CN105197800B - 基于uwb的起重机无线定位控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及起重机控制领域，涉及一种基于UWB的起重机无线定位控制系统及方法。该方法通过无线标签、无线传感器以及起重机控制器的联合作用，解决了当前起重机定位控制时面临的精度较低、施工难、成本高以及长时间使用性能差的问题。

Description

基于UWB的起重机无线定位控制系统及方法

技术领域

本发明涉及起重机控制领域，采用超宽带无线技术(即UWB技术)，检测行车的位置信息，实现起重机的无线定位。

背景技术

在工业现场，起重机被广泛的应用于调度的生产作业当中，然而在起重机运输过程中，重物的摆动以及人工操作目标位置不准确，使得工作效率很低，安全性也无法保证。所以，起重机自动定位系统解决了上述问题，能够自动消除摆动，自动精确定位，无需人工操作来回运行寻找目标位置点。起重机自动定位系统离不开位置传感器，市面上位置传感器多种多样，不是每一种都适合起重机定位系统。

目前，起重机采用的位置传感器一般分为四种，一种为旋转编码器，使用旋转编码器进行定位时，旋转编码器需要安装在起重机上各执行机构的旋转部位，这样就可能出现打滑现象，从而导致累计误差，从而会引起测量偏差，导致定位精度降低。

另外两种传感器分别为：激光传感器和条码传感器，这样形式虽然避免了打滑带来的测量误差，但是这样种传感器的适应性不强，在一些工况比较差的地方，这两种传感器会也会出现测量偏差，导致定位精度降低。

最后一种是位置标尺，例如格雷母线，此传感器环境适应性强， 但是位置精度较差，并且成本很高，此传感器需要重新铺设轨道，每一米都需要支架固定，施工困难，成本高，适应性较差。

发明内容

为解决背景技术中关于起重机定位精度较低、施工难、成本高以及长时间使用性能差的问题，本发明提出一种定位精度高、适应性强、安装简单方便且运算过程简单的基于UWB的起重机无线定位控制系统及方法。

本发明解决技术问题的具体技术方案是：

本发明提出了一种基于UWB的起重机无线定位控制系统，包括无线操作手柄、触摸屏以及起重机智能控制器；所述无线操作手柄与起重机智能控制器无线通讯；

其改进之处是：还包括用于测量起重机大车位置值的起重机大车位置检测装置，用于测量起重机小车位置值的起重机小车位置检测装置，用于测量起重机主吊钩位置值的主吊钩位置检测装置，用于测量起重机副吊钩位置值的副吊钩位置检测装置；

所述起重机大车位置检测装置包括粘贴在起重机的大车上的第一无线标签以及安装在起重机的大车行进轨道的端部的第一无线传感器；

所述起重机小车位置检测装置包括粘贴在起重机的小车上的第二无线标签以及安装在起重机的小车行进轨道的端部的第二无线传感器；

所述主吊钩位置检测装置包括粘贴在起重机的主吊钩上的第三 无线标签以及安装在起重机的底部的第三无线传感器；

所述副吊钩位置检测装置包括粘贴在起重机的副吊钩上的第四无线标签以及安装在起重机的底部的第四无线传感器；

所述触摸屏与起重机智能控制器连接用于配置起重机智能控制器的参数；所述参数包括重物的重量、重物的当前位置点三维坐标值、目标位置点三维坐标值和起重机的行走路径；

所述起重机智能控制器用于分别接收起重机大车位置检测装置检测的起重机大车位置值、起重机小车车位置检测装置检测的起重机小车位置值以及主吊钩位置检测装置检测的主吊钩位置值或者副吊钩位置检测装置检测的副吊钩位置值并结合触摸屏设置的参数控制起重机的大车变频器、小车变频器、以及主吊钩变频器或者副吊钩变频器运行。

上述触摸屏包括通过线缆与起重机智能控制器连接的本地触摸屏或者通过无线网络与起重机智能控制器连接的远程触摸屏。

上述参数还包括起重机的大车、小车、主吊钩和副吊钩的速度。

根据上述系统，现提出一种基于UWB技术的起重机无线定位控制方法，包括以下步骤：

1)系统初始准备；

A、分别在起重机的大车、小车、主吊钩、副吊钩粘贴第一无线标签、第二无线标签、第三无线标签、第四无线标签，同时分别在起重机大车的行进轨道端部安装第一无线传感器、起重机小车的行进轨道端部安装第二无线传感器、起重机小车的底部安装第三无线传感器 和第四无线传感器；

B、系统上电，直接采用触摸屏对起重机智能控制器进行参数配置；所述参数包括重物的重量、重物的当前位置点坐标(X0,Y0,Z0)和目标位置点坐标(X3,Y3,Z3)、起重机行走路径；

2)通过UWB技术对起重机主吊钩以及副吊钩的当前位置三维坐标值进行定位；

2.1)通过第一无线传感器检测粘贴在起重机的大车的第一无线标签获取起重机大车位置值X1，通过第二无线传感器检测粘贴在起重机的小车的第二无线标签获取起重机小车位置值Y1，通过第三无线传感器检测粘贴在起重机的主吊钩的第三无线标签获取起重机主吊钩位置值Z1，或者通过第四无线传感器检测粘贴在起重机的副吊钩上第四无线标签获取起重机副吊钩位置值Z1’；

2.2)第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器或者第四无线传感器分别将X1、Y1、Z1或者Z1’发送给起重机智能控制器，起重机智能控制器获得了主吊钩当前位置的三维坐标值为(X1，Y1，Z1)或者副吊钩当前位置的三维坐标值为(X1，Y1，Z1’)；

3)系统控制起重机运行；

3.1)起重机智能控制器通过步骤1)中设置的重物的重量以及起重机主吊钩和副吊钩的承载临界值判断采用主吊钩工作或者副吊钩工作；

3.2)若选定主吊钩工作，起重机智能控制器根据主吊钩的三维坐标值(X1，Y1,Z1)、步骤1)中设置重物的当前位置点坐标(X0,Y0,Z0) 以及重物目标位置点的三维坐标值(X3,Y3,Z3)控制起重机的主吊钩变频器、大车变频器、小车变频器工作，从而完成重物的起吊工作；

若选定副吊钩工作，起重机智能控制器根据副吊钩的三维坐标值(X1，Y1，Z1’)、步骤1)中设置重物的当前位置点坐标(X0,Y0,Z0)以及重物目标位置点的三维坐标值(X3,Y3,Z3)控制起重机的副吊钩变频器、大车变频器、小车变频器工作，从而完成重物的起吊工作。

上述方法中所述的参数还包括起重机的大车、小车、主吊钩和副吊钩的速度。

本发明的优点在于：

1、本发明无线定位技术运用于起重机作业时的定位和控制系统，使系统安装简单、灵活，并且定位精度高，不会受到外界环境干扰。

2、本发明采用无线标签和无线传感器一一对应获取分别获取大车、小车、吊钩位置值的方法最终获得主吊钩或副吊钩的三维坐标值，去掉了UWB技术中位置计算基站，减少了预算过程，大大提高了工作效率。

3、本发明的系统中利用了无线网络，安装了远程触摸屏，实现了系统的远程控制。

附图说明

图1为本发明系统的结构简图；

图2为本发明无线标签和无线传感器的安装主视图；

图3为本发明无线标签和无线传感器的安装俯视图；

1-无线操作手柄、2-触摸屏 3-起重机智能控制器、4-第一无线标 签、5-第一无线传感器、6-第二无线标签、7-第二无线传感器、8-第三无线标签、9第三无线传感器、10-第四无线标签、11-第四无线传感器、12-大车变频器、13-小车变频器、14-主吊钩变频器、15-副吊钩变频器、16-大车行进轨道、17-小车行进轨道、18-主吊钩、19-副吊钩。

具体实施方式

UWB技术是一种基于超宽带无线技术，此技术使起重机的定位和控制变得简单、灵活，也有效地简化了系统的设计。此方案实际也是采用了UWB技术，并对该技术作了进一步的简化，通过对起重机的大车、小车、主吊钩和副吊钩的位置进行实时测量，不仅实现了起重机的精确定位，快速平稳运行之外还去掉了UWB技术中的位置计算基站从而减少了获取吊钩坐标值的运算过程，从而不仅提高了生产的安全性，而且大大提高了工作效率。该基于UWB技术的起重机无线定位系统总体控制方案如图1所示：

该系统的布局和各个部件的功能如下：

该系统包括无线操作手柄1、触摸屏2以及起重机智能控制器3、用于测量起重机大车位置值的起重机大车位置检测装置，用于测量起重机小车位置值的起重机小车位置检测装置，用于测量起重机主吊钩位置值的主吊钩位置检测装置，用于测量起重机副吊钩位置值的副吊钩位置检测装置；无线操作手柄1与起重机智能控制器3无线通讯，用于实时的控制起重机的运行；

如图2和图3所示，起重机大车位置检测装置包括粘贴在起重机 的大车上的第一无线标签4以及安装在起重机的大车行进轨道16的端部的第一无线传感器5；

起重机小车位置检测装置包括粘贴在起重机的小车上的第二无线标签6以及安装在起重机的小车行进轨道17的端部的第二无线传感器7；

主吊钩位置检测装置包括粘贴在起重机的主吊钩18上的第三无线标签8以及安装在起重机的底部的第三无线传感器9；

副吊钩位置检测装置包括粘贴在起重机的副吊钩19上的第四无线标签10以及安装在起重机的底部的第四无线传感器11；

触摸屏1与起重机智能控制器3连接用于配置起重机智能控制器的参数；参数包括重物的重量、重物的当前位置点三维坐标值、目标位置点三维坐标值、起重机的行走路径以及起重机的大车、小车、主吊钩和副吊钩的速度；

起重机智能控制器3用于分别接收起重机大车位置检测装置检测的起重机大车位置值、起重机小车车位置检测装置检测的起重机小车位置值以及主吊钩位置检测装置检测的主吊钩位置值或者副吊钩位置检测装置检测的副吊钩位置值并结合触摸屏设置的参数控制起重机的大车变频器12、小车变频器13、以及主吊钩变频器14或者副吊钩变频器15运行。

其中，起重机智能控制器包括以下功能模块：

起重机智能控制器包括输入端子，输出端子，RS485通讯模块，RS232通讯模块，CAN通讯模块，GPRS无线模块，存储模块，数字信 号处理单元；

输入端子模块主要用于接入无线操作手柄的起重机启动/停止信号、触摸屏输入的起重机启动/停止信号、手动自动切换信号以及限位开关输入的限位开关信号；

输出端子模块主要用于接指示灯、蜂鸣器的开关信号，开关信号包括运行指示，停机指示，故障指示，限位指示；

RS485通讯模块主要与触摸屏通讯，读取或者写入触摸屏显示的数据；显示的数据都包括包括实时监控信息、启动起重机运行的三维坐标值显示，运行速度显示、故障与告警信息：变频器故障、传感器故障；

RS232通讯模块用于接收第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器以及第四无线传感器的大车、小车、主吊钩和副吊钩的位置值；

CAN通讯模块分别与控制起重机大车、小车、主吊钩和副吊钩运行的变频器连接，用于控制变频器的启动/停止；

数据存储模块主要用来存储起重机的参数；

数字信号处理单元将分别接收无线操作手柄的起重机启动/停止信号或触摸屏输入的起重机启动/停止信号并结合第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器或者第四无线传感器传输的起重机大车位置值、起重机小车位置值、主吊钩位置值或者副吊钩位置值后对主吊钩变频器、副吊钩变频器、大车变频器、小车变频器进行控制。

此处需要说明的是：UWB技术的每个无线标签都有唯一的、不重 复的ID号，因此每一个贴有无线标签的设备都是唯一的。

其中，触摸屏1除了上述设置起重机智能控制器参数的功能外还可实现启动、停止系统，监控系统的运行状态，系统故障及故障查询功能。为了实现了系统的远程控制，该系统该利用了无线网络技术，在起重机智能控制器内安装了GPRS无线通讯模块，实现了系统的远程控制。

根据上述系统，现介绍该系统的定位控制方法：具体步骤是：

步骤1)系统初始准备；

A、分别在起重机的大车、小车、主吊钩、副吊钩粘贴第一无线标签、第二无线标签、第三无线标签、第四无线标签，同时分别在起重机大车的行进轨道端部安装第一无线传感器、起重机小车的行进轨道端部安装第二无线传感器、起重机小车的底部安装第三无线传感器和第四无线传感器；

B、系统上电，直接采用触摸屏对起重机智能控制器进行参数配置；所述参数包括重物的重量、重物的当前位置点坐标(X0,Y0,Z0)和目标位置点坐标(X3,Y3,Z3)、起重机行走路径；

步骤2)通过UWB技术对起重机主吊钩以及副吊钩的当前位置三维坐标值进行定位；

步骤2.1)通过第一无线传感器检测粘贴在起重机的大车的第一无线标签获取起重机大车位置值X1，通过第二无线传感器检测粘贴在起重机的小车的第二无线标签获取起重机小车位置值Y1，通过第三无线传感器检测粘贴在起重机的主吊钩的第三无线标签获取起重 机主吊钩位置值Z1，或者通过第四无线传感器检测粘贴在起重机的副吊钩上第四无线标签获取起重机副吊钩位置值Z1’；

步骤2.2)第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器或者第四无线传感器分别将X1、Y1、Z1或者Z1’发送给起重机智能控制器，起重机智能控制器获得了主吊钩当前位置的三维坐标值为(X1，Y1，Z1)或者副吊钩当前位置的三维坐标值为(X1，Y1，Z1’)；

步骤3)系统控制起重机运行；

步骤3.1)起重机智能控制器通过步骤1)中设置的重物的重量以及起重机主吊钩和副吊钩的承载临界值判断采用主吊钩工作或者副吊钩工作；

步骤3.2)若选定主吊钩工作，起重机智能控制器根据主吊钩的三维坐标值(X1，Y1,Z1)、步骤1)中设置重物的当前位置点坐标(X0,Y0,Z0)以及重物目标位置点的三维坐标值(X3,Y3,Z3)控制起重机的主吊钩变频器、大车变频器、小车变频器工作，从而完成重物的起吊工作；

若选定副吊钩工作，起重机智能控制器根据副吊钩的三维坐标值(X1，Y1，Z1’)、步骤1)中设置重物的当前位置点坐标(X0,Y0,Z0)以及重物目标位置点的三维坐标值(X3,Y3,Z3)控制起重机的副吊钩变频器、大车变频器、小车变频器工作，从而完成重物的起吊工作。

此处需要强调的是：本申请文件中所说的无线定位方法，是UWB技术中的现有技术，此方法在无线定位领域中有4种，包括基于场强测量定位方法(RSSI)、基于传播时间测量定位(TOA,DTOA)、基于信 号到达角度测量定位(AOA)、还有以上方法组合使用。目前使用较多的是组合方法，每一种方法都有其优点与缺点，组合使用可以扬长避短，提高测量精度。

另外，整个系统控制起重机运行的过程中都使用到了专利号为CN101024471公开的名为一种具有防摇功能的桥式起重机控制装置中公开的防摇摆技术，该技术的运用能够有效的防止起重机在运行过程中吊绳的摆动，使起吊工作更加平稳。

Claims (5)

1.一种基于UWB的起重机无线定位控制系统，包括无线操作手柄、触摸屏以及起重机智能控制器；所述无线操作手柄与起重机智能控制器无线通讯；

其特征在于：还包括用于测量起重机大车位置值的起重机大车位置检测装置，用于测量起重机小车位置值的起重机小车位置检测装置，用于测量起重机主吊钩位置值的主吊钩位置检测装置，用于测量起重机副吊钩位置值的副吊钩位置检测装置；

所述起重机大车位置检测装置包括粘贴在起重机的大车上的第一无线标签以及安装在起重机的大车行进轨道的端部的第一无线传感器；

所述起重机小车位置检测装置包括粘贴在起重机的小车上的第二无线标签以及安装在起重机的小车行进轨道的端部的第二无线传感器；

所述主吊钩位置检测装置包括粘贴在起重机的主吊钩上的第三无线标签以及安装在起重机的底部的第三无线传感器；

所述副吊钩位置检测装置包括粘贴在起重机的副吊钩上的第四无线标签以及安装在起重机的底部的第四无线传感器；

所述触摸屏与起重机智能控制器连接用于配置起重机智能控制器的参数；所述参数包括重物的重量、重物的当前位置点三维坐标值、目标位置点三维坐标值和起重机的行走路径；

所述起重机智能控制器用于分别接收起重机大车位置检测装置检测的起重机大车位置值、起重机小车车位置检测装置检测的起重机小车位置值以及主吊钩位置检测装置检测的主吊钩位置值或者副吊钩位置检测装置检测的副吊钩位置值并结合触摸屏设置的参数控制起重机的大车变频器、小车变频器、以及主吊钩变频器或者副吊钩变频器运行。

2.根据权利要求1所述的基于UWB的起重机无线定位控制系统，其特征在于：所述触摸屏包括通过线缆与起重机智能控制器连接的本地触摸屏或者通过无线网络与起重机智能控制器连接的远程触摸屏。

3.根据权利要求1所述的基于UWB的起重机无线定位控制系统，其特征在于：所述参数还包括起重机的大车、小车、主吊钩和副吊钩的速度。

4.一种基于UWB的起重机无线定位控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)系统初始准备；

A、分别在起重机的大车、小车、主吊钩、副吊钩粘贴第一无线标签、第二无线标签、第三无线标签、第四无线标签，同时分别在起重机大车的行进轨道端部安装第一无线传感器、起重机小车的行进轨道端部安装第二无线传感器、起重机小车的底部安装第三无线传感器和第四无线传感器；

B、系统上电，直接采用触摸屏对起重机智能控制器进行参数配置；所述参数包括重物的重量、重物的当前位置点坐标(X0,Y0,Z0)和目标位置点坐标(X3,Y3,Z3)、起重机行走路径；

2)通过UWB技术对起重机主吊钩以及副吊钩的当前位置三维坐标值进行定位；

2.1)通过第一无线传感器检测粘贴在起重机的大车的第一无线标签获取起重机大车位置值X1，通过第二无线传感器检测粘贴在起重机的小车的第二无线标签获取起重机小车位置值Y1，通过第三无线传感器检测粘贴在起重机的主吊钩的第三无线标签获取起重机主吊钩位置值Z1，或者通过第四无线传感器检测粘贴在起重机的副吊钩上第四无线标签获取起重机副吊钩位置值Z1’；

2.2)第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器或者第四无线传感器分别将X1、Y1、Z1或者Z1’发送给起重机智能控制器，起重机智能控制器获得了主吊钩当前位置的三维坐标值为(X1，Y1，Z1)或者副吊钩当前位置的三维坐标值为(X1，Y1，Z1’)；

3)系统控制起重机运行；

3.1)起重机智能控制器通过步骤1)中设置的重物的重量以及起重机主吊钩和副吊钩的承载临界值判断采用主吊钩工作或者副吊钩工作；

3.2)若选定主吊钩工作，起重机智能控制器根据主吊钩的三维坐标值(X1，Y1,Z1)、步骤1)中设置重物的当前位置点坐标(X0,Y0,Z0)以及重物目标位置点的三维坐标值(X3,Y3,Z3)控制起重机的主吊钩变频器、大车变频器、小车变频器工作，从而完成重物的起吊工作；

若选定副吊钩工作，起重机智能控制器根据副吊钩的三维坐标值(X1，Y1，Z1’)、步骤1)中设置重物的当前位置点坐标(X0,Y0,Z0)以及重物目标位置点的三维坐标值(X3,Y3,Z3)控制起重机的副吊钩变频器、大车变频器、小车变频器工作，从而完成重物的起吊工作。

5.根据权利要求4所述的基于UWB技术的起重机无线定位控制方法，其特征在于：所述参数还包括起重机的大车、小车、主吊钩和副吊钩的速度。