CN106865417B - 一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法 - Google Patents

一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法，通过利用多个编码器同时测量在钢丝绳的带动下而进行转动的轨迹球的转动角度，分别得到轨迹球在x轴线上的转动角度和在y轴线上的转动角度，并据此计算出钢丝绳的摆动幅度、频率和方向等各种摆角数据，从而能够利用这些摆角数据对钢丝绳进行反向控制达到防摆的目的，从而提高起重机搬运货物的工作效率，有效降低货物出现损害的情况以及消除人员受伤害的风险隐患。

Description

一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法
技术领域
本发明涉及起重机械领域，尤其是一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法，可广泛应用于类似起重机的柔性吊重系统中。
背景技术
起重机作为一种运输工具，被广泛用于工厂车间、仓库、海边码头等场所对货物进行搬运，是工厂车间、海边港口及其他场所实现货物搬运机械化的重要工具。但是起重机在搬运货物的过程中会受到很多的干扰，这些干扰会使货物在运输过程中来回摆动，因此，起重机快速准确到达目标位置以及货物到达目标位置之后，这种摆动会严重阻碍摆角的迅速恢复到零位置，而随着吊钩进行摆动的货物，则容易与其他物品发生碰撞而受到损害，同时也存在货物在摆动过程中对人员造成伤害的隐患。为了提高桥式起重机在货物搬运行业的工作效率，有效降低货物损害以及人员受伤害的风险，需要研究如何去防止起重机的摆动，而防摆控制一般是根据吊钩摆动的幅度、频率和方向等，对吊钩进行反向控制来达到防摆的目的，因此需要一种高精度的摆角测量装置。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法，通过利用多个编码器同时测量在钢丝绳的带动下而进行转动的轨迹球的转动角度，分别得到轨迹球在x轴线上的转动角度和在y轴线上的转动角度，并据此计算出钢丝绳的摆动幅度、频率和方向等各种摆角数据，从而能够利用这些摆角数据对钢丝绳进行反向控制达到防摆的目的，从而提高起重机搬运货物的工作效率，有效降低货物出现损害的情况以及消除人员受伤害的风险隐患。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法，包括以下步骤：
A、利用处于x轴线上的第一编码器和第二编码器，以及处于y轴线上的第三编码器和第四编码器，同时测量跟随钢丝绳的摆动而转动相同角度的轨迹球的转动角度，分别得到归属于格雷码的第一摆角编码α1、第二摆角编码α2、第三摆角编码α3和第四摆角编码α4；
B、第一摆角编码α1、第二摆角编码α2、第三摆角编码α3和第四摆角编码α4分别传输给单片机；
C、单片机利用格雷码与转动角度之间的关系，解码得到第一转角θ1、第二转角θ2、第三转角θ3和第四转角θ4；
D、求取第一转角θ1和第二转角θ2的平均值，得到轨迹球在x轴线方向上的转动角度，即得到钢丝绳在x轴线方向上的x轴摆角；
E、求取第三转角θ3和第四转角θ4的平均值，得到轨迹球在y轴线方向上的转动角度，即得到钢丝绳在y轴线方向上的y轴摆角；
F、结合钢丝绳的x轴摆角和y轴摆角，计算出钢丝绳的摆动幅度、频率和方向等各种摆角数据。
进一步，步骤C中，格雷码与转动角度之间的关系为一一对应的关系，其关系式为：
其中，α为格雷码的值，θ为转动角度的值。
进一步，步骤C中，解码得到的第一转角θ1、第二转角θ2、第三转角θ3和第四转角θ4分别满足以下的函数式：
其中，第一转角θ1和第二转角θ2互为相反数，第三转角θ3和第四转角θ4互为相反数。
进一步，应用基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法的测量装置，包括用于进行数据处理的单片机、用于连接货物的钢丝绳、用于对钢丝绳在摆动时产生的幅度、频率及方向等摆角数据进行测量的摆角测量装置，摆角测量装置包括随着钢丝绳的摆动而进行转动的轨迹球、根据轨迹球的转动角度而测量出摆角数据的第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器，第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器分别设置于轨迹球的四周并与轨迹球相接触，钢丝绳穿过轨迹球并与轨迹球固定于一起，第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器分别与单片机连接于一起。
进一步，第一编码器和第二编码器设置于轨迹球的x轴线之上对x轴方向的转动角度进行数据测量，第三编码器和第四编码器设置于轨迹球的y轴线之上对y轴方向的转动角度进行数据测量。
进一步，第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器均设置有用于与轨迹球进行相切的摩擦轮；轨迹球随着钢丝绳的摆动而转动时，带动摩擦轮进行转动，从而使第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器测量得到轨迹球的转动角度。
进一步，第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器均为单圈绝对编码器。
本发明的有益效果是：
一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法，能够利用多个编码器同时测量在钢丝绳的带动下而进行转动的轨迹球的转动角度，从而能够分别得到轨迹球在x轴线上的转动角度和在y轴线上的转动角度，而由于轨迹球在x轴线上的转动角度和在y轴线上的转动角度，分别与钢丝绳在摆动时在x轴线上的摆角角度和在y轴线上的摆角角度相同，因此，能够计算出钢丝绳的摆动幅度、频率和方向等各种摆角数据，从而能够利用这些摆角数据对钢丝绳进行反向控制达到防摆的目的，从而提高起重机搬运货物的工作效率，有效降低货物出现损害的情况以及消除人员受伤害的风险隐患。
应用基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法的测量装置，当连接货物的钢丝绳进行摆动时，轨迹球会随之进行转动，因此带动了与轨迹球相切的摩擦轮进行转动，因此，第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器，能够通过测量摩擦轮的转动程度而准确测量出钢丝绳摆动时的幅度、频率和方向等摆角数据，从而能够对钢丝绳进行反向控制达到防摆的目的，提高起重机搬运货物的工作效率，有效降低货物出现损害的情况以及消除人员受伤害的风险隐患。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的计算方法的流程图；
图2是应用本发明的计算方法的测量装置的示意图；
图3是摆角测量装置的仰视图；
图4是应用本发明的计算方法的测量装置的工作状态图。
具体实施方式
参照图1－图4，本发明的一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法，包括以下步骤：
A、利用处于x轴线上的第一编码器45和第二编码器46，以及处于y轴线上的第三编码器47和第四编码器48，同时测量跟随钢丝绳2的摆动而转动相同角度的轨迹球43的转动角度，分别得到归属于格雷码的第一摆角编码α1、第二摆角编码α2、第三摆角编码α3和第四摆角编码α4；
B、第一摆角编码α1、第二摆角编码α2、第三摆角编码α3和第四摆角编码α4分别传输给单片机；
C、单片机利用格雷码与转动角度之间的关系，解码得到第一转角θ1、第二转角θ2、第三转角θ3和第四转角θ4；
D、求取第一转角θ1和第二转角θ2的平均值，得到轨迹球43在x轴线方向上的转动角度，即得到钢丝绳2在x轴线方向上的x轴摆角；
E、求取第三转角θ3和第四转角θ4的平均值，得到轨迹球43在y轴线方向上的转动角度，即得到钢丝绳2在y轴线方向上的y轴摆角；
F、结合钢丝绳2的x轴摆角和y轴摆角，计算出钢丝绳2的摆动幅度、频率和方向等各种摆角数据；
使用本发明的基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法测量摆角时，由于起重机搬运货物时会使货物进行摆动，因此用于连接货物的钢丝绳2也会随之进行摆动，从而使得钢丝绳2产生了摆角；当钢丝绳2进行摆动时，与钢丝绳2连接于一起的轨迹球43会跟随钢丝绳2的摆动而转动相同的角度，此时，第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48能够同时测量轨迹球43的转动角度，因此能够分别得到轨迹球43在x轴线上的转动角度和在y轴线上的转动角度；而由于轨迹球43在x轴线上的转动角度和在y轴线上的转动角度，分别与钢丝绳2在x轴线上的摆角角度和在y轴线上的摆角角度相同，因此，单片机能够利用轨迹球43分别在x轴线上和y轴线上的转动角度，计算出钢丝绳2的摆动幅度、频率和方向等各种摆角数据，进而能够根据这些摆角数据对钢丝绳2进行反向控制达到防摆的目的，从而提高起重机搬运货物的工作效率，有效降低货物出现损害的情况以及消除人员受伤害的风险隐患。
其中，参照图1－图4，步骤C中，格雷码与转动角度之间的关系为一一对应的关系，其关系式为：
其中，α为格雷码的值，θ为转动角度的值。由于第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48测量到的关于转动角度的数据都是格雷码，而格雷码并不能直接用于计算摆角数据，因此必须把格雷码转换成与之对应的转动角度，因此，通过格雷码与转动角度一一对应的关系式，能够准确得到轨迹球43的转动角度，从而能够计算得到钢丝绳2的摆角数据。
其中，参照图1和图3，步骤C中，解码得到的第一转角θ1、第二转角θ2、第三转角θ3和第四转角θ4分别满足以下的函数式：
其中，第一转角θ1和第二转角θ2互为相反数，第三转角θ3和第四转角θ4互为相反数。根据上述函数式可知，第一转角θ1、第二转角θ2、第三转角θ3和第四转角θ4的值都在+180°到－180°的范围之内；而当轨迹球43进行转动时，处于相对位置的第一编码器45和第二编码器46，以及第三编码器47和第四编码器48，会进行相反方向的转动，因此，第一转角θ1和第二转角θ2互为相反数，第三转角θ3和第四转角θ4互为相反数；分别以第一编码器45和第三编码器47的顺时针旋转方向为正方向，则第二编码器46和第四编码器48的旋转方向为负方向，即，第一转角θ1和第三转角θ3为正数时，第二转角θ2和第四转角θ4为负数，第一转角θ1和第三转角θ3为负数时，第二转角θ2和第四转角θ4为正数。
参照图2－图4，应用基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法的测量装置，包括用于进行数据处理的单片机、用于连接货物的钢丝绳2、用于对钢丝绳2在摆动时产生的幅度、频率及方向等摆角数据进行测量的摆角测量装置4，摆角测量装置4包括随着钢丝绳2的摆动而进行转动的轨迹球43、根据轨迹球43的转动角度而测量出摆角数据的第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48，第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48分别设置于轨迹球43的四周并与轨迹球43相接触，钢丝绳2穿过轨迹球43并与轨迹球43固定于一起，第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48分别与单片机连接于一起。当连接货物的钢丝绳2进行摆动时，轨迹球43会随之进行转动，并且轨迹球43的转动角度与钢丝绳2的摆角角度相同，而随着轨迹球43进行转动，第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48，能够准确测量出轨迹球43的转动角度，从而能够得到准确的钢丝绳2摆动时的幅度、频率和方向等摆角数据，从而能够对钢丝绳2进行反向控制达到防摆的目的，提高起重机搬运货物的工作效率，有效降低货物出现损害的情况以及消除人员受伤害的风险隐患。
其中，参照图3，第一编码器45和第二编码器46设置于轨迹球43的x轴线之上对x轴方向的转动角度进行数据测量，第三编码器47和第四编码器48设置于轨迹球43的y轴线之上对y轴方向的转动角度进行数据测量。由于钢丝绳2的摆动幅度、频率及方向等各种摆角数据都是不确定的，但不论钢丝绳2往哪个方向进行摆动，其摆动方向都是在由x轴线和y轴线构成的平面之中，因此，通过第一编码器45和第二编码器46对轨迹球43进行x轴线方向上的转动角度的测量，以及通过第三编码器47和第四编码器48对轨迹球43进行y轴线方向上的转动角度的测量，并结合两个转动角度的数据，即可得到轨迹球43在任意转动情况下的转动数据，即得到了钢丝绳2朝任意方向进行摆动时的摆角数据。
其中，参照图3，第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48均设置有用于与轨迹球43进行相切的摩擦轮49；轨迹球43随着钢丝绳2的摆动而转动时，带动摩擦轮49进行转动，从而使第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48测量得到轨迹球43的转动角度。当轨迹球43随着钢丝绳2进行转动时，分别设置于第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48之上并与轨迹球43相切的摩擦轮49，会被轨迹球43带动进行转动，因此，第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48能够通过测量摩擦轮49的转动角度而准确测量出钢丝绳2摆动时的幅度、频率和方向等摆角数据，从而能够对钢丝绳2进行反向控制达到防摆的目的，提高起重机搬运货物的工作效率，有效降低货物出现损害的情况以及消除人员受伤害的风险隐患。
其中，参照图3，第一编码器45、第二编码器46、第三编码器47和第四编码器48均为单圈绝对编码器。本发明所采用的单圈绝对编码器的分辨率为1024，具有0.3515625°的测量精度，能够实时快速地得到更高精度的摆角数据，并且其价格较低，能够大大降低测量装置的成本。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法，其特征在于：
包括以下步骤：
A、利用处于x轴线上的第一编码器(45)和第二编码器(46)，以及处于y轴线上的第三编码器(47)和第四编码器(48)，同时测量跟随钢丝绳(2)的摆动而转动相同角度的轨迹球(43)的转动角度，分别得到归属于格雷码的第一摆角编码α1、第二摆角编码α2、第三摆角编码α3和第四摆角编码α4；
B、第一摆角编码α1、第二摆角编码α2、第三摆角编码α3和第四摆角编码α4分别传输给单片机；
C、单片机利用格雷码与转动角度之间的关系，解码得到第一转角θ1、第二转角θ2、第三转角θ3和第四转角θ4；
D、求取第一转角θ1和第二转角θ2的平均值，得到轨迹球(43)在x轴线方向上的转动角度，即得到钢丝绳(2)在x轴线方向上的x轴摆角；
E、求取第三转角θ3和第四转角θ4的平均值，得到轨迹球(43)在y轴线方向上的转动角度，即得到钢丝绳(2)在y轴线方向上的y轴摆角；
F、结合钢丝绳(2)的x轴摆角和y轴摆角，计算出钢丝绳(2)的摆动幅度、频率和方向等各种摆角数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法，其特征在于：所述步骤C中，格雷码与转动角度之间的关系为一一对应的关系，其关系式为：
其中，α为格雷码的值，θ为转动角度的值。
3.根据权利要求2所述的一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法，其特征在于：所述步骤C中，解码得到的第一转角θ1、第二转角θ2、第三转角θ3和第四转角θ4分别满足以下的函数式：
其中，第一转角θ1和第二转角θ2互为相反数，第三转角θ3和第四转角θ4互为相反数。
4.应用权利要求1－3任一所述的一种基于轨迹球和多编码器的起重机摆角计算方法的测量装置，其特征在于：包括用于进行数据处理的单片机、用于连接货物的钢丝绳(2)、用于对所述钢丝绳(2)在摆动时产生的幅度、频率及方向等摆角数据进行测量的摆角测量装置(4)，所述摆角测量装置(4)包括随着所述钢丝绳(2)的摆动而进行转动的轨迹球(43)、根据所述轨迹球(43)的转动角度而测量出摆角数据的第一编码器(45)、第二编码器(46)、第三编码器(47)和第四编码器(48)，所述第一编码器(45)、第二编码器(46)、第三编码器(47)和第四编码器(48)分别设置于所述轨迹球(43)的四周并与所述轨迹球(43)相接触，所述钢丝绳(2)穿过所述轨迹球(43)并与所述轨迹球(43)固定于一起，所述第一编码器(45)、第二编码器(46)、第三编码器(47)和第四编码器(48)分别与所述单片机连接于一起。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于：所述第一编码器(45)和第二编码器(46)设置于所述轨迹球(43)的x轴线之上对x轴方向的转动角度进行数据测量，所述第三编码器(47)和第四编码器(48)设置于所述轨迹球(43)的y轴线之上对y轴方向的转动角度进行数据测量。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于：所述第一编码器(45)、第二编码器(46)、第三编码器(47)和第四编码器(48)均设置有用于与所述轨迹球(43)进行相切的摩擦轮(49)；所述轨迹球(43)随着所述钢丝绳(2)的摆动而转动时，带动所述摩擦轮(49)进行转动，从而使所述第一编码器(45)、第二编码器(46)、第三编码器(47)和第四编码器(48)测量得到所述轨迹球(43)的转动角度。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于：所述第一编码器(45)、第二编码器(46)、第三编码器(47)和第四编码器(48)均为单圈绝对编码器。
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