CN105347181A - 一种自动吊钩系统 - Google Patents

Abstract

一种自动吊钩系统。该系统包括：吊钩工作执行单元(1)，用于执行吊钩作业；吊钩信息检测单元(16)，用于检测系统信息；系统控制单元(32)，用于控制吊钩系统工作；人机交互操作单元(44)，用于系统的人机交互操作；以及吊钩壳体单元(49)，用于吊钩的外部支撑。包括：一种自动吊钩装置，完成吊钩基本操作功能；传感设备采集吊钩工作场景信息，返回给吊车控制人员，实时跟踪作业情况；系统控制器根据负载质量信息，做出吊钩控制动作，自动完成吊钩的无人化作业。本发明解决了传统吊钩无法实现自动化操作的技术问题，可用在危险复杂环境，安全性能高，便于制造、安装、拆卸以及维护。

Description

一种自动吊钩系统

技术领域

本发明属于工程机械技术领域，具体涉及一种面向起重设备应用的自动吊钩系统。

背景技术

考虑到各国现有吊车的控制基本均由人工进行操纵，由监控人员发现潜在的碰撞危险，通过紧急制动按钮来实现吊车的紧急制动。但是，这种紧急制动策略取决于监控人员的判断时机，实时性达不到，极易发生碰撞，危险性高，人工操作吊钩导致起重作业效率低下而且容易造成人员伤亡、财产损失等事故，需要提高起重工作效率和设备的安全操作性。此外，对于一些复杂危险环境，尤其需要一种自动吊钩系统完成无人化作业。

对于吊钩的自动控制，现有技术中CN200620074386.1号和CN201210453074.1号专利[1-2]采用了纯机械方式或者简单的机电方式实现对吊钩的半自动控制，在一定程度上，提高了起重系统的自动化水平。然而，现有的技术实际的自动吊钩系统只是一种简单的开环控制系统，并不能够真正的实现一种完全的自动化吊钩系统，也不能对实际工作实施有效监测和控制，无法保证吊钩工作的可靠性和安全性，对于实际应用并无太大意义。

发明内容

本发明的目的是解决如何有效地提高起重机吊钩的安全操作性以及起重工作效率的问题，提供一种面向工程机械领域的自动吊钩系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自动吊钩系统，该系统的主要功能是：完成吊钩基本操作功能；根据实时监测的负载质量信息，做出特定的吊钩控制动作，自动完成吊钩的无人化作业；摄像机和传感设备采集吊钩工作场景的信息，实时返回给吊车控制人员，实现对吊钩自动化作业系统的有效安全监控，实时跟踪作业情况；实时判断负载的质量信息以及负载与障碍物是否发生碰撞，返回吊钩的信息给行车控制器，对吊车运动性能进行实时优化控制。

本发明提供的自动吊钩系统共由吊钩工作执行单元(1)、吊钩信息检测单元(16)、系统控制单元(32)、人机交互操作单元(44)和吊钩壳体单元(49)五部分组成，吊钩工作执行单元设置在壳体单元底部；人机交互操作单元设置在壳体单元外侧，通过壳体内侧与系统控制单元连接；吊钩信息检测单元各部分设置在吊钩壳体单元的左侧、前侧和上方；系统控制单元通过导线与吊钩信息检测单元、人机交互操作单元和工作执行单元相连接，设置在壳体单元左侧板和前挡板内侧；其中：

第一部分、吊钩工作执行单元(1)：用于吊钩作业阶段的工作执行，包括安全闭锁模块(2)和吊钩作业模块(3)；

安全闭锁模块(2)，用于吊车起吊作业状态下的吊钩闭锁，以保证安全；

吊钩作业模块(3)，用于完成吊钩的正常起吊、落吊作业；

第二部分、吊钩信息检测单元(16)：用于吊钩工作信息的检测获取，包括负载质量检测模块(17)、吊钩状态检测模块(18)、视频图像采集模块(19)和环境特征监测模块(20)；

负载质量检测模块(17)，用于获取吊车作业所吊取负载的质量信息；

吊钩状态检测模块(18)，用于检测吊钩工作的状态和位置；

视频图像采集模块(19)，用于获取吊钩的实时图像信息；

环境特征监测模块(20)，用于监测吊钩工作的内外环境信息；

第三部分、系统控制单元(32)：用于控制自动吊钩系统安全有效的工作，由吊钩系统控制装置完成，包括电源控制模块(33)、系统主控模块(34)和无线接收模块(35)；

电源控制模块(33)，用于吊钩系统工作的供电；

系统主控模块(34)，用于吊钩系统功能的核心控制，完成信息检测、判断、处理以及任务执行功能；

无线接收模块(35)，用于实现人机交互操作单元(44)的无线控制；

第四部分、人机交互操作单元(44)：用于吊钩系统的人机交互操作，包括近距离无线发射模块(45)、系统信息显示模块(46)和远程操控模块(47)；

近距离无线发射模块(45)，用于发送终端控制指令到无线接收模块(48)，以便远程控制吊钩的工作状态；

系统信息显示模块(46)，用于系统信息的显示，包括吊钩信息检测单元(16)返回的图像视频、环境参数和负载信息；

远程操控模块(47)，用于在较远距离的情况下操控吊钩系统；

第五部分、吊钩壳体单元(49)：用于吊钩本体的外部支撑以及安全防护。

第五部分所述的吊钩壳体单元(49)，包括前挡板(50)、后挡板(51)、左侧板(52)、右侧板(53)、开放式上顶板(54)和下底板(60)，开放式上顶板中间设有用于连接吊绳穿过的上通孔(55)，该上顶板和下底板(60)分别与前挡板、后挡板、左侧板和右侧板固定连接组成半封闭的吊钩壳体，在吊钩壳体的右侧板(53)及下底板(60)的中间至交接处分别设有供吊钩旋转的开槽；吊钩壳体的外侧通过贯穿前挡板(50)和后挡板(51)的支撑转轴固定有一个U型转动支架(62)，吊钩壳体内部的支撑转轴上安装有两个固定支架(61)，形成吊钩壳体单元。

第一部分中所述的安全闭锁模块(2)位于吊钩槽口端，包括电磁铁(4)和安全锁片(5)，安全锁片(5)位于吊钩槽形开口内侧，安全锁片为一体式联动机构，通过锁片移动臂(57)与电磁铁(4)的滑杆相连接；电磁铁通电，通过推杆(65)驱动锁片移动臂，带动锁片转轴(63)转动，安全锁片(5)跟随转轴向吊钩槽口内侧转动，从而打开锁片，进行负载挂取操作；安全锁片移动臂上方设有拉伸弹簧(64)，拉伸弹簧与吊钩上臂内部连接，电磁铁工作时，拉伸弹簧处于拉伸状态，电磁铁断电时通过弹簧拉力使安全锁片复原；所述的吊钩作业模块(3)位于吊钩壳体单元内部的中心区域，包括吊钩(6)、执行电机(7)、工作状态指示灯(8)、模式选择开关(9)、齿轮组(10)、蜗轮(11)、支撑转轴(12)、联轴器(13)、蜗杆(14)和限位开关(15)，执行电机和蜗杆固定在吊钩壳体内部的固定支架(61)上，执行电机输出轴通过联轴器与蜗杆连接，电机、蜗轮与蜗杆之间连接构成一级传动；齿轮组的一级齿轮与吊钩固定安装在支撑转轴上，支撑转轴通过键连接驱动吊钩旋转，构成二级传动；一对限位开关分别位于吊钩壳体的侧立板开槽上端和下底板的开槽底端，限定吊钩的旋转区域，模式选择开关位于吊钩壳体上顶板，工作状态指示灯位于吊钩壳体单元的右侧板上方位置；所述模式选择开关包括手动、半自动和全自动三种工作模式。

第二部分中所述的负载质量检测模块(17)位于壳体上方，包括拉压力传感器(21)、检测工作电路模块(22)、吊环(23)和吊绳(24)，拉压力传感器位于吊钩壳体单元的上方区域，拉压力传感器的上端通过吊环与吊车普通吊钩或者吊绳相连接，下端通过吊环和吊绳与吊钩连接，同时通过导线与位于吊钩壳体单元左侧板内侧的检测工作电路模块(22)连接；

吊钩状态检测模块(18)位于吊钩与齿轮组连接位置的下方，包括倾角传感器(25)、陀螺仪传感器(26)、加速度计(27)和检测工作电路模块(28)，倾角传感器、陀螺仪传感器和加速度计设置在吊钩的位于下底板上方的位置，并通过导线与位于吊钩壳体单元前挡板内侧的检测工作电路模块(28)连接，检测吊钩运行状态信息，包括角度、、位置、速度、角速度、加速度和角加速度等，检测工作电路模块连接至系统主控模块(34)，实现吊钩状态检测；

视频图像采集模块(19)位于吊钩壳体外侧，包括检测工作电路模块(28)、摄像头(29)，所述摄像头安装在壳体外部的U型转动支架(62)封闭端中心位置上，U型转动支架跟随吊钩同步动作，获取吊钩的即时信息；

环境特征监测模块(20)位于壳体左侧板内部，包括化学传感器(30)和温湿度传感器(31)，化学传感器和温湿度传感器分别设置在左侧板上端位置，并通过通孔探出壳体。

第三部分中所述的电源控制模块(33)位于壳体单元上顶板和左侧板的上端位置，包括电源开关(36)、电源接口(37)、充电电池组(38)、电源指示灯(39)和电压转换模块(40)，电源开关和电源指示灯位于上顶板外侧，电源接口位于左侧板的上端，通过导线经左侧板开放通孔与电源指示灯、电压转换模块和充电电池组连接，电压转换模块和充电电池组固定设置在壳体单元上顶板的内侧，充电电池组采用不间断方式备份一组电源以防止出现电源安全问题；

无线接收模块(35)位于壳体单元前挡板内侧，包括天线(42)和无线接收器(43)，天线经通孔探出挡板，无线接收器通过导线与系统主控模块(34)相连接。

所述的系统主控模块(34)，由主控板(41)实现对吊钩系统的控制，包括自动吊钩算法、安全预警策略和滤波算法；其中，

自动吊钩算法，用于系统的核心功能控制实现，系统主控模块(34)通过第二部分吊钩信息监测单元中使用的拉压力传感器对负载的质量实时监测，当负载的质量发生规律性的变化时，每一种变化会对应一种工作状态，系统软件控制模块会实时自动进行识别，判断吊钩的负载实时状态，进而做出吊钩闭锁或者脱钩动作，并将吊钩负载信息实时返回给吊钩系统控制单元；控制流程：吊车控制人员控制吊钩的位置进入负载核心区域，吊钩系统的定位点与负载吊环的定位点水平偏差在吸引装置的吸引距离范围内时，可以校正吊钩定位点(58)与吊环定位点(59)保持在同一竖直位置上，无水平偏差；设M表示负载的质量，m表示质量的中间变化值，根据所挂负载的不同，参数m值不同，取m＝10％*M，数据波动率由软件滤波算法设置；质量数据由0变化到m时，数据稳定无较大幅度波动时，即数据波动率小于5％，系统控制器发出落钩指令，吊钩完成闭锁操作；空载状态变成挂载状态，待吊车操作人员提升负载；质量数据由m变化到M时，数据稳定无较大幅度波动时，系统控制器维持吊钩状态，吊车作业运行；挂载状态变成提升状态，待吊车操作人员提升负载到目标位置；质量数据由M变化到m时，数据稳定无较大幅度波动时，提升状态变成卸载状态，待数据稳定在m值，负载到达目标位置；质量数据由m变化到0时，数据稳定无较大幅度波动时，卸载状态变成空载状态，系统控制器发出脱钩指令，吊钩完成开锁操作，负载与吊钩分离，完成整个作业过程；

安全预警策略，用于系统监控吊钩所吊取的负载信息，实时对吊钩运行状态进行监控预警，包括四级工作策略；所述四级工作策略包括一级策略、二级策略、三级策略和四级策略；一级策略即为安全工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载小于或者等于额定负载的70％，系统主控模块(34)发出控制指令，执行一级策略，输出绿色信号；二级策略为黄色预警工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载在额定负载的70％到90％之间，系统主控模块(34)发出控制指令，执行二级策略，输出黄色信号；三级策略为橙色预警工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载在额定负载的90％到100％之间，系统主控模块(34)发出控制指令，执行三级策略，输出橙色信号；四级策略为红色预警工作模式，负载数据有明显波动，即数据波动率大于5％，或者实时负载大于额定负载，系统主控模块(34)发出控制指令，执行四级策略，输出红色报警信号，自动吊钩停止工作，并且返回给吊车停止作业信号；

滤波算法，用于对检测负载信息进行滤波处理，应用数字滤波算法提高系统采样数据的可靠性，可避免在临界值附近吊钩控制器的反复开/关跳动或状态显示器上数值抖动；应用消抖动滤波法，设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值等于当前有效值，则计数器清零；如果采样值不等于当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否大于等于计数器上限C＝3；如果计数器大于等于计数器上限C＝3表示溢出，则将本次值替换当前有效值，并清零计数器；应用加权递推平均滤波法，即不同时刻的数据对应不同的权值系数，越接近现时刻的数据，权值系数取得越大；给予新采样值的权系数越大，则系统工作灵敏度越高；把连续N个采样值看成一个队列，队列长度固定为N；每次采样到一个新数据放入队尾，并丢弃队首的一次数据；把队列中的N各数据进行加权平均运算，获得新的滤波结果:

$S=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}(a\[i\]*b\[i\])$

其中，S表示滤波结果，i表示采样时刻，N表示采样次数，a[i]代表i时刻消抖采样值，b[i]代表i时刻对应的权重系数。

本发明的优点和积极效果：

本发明基于工程实际需要，设计开发一种自动吊钩系统。系统中使用拉压力传感器对负载的质量实时监测，当负载的质量发生规律性的变化时，每一种变化会对应一种工作状态，系统软件控制模块会自动进行识别，做出相应的动作。同时，系统借助视觉传感以及环境监测传感模块辅助吊钩进行安全可靠的工作。实现吊钩无人化操作，无疑对安全、效率、精确性的提升有较大帮助，具有明显的优点与积极效果。

附图说明

图1是吊钩系统结构示意图；

图2是吊钩系统结构图；

图3是吊钩装置单元图；

图4是吊钩系统效果图；

图5是吊钩系统结构图；

图6是吊钩作业模块局部结构图；

图7是吊钩作业模块局部结构图；

图8是吊钩作业模块局部结构放大图；

图9是吊钩系统吊钩系统左视图；

图10是吊钩系统吊钩系统俯视图；

图11是吊钩开钩状态图；

图12是吊钩闭钩状态图；

图13是人机交互操作示意图；

图14是吊钩系统自动工作软件控制示意图；

图15是控制状态信息图；

图16是吊钩安全闭锁模块结构图。

图中，1吊钩工作执行单元，2安全闭锁模块，3吊钩作业模块，4电磁铁，5安全锁片，6吊钩，7执行电机，8工作状态指示灯，9模式选择开关，10齿轮组，11蜗轮，12支撑转轴，13联轴器，14蜗杆，15限位开关，16吊钩信息检测单元，17负载质量检测模块，18吊钩状态检测模块，19视频图像采集模块，20环境特征监测模块，21拉压力传感器，22检测工作电路模块，23连接吊环，24连接吊绳，25倾角传感器，26陀螺仪传感器，27加速度计，28检测工作电路模块，29摄像头，30化学传感器，31温湿度传感器，32系统控制单元，33电源控制模块，34系统主控模块，35无线接收模块，36电源开关，37电源接口，38充电电池组，39电源指示灯，40电压转换模块，41主控板，42天线，43无线接收器，44人机交互操作单元，45无线发射模块，46系统信息显示模块，47远程操控模块，48无线接收模块，49吊钩壳体单元，50前挡板，51后挡板，52左侧板，53右侧板，54开放式上顶板，55上通孔，56紧固通孔，57锁片移动臂，58吊钩定位点，59吊环定位点，60下底板，61固定支架，62转动支架，63锁片转轴，64拉伸弹簧，65推杆。

具体实施方式

实施例1：

1.本发明所涉及自动吊钩系统的结构如图1-9所示，该系统由吊钩工作执行单元(1)、吊钩信息检测单元(16)、系统控制单元(32)、人机交互操作单元(44)和吊钩壳体单元(49)五部分组成，其中：

第一部分、吊钩工作执行单元(1)：用于吊钩作业阶段的工作执行，包括安全闭锁模块(2)和吊钩作业模块(3)；

安全闭锁模块(2)，用于吊车起吊作业状态下的吊钩闭锁，以保证安全；

吊钩作业模块(3)，用于完成吊钩的正常起吊、落吊作业；

第二部分、吊钩信息检测单元(16)：用于吊钩工作信息的检测获取，包括负载质量检测模块(17)、吊钩状态检测模块(18)、视频图像采集模块(19)和环境特征监测模块(20)；

负载质量检测模块(17)，用于获取吊车作业所吊取负载的质量信息；

吊钩状态检测模块(18)，用于检测吊钩工作的状态和位置；

视频图像采集模块(19)，用于获取吊钩的实时图像信息；

环境特征监测模块(20)，用于监测吊钩工作的内外环境信息；

第三部分、系统控制单元(32)：用于控制自动吊钩系统安全有效的工作，由吊钩系统控制装置完成，包括电源控制模块(33)、系统主控模块(34)和无线接收模块(35)；

电源控制模块(33)，用于吊钩系统工作的供电；

系统主控模块(34)，用于吊钩系统功能的核心控制，完成信息检测、判断、处理以及任务执行功能；

无线接收模块(35)，用于实现人机交互操作单元(44)的无线控制，完成信息检测、判断、处理以及任务执行等功能，实现对吊钩系统的控制；

第四部分、人机交互操作单元(44)：用于吊钩系统的人机交互操作，包括近距离无线发射模块(45)、系统信息显示模块(46)和远程操控模块(47)；

近距离无线发射模块(45)，用于发送终端控制指令到无线接收模块(48)，以便远程控制吊钩的工作状态；人工手动控制吊钩系统遥控器，包括系统电源开关、开钩和闭钩按钮。

系统信息显示模块(46)，用于系统信息的显示，包括吊钩信息检测单元(16)返回的图像视频、环境参数和负载信息；

远程操控模块(47)，用于在较远距离的情况下操控吊钩系统；

第五部分、吊钩壳体单元(49)：用于吊钩本体的外部支撑以及安全防护。

第五部分所述的吊钩壳体单元(49)，包括前挡板(50)、后挡板(51)、左侧板(52)、右侧板(53)、开放式上顶板(54)和下底板(60)，开放式上顶板中间设有用于连接吊绳穿过的上通孔(55)，该上顶板和下底板(60)分别与前挡板、后挡板、左侧板和右侧板固定连接组成半封闭的吊钩壳体，在吊钩壳体的右侧板(53)及下底板(60)的中间至交接处分别设有供吊钩旋转的开槽；吊钩壳体的外侧通过贯穿前挡板(50)和后挡板(51)的支撑转轴固定有一个U型转动支架(62)，吊钩壳体内部的支撑转轴上安装有两个固定支架(61)，形成吊钩壳体单元。

第一部分中所述的安全闭锁模块(2)位于吊钩槽口端，包括电磁铁(4)和安全锁片(5)，安全锁片位于吊钩槽形开口内侧，安全锁片为一体式联动机构，通过锁片移动臂(57)与电磁铁(4)的滑杆相连接；电磁铁通电，通过推杆(65)驱动锁片移动臂，带动锁片转轴(63)转动，安全锁片(5)跟随转轴向吊钩槽口内侧转动，从而打开锁片，进行负载挂取操作；安全锁片移动臂上方设有拉伸弹簧(64)，拉伸弹簧与吊钩上臂内部连接，电磁铁工作时，拉伸弹簧处于拉伸状态，电磁铁断电时通过弹簧拉力使安全锁片复原；(参见图8和图16)；

所述的吊钩作业模块(3)位于吊钩壳体单元内部的中心区域，包括吊钩(6)、执行电机(7)、工作状态指示灯(8)、模式选择开关(9)、齿轮组(10)、蜗轮(11)、支撑转轴(12)、联轴器(13)、蜗杆(14)和限位开关(15)，执行电机和蜗杆固定在吊钩壳体内部的固定支架(61)上，执行电机输出轴通过联轴器与蜗杆连接，电机、蜗轮与蜗杆之间连接构成一级传动；齿轮组的一级齿轮与吊钩固定安装在支撑转轴上，支撑转轴通过键连接驱动吊钩旋转，构成二级传动；一对限位开关分别位于吊钩壳体的侧立板开槽上端和下底板的开槽底端，限定吊钩的旋转区域，模式选择开关位于吊钩壳体上顶板，工作状态指示灯位于吊钩壳体单元的右侧板上方位置；所述模式选择开关包括手动、半自动和全自动三种工作模式。第二部分中所述的负载质量检测模块(17)位于壳体上方，包括拉压力传感器(21)、检测工作电路模块(22)、吊环(23)和吊绳(24)，拉压力传感器位于吊钩壳体单元的上方区域，拉压力传感器的上端通过吊环与吊车普通吊钩或者吊绳相连接，下端通过吊环和吊绳与吊钩连接，同时通过导线与位于吊钩壳体单元左侧板内侧的检测工作电路模块(22)连接；

吊钩状态检测模块(18)位于吊钩与齿轮组连接位置的下方，包括倾角传感器(25)、陀螺仪传感器(26)、加速度计(27)和检测工作电路模块(28)，倾角传感器、陀螺仪传感器和加速度计设置在吊钩的位于下底板上方的位置，并通过导线与位于吊钩壳体单元前挡板内侧的检测工作电路模块(28)连接，检测吊钩角度和速度信息，通过检测工作电路模块转换，实现吊钩状态检测；

视频图像采集模块(19)位于吊钩壳体外侧，包括检测工作电路模块(28)、摄像头(29)，所述摄像头安装在壳体外部的U型转动支架(62)封闭端中心位置上，U型转动支架跟随吊钩同步动作，获取吊钩的即时信息；在自动吊钩系统自动操作模式下，操作者可以实时监控吊钩所处的位置，吊钩闭锁状态，以便必要时人工介入手动操作保证安全可靠性；在吊钩的工作空间中，固定信息检测模块(如图4)，调整摄像头角度使其观测范围尽可能最大。

环境特征监测模块(20)位于壳体左侧板内部，包括化学传感器(30)和温湿度传感器(31)，化学传感器和温湿度传感器分别设置在左侧板上端位置，并通过通孔探出壳体。

第三部分中所述的电源控制模块(33)位于壳体单元上顶板和左侧板的上端位置，包括电源开关(36)、电源接口(37)、充电电池组(38)、电源指示灯(39)和电压转换模块(40)，电源开关和电源指示灯位于上顶板外侧，电源接口位于左侧板的上端，通过导线经左侧板开放通孔与电源指示灯、电压转换模块和充电电池组连接，电压转换模块和充电电池组固定设置在壳体单元上顶板的内侧，充电电池组采用不间断方式备份一组电源以防止出现电源安全问题；

线接收模块(35)位于壳体单元前挡板内侧，包括天线(42)和无线接收器(43)，天线经通孔探出挡板，无线接收器通过导线与系统主控模块(34)相连接。

所述的系统主控模块(34)，由主控板(41)实现对吊钩系统的控制，包括实现自动吊钩算法、安全预警策略和滤波算法；其中，

自动吊钩算法，用于系统的核心功能控制实现，系统主控模块(34)通过第二部分吊钩信息监测单元中使用的拉压力传感器对负载的质量实时监测，当负载的质量发生规律性的变化时，每一种变化会对应一种工作状态，系统软件控制模块会实时自动进行识别，判断吊钩的负载实时状态，进而做出吊钩闭锁或者脱钩动作，并将吊钩负载信息实时返回给吊钩系统控制单元；控制流程：吊车控制人员控制吊钩的位置进入负载核心区域，吊钩系统的定位点与负载吊环的定位点水平偏差在吸引装置的吸引距离范围内时，可以校正吊钩定位点(58)与吊环定位点(59)保持在同一竖直位置上，无水平偏差；设M表示负载的质量，m表示质量的中间变化值，根据所挂负载的不同，参数m值不同，取m＝10％*M，数据波动率由软件滤波算法设置；质量数据由0变化到m时，数据稳定无较大幅度波动时，即数据波动率小于5％，系统控制器发出落钩指令，吊钩完成闭锁操作；空载状态变成挂载状态，待吊车操作人员提升负载；质量数据由m变化到M时，数据稳定无较大幅度波动时，系统控制器维持吊钩状态，吊车作业运行；挂载状态变成提升状态，待吊车操作人员提升负载到目标位置；质量数据由M变化到m时，数据稳定无较大幅度波动时，提升状态变成卸载状态，待数据稳定在m值，负载到达目标位置；质量数据由m变化到0时，数据稳定无较大幅度波动时，卸载状态变成空载状态，系统控制器发出脱钩指令，吊钩完成开锁操作，负载与吊钩分离，完成整个作业过程；

安全预警策略，用于系统监控吊钩所吊取的负载信息，实时对吊钩运行状态进行监控预警，包括四级工作策略；所述四级工作策略包括一级策略、二级策略、三级策略和四级策略；一级策略即为安全工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载小于或者等于额定负载的70％，系统主控模块(34)发出控制指令，执行一级策略，输出绿色信号；二级策略为黄色预警工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载在额定负载的70％到90％之间，系统主控模块(34)发出控制指令，执行二级策略，输出黄色信号；三级策略为橙色预警工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载在额定负载的90％到100％之间，系统主控模块(34)发出控制指令，执行三级策略，输出橙色信号；四级策略为红色预警工作模式，负载数据有明显波动，即数据波动率大于5％，或者实时负载大于额定负载，系统主控模块(34)发出控制指令，执行四级策略，输出红色报警信号，自动吊钩停止工作，并且返回给吊车停止作业信号；

滤波算法，用于对检测负载信息进行滤波处理，应用数字滤波算法提高系统采样数据的可靠性，可避免在临界值附近吊钩控制器的反复开/关跳动或状态显示器上数值抖动；应用消抖动滤波法，设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值等于当前有效值，则计数器清零；如果采样值不等于当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否大于等于计数器上限C＝3；如果计数器大于等于计数器上限C＝3表示溢出，则将本次值替换当前有效值，并清零计数器；应用加权递推平均滤波法，即不同时刻的数据对应不同的权值系数，越接近现时刻的数据，权值系数取得越大；给予新采样值的权系数越大，则系统工作灵敏度越高；把连续N个采样值看成一个队列，队列长度固定为N；每次采样到一个新数据放入队尾，并丢弃队首的一次数据；把队列中的N各数据进行加权平均运算，获得新的滤波结果:

$S=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}(a\[i\]*b\[i\])$

其中，S表示滤波结果，i表示采样时刻，N表示采样次数，a[i]代表i时刻消抖采样值，b[i]代表i时刻对应的权重系数。

2.系统工作原理与控制流程：

吊钩工作执行单元可根据模式选择开关选择手动、半自动和全自动三种工作模式。

第一、手动工作模式：可使用遥控器对吊钩的作业进行控制，完成作业任务。开钩命令发出后，会接通电机正转工作电路，通过齿轮组、蜗轮、蜗杆的联动控制，吊钩绕支撑转轴旋转，处于打开的运行过程(参见图11)，一直工作到限位开关1(15)的位置，然后电路断开；吊车控制人员控制吊钩系统进入工作区域，吊钩定位点与吊环定位点保持在同一竖直位置上，无水平偏差；然后，闭钩命令发出，接通电机反转工作电路，一直到限位开关2(15)的位置(参见图12)，电磁铁通电，通过滑杆(65)驱动锁片移动臂，带动锁片转轴(63)转动，安全锁片为一体式联动机构，通过锁片移动臂(57)与电磁铁(4)的滑杆相连接；安全锁片(5)跟随转轴向吊钩槽口内侧转动，从而打开锁片，进行负载挂取操作；安全锁片移动臂上方设有拉伸弹簧(64)，拉伸弹簧与吊钩上臂内部连接，电磁铁工作时，拉伸弹簧处于拉伸状态，电磁铁断电时通过弹簧拉力使安全锁片复原；(；如图6-8所示，实现吊钩的闭合操作。

第二、半自动工作过模式：根据人机交互单元的系统信息显示模块(46)显示系统信息，包括图像视频、环境参数、负载信息等，吊钩信息检测单元(16)返回的信息，包括图像视频等通过无线方式传送到人工监控室，模块单元组成结构如图13所示，实时传送吊钩作业的工作场景、负载信息等，此外还包括吊钩作业环境信息，实时显示吊钩的温度和实时运行状态信息。远程操控模块(47)用于在较远距离的情况下操控吊钩系统；通过吊钩内部的嵌入式控制模块，可以实现远距离控制吊钩系统。可以在远端实现网页、手持网络等终端控制吊钩作业系统。由此可以实现半自动工作模式下人工进行远程自动化操作。

第三、自动工作模式：系统中使用拉压力传感器对负载的质量实时监测，当负载的质量发生规律性的变化时，每一种变化会对应一种工作状态，如图15所示，系统软件控制模块会自动进行识别，判断吊钩的负载实时状态，进而做出吊钩闭锁或者脱钩动作，并将吊钩负载信息实时返回给吊钩控制单元。自动工作模式开始时，吊钩系统处于状态0，如图15所示的控制状态信息图，吊钩无动作，系统检测数据无变化，则继续检测，软件工作过程如图14所示的软件控制示意图，不断的进行循环检测；吊车控制人员控制吊钩的位置进入负载核心区域；吊钩系统的定位点与负载吊环的定位点水平偏差在吸引装置的吸引距离范围内时，可以校正吊钩定位点(58)与吊环定位点(59)保持在同一竖直方向上，无水平偏差，摄像机也可以检测吊钩与负载的相对位置，满足自动吊钩系统的工作条件。可以根据负载质量的数据变化规律实现吊钩的自动控制；M表示负载的质量，m表示质量的中间变化；目标负载不同，自定义参数m值不同，取m＝10％*M；质量数据由0变化到m时，数据稳定无较大幅度波动时，系统控制器发出落钩指令，吊钩完成闭锁操作，如图15所示，即系统在控制状态1；空载状态变成挂载状态,待吊车操作人员提升负载；质量数据由m变化到M时，数据稳定无较大幅度波动时，系统控制器维持吊钩状态，吊车作业运行，如图15所示，即系统在控制状态2；挂载状态变成提升状态,待吊车操作人员提升负载到目标位置；质量数据由M变化到m时，数据稳定无较大幅度波动时，提升状态变成卸载状态，待数据稳定在m值，负载到达目标位置，如图15所示，即系统在控制状态3；质量数据由m变化到0时，数据稳定无较大幅度波动时，卸载状态变成空载状态，系统控制器发出脱钩指令，如图15所示，即系统在控制状态4，吊钩完成开锁操作，负载与吊钩分离，完成整个作业过程；上述自动作业过程如图11和12所示，图11对应开钩状态，图12对应闭钩状态，开钩状态和闭钩状态循环转换，顺利完成自动作业任务。

3.系统安全预警策略

系统监控吊钩所吊取的负载信息，实时对吊钩运行状态进行监控预警，包括四级工作策略；所述四级工作策略包括一级策略、二级策略、三级策略和四级策略；一级策略即为安全工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载小于或者等于额定负载的70％，系统主控模块(34)发出控制指令，执行一级策略，输出绿色信号；二级策略为黄色预警工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载在额定负载的70％到90％之间，系统主控模块(34)发出控制指令，执行二级策略，输出黄色信号；三级策略为橙色预警工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载在额定负载的90％到100％之间，系统主控模块(34)发出控制指令，执行三级策略，输出橙色信号；四级策略为红色预警工作模式，负载数据有明显波动，即数据波动率大于5％，或者实时负载大于额定负载，系统主控模块(34)发出控制指令，执行四级策略，输出红色报警信号，自动吊钩停止工作，并且返回给吊车停止作业信号；

4.系统可靠性

如图1所示，摄像头安装在吊钩本体最佳视角位置；摄像头(29)通过设计的U型转动支架(62)可跟随吊钩(6)转动，获取吊钩的即时状态信息，包括吊钩安全锁片的闭合状态、吊钩定位点与负载定位点的相对位置状态以及吊钩运行的状态等；如图6所示，转动支架与齿轮组同轴连接，检测模块支架可跟随吊钩的起吊、落吊进行同步监测吊钩工作状态，并将系统上述状态信息通过主控板(41)所设置的无线网络实时发送至吊车作业控制室的主机，工作人员可以获取吊钩系统的实时工作状态和吊钩自动运行的场景。倾角传感器(25)、陀螺仪传感器(26)和加速度计(27)会获取吊钩的位置和运动信息，如图5-7所示，包括角度、位置、速度、角速度、加速度和角加速度等，吊钩的每一种工作状态都会对应不同的倾角传感器数值，当吊钩未工作时，倾角数值为0；吊钩处于闭锁状态即处于作业状态时，倾角数值为90，数值发生异常时可检测到吊钩处于异常运行状态；当吊钩处于状态切换过程时，传感器会获取吊钩的位置和运动信息，数值也会发生相应的变化。倾角传感器、陀螺仪传感器以及加速度计的设计可以用于吊钩作业状态监控以及避障预警操作，当倾角数值处于异常值时，则系统会判断吊钩处于非正常工作状态，需要立刻停止作业；温度、湿度以及工作环境的一些化学参数，会影响吊钩的运行状态，为减少外界干扰，需要对环境特征进行监测，保证系统运行的安全可控性。吊钩工作空间中定位负载位置，通过负载质量信息检测、判断吊钩的状态并完成吊钩自动化操作，在自动吊钩系统自动操作模式下，操作者可以实时监控吊钩所处的位置，吊钩闭锁状态，以便必要时人工介入手动操作保证安全可靠性。

参考文献

[1]中国南车集团戚墅堰机车车辆厂.自动吊钩:中国,CN200620074386.1[P].2006-1-28.

[2]大连钛鼎重工有限公司.自动吊钩:中国,CN201210453074.1[P].2012-11-13。

Claims (6)

1.一种自动吊钩系统，用于吊车在复杂危险环境对负载进行自动作业，其特征在于该自动吊钩系统由吊钩工作执行单元(1)、吊钩信息检测单元(16)、系统控制单元(32)、人机交互操作单元(44)和吊钩壳体单元(49)五部分组成，吊钩工作执行单元设置在壳体单元底部；人机交互操作单元设置在壳体单元外侧，通过壳体内侧与系统控制单元连接；吊钩信息检测单元各部分设置在吊钩壳体单元的左侧、前侧和上方；系统控制单元通过导线与吊钩信息检测单元、人机交互操作单元和工作执行单元相连接，设置在壳体单元左侧板和前挡板内侧；其中：

第一部分、吊钩工作执行单元(1)：用于吊钩作业阶段的工作执行，包括安全闭锁模块(2)和吊钩作业模块(3)；

安全闭锁模块(2)，用于吊车起吊作业状态下的吊钩闭锁，以保证安全；

吊钩作业模块(3)，用于完成吊钩的正常起吊、落吊作业；

第二部分、吊钩信息检测单元(16)：用于吊钩工作信息的检测获取，包括负载质量检测模块(17)、吊钩状态检测模块(18)、视频图像采集模块(19)和环境特征监测模块(20)；

负载质量检测模块(17)，用于获取吊车作业所吊取负载的质量信息；

吊钩状态检测模块(18)，用于检测吊钩工作的状态和位置；

视频图像采集模块(19)，用于获取吊钩的实时图像信息；

环境特征监测模块(20)，用于监测吊钩工作的内外环境信息；

第三部分、系统控制单元(32)：用于控制自动吊钩系统安全有效的工作，由吊钩系统控制装置完成，包括电源控制模块(33)、系统主控模块(34)和无线接收模块(35)；

电源控制模块(33)，用于吊钩系统工作的供电；

系统主控模块(34)，用于吊钩系统功能的核心控制，完成信息检测、判断、处理以及任务执行功能；

无线接收模块(35)，用于实现人机交互操作单元(44)的无线控制；

第四部分、人机交互操作单元(44)：用于吊钩系统的人机交互操作，包括近距离无线发射模块(45)、系统信息显示模块(46)和远程操控模块(47)；

近距离无线发射模块(45)，用于发送终端控制指令到无线接收模块(48)，以便远程控制吊钩的工作状态；

系统信息显示模块(46)，用于系统信息的显示，包括吊钩信息检测单元(16)返回的图像视频、环境参数和负载信息；

远程操控模块(47)，用于在较远距离的情况下操控吊钩系统；

第五部分、吊钩壳体单元(49)：用于吊钩本体的外部支撑以及安全防护。

2.根据权利要求1所述的自动吊钩系统，其特征在于第五部分所述的吊钩壳体单元(49)，包括前挡板(50)、后挡板(51)、左侧板(52)、右侧板(53)、开放式上顶板(54)和下底板(60)，开放式上顶板中间设有用于连接吊绳穿过的上通孔(55)，该上顶板和下底板(60)分别与前挡板、后挡板、左侧板和右侧板固定连接组成半封闭的吊钩壳体，在吊钩壳体的右侧板(53)及下底板(60)的中间至交接处分别设有供吊钩旋转的开槽；吊钩壳体的外侧通过贯穿前挡板(50)和后挡板(51)的支撑转轴固定有一个U型转动支架(62)，吊钩壳体内部的支撑转轴上安装有两个固定支架(61)，形成吊钩壳体单元。

3.根据权利要求2所述的自动吊钩系统，其特征在于第一部分中所述的安全闭锁模块(2)位于吊钩槽口端，包括电磁铁(4)和安全锁片(5)，安全锁片(5)位于吊钩槽形开口内侧，安全锁片为一体式联动机构，通过锁片移动臂(57)与电磁铁(4)的滑杆相连接；电磁铁通电，通过推杆(65)驱动锁片移动臂，带动锁片转轴(63)转动，安全锁片(5)跟随转轴向吊钩槽口内侧转动，从而打开锁片，进行负载挂取操作；安全锁片移动臂上方设有拉伸弹簧(64)，拉伸弹簧与吊钩上臂内部连接，电磁铁工作时，拉伸弹簧处于拉伸状态，电磁铁断电时通过弹簧拉力使安全锁片复原；

所述的吊钩作业模块(3)位于吊钩壳体单元内部的中心区域，包括吊钩(6)、执行电机(7)、工作状态指示灯(8)、模式选择开关(9)、齿轮组(10)、蜗轮(11)、支撑转轴(12)、联轴器(13)、蜗杆(14)和限位开关(15)，执行电机和蜗杆固定在吊钩壳体内部的固定支架(61)上，执行电机输出轴通过联轴器与蜗杆连接，电机、蜗轮与蜗杆之间连接构成一级传动；齿轮组的一级齿轮与吊钩固定安装在支撑转轴上，支撑转轴通过键连接驱动吊钩旋转，构成二级传动；一对限位开关分别位于吊钩壳体的侧立板开槽上端和下底板的开槽底端，限定吊钩的旋转区域，模式选择开关位于吊钩壳体上顶板，工作状态指示灯位于吊钩壳体单元的右侧板上方位置；所述模式选择开关包括手动、半自动和全自动三种工作模式。

4.根据权利要求2所述的自动吊钩系统，其特征在于第二部分中所述的负载质量检测模块(17)位于壳体上方，包括拉压力传感器(21)、检测工作电路模块(22)、吊环(23)和吊绳(24)，拉压力传感器位于吊钩壳体单元的上方区域，拉压力传感器的上端通过吊环与吊车普通吊钩或者吊绳相连接，下端通过吊环和吊绳与吊钩连接，同时通过导线与位于吊钩壳体单元左侧板内侧的检测工作电路模块(22)连接；

吊钩状态检测模块(18)位于吊钩与齿轮组连接位置的下方，包括倾角传感器(25)、陀螺仪传感器(26)、加速度计(27)和检测工作电路模块(28)，倾角传感器、陀螺仪传感器和加速度计设置在吊钩的位于下底板上方的位置，并通过导线与位于吊钩壳体单元前挡板内侧的检测工作电路模块(28)连接，检测吊钩运行状态信息，包括角度、位置、速度、角速度、加速度和角加速度，检测工作电路模块连接至系统控制单元(32)，实现吊钩状态检测；

视频图像采集模块(19)包括检测工作电路模块(28)、摄像头(29)，检测电路位于吊钩壳体内侧，所述摄像头安装在壳体外部的U型转动支架(62)封闭端中心位置上，U型转动支架跟随吊钩同步动作，获取吊钩的即时信息；

环境特征监测模块(20)位于壳体左侧板内部，包括化学传感器(30)和温湿度传感器(31)，化学传感器和温湿度传感器分别设置在左侧板上端位置，并通过通孔探出壳体。

5.根据权利要求2所述的自动吊钩系统，其特征在于第三部分中所述的电源控制模块(33)位于壳体单元上顶板和左侧板的上端位置，包括电源开关(36)、电源接口(37)、充电电池组(38)、电源指示灯(39)和电压转换模块(40)，电源开关和电源指示灯位于上顶板外侧，电源接口位于左侧板的上端，通过导线经左侧板开放通孔与电源指示灯、电压转换模块和充电电池组连接，电压转换模块和充电电池组固定设置在壳体单元上顶板的内侧，充电电池组采用不间断方式备份一组电源以防止出现电源安全问题；

无线接收模块(35)位于壳体单元前挡板内侧，包括天线(42)和无线接收器(43)，天线经通孔探出挡板，无线接收器通过导线与系统主控模块(34)相连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的自动吊钩系统，其特征在于第三部分中所述的系统主控模块(34)，实现对吊钩系统的控制，包括自动吊钩算法、安全预警策略和滤波算法；其中，

自动吊钩算法，用于系统的核心功能控制实现，系统主控模块(34)通过第二部分吊钩信息监测单元中使用的拉压力传感器对负载的质量实时监测，当负载的质量发生规律性的变化时，每一种变化会对应一种工作状态，系统软件控制模块会实时自动进行识别，判断吊钩的负载实时状态，进而做出吊钩闭锁或者脱钩动作，并将吊钩负载信息实时返回给吊钩系统控制单元；控制流程：吊车控制人员控制吊钩的位置进入负载核心区域，吊钩系统的定位点与负载吊环的定位点水平偏差在吸引装置的吸引距离范围内时，可以校正吊钩定位点(58)与吊环定位点(59)保持在同一竖直位置上，无水平偏差；设M表示负载的质量，m表示质量的中间变化值，根据所挂负载的不同，参数m值不同，取m＝10％*M，数据波动率由软件滤波算法设置；质量数据由0变化到m时，数据稳定无较大幅度波动时，即数据波动率小于5％，系统控制器发出落钩指令，吊钩完成闭锁操作；空载状态变成挂载状态，待吊车操作人员提升负载；质量数据由m变化到M时，数据稳定无较大幅度波动时，系统控制器维持吊钩状态，吊车作业运行；挂载状态变成提升状态，待吊车操作人员提升负载到目标位置；质量数据由M变化到m时，数据稳定无较大幅度波动时，提升状态变成卸载状态，待数据稳定在m值，负载到达目标位置；质量数据由m变化到0时，数据稳定无较大幅度波动时，卸载状态变成空载状态，系统控制器发出脱钩指令，吊钩完成开锁操作，负载与吊钩分离，完成整个作业过程；

安全预警策略，用于系统监控吊钩所吊取的负载信息，实时对吊钩运行状态进行监控预警，包括四级工作策略；所述四级工作策略包括一级策略、二级策略、三级策略和四级策略；一级策略即为安全工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载小于或者等于额定负载的70％，系统主控模块(34)发出控制指令，执行一级策略，输出绿色信号；二级策略为黄色预警工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载在额定负载的70％到90％之间，系统主控模块(34)发出控制指令，执行二级策略，输出黄色信号；三级策略为橙色预警工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载在额定负载的90％到100％之间，系统主控模块(34)发出控制指令，执行三级策略，输出橙色信号；四级策略为红色预警工作模式，负载数据有明显波动，即数据波动率大于5％，或者实时负载大于额定负载，系统主控模块(34)发出控制指令，执行四级策略，输出红色报警信号，自动吊钩停止工作，并且返回给吊车停止作业信号；

滤波算法，用于对检测负载信息进行滤波处理，应用数字滤波算法提高系统采样数据的可靠性，可避免在临界值附近吊钩控制器的反复开/关跳动或状态显示器上数值抖动；应用消抖动滤波法，设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值等于当前有效值，则计数器清零；如果采样值不等于当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否大于等于计数器上限C＝3；如果计数器大于等于计数器上限C＝3表示溢出，则将本次值替换当前有效值，并清零计数器；应用加权递推平均滤波法，即不同时刻的数据对应不同的权值系数，越接近现时刻的数据，权值系数取得越大；给予新采样值的权系数越大，则系统工作灵敏度越高；把连续N个采样值看成一个队列，队列长度固定为N；每次采样到一个新数据放入队尾，并丢弃队首的一次数据；把队列中的N各数据进行加权平均运算，获得新的滤波结果:

$S=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}(a\[i\]*b\[i\])$

其中，S表示滤波结果，i表示采样时刻，N表示采样次数，a[i]代表i时刻消抖采样值，b[i]代表i时刻对应的权重系数。