CN107037235A - 一种制动下滑量软测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种起重机制动下滑量软测量方法及测量装置，在起重机的吊重处设置数据采集器采集吊重系统加速度和角速度的数据，将数据传输至上位机，根据拉格朗日方程建立吊重系统的非线性动力学微分方程对数据进行计算，以得到起重机的制动下滑量。与现有系统相比，本发明只需要在起重机的吊重处加设数据采集器，无需对起重机载荷、制动控制器进行机械和电路改造，可以自动检测起重机制动下滑量，并且提高了测量的准确度，保障起重机安全运行。本发明对测量系统的功耗进行了规划，无需反复更换电池，同时也可选择无线方式传输数据，不受距离限制，能够实时评估起重机制动的性能。
Description
技术领域
本发明属于起重机运行状态参数检测领域，尤其涉及一种针对起重机制动下滑量的软测量方法。
背景技术
起重运输机械，是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备。随着现代社会的发展，起重运输机械已被广泛应用于物料的起重、运输、装卸、安装和人员输送等领域。它不仅大大减少了劳动强度，还有效提高了劳动效率。然而，在为人们创造利益和提供便利的同时，起重运输机械的安全问题也日益凸现。如何使得起重运输机械安全高效的运行，成为安全生产的重中之重。
起重机的作用是把货物快速高效安全的吊运至目标位置，起重机的吊重与小车通过钢丝绳柔性连接，该连接方式不但可以承受起吊和搬运重物时的瞬时冲击，还可以承受不同种类交变负载的作用。但该方式也会导致在起升、搬运和制动过程中，由于钢丝绳自身形变出现落点不准确的情况。实际生产中，起升机构制动性能的优劣对起重机安全运行起着决定性作用，而起重机制动下滑量是评价制动性能优劣的一项重要指标。另外，在柔性钢丝绳的作用下，吊重系统做起升和制动动作时会出现摆动现象，这不仅严重影响生产效率，甚至威胁周边工作人员和其他起重机的安全作业。
目前，对制动下滑量的检测一般是在对起重机定期检测时进行。主要是通过基于行程开关控制的检测装置、基于光控继电器的检测装置或者是通过基于压力传感器和非接触测距传感器的在线检测装置进行测量。检测装置在每次起重机制动下滑量检测使用时，均需重复对起重机载荷、制动控制器进行机械和电路改造，安装较复杂、不易拆卸与携带，操作繁琐、效率低下，难以满足高效率的起重机制动下滑量定期检测需求；同时对起重机机械和电路改造，也造成了安全隐患，一直备受诟病。而且，定期检测的周期通常较长，在这期间如果因制动性能劣化出现安全隐患就不能及时地发现，会严重威胁起重机的安全运行。另外，起重机的数据不能远距离传输，操作人员也不能在操作间实时的了解到起重机的运行状况。
虽然当前也有利用加速度计的软测量方法，这类方法主要将吊钩和重物运动信息作为测试对象，由过上位机作为控制、计算和运行平台。系统向起重机起升机构发送控制吊钩和重物运动指令的同时，利用加速度计测量重物运动过程中的线加速度值。上位机在接收数据之后对其进行积分运算，获得重物的速度信息，随后再次进行一次积分运算，方可获取重物的位置信息。该方法智能化程度高，易于实现。虽然加速度计的测量精度较高，但是由于积分过程中受到“平移项”和“趋势项”的影响，本方法所得结果常常会在两次积分后出现失真。
因此，目前急需一套能够及时甚至实时地对起重机制动性能进行精确测量、评价的方法，以便及时发现运行过程中的问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于动力学模型的起重机制动下滑量软测量方法及其对应的装置。
首先，为了实现上述目的，提出一种起重机制动下滑量软测量方法，包括如下步骤：
第一步，初始化：对MEMS(微机电系统，Microelectro Mechanical Systems)传感器进行标定，完成初始化；
第二步，采样：通过MEMS传感器对起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度信息进行采样，存储起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度，并将吊重瞬间加速度和角速度信息传输至数据处理模块；
第三步，求解如下由第一拉格朗日方程和第二拉格朗日方程联立的吊重系统非线性动力学微分方程组，得到绳长变化值和角度变化值，即为起重机制动下滑量：
其中，为钢丝绳长度变化量关于时间t的微分，即所述起重机吊重系统的吊重瞬间加速度，g为重力加速度，θ为吊重摆角，m为吊重质量，x为钢丝绳长变化量，为所述起重机吊重系统的吊重瞬间角速度，k为钢丝绳弹性系数，l0为制动瞬间钢丝绳长度，为吊重摆角变化加速度，Q为风载荷作用力，Q＝CKhqA，C为风力系数，Kh为风压高度系数，q为计算风压，q＝0.613v2，其中v为计算风速，A为吊重垂直于风向的迎风面积。
吊重系统非线性动力学微分方程组由两个拉格朗日方程组成。其中第一拉格朗日方程为：
其中，为钢丝绳长度变化量关于时间t的微分，即所述起重机吊重系统的吊重瞬间加速度，g为重力加速度，θ为吊重摆角，m为吊重质量，x为钢丝绳方向的变化量，为所述起重机吊重系统的角速度，k为钢丝绳弹性系数，l0为制动瞬间钢丝绳长度。其中Q为风载荷作用力，Q＝CKhqA，根据国家标准GB/T3811-2008《起重机设计规范》，Q＝CKhqA中C为风力系数，起吊重物表面光滑的箱型梁、司机室、平衡重、钢丝绳、物品等一般取值1.2；Kh为风压高度系数，离地高度0-10m时取1.0；q为计算风压，单位为N/m2，通过q＝0.613v2计算得到，其中v为计算风速，通过查询风力风速对应表确定具体取值；A为起重机或物体垂直于风向的迎风面积，单位为m2。其中重力加速度g的取值范围依据测量所在地位置而确定，一般情况为9.8-10.2m/s2，吊重质量m、钢丝绳弹性系数k、制动瞬间钢丝绳长度l0为已知量。
第二拉格朗日方程为：其中为吊重摆角变化加速度；
将第一拉格朗日方程和第二拉格朗日方程联合得到吊重系统的非线性动力学微分方程组将制动瞬间钢丝绳长度l0、第二步中采集的吊重瞬间加速度值和角速度信息带入吊重系统的非线性动力学微分方程组中，计算得到绳长变化值和角度变化值，即为起重机制动下滑量。
进一步的，本发明方法中，在所述的第一步中，对MEMS传感器进行标定的过程如下：
步骤101，分别将MEMS传感器延x轴正负方向、y轴正负方向、z轴正负方向六个方向移动，分别在所述六个方向置各采集一组静态数据，每组静态数据均包括：x轴实际的加速度值Ax，y轴实际的加速度值Ay，z轴实际的加速度值Az，x轴加速度计输出的电压值Vx，y轴加速度计输出的电压值Vy，z轴加速度计输出的电压值Vz。具体的数据采集步骤如下：当将MEMS传感器沿X轴正方向移动时，采集一组静态数据，该组数据包含x轴实际的加速度值，y轴实际的加速度值，z轴实际的加速度值。然后以同样的方法将MEMS传感器沿x轴负方向，y轴正负方向，z轴正负方向移动，分别采集另外五组静态数据。其中，各组数据之间采集时只需尽量使得MEMS传感器的初始位置及终止位置一致。由于只需要获得沿某方向移动时的一组数据，对MEMS传感器具体位置坐标要求并不是很严格。
步骤102，将步骤101中的6组静态数据分别带入加速度计误差模型：
加速度计误差模型中，Eij(i＝x、y、z，j＝x、y、z，i≠j)表示两个方向上的加速度计安装误差系数，其中下标i，j代表加速度计安装误差系数所针对的方向。
步骤103，利用最小二乘法计算出加速度计误差模型中的各项系数：x轴上加速度的零偏Bx，y轴上加速度的零偏By，z轴上加速度的零偏Bz，x轴加速度计的标度因数Sx，y轴加速度计的标度因数Sy，z轴加速度计的标度因数Sz；完成对MEMS传感器的标定。
由于传统的加速度计标定方法需要在三轴转台上同时标定，更需要建立地理坐标系统，内、外、中环轴坐标系等，理想情况下，转台的输入轴、输出轴、摆轴三轴均处于零位时，坐标系是重合的，因此对转台依赖性较高。而对转台无依赖性的方法精度又较低。本方法通过建立加速度计误差模型，只需要采集六个位置的静态加速度计输出的数据，即可完成较高精度的标定。
进一步的，本发明方法中的第二步中，在对起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度信息进行采样之后，还包括：用卡尔曼滤波器对所述起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度信号进行滤波，滤除信号中的脉冲噪声、高频噪声和随机噪声。
本发明同时还提供一种起重机制动下滑量软测量装置，该装置用以实现上述起重机制动下滑量软测量方法，包括放置在起重机吊钩上与重物接触位置的数据采集器和与所述数据采集器连接的数据处理模块，数据采集器由顺序串联的MEMS传感器、主控制模块和通信管理模块组成，通信管理模块作为数据采集器的输出端与数据处理模块连接；
所述MEMS传感器用以对起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度信息进行采样；
所述主控制模块用以控制MEMS传感器并存储采集到的加速度和角速度信息；
所述通信管理模块用以在主控制模块控制，负责将加速度和角速度信息传输至数据处理模块；
数据处理模块用以根据MEMES传感器采集到的起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度信息进行非线性动力学微分方程组的求解运算，得到绳长变化值和角度变化值，即得到起重机制动下滑量。
进一步的，本发明装置中，所述的MEMS传感器采用MPU-9255数据采集芯片，MPU-9255数据采集芯片输出端通过IIC总线(即Inter-Integrated Circuit，集成电路总线)与主控制模块连接，MPU-9255数据采集芯片的时钟总线与主控制模块连接，两者时钟保持同步。
进一步的，本发明装置中，所述的主控制模块采用MSP430单片机芯片，MSP430单片机芯片外设有时钟电路、复位电路和JTAG接口(即Joint Test Action Group；联合测试工作组接口)，MSP430单片机芯片通过IIC总线与MEMS传感器连接，通过UART串口(即Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)与通信管理模块连接。
进一步的，本发明装置中，所述的通信管理模块采用WizFi210模块，WizFi210模块通过基于串口的异步收发传输器与数据处理模块连接；或者通过TCP/IP协议(即Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议)与数据处理模块连接并进行数据交互。
进一步的，本发明装置中，所述的数据采集器中设有太阳能电池板，太阳能电池板采集电能，并同时连接MEMS传感器、主控制模块和通信管理模块，为其供电。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明在起重机的吊重处设置数据采集器来采集吊重系统加速度和角速度的数据，然后通过吊重系统的非线性动力学模型数据处理数据采集器所采集到的吊重瞬间加速度值以及初始绳长值，从而得到起重机制动下滑量。本发明不需要像现有的测量装置一样，在测量时反复地对起重机载荷以及制动控制器进行机械或电路改造。因而避免了现有测量方法改造成本高、操作繁琐、无法实时得到起重机制动下滑量。尤其，由于本发明避免了对起重机本身进行的改造，解决了由于测量改造所带来的安全隐患。
相对于现有的软测量方法，本发明无需对加速度计测量重物运动过程中的线加速度值进行二次积分以获取重物的位置信息，从而避免了积分过程中“平移项”和“趋势项”对测量精度的影响。本发明开拓性地将风载荷形成的非有势力引入拉格朗日方程，通过广义坐标系下吊重系统的加速度和角速度数据来计算起重机的制动下滑量。尤其，本方法在计算吊重系统的拉格朗日算子时，从能量的角度，根据系统的能量和广义力来建立运动方程，而不必考虑未知约束力。由此推到出的吊重系统的非线性动力学微分方程组在计算中同样无需进行二次积分，从而解决了传统测量方法中由于二次积分而引入的“平移项”和“趋势项”所带来的不可避免的计算误差问题。同时，非线性动力学微分方程组的求解过程计算简单，错误率也更低。
同时，在计算效率方面，由于拉格朗日方程具有很好的对称性，方程规范，使用过程直接且简单。尤其将其应用在广义坐标下的吊重系统运动方程中时，由于方程个数和系统自由度数相等，可以在保证计算精度的同时使运动方程数目更少，简化求解较复杂的非自由质点的动力学问题时的建模过程，计算效率更高。
进一步的，为了增加所测起重机制动下滑量的精确度，在对吊重系统的速度和角速度数据进行采集时，本发明先对MEMS传感器进行标定来校正其中加速度计的测量误差。标定过程中，本发明通过建立加速度计误差模型，直接联立方程组，将加速度计在6个不同位置得到的6组静态数据带入加速度计误差模型，由于最小二乘法计算出加速度计误差模型的各项系数，完成对MEMS传感器的标定。这种方法只需要将加速度计移动6个不同的位置，不需要特意增加转台，在突破传统标定方法对转台的高度依赖性的同时保证了标定的精度。而且，本发明在对数据进行处理前，先对采集到的信息进行卡尔曼滤波，只保留有效信息进行后续的计算。这样能够进一步排除无效数据的干扰，使得测量结果更加可靠、更加精确。
硬件方面，本发明采用WizFi210模块作为通信管理模块。WizFi210模块选择通过基于串口的异步收发传输器(UART)或组建无线网络通过TCP/IP协议与数据处理模块连接并进行数据交互，方便数据处理模块及时获得所需的测量数据。同时这样的设计也简化了安装操作，简化了传统测量装置中复杂的连接电路，同时保证测量所得数据的实时性。
进一步的，本发明选用超低功耗的微处理器MSP430降低整个装置的功耗。配合太阳能电池板为锂电池充电，可保障整个装置内各个模块的供电，在方便安装操作的同时也省去了经常更换电池的麻烦。
附图说明
图1是起重机制动下滑量测量装置的整体模块图。
图2是起重机制动下滑量测量装置中数据流程图。
图3是本发明第2个实施例的示意图。
图4是建立吊重系统动力学模型的示意图。
图5是起重机吊重系统运动简化模型图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
图1为本发明测量装置的整体模块图。本发明所述起重机制动下滑量软测量装置包括数据采集器1和数据处理模块2两部分。其中数据采集器设置在起重机吊钩上与重物接触的位置，数据采集器由顺序串联的MEMS传感器1-1、主控制模块1-2和通信管理模块1-3组成，通信管理模块1-3作为数据采集器1的输出端与数据处理模块2连接。其中，MEMS传感器1-1对起重机吊重系统的加速度和角速度信息进行采样；主控制模块1-2负责控制MEMS传感器1-1并存储采集到的加速度和角速度信息；通信管理模块1-3由主控制模块1-2处理模块2先通过起重机吊重系统的能量和广义力建立非线性动力学微分方程，然后将数据采集器1采集到的起重机吊重系统的加速度和角速度信息带入方程，计算得到起重机制动下滑量并输出
本装置中对采集的数据进行处理，具体测量方法如下：
第一步，初始化：对MEMS传感器进行标定，完成初始化；此处所用的传感器不限于MEMS传感器，也可以此采用其他能够采集吊重系统运动参数的传感器。
第二步，采样：通过MEMS传感器对起重机吊重系统的加速度和角速度信息进行采样，存储起重机吊重系统的加速度和角速度，并将加速度和角速度信息传输至数据处理模块；
第三步，数据处理：通过数据处理模块求解如下由第一拉格朗日方程和第二拉格朗日方程联立的吊重系统非线性动力学微分方程组，得到绳长变化值和角度变化值，即为起重机制动下滑量：
其中，为钢丝绳长度变化量关于时间t的微分，即所述起重机吊重系统的吊重瞬间加速度，g为重力加速度，θ为吊重摆角，m为吊重质量，x为钢丝绳长变化量，为所述起重机吊重系统的吊重瞬间角速度，k为钢丝绳弹性系数，l0为制动瞬间钢丝绳长度，为吊重摆角变化加速度，Q为风载荷作用力，Q＝CKhqA，C为风力系数，Kh为风压高度系数，q为计算风压，q＝0.613v2，其中v为计算风速，A为吊重垂直于风向的迎风面积。
吊重系统非线性动力学微分方程组由两个拉格朗日方程组成，其推导过程如下：
首先，计算吊重系统的拉格朗日算子其中，L为拉格朗日算子，m为吊重质量，为钢丝绳长变化速度，x为钢丝绳方向的变化量，为所述起重机吊重系统的角速度，θ为吊重摆角，g为重力加速度，k为钢丝绳弹性系数，l0为制动瞬间钢丝绳长度；其中重力加速度g的取值范围依据测量所在地位置而确定，一般情况为9.8-10.2m/s2，吊重质量m、钢丝绳弹性系数k、制动瞬间钢丝绳长度l0为已知量；
然后，建立以吊重沿绳长方向x为广义坐标的拉格朗日方程，引入风载荷在θ方向上的非有势力Q*sinθ，整理得到第一拉格朗日方程：其中，为钢丝绳长度变化量关于时间t的微分，表示由传感器测量获得的钢丝绳长变化加速度，即所述起重机吊重系统的吊重瞬间加速度；Q为风载荷作用力，根据国家标准GB/T3811-2008《起重机设计规范》，Q＝CKhqA，其中C为风力系数，起吊重物表面光滑的箱型梁、司机室、平衡重、钢丝绳、物品等一般取值1.2；Kh为风压高度系数，离地高度0-10m时取1.0；q为计算风压，单位为N/m2，通过q＝0.613v2计算得到，其中v为计算风速，通过查询风力风速对应表确定具体取值；A为起重机或物体垂直于风向的迎风面积，单位为m2；
之后，建立以吊重摆角θ为广义坐标的拉格朗日方程，引入风载荷在θ方向上的非有势力整理得到第二拉格朗日方程：
其中为吊重摆角变化加速；
将第一拉格朗日方程和第二拉格朗日方程联合得到吊重系统的非线性动力学微分方程
最后，将第二步中采集的吊重瞬间加速度值以及初始绳长值输入式1中，计算得到绳长变化值和角度变化值，作为起重机制动下滑量，输出。
本发明在起重机的吊重处设置数据采集器来采集吊重系统加速度和角速度的数据。然后通过吊重系统的非线性动力学模型数据处理数据采集器所采集到的吊重瞬间加速度值以及初始绳长值，从而得到起重机制动下滑量。本发明只需要在起重机的吊重处加设数据采集器，通过高精度的数学模型提高制动下滑量的测量精度。无需通过专业的测量设备和仪器，不需要反复地对起重机载荷、制动控制器进行机械和电路改造。因此，本发明避免了现有测量方法改造成本高、操作繁琐、不能实时得到起重机制动下滑量的缺陷。尤其，由于本发明不需要对起重机本身进行改造，同时也解决了由于测量改造所带来的安全隐患。
其中，建立吊重系统的非线性动力学模的过程如图4所示，建立动力学模型之前先要对吊重系统运动进行简化，简化结果如图5所示。吊重在广义坐标系内的位置为xcosθ
由于钢丝绳弹性产生的形变量为x-l0
重物的切向动能为
法向动能为
系统总动能为
势能包括重力势能和钢丝绳的弹性势能为
于是，由式2-1与式2-2就可以得到吊重系统的拉格朗日(Lagrange)算子：
以吊重沿绳长方向x为广义坐标的拉格朗日方程，考虑风载荷的影响，在该方向非有势力为Q*sinθ，所以可得出：
经简化2-3式可以整理为系统的第一拉格朗日方程：
以吊重摆角θ为广义坐标的拉格朗日方程，考虑风载荷的影响，在该方向非有势力为则有：
经简化，系统的第二拉格朗日方程为：
综上，起重机吊重系统的非线性动力学微分方程为：
上面式子中，x为钢丝绳方向的变化量，θ为钢丝绳与竖直方向的偏转角，l0为制动瞬间钢丝绳长度，T为吊重的动能，Ek1为吊重的切向动能，Ek2为吊重的法向动能，U为吊重的势能，m为吊重质量，为钢丝绳变化速度，为钢丝绳变化加速度，为所述起重机吊重系统的角速度，为所述起重机吊重系统的吊重瞬间加速度，为吊重偏摆角角加速度，g为重力加速度，k为钢丝绳弹性系数，Q为风载荷。
由硬件电路采集的吊重瞬间加速度值以及初始绳长值输入到式2-7中，然后通过数学模型计算可得绳长及角度变化值，即起重机制动下滑量数值，用以评估起重机制动性能的优劣。
相对于现有的软测量方法，本方法无需对加速度计测量重物运动过程中的线加速度值进行二次积分以获取重物的位置信息，从而避免了积分过程中“平移项”和“趋势项”对测量精度的影响。方法中开拓性地将风载荷形成的非有势力引入拉格朗日方程，通过广义坐标系下吊重系统的加速度和角速度数据来计算起重机的制动下滑量。尤其，本方法在计算吊重系统的拉格朗日算子时，从能量的角度，根据系统的能量和广义力来建立运动方程，而不必考虑未知约束力，因而解决了传统测量方法中“平移项”和“趋势项”所带来的不可避免的计算误差问题。
实施例2
参照图2。进一步的，考虑到测量精度的要求，本发明同时对上述的测量方法进行改进，通过增加对MEMS传感器进行标定(加速度计标定)，校正其中加速度计的测量误差。为了进一步减小测量、计算的误差，还可以进一步的在数据处理前，对采集到的信息进行卡尔曼(Kalman)滤波，只保留有效信息，无效数据的干扰。具体改进如下：
在实施例1所述测量方法的第一步中，对MEMS传感器进行标定的过程如下：
标定所基于的加速度计误差模型如下：
Ax＝Bx+SxVx+ExyVy+ExzVz
Ay＝By+EyxVx+SyVy+EyzVz
Az＝Bz+EzxVx+EzyVy+SzVz
式中，Ai(i＝x、y、z)为x、y、z轴实际的加速度值，Bi(i＝x、y、z)为各个轴上加速度的零偏，Si(i＝x、y、z)为各轴加速度计的标度因数，Vi(i＝x、y、z)为各轴加速度计输出的电压值，Eij(i＝x、y、z，j＝x、y、z，i≠j)为加速度计的安装误差系数。
其中，加速度计就是测量加速度的传感器，就是该传感器的输入量为加速度，输出为电脉冲数。输出的电脉冲数和输入的加速度之间的比值就是标度因数。因此输出的电脉冲数乘上标度因数就可以得到加速度。
由上述模型，将X、Y、Z轴分别分为正向、反向共六个位置，在每个位置可建立三个方程，这样对于每个加速度计来说，都存在四个未知的模型参数，由于有六个方程，因此可以利用最小二乘法解出系数项。
具体步骤为：
步骤101，分别将MEMS传感器延x轴正负方向、y轴正负方向、z轴正负方向六个方向移动，分别在6个位置各采集一组静态数据，每组静态数据均包括：x轴实际的加速度值Ax，y轴实际的加速度值Ay，z轴实际的加速度值Az，x轴加速度计输出的电压值Vx，y轴加速度计输出的电压值Vy，z轴加速度计输出的电压值Vz；
步骤102，将步骤101中的6组静态数据分别带入加速度计误差模型：
加速度计误差模型中，Eij(i＝x、y、z，j＝x、y、z，i≠j)表示两个方向上的加速度计安装误差系数，其中下标i，j代表加速度计安装误差系数所针对的方向
步骤103，利用最小二乘法计算出加速度计误差模型中的各项系数：x轴上加速度的零偏Bx，y轴上加速度的零偏By，z轴上加速度的零偏Bz，x轴加速度计的标度因数Sx，y轴加速度计的标度因数Sy，z轴加速度计的标度因数Sz；完成对MEMS传感器的标定。经标定试验测试可得，三轴零偏Bx、By、Bz具体数值分别为33086、33390、32648，三轴标度因数Sx、Sy、Sz具体数值分别为409.675、411.752、412.014，安装误差Exy、Exz、Eyx、Eyz、Ezx、Ezy具体数值分别为1.959、-1.561、-1.274、0.278、5.723、9.353。本方法通过建立加速度计误差模型，只需要采集六个位置的静态加速度计输出的数据，即可完成标定。且本方法标定的精度与传统的依赖于转台的加速度计标定方法所得精度相差无几。
具体操作方法如下：在水平桌面上，将X、Y、Z轴分别向上、向下共六个方向，每个位置采集一组静态数据，将每个位置各加速度计输出电压的均值作为该加速度计的测量值进行后期的解算。利用六个方向上的共6组数据，根据加速度计的误差模型，采用误差模型系数计算公式，利用最小二乘法计算出加速度计误差模型的各项系数。代入误差模型即可得出标定后的加速度计数据，为后期姿态解算所用。该方法只需采集六个方向的静态加速度计输出数据，即可对加速度计零偏、标度因数、安装误差等系数进行高精度标定。标定后，针对三种信号中分别存在脉冲噪声、高频噪声和随机噪声的特点，设计卡尔曼滤波器对其进行滤除噪声处理。
在实施例1所述测量方法的第二步中，通过MEMS传感器对起重机吊重系统的加速度和角速度信息进行采样后，先用卡尔曼滤波器对采样得到的信号进行滤波，滤出信号中的脉冲噪声、高频噪声和随机噪声后再储起重机吊重系统的加速度和角速度信息，并将加速度和角速度信息传输至数据处理单元。
图3为本实施例中的硬件连接示意图。
其中MEMS传感器1-1采用MPU-9255数据采集芯片，MPU-9255数据采集芯片为九轴MEMS传感器，其输出端通过IIC总线与主控制模块1-2连接，MPU-9255数据采集芯片的时钟总线与主控制模块1-2连接，两者时钟保持同步。IIC总线中数据线主要负责加速度计的配置以及数据的传输，时钟线则负责协调数据传输的速率。MEMS传感器MPU-9255作为采集终端可以采集加速度和角速度数据，单片机将采集到的数据通过通信管理模块发送至PC端完成数据的采集与传输，PC端可以实现数据的接收、显示、保存与处理功能。
MPU-9255是美国Invensense公司开发的一款九轴运动跟踪装置，它是一个QFN封装(Quad Flat No-leadPackage，方形扁平无引脚封装)的复合芯片(MCM)，由两部分组成：一部分是三轴加速度计和三轴陀螺仪，另一部分则是AKM公司的AK8975三轴磁力计。本发明利用MPU-9255中的IIC方案，直接输出九轴的全部数据，时钟校准并保持与主控制模块同步。
主控制模块1-2采用MSP430F247单片机核心处理器芯片，MSP430单片机芯片外设有时钟电路、复位电路和JTAG接口，MSP430单片机芯片通过IIC总线与MEMS传感器1-1连接，MSP430单片机芯片通过UART串口与通信管理模块1-3连接。TI公司的超低功耗MSP430系列，可以保证系统功耗在一个较低的水平。由于本方法所采用的器件及电路功耗超低，整个系统正常运行时功耗控制在0.4mAh以内，可支持系统连续工作300个小时以上。
通信管理模块1-3采用WizFi210模块，WizFi210模块选择通过基于串口的异步收发传输器与数据处理模块2，即PC端，连接；或者选择配置并构建网络，通过TCP/IP协议与数据处理模块2连接并进行数据交互。通信管理模块采用Wiznet公司的WizFi210模块，该模块提供了全部必需的硬件和软件，从而可以快速地建立Wi-Fi网络与PC或外部微处理器的连接。本发明主要利用其数据传输功能，单片机通过串口对WizFi210进行配置，构建网络，通过TCP/IP协议与客户端进行数据传输，解决了数据传输的距离限制。通过本模块，PC端能够及时获得所需的测量数据，简化了装置的安装，尤其是省去了传统测量装置中复杂的连接电路，保证测量所得数据的实时性。
同时，数据采集器1中设有太阳能电池板，太阳能电池板采集电能，为MEMS传感器1-1、主控制模块1-2和通信管理模块1-3供电。太阳能电池板配合超低功耗的微处理器MSP430，使得本装置在方便安装操作的同时也省去了经常更换电池的麻烦。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种起重机制动下滑量软测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，初始化：对MEMS传感器进行标定，完成初始化；
第二步，采样：通过MEMS传感器对起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度信息进行采样，并将所述吊重瞬间加速度和角速度信息传输至数据处理模块；
第三步，求解如下由第一拉格朗日方程和第二拉格朗日方程联立的吊重系统非线性动力学微分方程组，得到绳长变化值和角度变化值，即为起重机制动下滑量：
其中，为钢丝绳长度变化量关于时间t的微分，即所述起重机吊重系统的吊重瞬间加速度，g为重力加速度，θ为吊重摆角，m为吊重质量，x为钢丝绳长变化量，为所述起重机吊重系统的吊重瞬间角速度，k为钢丝绳弹性系数，l0为制动瞬间钢丝绳长度，为吊重摆角变化加速度，Q为风载荷作用力，Q＝CKhqA，C为风力系数，Kh为风压高度系数，q为计算风压，q＝0.613v2，其中v为计算风速，A为吊重垂直于风向的迎风面积。
2.根据权利要求1所述的起重机制动下滑量软测量方法，其特征在于，所述第一步中，对MEMS传感器进行标定的过程如下：
步骤101，分别将MEMS传感器沿x轴正负方向、y轴正负方向、z轴正负方向六个方向移动，分别在所述六个方向各采集一组静态数据，每组静态数据均包括：x轴实际的加速度值Ax，y轴实际的加速度值Ay，z轴实际的加速度值Az，x轴加速度计输出的电压值Vx，y轴加速度计输出的电压值Vy，z轴加速度计输出的电压值Vz；
步骤102，将步骤101中的6组静态数据分别带入加速度计误差模型：
其中，Eij(i＝x、y、z，j＝x、y、z，i≠j)表示两个方向上的加速度计安装误差系数，其中下标i，j代表加速度计安装误差系数所针对的方向；
步骤103，利用最小二乘法计算出加速度计误差模型中的各项系数：x轴上加速度的零偏Bx，y轴上加速度的零偏By，z轴上加速度的零偏Bz，x轴加速度计的标度因数Sx，y轴加速度计的标度因数Sy，z轴加速度计的标度因数Sz；完成对MEMS传感器的标定。
3.如权利要求1至2所述的起重机制动下滑量软测量方法，其特征在于，所述第二步中，在对起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度信息进行采样之后，还包括：用卡尔曼滤波器对所述起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度信号进行滤波，滤除信号中的脉冲噪声、高频噪声和随机噪声。
4.一种起重机制动下滑量软测量装置，其特征在于，该装置用以实现权利要求1、2或3所述起重机制动下滑量软测量方法，包括放置在起重机吊钩上与重物接触位置的数据采集器(1)和与所述数据采集器(1)连接的数据处理模块(2)，所述数据采集器(1)由顺序串联的MEMS传感器(1-1)、主控制模块(1-2)和通信管理模块(1-3)组成，所述通信管理模块(1-3)作为数据采集器(1)的输出端与数据处理模块(2)连接；
所述MEMS传感器(1-1)用以对起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度信息进行采样；
主控制模块(1-2)用以控制MEMS传感器(1-1)并存储采集到的加速度和角速度信息；
所述通信管理模块(1-3)用以在主控制模块(1-2)控制下将加速度和角速度信息传输至数据处理模块(2)；
数据处理模块(2)用以根据MEMES传感器(1-1)采集到的起重机吊重系统的吊重瞬间加速度和角速度信息进行吊重系统非线性动力学微分方程组的求解运算，得到绳长变化值和角度变化值，即得到起重机制动下滑量。
5.如权利要求4所述的起重机制动下滑量软测量装置，其特征在于，所述的MEMS传感器(1-1)采用MPU-9255数据采集芯片，MPU-9255数据采集芯片输出端通过IIC总线与主控制模块(1-2)连接，MPU-9255数据采集芯片的时钟总线与主控制模块(1-2)连接，两者时钟保持同步。
6.如权利要求4所述的起重机制动下滑量软测量装置，其特征在于，所述的主控制模块(1-2)采用MSP430单片机芯片，MSP430单片机芯片外设有配套的时钟电路、复位电路和JTAG接口，MSP430单片机芯片通过IIC总线与MEMS传感器(1-1)连接，通过UART串口与通信管理模块(1-3)连接。
7.如权利要求4至权利要求6所述的起重机制动下滑量软测量装置，其特征在于，所述的通信管理模块(1-3)采用WizFi210模块，WizFi210模块通过基于串口的异步收发传输器与数据处理模块(2)连接；或者通过TCP/IP协议与数据处理模块(2)连接并进行数据交互。
8.如权利要求4、5或6所述的起重机制动下滑量软测量装置，其特征在于，所述的数据采集器(1)中设有太阳能电池板，太阳能电池板采集电能，并同时连接MEMS传感器(1-1)、主控制模块(1-2)和通信管理模块(1-3)，为其供电。
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