CN104986664A - 大部件吊装姿态监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大部件吊装姿态监控系统，包括无线倾角仪，所述无线倾角仪由无线倾角传感器和手持式显示主机组成，其中：无线倾角传感器通过永磁铁吸附安装在被吊装构件的基准平面上，通过加速度传感器采集加速度数据，通过积分运算之后得到角度数据，通过无线数传模块发送给手持式显示主机；手持式显示主机在收到信息后进行相应处理，交由液晶显示模块显示，并且与预先设置的角度报警值进行对比，一旦实测角度与预设报警值的差值小于阈值，则通过声光报警模块发送警报。本发明安装简单、使用方便，系统稳定，不受现场环境影响。

Description

大部件吊装姿态监控系统

技术领域

本发明涉及大型构件吊装过程姿态角度监测的装置，具体地，涉及一种大部件吊装姿态监控系统。

背景技术

汽轮机汽缸等大型结构件在生产装配过程中通常需要吊装翻身，在翻身过程中构件的姿态对翻身操作至关重要，会直接影响到翻身的安全性和操作步骤，所以在进行吊装作业时需要对构件的姿态进行实时监测。

目前对构件的姿态进行实时监测，最直观的监测方式为监测构件的基准面与水平面或者竖直面的夹角。而目前市场上已有的倾角传感器主要是直接输出模拟信号或者通过RS232等串行接口输出数字信号，需要配合上位机使用，限制了在吊装作业现场的应用。

如申请号为201020151064.9的中国实用新型专利，该实用新型涉及一种起重机抬吊监控系统,包括水平测量装置、至少一垂直测量装置和至少一测量监控装置,水平测量装置用于测量被吊物体的水平姿态,垂直测量装置用于测量被吊物体与起重机的垂直姿态,水平测量装置和垂直测量装置分别与测量监控装置通过信号链路连接。但是该专利只能在水平/垂直的状态附近检测被吊物体与水平/垂直状态的差别，不能提供物体在吊装翻身的整个过程中的±180°角度监测和任意设定角度的报警功能，不能用于大部件吊装翻身的全过程姿态监控；而且该专利测量监控装置固定在驾驶室内使用，不具备本系统体积小巧、安装方便、通过无线传输信号、可手持移动使用的特性，所以不适用于企业吊装环境的移动式使用要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大部件吊装姿态监控系统，通过无线倾角传感器实时采集被吊装构件的姿态信息，显示在吊装作业指挥人员手中的显示设备上，为吊装作业指挥人员提供参考。

为实现以上目的，本发明提供一种大部件吊装姿态监控系统，包括无线倾角仪，所述无线倾角仪由无线倾角传感器和手持式显示主机组成；

所述无线倾角传感器包括：加速度传感器、积分运算模块、第一无线数传模块、第一供电模块，其中：加速度传感器用于实时采集被吊装构件的加速度数据并传递给积分运算模块；积分运算模块用于对加速度数据进行积分运算以得到角度数据并传输给第一无线数传模块；第一无线数传模块用于将角度数据信息转换为无线信号并无线发送给手持式显示主机；加速度传感器、积分运算模块、第一无线数传模块由第一供电模块供电运行；所述无线倾角传感器通过永磁铁吸附安装在被吊装构件的基准平面上，保证加速度传感器始终与被吊装构件的基准平面同步运动，测量被吊装构件的基准平面与水平方向的夹角；

所述手持式显示主机包括：第二无线数传模块、信息处理模块、液晶显示模块、参数保存模块、声光报警模块、第二供电模块，其中：第二无线数传模块用于接收无线倾角传感器中的第一无线数传模块发送的无线信号，解调后得到角度信息并传送给信息处理模块；信息处理模块用于对角度信息简单处理后通过液晶显示模块将角度信息显示出来，同时计算实测角度与预设报警角度值的差值并进行对比，一旦差值小于阈值时通过声光报警模块进行声光警报；参数保存模块用于与信息处理模块进行信息传递并保存数据信息；第二无线数传模块、信息处理模块、液晶显示模块、参数保存模块、声光报警模块由第二供电模块供电运行。

优选地，所述的加速度传感器包括6轴陀螺加速度计和第一IIC接口，其中：所述6轴陀螺加速度计用于准确追踪快速与慢速动作，并通过最高至400kHz的第一IIC接口以数字输出旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据给积分运算模块。

优选地，所述的积分运算模块包括第二IIC接口、第一TTL串口和微处理器，其中：所述微处理器通过第二IIC接口读取加速度传感器的信息，通过积分运算和动态卡尔曼滤波算法解算出角度数据，最后通过第一TTL串口将得到的角度数据发送至第一无线数传模块。

优选地，所述的第一无线数传模块包括第二TTL串口、第一天线和第一射频芯片，所述的第二无线数传模块包括第三TTL串口、第二天线和第二射频芯片，其中：所述第一射频芯片通过第二TTL串口接收第一TTL串口发送的角度数据，并将接收到的角度数据调制为无线信号后通过第一天线发出给第二天线；所述第二射频芯片通过第二天线接收第一天线发送的无线信号，解调后将数据输出至第三TTL串口。

优选地，所述的信息处理模块为微控制器，包括第四TTL串口、第一I/O口，其中：所述微控制器通过第四TTL串口接收第二无线数传模块经第三TTL串口发送的角度数据，经过简单处理后得出实际角度，通过第一I/O口控制液晶显示模块显示角度数据，同时通过第一I/O口读取预设角度报警值，并将实测角度数据与预设角度报警值进行对比，一旦实测角度数据与预设角度报警值的差值小于阈值，则通过第一I/O口控制声光报警模块发送警报。

优选地，所述的液晶显示模块包含大尺寸液晶显示屏、显示控制器和第二I/O口，其中：所述显示控制器通过第二I/O口接收信息处理模块发出的显示控制指令，控制大尺寸液晶显示屏显示相应信息。

优选地，所述的参数保存模块包含数据存储器和第三I/O口，其中：所述数据存储器通过第三I/O口与信息处理模块进行信息传递，并在关闭电源的情况下也能保存数据。

优选地，所述的第一供电模块、第二供电模块均包括锂电池、电池充放电保护芯片和电源转换芯片，其中：

所述第一供电模块里的电源转换芯片将锂电池的电压转换为加速度传感器、积分运算模块、第一无线数传模块的额定电压，电池充放电保护芯片在锂电池充电和放电时保护电池，防止过充和过放损害锂电池；

所述第二供电模块里的电源转换芯片将锂电池的电压转换为第二无线数传模块、信息处理模块、液晶显示模块、参数保存模块、声光报警模块的额定电压，电池充放电保护芯片在锂电池充电和放电时保护电池，防止过充和过放损害锂电池。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)通过在被吊装构件的基准平面上安装无线倾角仪，实时测量被吊装构件的姿态，并显示在手持式显示主机上，为吊装指挥人员提供参考；

(2)预先设定危险的姿态角度，在实测角度与危险的姿态角度之差小于阈值时，通过声光报警的方式提示吊装指挥人员，采取相应措施，避免发生安全事故；

(3)无线倾角传感器安装简单，无需更改被吊装构件的结构，而且整个系统使用方便，不会对吊装作业过程产生影响，系统稳定，不会受现场环境影响。

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为本发明一实施例的无线倾角仪的安装示意图；

图1中：无线倾角仪100，永磁铁101，被吊装构件200，被吊装构件的基准平面201；

图2为本发明一实施例的无线倾角仪的结构示意图；

图2中：加速度传感器1，积分运算模块2，无线数传模块3，供电模块4；

图3为本发明一实施例的手持式显示主机的结构示意图；

图3中：无线数传模块5，信息处理模块6，液晶显示模块7，参数保存模块8，声光报警模块9，供电模块10。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。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。

如图1所示，本实施例提供一种大部件吊装姿态监控系统，包括无线倾角仪100，所述无线倾角仪100由无线倾角传感器和手持式显示主机组成；使用时无线倾角传感器通过永磁铁101吸附安装在被吊装构件的基准平面201上，保证加速度传感器1始终与被吊装构件的基准平面201同步运动，测量被吊装构件的基准平面201与水平方向的夹角。

如图2所示，所述无线倾角传感器包括：加速度传感器1、积分运算模块2、无线数传模块3、供电模块4，其中：加速度传感器1与被吊装构件保持同步运动，实时测量被吊装构件的加速度信息并传递给积分运算模块2；积分运算模块2对加速度数据进行积分运算以得到角度信息，并通过串口传输给无线数传模块3；无线数传模块3将角度数据信息调制为无线信号并通过天线无线发送给所述手持式显示主机；无线倾角传感器的各组成模块，包括加速度传感器1、积分运算模块2、无线数传模块3均由供电模块4供电运行。

如图3所示，所述手持式显示主机包括：无线数传模块5、信息处理模块6、液晶显示模块7、参数保存模块8、声光报警模块9、供电模块10，其中：无线数传模块5接收无线数传模块3发送的无线信号，解调后得到角度信息并传送给信息处理模块6；信息处理模块6对角度信息简单处理后通过液晶显示模块7将角度信息显示出来，同时计算实测角度与预设报警角度值的差值并进行对比，一旦差值小于阈值时通过I/O口控制声光报警模块9进行声光警报；参数保存模块8与信息处理模块6进行信息传递并保存数据信息；手持式显示主机的各组成模块，包括无线数传模块5、信息处理模块6、液晶显示模块7、参数保存模块8、声光报警模块9均由供电模块10供电运行。

本实施例中，所述加速度传感器1包括6轴陀螺加速度计和第一IIC接口，其中：所述6轴陀螺加速度计能准确追踪快速与慢速动作，并通过最高至400kHz的所述IIC接口以数字输出旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据给积分运算模块2。

作为一优选的实施方式，所述的加速度传感器1选择MPU6050型6轴运动处理传感器，MPU6050传感器是Invensense公司开发的一款整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间，以数字输出6轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据。具有131LSBs/°/sec敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec的3轴角速度感测器(陀螺仪)。可程序控制，且程序控制范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速度计，通过最高至400kHz的IIC接口传输数据。

本实施例中，所述的积分运算模块2包括IIC接口、TTL串口和微处理器，其中：所述微处理器通过IIC接口读取所述加速度传感器1的信息，通过积分运算和动态卡尔曼滤波算法解算出到稳定的角度数据，最后通过TTL串口将得到的角度数据发送至无线数传模块3。

作为一优选的实施方式，所述的积分运算模块2选择STM8S103K3型MCU，其特点是具备高达400kHz的IIC接口，可调整的内部16MHz时钟，1Kbit的RAM，TTL串口，可以与加速度传感器1配合使用。

本实施例中，所述的无线数传模块3包括TTL串口、天线和射频芯片，其中：所述射频芯片通过TTL串口接收积分运算模块2的TTL串口发送的角度数据，并将接收到的角度数据调制为无线信号后通过天线发出。

作为一优选的实施方式，所述的无线数传模块3选择云然科技CC1101型无线串口模块，其特点是通过433MHZ无线信号传输信息，频率低，抗干扰性、穿透能力强，有效传输距离可达200米。

作为一优选的实施方式，所述的供电模块4包括锂电池和电池充放电保护芯片，其中：所述锂电池的供电电压为3.7V，满足加速度传感器1、积分运算模块2、无线数传模块3的供电要求；所述电池充放电保护芯片在充电和放电时保护锂电池，防止过充和过放损害锂电池。

作为一优选的实施方式，所述的无线数传模块5与无线数传模块3采用相同的云然科技CC1101型无线串口模块，包括TTL串口、天线和射频芯片，其中：所述射频芯片通过天线接收无线信号，解调后将数据通过TTL串口发送至信息处理模块6。

本实施例中，所述的信息处理模块6为微控制器，包括TTL串口、I/O口，其中：所述微控制器通过TTL串口接收无线数传模块5发送的角度数据，经过简单处理后得出实际角度，通过I/O口控制液晶显示模块7显示角度数据，同时通过I/O口读取预设角度报警值，将实测角度数据与预设角度报警值进行对比，一旦实测的角度与预设角度报警值的差值小于阈值，则通过I/O口控制声光报警模块9发送警报。

作为一优选的实施方式，所述的信息处理模块6选择宏晶科技生产的STC12C5A60S2型MCU，其特点是单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051，其I/O口与液晶显示模块7、参数保存模块8、声光报警模块9兼容，并且具备1280字节RAM、60kb flash ROM，可以通过串口直接下载用户程序。

本实施例中，所述的液晶显示模块7包含大尺寸液晶显示屏、显示控制器和I/O口，其中：显示控制器通过I/O口接收信息处理模块6发出的显示控制指令，控制大尺寸液晶显示屏显示相应信息。

作为一优选的实施方式，所述的液晶显示模块7选择川航电子科技有限公司研发的CH160128A型LCD显示模块，其显示区域为101.0x 82.0mm，由点阵式液晶图形显示控制芯片T6963C主控，数据接口为80系列8位数据总线接口，响应迅速，抗干扰性能强。

本实施例中，所述的参数保存模块8包含数据存储器和I/O口，其中：数据存储器通过I/O口与信息处理模块6进行信息传递，并在关闭电源的情况下也能保存数据。

作为一优选的实施方式，所述的参数保存模块8选择DALLAS公司推出的DS1302型涓流充电时钟芯片，包括一个实时时钟/日历和31字节静态数据存储，通过简单的串行接口与单片机进行通信，在手持式显示主机关闭电源后，通过纽扣电池供电，保持时间运行和数据信息，并且保持数据和时钟信息时功率小于1mW。

作为一优选的实施方式，所述的声光报警模块9包括蜂鸣器和红色LED，通过三极管与信息处理模块6的I/O口连接，当信息处理模块6通过计算得出实测的角度与预设报警值的差值小于阈值时，通过I/O控制蜂鸣器蜂鸣，红色LED闪烁，引起吊装作业指挥人员注意。

作为一优选的实施方式，所述的供电模块10包括镍氢电池组、电池充放电保护芯片、稳压芯片，其中：镍氢电池组的供电电压为5V，满足无线数传模块5、信息处理模块6、液晶显示模块7、参数保存模块8、声光报警模块9的供电要求；稳压芯片保证镍氢电池组的电压发生变化时整个系统的供电电压稳定不变；电池充放电保护芯片在充电和放电时保护镍氢电池组，防止过充和过放损害镍氢电池组。

本实施例所述系统充分考虑了吊装作业现场的复杂环境，吊装作业过程对被吊装构件姿态监测的需求，实现了吊装作业过程中对构件姿态角度的实时测量显示，并且对危险姿态提前报警的功能，提高了吊装作业效率，保证吊装作业过程的安全进行。

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 (8)

1.一种大部件吊装姿态监控系统，其特征在于，包括无线倾角仪，所述无线倾角仪由无线倾角传感器和手持式显示主机组成；

所述无线倾角传感器包括：加速度传感器、积分运算模块、第一无线数传模块、第一供电模块，其中：加速度传感器用于实时采集被吊装构件的加速度数据并传递给积分运算模块；积分运算模块用于对加速度数据进行积分运算以得到角度数据并传输给第一无线数传模块；第一无线数传模块用于将角度数据信息转换为无线信号并无线发送给手持式显示主机；加速度传感器、积分运算模块、第一无线数传模块由第一供电模块供电运行；所述无线倾角传感器通过永磁铁吸附安装在被吊装构件的基准平面上，保证加速度传感器始终与被吊装构件的基准平面同步运动，测量被吊装构件的基准平面与水平方向的夹角；

所述手持式显示主机包括：第二无线数传模块、信息处理模块、液晶显示模块、参数保存模块、声光报警模块、第二供电模块，其中：第二无线数传模块用于接收无线倾角传感器中的第一无线数传模块发送的无线信号，解调后得到角度信息并传送给信息处理模块；信息处理模块用于对角度信息简单处理后通过液晶显示模块将角度信息显示出来，同时计算实测角度与预设报警角度值的差值并进行对比，一旦差值小于阈值时通过声光报警模块进行声光警报；参数保存模块用于与信息处理模块进行信息传递并保存数据信息；第二无线数传模块、信息处理模块、液晶显示模块、参数保存模块、声光报警模块由第二供电模块供电运行。

2.根据权利要求1所述的一种大部件吊装姿态监控系统，其特征在于，所述的加速度传感器包括6轴陀螺加速度计和第一IIC接口，其中：所述6轴陀螺加速度计用于准确追踪快速与慢速动作，并通过最高至400kHz的第一IIC接口以数字输出旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据给积分运算模块。

3.根据权利要求1所述的一种大部件吊装姿态监控系统，其特征在于，所述的积分运算模块包括第二IIC接口、第一TTL串口和微处理器，其中：所述微处理器通过第二IIC接口读取加速度传感器的信息，通过积分运算和动态卡尔曼滤波算法解算出角度数据，最后通过第一TTL串口将得到的角度数据发送至第一无线数传模块。

4.根据权利要求1所述的一种大部件吊装姿态监控系统，其特征在于，所述的第一无线数传模块包括第二TTL串口、第一天线和第一射频芯片，所述的第二无线数传模块包括第三TTL串口、第二天线和第二射频芯片，其中：所述第一射频芯片通过第二TTL串口接收第一TTL串口发送的角度数据，并将接收到的角度数据调制为无线信号后通过第一天线发出给第二天线；所述第二射频芯片通过第二天线接收第一天线发送的无线信号，解调后将数据输出至第三TTL串口。

5.根据权利要求1所述的一种大部件吊装姿态监控系统，其特征在于，所述的信息处理模块为微控制器，包括第四TTL串口、第一I/O口，其中：所述微控制器通过第四TTL串口接收第二无线数传模块经第三TTL串口发送的角度数据，经过简单处理后得出实际角度，通过第一I/O口控制液晶显示模块显示角度数据，同时通过第一I/O口读取预设角度报警值，并将实测角度数据与预设角度报警值进行对比，一旦实测角度数据与预设角度报警值的差值小于阈值，则通过第一I/O口控制声光报警模块发送警报。

6.根据权利要求1所述的一种大部件吊装姿态监控系统，其特征在于，所述的液晶显示模块包含大尺寸液晶显示屏、显示控制器和第二I/O口，其中：所述显示控制器通过第二I/O口接收信息处理模块发出的显示控制指令，控制大尺寸液晶显示屏显示相应信息。

7.根据权利要求1所述的一种大部件吊装姿态监控系统，其特征在于，所述的参数保存模块包含数据存储器和第三I/O口，其中：所述数据存储器通过第三I/O口与信息处理模块进行信息传递，并在关闭电源的情况下也能保存数据。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种大部件吊装姿态监控系统，其特征在于，所述的第一供电模块、第二供电模块均包括锂电池、电池充放电保护芯片和电源转换芯片，其中：

所述第一供电模块里的电源转换芯片将锂电池的电压转换为加速度传感器、积分运算模块、第一无线数传模块的额定电压，电池充放电保护芯片在锂电池充电和放电时保护电池，防止过充和过放损害锂电池；

所述第二供电模块里的电源转换芯片将锂电池的电压转换为第二无线数传模块、信息处理模块、液晶显示模块、参数保存模块、声光报警模块的额定电压，电池充放电保护芯片在锂电池充电和放电时保护电池，防止过充和过放损害锂电池。