CN107117533A - 一种基于无源rfid标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置，包括摆角计算及控制计算机、射频发射器、第一射频接收器、第二射频接收器、第三射频接收器、第四射频接收器、第一RFID标签、第二RFID标签和显示器；本发明双吊具桥吊摆角测量装置中摆角计算及控制计算机控制射频发射器给标签发信号，接收到信号后标签给射频接收器回复信号的时间差，测出标签与射频接收器之间的距离，从而计算出吊具的摆角；本发明双吊具桥吊摆角测量装置结构简单，成本低廉，抗干扰能力良好，维护方便，使用寿命长，测量没有死区，可以得到精准而稳定的检测结果；且本发明不仅适用于双吊具桥吊，甚至可以推广到多吊具桥吊的摆角检测上来。

Description

一种基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置及其 方法

技术领域

本发明涉及双吊具桥吊摆角测量技术领域，特别是一种基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置及其方法。

背景技术

生活中，我们常常可以在码头、施工工地等地方看到一辆辆桥式吊车把重物从一个地方搬运到另一个地方，可以说桥式吊车是一个十分重要的用于重物搬运的机械装置。而在港口码头中的集装箱货物，由于十分沉重，大多采用桥式吊车来完成搬运的工作。由于世界各国间贸易的日益频繁，海运事业的不断发展，港口码头处理的集装箱数量日益增长，而双吊具桥式吊车的两个吊具可以同时工作，无疑提高了桥式吊车的工作效率，近年来越来越多地被投入使用。但是，桥吊在运动过程中因为存在摩擦、风吹等因素，难免会产生摇晃，而桥式吊车搬运的集装箱货物重量十分沉重，若摆角过大，将是一件十分危险的事情。并且多吊具同时工作时，吊具的摇晃可能会使两个集装箱发生碰撞，如果发生后果十分严重。所以，桥吊的防摇成为近年来热门的研究课题。

想要更好地控制吊具不要摇晃，首先就得知道吊具实时的准确的摆角大小。现在的桥式吊车上，多采用接触式物理的检测装置来测量摆角值，例如光电码盘、电压传感器等。这些装置虽然可以在一定程度上测量吊具的摆角，但是都具有不少的缺点，它们结构复杂、维护不方便、检测有死区、久用之后摩擦增大给测量带来误差。另外这些装置都只针对单一吊具进行摆角检测，无法同时检测多个吊具的摆角，为双吊具的引入带来了不便。更严重的情况的是，不少码头的现场集装箱起重机操作人员直接根据目测或感官上摆角的大小来操作桥吊，这样不仅控制的效果不稳定，更是给工作带来很大的隐患，影响工作的效率与质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，成本低廉，维护方便，使用寿命长，测量没有死区，准确性高的基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置及其方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置，该摆角测量装置设置在小车机构上，所述小车机构设置在大车机构上，所述小车机构的底部设置有第一吊具和第二吊具，所述大车机构上设有桥吊驾驶室，其特征在于，该摆角测量装置包括摆角计算及控制计算机、射频发射器、第一射频接收器、第二射频接收器、第三射频接收器、第四射频接收器、第一RFID标签、第二RFID标签和显示器；所述小车机构的顶部设置有摆角计算及控制计算机，小车机构的底部设置有射频发射器；小车机构的一侧壁上设置有第一射频接收器，小车机构的另一侧壁上设置有第二射频接收器；所述第一吊具的顶部设置有第三射频接收器，第一吊具的底部设置有第一RFID标签；所述第二吊具的顶部设置有第四射频接收器，第二吊具的底部设置有第二RFID标签；所述桥吊驾驶室设置有显示器，显示器与摆角计算及控制计算机相连接；所述摆角计算及控制计算机分别与射频发射器、第一射频接收器、第二射频接收器、第三射频接收器、第四射频接收器相连接，摆角计算及控制计算机向射频发射器发送信号，摆角计算及控制计算机接收第一射频接收器、第二射频接收器、第三射频接收器、第四射频接收器传输来的信号；所述射频发射器分别与第一RFID标签、第二RFID标签相连接，第一RFID标签和第二RFID标签均与第一射频接收器、第二射频接收器、第三射频接收器、第四射频接收器相连接；所述射频发射器分别向第一RFID标签和第二RFID标签发送信号，第一RFID标签和第二RFID标签向第一射频接收器、第二射频接收器、第三射频接收器、第四射频接收器发送信号。

优选地，所述摆角计算及控制计算机进一步与桥吊防摇控制系统连接。

优选地，所述第一射频接收器所在的小车机构侧壁面与第二射频接收器所在的小车机构另一侧壁面相垂直。

优选地，所述小车机构通过第一驱动机构设置在大车机构的顶部。

优选地，所述大车机构的底部设置有第二驱动机构。

一种基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：摆角计算及控制计算机给射频发射器发出工作命令，射频发射器接收到工作命令后通过天线向第一RFID标签、第二RFID标签发送电磁波信号；

步骤二：第一RFID标签、第二RFID标签接收到电磁波信号后，给第一射频接收器、第二射频接收器、第三射频接收器、第四射频接收器回复信号；

步骤三：第一射频接收器、第二射频接收器、第三射频接收器、第四射频接收器接收到标签回复的信息后，给摆角计算及控制计算机一个信号，摆角计算及控制计算机根据射频发射器发出信号到各射频接收器接收到标签回复信号的时间差，计算出各射频接收器与回复标签之间的距离；

步骤四：摆角计算及控制计算机根据各个射频接收器与标签之间的距离关系计算出各摆脚值，最后将角度信息显示在桥吊驾驶室的显示器上或者直接反馈到摆角计算及控制计算机的控制器上提供必要的参数。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明双吊具桥吊摆角测量装置中摆角计算及控制计算机控制射频发射器给标签发信号，接收到信号后标签给射频接收器回复信号的时间差，测出标签与射频接收器之间的距离，从而计算出吊具的摆角；本发明双吊具桥吊摆角测量装置结构简单，测量原理易懂，成本低廉，抗干扰能力良好，维护方便，使用寿命长，测量没有死区，可以得到精准而稳定的检测结果；本发明双吊具桥吊摆角测量装置中无源RFID标签测距装置具有体积小、成本低、功耗小、可靠性较高、寿命高和使用方便等特点，可以工作在物体高速运动的情况下，并能克服掉外界的恶劣环境影响；本发明双吊具桥吊摆角测量装置中射频接收器可同时读取多个标签，并且可根据标签的标志位信息判断是哪个标签传来的，从而可对不同吊具上的标签信息进行识别，更重要的是，现有的摆角测量装置都是针对单吊具桥吊设计的，不能检测双吊具桥吊摆角，而本发明不仅适用于双吊具桥吊，甚至可以推广到多吊具桥吊的摆角检测上来。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明双吊具桥吊及其摆角测量装置的结构示意图。

图2为本发明双吊具桥吊摆角测量装置的结构示意图。

图3为实施例1中双吊具桥吊运动时的结构示意图。

图4为本发明双吊具桥吊摆角测量装置的工作原理图。

图5为本发明双吊具桥吊摆角测量装置的工作流程图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置，该摆角测量装置设置在小车机构1上，所述小车机构1通过第一驱动机构14设置在大车机构2的顶部，所述小车机构1的底部设置有第一吊具3和第二吊具4，所述大车机构2上设有桥吊驾驶室5，所述大车机构2的底部设置有第二驱动机构15；所述第一吊具3的底端挂有集装箱16，所述第二吊具4的底端挂有集装箱17；

如图1、图2和图3所示，该摆角测量装置包括摆角计算及控制计算机6、射频发射器7、第一射频接收器8、第二射频接收器9、第三射频接收器10、第四射频接收器11、第一RFID标签12、第二RFID标签13和显示器；所述小车机构1的顶部设置有摆角计算及控制计算机6，小车机构1的底部设置有射频发射器7；小车机构1的x-y面上安装有第一射频接收器8，小车机构1的y-z面上安装有第二射频接收器9，小车机构1的x-y面与小车机构1的y-z面相垂直；所述第一吊具3的顶部设置有第三射频接收器10，第一吊具3的底部设置有第一RFID标签12；所述第二吊具4的顶部设置有第四射频接收器11，第二吊具4的底部设置有第二RFID标签13；所述桥吊驾驶室5设置有显示器，显示器与摆角计算及控制计算机6相连接；

如图4所示，所述摆角计算及控制计算机6分别与射频发射器7、第一射频接收器8、第二射频接收器9、第三射频接收器10、第四射频接收器11相连接，摆角计算及控制计算机6向射频发射器7发送信号，摆角计算及控制计算机6接收第一射频接收器8、第二射频接收器9、第三射频接收器10、第四射频接收器11传输来的信号；所述射频发射器7分别与第一RFID标签12、第二RFID标签13相连接，第一RFID标签12和第二RFID标签13均与第一射频接收器8、第二射频接收器9、第三射频接收器10、第四射频接收器11相连接；所述射频发射器7分别向第一RFID标签12和第二RFID标签13发送信号，第一RFID标签12和第二RFID标签13向第一射频接收器8、第二射频接收器9、第三射频接收器10、第四射频接收器11发送信号；所述摆角计算及控制计算机6进一步与桥吊防摇控制系统连接；所述摆角计算及控制计算机6给射频发射器7发出工作命令，射频发射器7接收到工作命令后通过天线向第一RFID标签12和第二RFID标签13发送电磁波信号，第一RFID标签12和第二RFID标签13接收到电磁波信号后，给各射频接收器回复信号，第一射频接收器8、第二射频接收器9、第三射频接收器10、第四射频接收器11接收到标签回复的信息后，给摆角计算控制及控制计算机6一个信号，摆角计算及控制计算机6根据射频发射器发出信号到各射频接收器接收到标签回复信号的时间差，计算出该射频接收器与回复标签之间的距离，再根据各个射频接收器与标签之间的距离关系计算出x-y面摆角δ和y-z面摆角γ的值，最后将角度信息显示在桥吊驾驶室5的显示器上或者直接反馈到摆角计算及控制计算机6的控制器上提供必要的参数。

所述摆角计算及控制计算机6：根据射频发射器发出信号到各射频接收器接收到标签回复信号的时间差，计算出该射频接收器与回复标签之间的距离，再根据各个射频接收器与标签之间的距离关系计算出x-y面摆角δ和y-z面摆角γ的值，最后将角度信息显示在桥吊驾驶室5的显示器上，帮助操作人控制桥吊，或者直接反馈到摆角计算及控制计算机6的控制器上提供必要的参数。

所述射频发射器：接收到摆角计算及控制计算机6的命令后，向RFID标签发出电磁波信号。

所述射频接收器：接收RFID标签回复的信号，并在接收到后给摆角计算及控制计算机14回复；

所述第一RFID标签12和第二RFID标签13：由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存在有唯一的电子编码，用来识别目标对象；当收到射频发射器发出的电磁波信号后，会马上给射频接收器回复信号，可以设定不同的频率，方便射频接收器识别不同的标签。

如图5所示，一种基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：摆角计算及控制计算机6给射频发射器7发出工作命令，射频发射器7接收到工作命令后通过天线向第一RFID标签12、第二RFID标签13发送电磁波信号；

步骤二：第一RFID标签12、第二RFID标签13接收到电磁波信号后，给第一射频接收器8、第二射频接收器9、第三射频接收器10、第四射频接收器11回复信号；

步骤三：第一射频接收器8、第二射频接收器9、第三射频接收器10、第四射频接收器11接收到标签回复的信息后，给摆角计算及控制计算机一个信号，摆角计算及控制计算机根据射频发射器发出信号到各射频接收器接收到标签回复信号的时间差，计算出各射频接收器与回复标签之间的距离；

步骤四：摆角计算及控制计算机6根据各个射频接收器与标签之间的距离关系计算出各摆脚值，最后将角度信息显示在桥吊驾驶室的显示器上或者直接反馈到摆角计算及控制计算机的控制器上提供必要的参数。

本发明基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置的具体工作过程如下：

(1)如图2和图3所示，若桥吊沿x方向运动，桥吊会在x-y面摆动；若吊具的绳长确定，则我们知道集装箱的摇晃轨迹必在以吊绳顶点为圆心，绳长为半径的圆上；如果不考虑集装箱摇晃角度大于超过正负90度的情况，即当摆角-90°<δ<90°时，y-z面的第二射频接收器9到第一RFID标签12、第二RFID标签13的距离与摆角δ的大小是一一对应的关系；那么根据y-z面的第二射频接收器9到第一RFID标签12或第二RFID标签13的测距便可以得到x-y面摆角值δ；以ΔABC为例分析，线段AB的长度为吊具顶部第三射频接收器10或第四射频接收器11与y-z面的第二射频接收器9的距离，其在安装时就已经确定，为已知量，记为d；线段AC的长度由RFID标签与吊具顶部射频接收器的测距确定，为可知量，记为r；线段BC的长度由y-z面第二射频接收器9与RFID标签的测距确定，为可知量，记为f；所以，ΔABC的三边都可以确定，则∠BAC可以算出来，记为θ；又因为∠BAC和∠δ为互余关系，∠ABC算出之后，δ值根据公式(1)可以算出：

当δ为正时，表示吊具在x-y面朝右摆动；当δ为负时，表示吊具在x-y面朝左摆动。

(2)如图2和图3所示，若桥吊沿z方向运动，桥吊会在y-z面摆动；则根据RFID标签到吊具顶部射频接收器的距离与RFID标签到小车x-y面的第一射频接收器8的距离，确定出y-z面摆角γ，方法跟(1)中计算x-y面的摆角δ值同理。

(3)对另外一个吊具上做同样的工作，同样得到一个摆角值。当两个吊具工作在互锁模式时，得到的两个摆脚值理论上应该相同；如果不同，那么将互相作为对照进行摆脚的修订，此工作在计算机中进行。当两个吊具工作在独立模式下时，两个吊具的摆脚互不影响，分别得到一个角度。

(4)摆角计算完后，通过无线通讯将摆角信息显示在桥吊驾驶室的显示屏上，给操作人员提高参考信息；或者通过串口通讯传输到摆角计算及控制计算机的桥吊防摇控制器上，作为摆角反馈给控制器提供必要的控制参数。

Claims (6)

1.一种基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置，该摆角测量装置设置在小车机构(1)上，所述小车机构(1)设置在大车机构(2)上，所述小车机构(1)的底部设置有第一吊具(3)和第二吊具(4)，所述大车机构(2)上设有桥吊驾驶室(5)，其特征在于，该摆角测量装置包括摆角计算及控制计算机(6)、射频发射器(7)、第一射频接收器(8)、第二射频接收器(9)、第三射频接收器(10)、第四射频接收器(11)、第一RFID标签(12)、第二RFID标签(13)和显示器；所述小车机构(1)的顶部设置有摆角计算及控制计算机(6)，小车机构(1)的底部设置有射频发射器(7)；小车机构(1)的一侧壁上设置有第一射频接收器(8)，小车机构(1)的另一侧壁上设置有第二射频接收器(9)；所述第一吊具(3)的顶部设置有第三射频接收器(10)，第一吊具(3)的底部设置有第一RFID标签(12)；所述第二吊具(4)的顶部设置有第四射频接收器(11)，第二吊具(4)的底部设置有第二RFID标签(13)；所述桥吊驾驶室(5)设置有显示器，显示器与摆角计算及控制计算机(6)相连接；所述摆角计算及控制计算机(6)分别与射频发射器(7)、第一射频接收器(8)、第二射频接收器(9)、第三射频接收器(10)、第四射频接收器(11)相连接，摆角计算及控制计算机(6)向射频发射器(7)发送信号，摆角计算及控制计算机(6)接收第一射频接收器(8)、第二射频接收器(9)、第三射频接收器(10)、第四射频接收器(11)传输来的信号；所述射频发射器(7)分别与第一RFID标签(12)、第二RFID标签(13)相连接，第一RFID标签(12)和第二RFID标签(13)均与第一射频接收器(8)、第二射频接收器(9)、第三射频接收器(10)、第四射频接收器(11)相连接；所述射频发射器(7)分别向第一RFID标签(12)和第二RFID标签(13)发送信号，第一RFID标签(12)和第二RFID标签(13)向第一射频接收器(8)、第二射频接收器(9)、第三射频接收器(10)、第四射频接收器(11)发送信号。

2.根据权利要求1所述的基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置，所述摆角计算及控制计算机(6)进一步与桥吊防摇控制系统连接。

3.根据权利要求1所述的基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置，所述第一射频接收器(8)所在的小车机构(1)侧壁面与第二射频接收器(9)所在的小车机构(1)另一侧壁面相垂直。

4.根据权利要求1所述的基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置，所述小车机构(1)通过第一驱动机构(14)设置在大车机构(2)的顶部。

5.根据权利要求1所述的基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置，所述大车机构(2)的底部设置有第二驱动机构(15)。

6.一种根据权利要求1所述的基于无源RFID标签测距的双吊具桥吊摆角测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：摆角计算及控制计算机(6)给射频发射器(7)发出工作命令，射频发射器(7)接收到工作命令后通过天线向第一RFID标签(12)、第二RFID标签(13)发送电磁波信号；

步骤二：第一RFID标签(12)、第二RFID标签(13)接收到电磁波信号后，给第一射频接收器(8)、第二射频接收器(9)、第三射频接收器(10)、第四射频接收器(11)回复信号；

步骤三：第一射频接收器(8)、第二射频接收器(9)、第三射频接收器(10)、第四射频接收器(11)接收到标签回复的信息后，给摆角计算及控制计算机一个信号，摆角计算及控制计算机根据射频发射器发出信号到各射频接收器接收到标签回复信号的时间差，计算出各射频接收器与回复标签之间的距离；

步骤四：摆角计算及控制计算机(6)根据各个射频接收器与标签之间的距离关系计算出各摆脚值，最后将角度信息显示在桥吊驾驶室的显示器上或者直接反馈到摆角计算及控制计算机的控制器上提供必要的参数。