。

因此，业界需要改进的自调平吊具控制系统。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种自调平式吊具控制系统及控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种自调平式吊具控制系统，包括手持设备模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块以及主控单元模块，所述手持设备模块通过主控单元模块分别控制伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块；其中：

-手持设备模块，用于向主控单元模块输出控制信息，并实时监控吊具的状态信息；

-主控单元模块，用于将手持设备模块发出的控制信息处理后输出至伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块，并将主控单元模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块反馈的状态信息处理后返回至手持设备模块；

-伺服电机控制模块，用于驱动伺服电机；

-声光报警模块，用于输出报警信号；

-拉力传感器模块，用于采集吊具的吊点拉力值；

-接近开关模块，用于发出接触信号，手持设备模块根据接触信号数量判断是否能够调平。

优选地，所述手持设备模块包括：手持RS232通信模块、手持ZigBee无线通信模块、显示器、8位处理器、电源模块以及按键模块，所述按键模块与8位处理器模块相连接，用于处理按键模块输入的控制信息；所述8位处理器模块将控制信息通过手持RS232通信模块和/或手持ZigBee无线通信模块输送至主控单元模块，所述显示器与8位处理器相连接，用于显示主控单元模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块以及接近开关模块反馈的状态信息；所述电源模块通过主控单元模块向自调平式吊具控制系统供电。

优选地，所述8位处理器设置有时钟控制指令单元，当系统调平时间累计超过设定时间时，8位处理器向主控单元模块发出中断指令，控制伺服电机控制模块停止工作。

优选地，所述主控单元模块包括32位处理器、倾角传感器模块、电源控制模块、主控RS232通信模块以及主控ZigBee无线通信模块，所述32位处理器与电源控制模块相连接，并通过主控RS232通信模块和/或主控ZigBee无线通信模块与对应的手持RS232通信模块和/或手持ZigBee无线通信模块通信连接，用于接收8位处理器发出的控制信息；所述电源控制模块的输入端与电源模块相连接，所述电源控制模块的输出端分别与伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块相连接；所述倾角传感器模块分别与电源控制模块的输出端和32位处理器相连接，用于采集吊具的X向和Y向倾角信号，并通过32位处理器反馈至8位处理器，再经过显示器显示，实现吊具倾角信息实时监控。

优选地，所述电源控制模块的输入端接入电流保险丝、气体放电管、滤波电路和电容器，其中，所述电流保险丝用于电路过载保护，所述气体放电管用于电击和浪涌电路保护，所述滤波电路用于电路整流，所述电容器用于电路断电短时放电保护；电源控制模块的输出端通过多组低压差电压调节器输出低电平至伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块、倾角传感器模块以及32位处理器。

优选地，所述电源控制模块采用DC-DC变换器输出24V、7V、5V、3.3V电压，其中，24V电压输出至伺服电机控制模块、7V电压分别输出至声光报警模块，5V电压分别输出至倾角传感器模块和拉力传感器模块，3.3V电压输出至接近开关模块和32位处理器。

优选地，所述倾角传感器模块包括传感器芯片、51单片机、16位AD转换器以及传感器电源模块，其中，所述传感器电源模块与传感器芯片相连接，用于向传感器芯片提供5V标准电压，所述传感器芯片通过16位AD转换器与51单片机相连接，用于将输出的模拟电压经过16位AD转换器转换为数字信号并输入至51单片机，所述51单片机通过接口电路与32位处理器数据连接，用于将经过51单片机运算的数字信号输出至32位处理器，进而输出至8位处理器输出显示。

优选地，所述传感器芯片最小调平精度为0.05°，即，0.05°为自调平式吊具控制系统工作启停的开关量值。

优选地，所述伺服电机控制模块通过接口电路与主控单元模块的32位处理器相连接，包括伺服电机控制电路模块，所述伺服电机控制电路模块分别与吊具的X向直流伺服电机和Y向直流伺服电机驱动连接。

优选地，所述伺服电机控制电路模块采用中间“桥式电路”控制直流伺服电机正反转：

-当伺服电机控制电路模块左右两端的开关电路均打到24V电压状态，则电机处于停机状态；

-当主控单元模块发来电机正转信号时，则伺服电机控制电路模块左端开关电路打到0V状态，右端开关电路打到24V状态，电机启动正转；

-当主控单元模块发来电机反转信号时，则电路右端开关电路打到0V状态，左侧打到24V状态，电机启动反转。

优选地，所述声光报警模块包括三色声光报警器和报警控制电路；所述报警控制控制电路通过接口电路与主控单元模块的32位处理器相连接，所述三色声光报警器与报警控制电路相连接。

优选地，三色声光报警器包括如下报警信息：

-当倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息为倾角≤0.05°时，绿灯长亮；

-当倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息为0.05°＜倾角≤0.1°时，绿灯闪；

-当倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息为倾角＞0.1°时，黄灯长亮；

-当手持设备模块通过主控单元模块控制伺服电机控制模块驱动吊具的直流伺服电机正在进行吊具调平时，黄灯闪；

-当接近开关模块出现故障时，红灯长亮；

-当伺服电机控制模块无法完成调平时，红灯闪；

-当手持设备模块无法正常读取倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息，红灯闪并且蜂鸣器响；

-手持设备模块无法通过主控单元模块进行吊具调平作业时，定义为自调平式吊具控制系统出现紧急故障，红灯长亮并且蜂鸣器响。

优选地，所述拉力传感器模块包括拉力传感器和拉力传感器控制电路，所述拉力传感器控制电路通过接口电路与主控单元模块的32位处理器相连接，所述拉力传感器与拉力传感器控制电路相连接。

优选地，所述拉力传感器控制电路包括电压放大电路和12位A/D转换器，拉力传感器的信号输入端输入的模拟电压，经过电压放大电路后，通过12位A/D转换器将模拟电压信号转换为数字信号，并通过接口电路输出至32位处理器模块，32位处理器模块将数字信号反馈至8位处理器并通过显示器显示输出。

优选地，所述接近开关模块包括接近开关控制电路和磁涡流感应式接近开关，所述接近开关控制电路通过通过接口电路与32位处理器相连接，所述磁涡流感应式接近开关与接近开关控制电路相连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述自调平式吊具控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1，对手持设备模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块以及主控单元模块进行初始化；

步骤2，读取主控单元模块的倾角传感器模块数据和拉力传感器模块数据；

若数据读取失败，则声光报警模块发出报警指令，重复步骤1；

步骤3，数据读取完整则程序下行，主控单元模块读取手持设备模块发出的调平指令中数据：

-若读取调平指令成功，则系统进入switch判断语句，根据接近开关模块的接触信号数量，判断吊具是否能够调平或系统出错：

(1)可调平，则伺服电机控制模块控制吊具的直流伺服电机启动及运转方向，自调平式吊具控制系统进入自动调平循环控制；

(2)不可调平或系统出错，则执行不能调平报警或出错报警；

(3)倾角传感器模块反馈的调平精度0.05°范围内，判断吊具完成调平。

-若读取调平指令失败，则系统检测手持设备模块的按键开关量信号，检测成功进入switch判断语句，若检测失败，则继续检测，直至进入闭合的自动调平循环控制程序。

优选地，所述步骤3中，当接触信号为两个或两个以下时，判断能否调平；当接触信号为三个或三个以上时，判断为系统出错；

优选地，在自动调平循环控制过程中：

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值＞0.1°时，则X或Y向直流伺服电机启动，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动；

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值＞0.05°并且＜0.1°时，则X或Y向直流伺服电机进入点动位移调平模式，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动，慢慢近最小调平倾角0.05°；

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值由＞+0.1°变为＜-0.1°时，则X或Y向直流伺服电机进入点动位移调平模式，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动，慢慢逼近最小调平倾角0.05°；

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值＞0.05°，主吊点移动方向倾斜角度低的一侧接近开关信号时，则说明吊具姿态无法调平，超出吊具机械结构调平范围，判断为不可调平，执行不能调平报警；

-设定时钟控制指令单元的时间量值为60s，当系统调平时间累计超过60s时，手持设备模块向主控单元模块发出中断指令，控制伺服电机控制模块停止工作。

与现有技术相比，本发明具有如下技术特点：

1、本发明提供的自调平式吊具控制系统，可以在空中悬停完成自调平工作，提高了星箭对接或载荷与平台水平对接的效率、可靠性；

2、本发明提供的自调平式吊具控制系统及控制方法，调平控制精度优于1mm/m，可在1min内完成自动调平。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明控制流程图；

图3为吊具结构示意图，图中，1为主吊点；

图4为电源控制模块电路图；

图5为倾角传感器模块电路图；

图6为拉力传感器模块电路图；

图7为伺服电机控制模块电路图；

图8为报警控制电路电路图；

图9为手持设备模块结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图9。

本实施例提供了一种自调平式吊具控制系统，包括手持设备模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块以及主控单元模块，所述手持设备模块通过主控单元模块分别控制伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块；其中：

-手持设备模块，用于向主控单元模块输出控制信息，并实时监控吊具的状态信息；

-主控单元模块，用于将手持设备模块发出的控制信息处理后输出至伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块，并将主控单元模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块反馈的状态信息处理后返回至手持设备模块；

-伺服电机控制模块，用于驱动伺服电机；

-声光报警模块，用于输出报警信号；

-拉力传感器模块，用于采集吊具的吊点拉力值；

-接近开关模块，用于发出接触信号，手持设备模块根据接触信号数量判断是否能够调平。

进一步地，所述手持设备模块包括：手持RS232通信模块、手持ZigBee无线通信模块、显示器、8位处理器、电源模块以及按键模块，所述按键模块与8位处理器模块相连接，用于处理按键模块输入的控制信息；所述8位处理器模块将控制信息通过手持RS232通信模块和/或手持ZigBee无线通信模块输送至主控单元模块，所述显示器与8位处理器相连接，用于显示主控单元模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块以及接近开关模块反馈的状态信息；所述电源模块通过主控单元模块向自调平式吊具控制系统供电。

进一步地，所述8位处理器设置有时钟控制指令单元，当系统调平时间累计超过设定时间时，8位处理器向主控单元模块发出中断指令，控制伺服电机控制模块停止工作。

进一步地，所述主控单元模块包括32位处理器、倾角传感器模块、电源控制模块、主控RS232通信模块以及主控ZigBee无线通信模块，所述32位处理器与电源控制模块相连接，并通过主控RS232通信模块和/或主控ZigBee无线通信模块与对应的手持RS232通信模块和/或手持ZigBee无线通信模块通信连接，用于接收8位处理器发出的控制信息；所述电源控制模块的输入端与电源模块相连接，所述电源控制模块的输出端分别与伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块相连接；所述倾角传感器模块分别与电源控制模块的输出端和32位处理器相连接，用于采集吊具的X向和Y向倾角信号，并通过32位处理器反馈至8位处理器，再经过显示器显示，实现吊具倾角信息实时监控。

进一步地，所述电源控制模块的输入端接入电流保险丝、气体放电管、滤波电路和电容器，其中，所述电流保险丝用于电路过载保护，所述气体放电管用于电击和浪涌电路保护，所述滤波电路用于电路整流，所述电容器用于电路断电短时放电保护；电源控制模块的输出端通过多组低压差电压调节器输出低电平至伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块、倾角传感器模块以及32位处理器。

进一步地，所述电源控制模块采用DC-DC变换器输出24V、7V、5V、3.3V电压，其中，24V电压输出至伺服电机控制模块、7V电压分别输出至声光报警模块，5V电压分别输出至倾角传感器模块和拉力传感器模块，3.3V电压输出至接近开关模块和32位处理器。

进一步地，所述倾角传感器模块包括传感器芯片、51单片机、16位AD转换器以及传感器电源模块，其中，所述传感器电源模块与传感器芯片相连接，用于向传感器芯片提供5V标准电压，所述传感器芯片通过16位AD转换器与51单片机相连接，用于将输出的模拟电压经过16位AD转换器转换为数字信号并输入至51单片机，所述51单片机通过接口电路与32位处理器数据连接，用于将经过51单片机运算的数字信号输出至32位处理器，进而输出至8位处理器输出显示。

进一步地，所述传感器芯片最小调平精度为0.05°，即，0.05°为自调平式吊具控制系统工作启停的开关量值。

进一步地，所述伺服电机控制模块通过接口电路与主控单元模块的32位处理器相连接，包括伺服电机控制电路模块，所述伺服电机控制电路模块分别与吊具的X向直流伺服电机和Y向直流伺服电机驱动连接。

进一步地，所述伺服电机控制电路模块采用中间“桥式电路”控制直流伺服电机正反转：

-当伺服电机控制电路模块左右两端的开关电路均打到24V电压状态，则电机处于停机状态；

-当主控单元模块发来电机正转信号时，则伺服电机控制电路模块左端开关电路打到0V状态，右端开关电路打到24V状态，电机启动正转；

-当主控单元模块发来电机反转信号时，则电路右端开关电路打到0V状态，左侧打到24V状态，电机启动反转。

进一步地，所述声光报警模块包括三色声光报警器和报警控制电路；所述报警控制控制电路通过接口电路与主控单元模块的32位处理器相连接，所述三色声光报警器与报警控制电路相连接。

进一步地，三色声光报警器包括如下报警信息：

-当倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息为倾角≤0.05°时，绿灯长亮；

-当倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息为0.05°＜倾角≤0.1°时，绿灯闪；

-当倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息为倾角＞0.1°时，黄灯长亮；

-当手持设备模块通过主控单元模块控制伺服电机控制模块驱动吊具的直流伺服电机正在进行吊具调平时，黄灯闪；

-当接近开关模块出现故障时，红灯长亮；

-当伺服电机控制模块无法完成调平时，红灯闪；

-当手持设备模块无法正常读取倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息，红灯闪并且蜂鸣器响；

-手持设备模块无法通过主控单元模块进行吊具调平作业时，定义为自调平式吊具控制系统出现紧急故障，红灯长亮并且蜂鸣器响。

进一步地，所述拉力传感器模块包括拉力传感器和拉力传感器控制电路，所述拉力传感器控制电路通过接口电路与主控单元模块的32位处理器相连接，所述拉力传感器与拉力传感器控制电路相连接。

进一步地，所述拉力传感器控制电路包括电压放大电路和12位A/D转换器，拉力传感器的信号输入端输入的模拟电压，经过电压放大电路后，通过12位A/D转换器将模拟电压信号转换为数字信号，并通过接口电路输出至32位处理器模块，32位处理器模块将数字信号反馈至8位处理器并通过显示器显示输出。

进一步地，所述接近开关模块包括接近开关控制电路和磁涡流感应式接近开关，所述接近开关控制电路通过通过接口电路与32位处理器相连接，所述磁涡流感应式接近开关与接近开关控制电路相连接。

本实施例提供的自调平式吊具控制系统，其控制方法，包括如下步骤：

步骤1，对手持设备模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块以及主控单元模块进行初始化；

步骤2，读取主控单元模块的倾角传感器模块数据和拉力传感器模块数据；

若数据读取失败，则声光报警模块发出报警指令，重复步骤1；

步骤3，数据读取完整则程序下行，主控单元模块读取手持设备模块发出的调平指令中数据：

-若读取调平指令成功，则系统进入switch判断语句，根据接近开关模块的接触信号数量，判断吊具是否能够调平或系统出错：

(1)可调平，则伺服电机控制模块控制吊具的直流伺服电机启动及运转方向，自调平式吊具控制系统进入自动调平循环控制；

(2)不可调平或系统出错，则执行不能调平报警或出错报警；

(3)倾角传感器模块反馈的调平精度0.05°范围内，判断吊具完成调平。

-若读取调平指令失败，则系统检测手持设备模块的按键开关量信号，检测成功进入switch判断语句，若检测失败，则继续检测，直至进入闭合的自动调平循环控制程序。

进一步地，所述步骤3中，当接触信号为两个或两个以下时，判断能否调平；当接触信号为三个或三个以上时，判断为系统出错；

进一步地，在自动调平循环控制过程中：

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值＞0.1°时，则X或Y向直流伺服电机启动，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动；

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值＞0.05°并且＜0.1°时，则X或Y向直流伺服电机进入点动位移调平模式，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动，慢慢近最小调平倾角0.05°；

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值由＞+0.1°变为＜-0.1°时，则X或Y向直流伺服电机进入点动位移调平模式，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动，慢慢逼近最小调平倾角0.05°；

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值＞0.05°，主吊点移动方向倾斜角度低的一侧接近开关信号时，则说明吊具姿态无法调平，超出吊具机械结构调平范围，判断为不可调平，执行不能调平报警；

-设定时钟控制指令单元的时间量值为60s，当系统调平时间累计超过60s时，手持设备模块向主控单元模块发出中断指令，控制伺服电机控制模块停止工作。

下面结合附图对本实施例做进一步描述。

本实施例提供的自调平式吊具控制系统，包括：手持设备模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块、主控单元模块。

所述手持设备模块包括RS232通信模块、ZigBee无线通信模块、LCD显示器、8位处理器、电源模块、按键模块；

所述伺服电机模块包括伺服电机控制电路模块、直流伺服电机；

所述声光报警模块包括三色声光报警器和报警控制电路；

所述拉力传感器模块包括拉力传感器和拉力传感器控制电路；

所述接近开关模块包括接近开关控制电路和磁涡流感应式接近开关；

所述主控单元模块包括32位处理器、倾角传感器模块、电源控制模块、RS232通信模块以及ZigBee无线通信模块；所述倾角传感器模块包括进口传感器芯片和16位AD转换器。

在本实施例中：

倾角传感器模块最小调平精度为0.05°，即0.05°为调平系统工作启停的开关量值。

本实施例调平原理是基于调节主吊点在吊具水平面内X、Y两个方向的移动量，最终实现被吊物体吊装过程中的姿态动态调整。

控制系统软件总体方案如下：初始化后读取倾角传感器模块数据和拉力传感器模块数据，若数据读取失败，则声光报警模块发出报警指令；数据读取完整则程序下行，读取串口(下位机手持设备模块发出的调平指令)中数据，若读取调平指令则系统进入switch判断语句，根据接近开关模块信号数量判断吊具是否能够调平以及调平控制系统是否出现问题，若可调平则直流伺服电机控制模块控制电机启动及运转方向，调平控制系统进入自动调平循环控制；若串口数据读取失败，则系统检测手持设备模块的按键开关量信号，检测成功进入switch判断语句，若检测失败进入下一程序，继续检测，直至进入闭合的调平循环程序，最后判断吊具姿态是否调平，若系统水平度进入倾角传感器模块调平精度0.05°范围内，则系统完成调平。

吊具自调平过程中，若倾角传感器模块检测X(或Y)向倾角值＞0.1°时，则X(或Y)向直流伺服电机启动，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动。

吊具调平过程中，若倾角传感器模块检测X(或Y)向倾角值＞0.05°并且＜0.1°时，则X(或Y)向直流伺服电机进入点动位移调平模式，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动，慢慢近最小调平倾角0.05°。

吊具调平过程中，若倾角传感器模块检测X(或Y)向倾角值由＞+0.1°变为＜-0.1°时，则X(或Y)向直流伺服电机进入点动位移调平模式，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动，慢慢逼近最小调平倾角0.05°。

吊具调平过程中，若倾角传感器模块检测X(或Y)向倾角值＞0.05°，主吊点移动方向倾斜角度低的一侧接近开关信号时，则说明吊具姿态无法调平，超出吊具机械结构调平范围。

8位处理器设置时钟控制指令，设置时间量值为60s，若系统调平时间累计超过60s时，则ARM控制模块发出中断指令，电机控制模块停止工作。

手持设备模块输出实时X/Y向倾角信号、四吊点拉力传感器信号；设置手动X/Y向调节按钮、调平系统自动调平开启按钮、控制系统急停按钮，±X和±Y四向手动调节按钮。

电源控制模块采用DC-DC变换器输出24V、7V、5V、3.3V电压给系统各模块供电。24V仅供电直流伺服电机控制模块、7V供电模块包括声光报警控制模块、倾角传感器供电模块，5V供电模块包括倾角传感器控制芯片、力传感器模块，3.3V供电模块包括接近开关模块、主控芯片ARM32。

倾角传感器模块包括传感器电源模块(标准基准电压元器件)、高精度双轴倾角传感器芯片、51单片机、16位A/D转换器。基准标准电压元器件的作用是提供5V标准电压，倾角传感器芯片输出的模拟电压经过12位A/D转换器，转换为数字信号输入到51单片机，单片机经过运算将数字信号输入到ARM控制芯片。

拉力传感器控制电路包括电压放大电路、12位A/D转换器。信号输入端输入的模拟电压，经过放大电路后，通过12位A/D转换器将模拟电压信号，转换为数字信号。

电机控制模块采用中间“桥式电路”控制电机正反转。当电路左右两端的开关电路均打到24V电压状态，则电机处于停机状态；当主控单元发来电机正转信号，则电路左端开关电路打到0V状态，右侧打到24V状态，电机启动正转；当主控单元发来电机正转信号，则电路右端开关电路打到0V状态，左侧打到24V状态，电机启动反转。

声光报警模块中通过可控光耦合元器件，控制三色声光报警装置的信号输出。

手持设备模块输出实时X/Y向倾角信号是为了实现人工数据实时监控。

手持设备模块输出四吊点拉力传感器信号是为了监控四吊点拉力值，若相邻吊点拉力值偏差超出起吊需求，则可人工停止起吊。

手持设备模块设置±X和±Y四向手动调节按钮是为了人工控制X、Y向直流伺服电机在X/Y向平面的移动量，从而实现人工控制倾角调节量。

手持设备模块设置调平系统自动调平开启按钮是为了实现吊具自调平功能。

手持设备模块设置控制系统急停按钮是为了防止突发时间的发生。当突发事件发生时，可以人工急停车。

电源控制模块输入端接入电流保险丝、气体放电管、滤波电路、电容器等模块。电流保险丝的功用是电路过载保护，气体放电管的功用是电击和浪涌电路保护，滤波电路的功用是电路整流，电容器的功用是电路断电短时放电保护。

电源控制模块输出端通过几组低压差电压调节器输出所需的低电平，供给其他单元模块。

声光报警模块输出的报警信号分为以下几部分：绿灯长亮、绿灯闪、黄灯长亮、黄灯闪、红灯长亮、红灯闪、红灯闪并且蜂鸣器响、红灯长亮并且蜂鸣器响。

如表1所示：

绿灯长亮定义为吊具自身倾角≤0.05°。

绿灯闪定义为吊具自身倾角0.05°＜倾角≤0.1°。

黄灯长亮定义为吊具自身倾角＞0.1°。

黄灯闪定义为控制系统正在调平。

红灯长亮定义为接近开关故障。

红灯闪定义为控制系统无法完成调平。

红灯闪并且蜂鸣器响定义为控制系统无法正常读取倾角传感器信号。

红灯长亮并且蜂鸣器响定义为控制系统紧急故障。

表1

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种自调平式吊具控制系统，其特征在于，包括手持设备模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块以及主控单元模块，所述手持设备模块通过主控单元模块分别控制伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块；其中： 

-手持设备模块，用于向主控单元模块输出控制信息，并实时监控吊具的状态信息； 

-主控单元模块，用于将手持设备模块发出的控制信息处理后输出至伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块，并将主控单元模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块反馈的状态信息处理后返回至手持设备模块； 

-伺服电机控制模块，用于驱动伺服电机； 

-声光报警模块，用于输出报警信号； 

-拉力传感器模块，用于采集吊具的吊点拉力值； 

-接近开关模块，用于发出接触信号，手持设备模块根据接触信号数量判断是否能够调平。 

2.根据权利要求1所述的一种自调平式吊具控制系统，其特征在于，所述手持设备模块包括：手持RS232通信模块、手持ZigBee无线通信模块、显示器、8位处理器、电源模块以及按键模块，所述按键模块与8位处理器模块相连接，用于处理按键模块输入的控制信息；所述8位处理器模块将控制信息通过手持RS232通信模块和/或手持ZigBee无线通信模块输送至主控单元模块，所述显示器与8位处理器相连接，用于显示主控单元模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块以及接近开关模块反馈的状态信息；所述电源模块通过主控单元模块向自调平式吊具控制系统供电； 

所述8位处理器设置有时钟控制指令单元，当系统调平时间累计超过设定时间时，8位处理器向主控单元模块发出中断指令，控制伺服电机控制模块停止工作。 

3.根据权利要求2所述的一种自调平式吊具控制系统，其特征在于，所述主控单元模块包括32位处理器、倾角传感器模块、电源控制模块、主控RS232通信模块以及主控ZigBee无线通信模块，所述32位处理器与电源控制模块相连接，并 通过主控RS232通信模块和/或主控ZigBee无线通信模块与对应的手持RS232通信模块和/或手持ZigBee无线通信模块通信连接，用于接收8位处理器发出的控制信息；所述电源控制模块的输入端与电源模块相连接，所述电源控制模块的输出端分别与伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块和接近开关模块相连接；所述倾角传感器模块分别与电源控制模块的输出端和32位处理器相连接，用于采集吊具的X向和Y向倾角信号，并通过32位处理器反馈至8位处理器，再经过显示器显示，实现吊具倾角信息实时监控； 

所述电源控制模块的输入端接入电流保险丝、气体放电管、滤波电路和电容器，其中，所述电流保险丝用于电路过载保护，所述气体放电管用于电击和浪涌电路保护，所述滤波电路用于电路整流，所述电容器用于电路断电短时放电保护；电源控制模块的输出端通过多组低压差电压调节器输出低电平至伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块、倾角传感器模块以及32位处理器； 

所述电源控制模块采用DC-DC变换器输出24V、7V、5V、3.3V电压，其中，24V电压输出至伺服电机控制模块、7V电压分别输出至声光报警模块，5V电压分别输出至倾角传感器模块和拉力传感器模块，3.3V电压输出至接近开关模块和32位处理器。 

4.根据权利要求3所述的一种自调平式吊具控制系统，其特征在于，所述倾角传感器模块包括传感器芯片、51单片机、16位AD转换器以及传感器电源模块，其中，所述传感器电源模块与传感器芯片相连接，用于向传感器芯片提供5V标准电压，所述传感器芯片通过16位AD转换器与51单片机相连接，用于将输出的模拟电压经过16位AD转换器转换为数字信号并输入至51单片机，所述51单片机通过接口电路与32位处理器数据连接，用于将经过51单片机运算的数字信号输出至32位处理器，进而输出至8位处理器输出显示； 

所述传感器芯片最小调平精度为0.05°。 

5.根据权利要求3所述的一种自调平式吊具控制系统，其特征在于，所述伺服电机控制模块通过接口电路与主控单元模块的32位处理器相连接，包括伺服电机控制电路模块，所述伺服电机控制电路模块分别与吊具的X向直流伺服电机和Y向直流伺服电机驱动连接； 

所述伺服电机控制电路模块采用中间“桥式电路”控制直流伺服电机正反转： 

-当伺服电机控制电路模块左右两端的开关电路均打到24V电压状态，则电机 处于停机状态； 

-当主控单元模块发来电机正转信号时，则伺服电机控制电路模块左端开关电路打到0V状态，右端开关电路打到24V状态，电机启动正转； 

-当主控单元模块发来电机反转信号时，则电路右端开关电路打到0V状态，左侧打到24V状态，电机启动反转。 

6.根据权利要求3所述的一种自调平式吊具控制系统，其特征在于，所述声光报警模块包括三色声光报警器和报警控制电路；所述报警控制控制电路通过接口电路与主控单元模块的32位处理器相连接，所述三色声光报警器与报警控制电路相连接； 

所述三色声光报警器包括如下报警信息： 

-当倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息为倾角≤0.05°时，绿灯长亮； 

-当倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息为0.05°＜倾角≤0.1°时，绿灯闪； 

-当倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息为倾角＞0.1°时，黄灯长亮； 

-当手持设备模块通过主控单元模块控制伺服电机控制模块驱动吊具的直流伺服电机正在进行吊具调平时，黄灯闪； 

-当接近开关模块出现故障时，红灯长亮； 

-当伺服电机控制模块无法完成调平时，红灯闪； 

-当手持设备模块无法正常读取倾角传感器模块反馈的吊具倾角信息，红灯闪并且蜂鸣器响； 

-手持设备模块无法通过主控单元模块进行吊具调平作业时，定义为自调平式吊具控制系统出现紧急故障，红灯长亮并且蜂鸣器响。 

7.根据权利要求3所述的一种自调平式吊具控制系统，其特征在于，所述拉力传感器模块包括拉力传感器和拉力传感器控制电路，所述拉力传感器控制电路通过接口电路与主控单元模块的32位处理器相连接，所述拉力传感器与拉力传感器控制电路相连接； 

所述拉力传感器控制电路包括电压放大电路和12位A/D转换器，拉力传感器的信号输入端输入的模拟电压，经过电压放大电路后，通过12位A/D转换器将模拟电压信号转换为数字信号，并通过接口电路输出至32位处理器模块，32位处理器模块将数字信号反馈至8位处理器并通过显示器显示输出。 

8.根据权利要求3所述的一种自调平式吊具控制系统，其特征在于，所述接 近开关模块包括接近开关控制电路和磁涡流感应式接近开关，所述接近开关控制电路通过通过接口电路与32位处理器相连接，所述磁涡流感应式接近开关与接近开关控制电路相连接。 

9.一种权利要求1至8中任一项所述的自调平式吊具控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 

步骤1，对手持设备模块、伺服电机控制模块、声光报警模块、拉力传感器模块、接近开关模块以及主控单元模块进行初始化； 

步骤2，读取主控单元模块的倾角传感器模块数据和拉力传感器模块数据； 

若数据读取失败，则声光报警模块发出报警指令，重复步骤1和步骤2； 

步骤3，数据读取完整则程序下行，主控单元模块读取手持设备模块发出的调平指令中数据： 

-若读取调平指令成功，则系统进入switch判断语句，根据接近开关模块的接触信号数量，判断吊具是否能够调平或系统出错： 

(1)可调平，则伺服电机控制模块控制吊具的直流伺服电机启动及运转方向，自调平式吊具控制系统进入自动调平循环控制； 

(2)不可调平或系统出错，则执行不能调平报警或出错报警； 

(3)倾角传感器模块反馈的调平精度0.05°范围内，判断吊具完成调平。 

-若读取调平指令失败，则系统检测手持设备模块的按键开关量信号，检测成功进入switch判断语句，若检测失败，则继续检测，直至进入闭合的自动调平循环控制程序。 

10.根据权利要求9所述的自调平式吊具控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3中： 

当接触信号为两个或两个以下时，判断能否调平；当接触信号为三个或三个以上时，判断为系统出错； 

在自动调平循环控制过程中： 

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值＞0.1°时，则X或Y向直流伺服电机启动，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动； 

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值＞0.05°并且＜0.1°时，则X或Y向直流伺服电机进入点动位移调平模式，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动，慢慢近最小调平倾角0.05°； 

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值由＞+0.1°变为＜-0.1°时，则X或Y向直流伺服电机进入点动位移调平模式，驱动主吊点向倾斜角度低的方向移动，慢慢逼近最小调平倾角0.05°； 

-若倾角传感器模块检测X或Y向倾角值＞0.05°，主吊点移动方向倾斜角度低的一侧接近开关信号时，则说明吊具姿态无法调平，超出吊具机械结构调平范围，判断为不可调平，执行不能调平报警； 

-设定时钟控制指令单元的时间量值为60s，当系统调平时间累计超过60s时，手持设备模块向主控单元模块发出中断指令，控制伺服电机控制模块停止工作。