CN107986161A - 一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置，在待吊装的大型工件的平面上安带有GPS模块和姿态检测模块的从机A，安装底座安有GPS接收模块和姿态检测的从机B，主机模块带显示屏安装在吊装操作室，基站安装在施工环境中开阔没有遮挡物的高处。其中主机分别和从机A,从机B之间无线通信。从机A与基站之间无线通信。从机A和从机B解算出吊装工件的绝对位置以及姿态信息，同时从机A通过基站来提高定位精度，从机A和从机B再通过无线通信模块把信息发送给主机。主机将工件的速度、加速度、距离、工件吊装示意图在屏幕上显示。该系统独特布局和求解算法能够大幅度提升工件安装定位和姿态检测精度，有效的提高了大型工件吊装安装的效率。

Description

一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置

技术领域

本发明属于大型工件吊装调试及其应用领域，尤其涉及一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置，适用于体积和重量较大工件定位安装，可以广泛应用于造船工件起吊，水电风电机组安装等行业的大型工件起吊安装。

背景技术

大型工件起吊精准定位安装在工程中仍是一个需要克服的问题，比如在造船行业大型轮船机舱起吊安装位置是一个重要环节。轮船机舱体积和质量都比较庞大，吊装过程中工件准确移动到准确位置比较困难，如工件不能准确的起吊和放置到指定安装位置，还需要重新吊起然后不断调整到合适位置，在起吊和安装过程中操作人员视野被巨大工件阻挡无法看到工件下安装定位孔不方便调整，更不清楚起吊工件当前姿态和相对与安装参考点的准确位置，需要辅助人员在安装点观察工件的姿态和位置然后把信息反馈给吊装操作人员，再根据反馈信息来调整操作。这种信息反馈是基于辅助人员的观察和经验，不能客观的反映吊装工件的当前准确姿态和相对位置，而且这种信息反馈实时性和准确性差，容易导致安全事故。同样在大型风力发电机在安装电机，叶片时候需要悬空起吊和安装容易受环境因素干扰，工件容易在空中摆动使工件安装定位更加困难，风电设备对吊装的工件姿态和位置控制要求更高。

现在工程上大型工件起吊安装还是采用传统的方法，需要吊装操作人员和地面辅助人员相互配合，在辅助人员的引导和指挥下不断调整工件姿态和位置接近预定位置，然后辅助工人通过手工或者器械使工件与安装底座的安装孔相互配合。但对于质量和体积巨大的工件安装定位如果不精确，一点微小偏移调整起来也特别困难。本发明能够有效辅助吊装操作人员准确掌握吊装工件当前姿态位置以及速度加速度，可以及时有效调整使工件准确定位与底座配合。

发明内容

本发明根据现有技术不足，公开了一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置。具体技术方案为：

一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置，包括主机、从机A、从机B、基站；其中，主机分别与从机A、从机B之间无线通信，从机A、从机B与基站之间无线通信；主机位于驾驶舱内，从机A通过从机A安装支架固定于要吊装的工件表面，从机B通过从机B安装底盘固定于安装底座表面，基站位于施工环境中没有遮挡物的高处；所述从机A和从机B用于通过各自的嵌入式系统解算出吊装工件的绝对位置以及姿态信息，同时从机A用于通过基站提高定位精度，从机A和从机B用于通过无线通信模块将信息发送给主机；主机用于在屏幕上显示解算出的工件速度、加速度、相对于安装底座的距离信息以及工件吊装示意图；

所述的主机包括微处理器A、显示模块、无线数据传输模块A、主机控制键盘、直流稳压电源模块；其中，显示模块、无线数据传输模块A、主机控制键盘、直流稳压电源模块的输出端分别与微处理器A相连，直流稳压电源模块的输入端与车载电源连接。

所述的从机A包括微处理器B、无线数据传输模块B、三个GPS模块即GPS-A、GPS-B、GPS-C、电源转换模块A、姿态检测模块A、锂电池A；其中三个GPS模块、姿态检测模块A和无线数据传输模块B分别与微处理器B连接，从机A电源转换模块输出端分别与三个GPS模块GPS-A，GPS-B，GPS-C的电源端和微处理器B的电源端连接，输入端与锂电池A连接；从机A三个GPS模块构成的平面即工件平面。

所述从机B包括微处理器C、GPS模块即GPS-D，无线数据传输模块C、电源转换模块B、锂电池B、姿态检测模块B；GPS-D和无线数据传输模块C分别与微处理器B连接；电源转换模块B的输出端分别与微处理器B和GPS-D的电源端连接，输入端与锂电池B连接；姿态检测模块B与微处理器B连接；从机B所处平面即安装底座的平面。

所述的基站包括微处理器D、GPS模块即GPS-E、无线数据传输模块D、电源转换模块C、锂电池C；其中GPS-E和无线数据传输模块D分别与微处理器D连接；电源转换模块C的输出端分别与微处理器D和GPS-E的电源端连接，其输入端与锂电池C连接。

进一步地，所述从机A的三个GPS模块用于通过计算得到工件的实时位置信息，其中，吊装工件中心在三维空间中X、Y、Z轴方向的坐标分别为从机A三个GPS模块在X、Y、Z轴上坐标和的三分之一；从机A的每个GPS模块的精确位置采用载波相位差分技术，基站的GPS实时将其载波观测量及基站坐标信息一同传送到从机A和从机B；从机A和从机B接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，解算坐标实时位置信息。

进一步地，所述从机A的安装支架的形状外圈呈环状，中间呈圆形，两者圆心位置相同，环状外圈与中心圆形通过3根条状半径条辐连接，条幅长度大于等于300mm，且均匀分布，相邻条幅中心线夹角位120°；从机A的三个GPS模块分别安装于不同的条幅上。

进一步地，从机A安装支架、从机B安装底盘的上面板分别固定连接从机A和从机B，安装支架的下面板分别通过固定吸盘固定于工件表面和安装底座表面；所述的固定吸盘为磁力固定组合吸盘或真空吸盘。

进一步地，所述主机微处理器A用于移植实时操作系统的应用程序框架，实现不同的任务调度；在硬件驱动和实时操作系统基础上移植嵌入式应用中的图形支持系统，显示吊装工件位置和姿态信息和交互界面。

进一步地，所述的无线数据传输模块采用全双工无线通信模块；GPS模块采用有源陶瓷天线；该天线集成LC带通滤波器、低噪声前端放大器、低噪声二级放大器，用于对接收到的GPS信号预处理；所述的姿态检测模块集成了6轴惯性测量单元和3轴磁力计的芯片。

本发明的有益效果在于不但能缩短了大型工件起吊装安装和调整的时间，而且能够有效的帮助吊装的工作人员提高吊装精度达到厘米级别。由于本发明方法和设备可以节省地面工作人员的辅助指挥，减轻地面工作劳动强度，更能保障地面人员的安全，而且设备的成本较低可行性高。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明的系统安装示意图。

图3是本发明的星形支架和金属开关磁力组合吸盘装配示意图。

图4是本发明本支架下部分面板结构示意图。

图5是本发明本发支架下部分面板俯视图。

图6是本发明本发支架下部分面板主视图。

图中1主机；2从机A；3从机B；4基站；5驾驶舱；6吊装缆绳；

101微处理器A；102显示模块；103无线数据传输模块A；104主机控制键盘；105直流稳压电源模块；

201微处理器B；202GPS-A；203GPS-B；204GPS-C；205电源转换模块A；206无线通信模块B；207锂电池A；208姿态检测模块A；209上下面板链接螺栓；210快拆手柄；211快拆螺栓；212上面板；213下面板；214吊装工件；215吊装工件装配面；216GPS模块固定通孔；217上面板连接通孔；218从机固定通孔；219·下面板连接通孔；220快拆螺栓滑槽；221底盘定位孔；222底盘定位销钉；223底盘快拆滑槽；224磁力吸盘开关；225金属开关磁力组合吸盘；226底座面板；

301微处理器B；302GPSD；303无线通讯模块C；304电源转换模块B；305锂电池B；306姿态检测模块B；307安装底座；308安装底座装配面；309从机B安装底盘；

401微处理器D；402GPSE；403无线数据传输模D；405锂电池C；406电源转换模块C。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创新性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

实施例：

本发明不但发明一套工件吊装过程姿态监测和定位的装置而且还提供了配套的方法。一种工件吊装过程姿态监测和定位的装置包括主机，从机A和从机B。所述的主机1包括微处理器A，显示模块通过SPI总线数据线口与微处理器A的SPI接口连接，1无线数据传输模块A通过UART串口线与主机微处理器连接，主机控制键盘与微处理器A的GPIO连接。直流稳压电源输入端驾驶室在车载24V电源连接输出端与微处理器A的电源引脚连接。主机1安装在驾驶舱5的合适位置。微处理器B与三个GPS模块(GPS-A，GPS-B，GPS-C)分别通过UART串口线连接。电源转换模块A输出端分别与三个GPS模块，微处理器B电源端连接，输入端与从机A锂电池A连接。姿态检测模块A通过IIC总线与微处理器B连接。从机A通过螺栓与从机固定通孔218固定在上面板。从机A三个GPS模块(GPS-A，GPS-B，GPS-C)通过固定通孔固定在上面板。上面板通过面板连接螺栓与下面板连接。快拆螺栓穿过快拆螺栓滑槽连接从机B安装底盘固定，下端与快拆把手连接。微处理器B固定在从机B安装底盘上,GPS-D通过UART串口线与微处理器B连接。无线数据传输模块B通过UART串口线与微处理器B连接。电源转换模块B的输出端分别与微处理器B和从机B的GPS模块的电源端连接，其输入端与锂电池B连接；姿态检测模块B通过IIC总线与微处理器B连接。无线数据传输模块D通过UART串口线与微处理器D连接；电源转换模块C的输出端分别与微处理器D和GPS-E的电源端连接，其输入端与锂电池C连接。

优选地，所述的无线数据传输模块采用全双工2.4G的nRF24L01无线通信模块分的引脚RXD，TXD分别与嵌入式处理器的TXD，RXD引脚连接。

本发明使用的无GPS模块采用U-BLOX NEO-8M芯片，GPS模块使用有源陶瓷天线。天线集成LC带通滤波器，低噪声前端放大器，低噪声二级放大器，对接收到的GPS信号预处理。

优选地，所述的姿态检测模块使用集成了6轴惯性测量单元(加速度计+陀螺仪)和3轴磁力计MPU9025芯片。

优选地，所述的姿态检测模块使用集成了6轴惯性测量单元(加速度计+陀螺仪)和3轴磁力计MPU9025芯片，模块的时钟线SCL，数据线SDA输出接口分别微处理器的SCL和SDA引脚连接。

优选地，所述的微处理器1使用STM系列F103RCT6芯片为核心的最小系统板。

优选地，所述的从机A电源转电路205，从机B电源转电路304，基站电源转电路406，采用的LM2596稳压芯片把锂电池的电压稳定在5V给微处理器和GPS模块提供稳定的工作电压。

优选地，所述的微处理器2和3使用4核主1.2GHz的Raspberry Pi Mold 3B控制板使用Raspbian linux操作系统。

优选地，所述的显示模块是有SPI接口3.5寸LCD彩色显示模块，自带通过SPI接口与MCU连接，实现彩色图形信息显示。

优选地，在主机STM32F103RCT6芯片为核心的系统上移植u/COS-II实时操作系统的应用程序框架，来实现不同的任务调度,在硬件驱动和u/COS-II实时操作系统基础上移植UCGUI这种嵌入式应用中的图形支持系统，UCGUI可以为任何使用LCD图形显示的应用，提供高效的独图形用户接口，并适用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真实显示或虚拟显示。用来显示吊装工件位置和姿态信息和交互界面。

具体安装操作结合图2，首先把从机A的安装底盘226，从机B安装底盘309分别放到工件和安装底座的上相对平坦的部位，然后拧开从机A和从从机B安装底座金属开关磁力组合吸盘开关224和310，使从机A和从机B固定。开始工作后操作人员可以通过主机显示屏幕102清楚了解吊装工件当前信息。

Claims (6)

1.一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置，其特征在于，包括主机、从机A、从机B、基站；其中，主机分别与从机A、从机B之间无线通信，从机A、从机B与基站之间无线通信；主机位于驾驶舱内，从机A通过从机A安装支架固定于要吊装的工件表面，从机B通过从机B安装底盘固定于安装底座表面，基站位于施工环境中没有遮挡物的高处；所述从机A和从机B用于通过各自的嵌入式系统解算出吊装工件的绝对位置以及姿态信息，同时从机A用于通过基站提高定位精度，从机A和从机B用于通过无线通信模块将信息发送给主机；主机用于在屏幕上显示解算出的工件速度、加速度、相对于安装底座的距离信息以及工件吊装示意图；

所述的主机包括微处理器A、显示模块、无线数据传输模块A、主机控制键盘、直流稳压电源模块；其中，显示模块、无线数据传输模块A、主机控制键盘、直流稳压电源模块的输出端分别与微处理器A相连，直流稳压电源模块的输入端与车载电源连接；

所述的从机A包括微处理器B、无线数据传输模块B、三个GPS模块即GPS-A、GPS-B、GPS-C、电源转换模块A、姿态检测模块A、锂电池A；其中三个GPS模块、姿态检测模块A和无线数据传输模块B分别与微处理器B连接，从机A电源转换模块输出端分别与三个GPS模块GPS-A，GPS-B，GPS-C的电源端和微处理器B的电源端连接，输入端与锂电池A连接；从机A三个GPS模块构成的平面即工件平面；

所述从机B包括微处理器C、GPS模块即GPS-D，无线数据传输模块C、电源转换模块B、锂电池B、姿态检测模块B；GPS-D和无线数据传输模块C分别与微处理器B连接；电源转换模块B的输出端分别与微处理器B和GPS-D的电源端连接，输入端与锂电池B连接；姿态检测模块B与微处理器B连接；从机B所处平面即安装底座的平面；

所述的基站包括微处理器D、GPS模块即GPS-E、无线数据传输模块D、电源转换模块C、锂电池C；其中GPS-E和无线数据传输模块D分别与微处理器D连接；电源转换模块C的输出端分别与微处理器D和GPS-E的电源端连接，其输入端与锂电池C连接。

2.根据权利要求1所述的一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置，其特征在于，从机A的三个GPS模块用于通过计算得到工件的实时位置信息，其中，吊装工件中心在三维空间中X、Y、Z轴方向的坐标分别为从机A三个GPS模块在X、Y、Z轴上坐标和的三分之一；从机A的每个GPS模块的精确位置采用载波相位差分技术，基站的GPS实时将其载波观测量及基站坐标信息一同传送到从机A和从机B；从机A和从机B接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，解算坐标实时位置信息。

3.根据权利要求1或2所述的一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置，其特征在于，从机A的安装支架的形状外圈呈环状，中间呈圆形，两者圆心位置相同，环状外圈与中心圆形通过3根条状半径条辐连接，条幅长度大于等于300mm，且均匀分布，相邻条幅中心线夹角位120°；从机A的三个GPS模块分别安装于不同的条幅上。

4.根据权利要求1或2所述的一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置，其特征在于，从机A安装支架、从机B安装底盘的上面板分别固定连接从机A和从机B，安装支架的下面板分别通过固定吸盘固定于工件表面和安装底座表面；所述的固定吸盘为磁力固定组合吸盘或真空吸盘。

5.根据权利要求1或2所述的一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置，其特征在于，所述主机微处理器A用于移植实时操作系统的应用程序框架，实现不同的任务调度；在硬件驱动和实时操作系统基础上移植嵌入式应用中的图形支持系统，显示吊装工件位置和姿态信息和交互界面。

6.根据权利要求1或2所述的一种大型工件吊装过程姿态监测和定位装置，其特征在于，所述的无线数据传输模块采用全双工无线通信模块；GPS模块采用有源陶瓷天线；该天线集成LC带通滤波器、低噪声前端放大器、低噪声二级放大器，用于对接收到的GPS信号预处理；所述的姿态检测模块集成了6轴惯性测量单元和3轴磁力计的芯片。