CN108217460A - 一种起重机负载空间摆角实时检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种起重机负载空间摆角实时检测系统及方法，该系统包括获取单元、数据采集模块、数据处理模块和数据输出模块，获取单元用于获取自身空间坐标信息的四个GPS定位仪，数据采集模块用于采集四个GPS定位仪获取的空间坐标信息，数据处理模块用于对所获取的空间位置坐标进行处理，获得负载的实时偏摆角信息，数据输出模块用于输出实时偏摆角信息。上述方法通过前述检测系统计算负载的实时偏摆角信息。有效提高了负载偏摆检测的检测精度，可有效解决大型起重机复杂吊具系统在实际作业时的偏摆角实时检测问题。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种起重机负载空间摆角实时检测系统及方法。
背景技术
起重机械吊装负载时，在外部载荷激励、回转运动与变幅运动自激作用下，负载将会产生明显的偏摆且摆动周期长，当偏摆角度较大时，严重影响吊装作业效率和安全性，对起重机作业过程中的负载偏摆进行实时检测，对了解负载偏摆运动规律、实施负载防摆控制技术和保证起重机作业安全都十分必要。
现有技术中对起重机负载偏摆检测方法及装置主要有三种，一种基于激光发射器，一种基于角度传感器，另外一种是结合利用角度测量器和位移测量器。
基于激光扫描技术的检测方法通过在臂头放置一个激光发射器，在吊钩上放置反射装置，要求顶端的激光发射器具有一定的自搜索功能，能跟随反射装置运动，激光发射器的运动量大小和方向直接反映吊重的摆角大小和方向。
基于角度传感器的测量方法通过在在吊绳顶端位置安装一个内壁耐磨的套筒，套在吊绳上，套筒可随吊绳摆动，套筒与两个正交的角度传感器连接，即可测量吊重的摆角。
基于角度测量和位移测量的负载空间偏摆测量方法通过在臂架上固连一角度测量器和一直线位移测量器，两测量器通过一伸缩部件利用套环与吊绳连接，套环随吊绳空间摆动做平面运动，利用测得的伸缩部件位移信息和摆角信息，即可测量负载的空间摆角。
现有技术中基于激光扫描技术的起重机负载偏摆测量方案实测时对作业环境要求较高，例如在强光或多雾的作业环境中，很难保证激光测距仪距离测量的准确性，且方案实现成本昂贵。利用角度传感器或角度测量器与位移测量器想结合的测量方案多需要在吊绳上布置套筒或套环，这对大型起重机多倍率吊绳系统实施困难，机型适用性较弱。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，不发明的第一个目的在于提供一种起重机负载空间摆角实时检测系统。
本发明的第二目的在于提供一种起重机负载空间摆角实时检测方法。
为实现上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种起重机负载空间摆角实时检测系统，其特征在于：包括获取单元、数据采集模块、数据处理模块和数据输出模块；
所述获取单元包括臂尾GPS定位仪、臂头GPS定位仪、第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪；
所述臂尾GPS定位仪安装在吊臂的尾部，臂头GPS定位仪安装在吊臂的头部；
所述第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪分别安装在销的两端，所述销用于连接吊钩和悬臂；
所述臂尾GPS定位仪、臂头GPS定位仪、第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪分别与数据采集模块通信连接，所述数据采集模块与数据处理模块通信连接；
所述数据处理模块对接收到的信息进行处理，得到悬挂在吊钩上的负载的空间摆角信息；
所述数据输出模块与数据处理模块通信连接，用于输出空间摆角信息。
作为改进，还包括GPS基准站；
所述GPS基准站设置在起重机附近的空旷区域；
所述GPS基准站分别与臂尾GPS定位仪、臂头GPS定位仪、第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪通信连接，用于对臂尾GPS定位仪、臂头GPS定位仪、第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪获取的空间位置坐标信息进行误差修正；
所述GPS基准站与数据采集模块通信连接，将修正后的空间位置坐标信息传至数据采集模块。
为实现上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种起重机负载空间摆角实时检测方法，其特征在于，采用上述的起重机负载空间摆角实时检测系统，步骤如下：
S1：建立坐标系：采用WGS-84坐标系为第一个坐标系，将吊臂头部与悬臂顶部的连接点为坐标系原点建立第二坐标系，第二坐标系以沿变幅平面内的水平轴为x轴，以铅锤方向为z轴；
S2：在所述数据采集模块中，通过臂尾GPS定位仪和臂头GPS定位仪获取的空间位置坐标信息，建立第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息的变换关系；
S3：在所述数据处理模块中，将第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪在WGS-84坐标系中获取的空间位置坐标信息带入S2中建立的空间位置坐标信息的变换关系中，得到第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪在第二坐标系中对应的空间位置坐标信息；
利用第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪在第二坐标系中的空间位置坐标信息计算负载的空间摆角信息。
作为改进，所述S2中建立的第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息的变换关系如下：
S2a：设：在WGS-84坐标系中，臂尾GPS定位仪和臂头GPS定位仪获取的空间位置坐标信息分别为[x1 y1]T与[x2 y2]T；
在第二坐标系中，臂尾GPS定位仪和臂头GPS定位仪获取的空间位置坐标信息分别为[x1′ y1′]T与[x2′ y2′]T；
第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息变换的坐标转换系数分别为x轴的平移参数△x、y轴的平移参数△y、尺度比参数m和旋转参数α；
S2b：第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息的变换关系如公式(1)和(2)：
其中，m为尺度比参数，其值为检验值；
S2c：通过公式(3)计算第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息变换的坐标转换系数△x、△y、m和α：
其中κ＝mcosα，γ＝msinα。
作为改进，所述S3中得到第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪在第二坐标系中对应的空间位置坐标信息的过程如下：
设：在WGS-84坐标系中，第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪获取的空间位置坐标信息分别为[x3 y3]T与[x4 y4]T；
在第二坐标系中，第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪获取的空间位置坐标信息分别为[x3′ y3′]T与[x4′ y4′]T；
将所述空间位置坐标信息[x3 y3]T与[x4 y4]T分别对应的带入公式(4)和(5)，计算得到第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪在第二坐标系中对应的空间位置坐标信息[x3′ y3′]T与[x4′ y4′]T；
作为改进，所述S3中利用第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪在第二坐标系中的空间位置坐标信息计算负载空间摆角信息的过程如下：
利用公式(6)和(7)分别计算负载空间摆角信息：
其中z2，z3和z4分别为臂头GPS定位仪、第一吊钩GPS定位仪和第二吊钩GPS定位仪在WGS-84坐标系下，高度方向的位置坐标，αs为负载的切向摆角，βs为负载的径向摆角。
与现有技术相比，本发明至少存在如下有益效果：
1、本发明起重机负载空间摆角实时检测系统只需在原起重机吊臂结构增加简单连接装置进行连接即可，结构简单，系统移动GPS定位仪固接与臂尾、臂头和吊钩，不收吊绳倍率的影响，可适用于采用单倍率或多赔率吊绳各型起重机设备，系统基于GPS/RTK实时差分定位技术，定位精度高，实时性较好，可用于长时间动态测量，且对温度、风载及能见度的要求低，环境适应性好。
2、本发明起重机负载空间摆角实时检测方法基于GPS(Global PositioningSystem，全球定位系统)技术，确定各GPS定位仪的空间坐标信息，即可以确定出吊臂的空间坐标信息和吊钩的空间坐标信息，通过对各GPS定位仪所获得的WGS-84坐标系位置坐标信息和臂头局部坐标系位置坐标信息进行坐标实时转换，再依据负载摆角与臂头局部坐标系下测点空间位置坐标的解算关系，可实时测得起重机作业时负载的偏摆信息，相比现有检测系统，无需过多附加的连接装置，有效解决了由于检测系统机构复杂而产生的间接误差，相对现有系统，还可有效解决大摆角的实时检测问题。
3、起重机负载空间摆角实时检测方法有效提高了负载偏摆检测的检测精度，可有效解决大型起重机复杂吊具系统在实际作业时的偏摆角实时检测问题。
附图说明
图1为起重机负载空间摆角实时检测系统的示意图。
图2为起重机负载空间摆角实时检测方法的流程图。
图3为本发明实施例2中负载偏摆角度检测结果图。
图中，02-吊钩、03-负载、04-GPS基准站、05-数据采集模块、06-数据处理模块、07-数据输出模块、2011-臂尾GPS定位仪、2012-臂头GPS定位仪、2013-第一吊钩GPS定位仪、2014-第二吊钩GPS定位仪、2021-信号发射器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1，一种起重机负载空间摆角实时检测系统，包括获取单元、数据采集模块05、数据处理模块06和数据输出模块07；
所述获取单元包括臂尾GPS定位仪2011、臂头GPS定位仪2012、第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014，分别用于获取臂尾GPS定位仪2011、臂头GPS定位仪2012、第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014自身的空间坐标信息；
所述臂尾GPS定位仪2011安装在吊臂的尾部，臂头GPS定位仪2012安装在吊臂的头部；
所述第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014分别安装在销的两端，所述销用于连接吊钩和悬臂；
所述臂尾GPS定位仪2011、臂头GPS定位仪2012、第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014分别与数据采集模块05通信连接，具体地，臂尾GPS定位仪2011、臂头GPS定位仪2012、第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014分别通过与自身相连的信号发生器与数据采集模块05通信连接，比如GPS定位仪2011通过与其自身相连的信号发射器2021与数据采集模块05通信连接，所述数据采集模块05与数据处理模块06通信连接；
所述数据处理模块06对接收到的信息进行处理，得到悬挂在吊钩02上的负载03的空间摆角信息；
所述数据输出模块07与数据处理模块06通信连接，用于输出空间摆角信息。
现有技术中，吊臂的尾部与起重机连接，吊臂的头部与悬臂的顶部连接，悬臂的底部通过销与吊钩02连接。
作为改进，起重机负载空间摆角实时检测系统，还包括GPS基准站04；
所述GPS基准站04设置在起重机附近的空旷区域(此处的“附近”本领域技术人员可知的，以起重机为圆心的一个区域)；
所述GPS基准站04分别与臂尾GPS定位仪2011、臂头GPS定位仪2012、第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014通信连接，用于对臂尾GPS定位仪2011、臂头GPS定位仪2012、第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014采集的空间位置坐标信息进行误差修正；
所述GPS基准站04与数据采集模块05通信连接，将修正后的空间位置坐标信息传至数据采集模块05。
实施例2：参见图2和图3，一种起重机负载空间摆角实时检测方法，采用实施例1所述的起重机负载空间摆角实时检测系统，步骤如下：
S1：建立坐标系：采用WGS-84坐标系为第一个坐标系，将吊臂头部与悬臂顶部的连接点作为坐标系原点建立第二坐标系，第二坐标系以沿变幅平面内的水平轴为x轴，以铅锤方向为z轴；
S2：在所述数据采集模块05中，通过臂尾GPS定位仪2011和臂头GPS定位仪2012获取的空间位置坐标信息，建立第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息的变换关系；
具体如下：
S2a：设：在WGS-84坐标系中，臂尾GPS定位仪2011和臂头GPS定位仪2012获取的空间位置坐标信息分别为[x1 y1]T与[x2 y2]T；
在第二坐标系中，臂尾GPS定位仪2011和臂头GPS定位仪2012获取的空间位置坐标信息分别为[x1′ y1′]T与[x2′ y2′]T；
第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息变换的坐标转换系数分别为x轴的平移参数△x、y轴的平移参数△y、尺度比参数m和旋转参数α；
S2b：第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息的变换关系如公式(1)和(2)：
其中，m为尺度比参数，其值为检验值；
S2c：通过公式(3)计算第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息变换的坐标转换系数△x、△y、m和α：
其中κ＝mcosα，γ＝msinα。
S3：在所述数据处理模块06中，将第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014在WGS-84坐标系中获取的空间位置坐标信息带入S2中建立的空间位置坐标信息的变换关系中，得到第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014在第二坐标系中对应的空间位置坐标信息；
具体如下：
设：在WGS-84坐标系中，第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014获取的空间位置坐标信息分别为[x3 y3]T与[x4 y4]T；
在第二坐标系中，第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014获取的空间位置坐标信息分别为[x3′ y3′]T与[x4′ y4′]T；
将所述空间位置坐标信息[x3 y3]T与[x4 y4]T分别对应的带入公式(4)和(5)，计算得到第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014在第二坐标系中对应的空间位置坐标信息[x3′ y3′]T与[x4′ y4′]T；
利用第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014在第二坐标系中的空间位置坐标信息计算负载的空间摆角信息。
具体如下：利用公式(6)和(7)分别计算负载空间摆角信息：
其中z2，z3和z4分别为臂头GPS定位仪2012、第一吊钩GPS定位仪2013和第二吊钩GPS定位仪2014在WGS-84坐标系下，高度方向的位置坐标，αs为负载03的切向摆角，βs为负载03的径向摆角。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当明白，对技术方案进行修改或是替换，而不脱离技术方案的宗旨与范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。
Claims (6)
1.一种起重机负载空间摆角实时检测系统，其特征在于：包括获取单元、数据采集模块(05)、数据处理模块(06)和数据输出模块(07)；
所述获取单元包括臂尾GPS定位仪(2011)、臂头GPS定位仪(2012)、第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)；
所述臂尾GPS定位仪(2011)安装在吊臂的尾部，臂头GPS定位仪(2012)安装在吊臂的头部；
所述第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)分别安装在销的两端，所述销用于连接吊钩和悬臂；
所述臂尾GPS定位仪(2011)、臂头GPS定位仪(2012)、第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)分别与数据采集模块(05)通信连接，所述数据采集模块(05)与数据处理模块(06)通信连接；
所述数据处理模块(06)对接收到的信息进行处理，得到悬挂在吊钩(02)上的负载(03)的空间摆角信息；
所述数据输出模块(07)与数据处理模块(06)通信连接，用于输出空间摆角信息。
2.如权利要求1所述的起重机负载空间摆角实时检测系统，其特征在于：还包括GPS基准站(04)；
所述GPS基准站(04)设置在起重机附近的空旷区域；
所述GPS基准站(04)分别与臂尾GPS定位仪(2011)、臂头GPS定位仪(2012)、第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)通信连接，用于对臂尾GPS定位仪(2011)、臂头GPS定位仪(2012)、第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)获取的空间位置坐标信息进行误差修正；
所述GPS基准站(04)与数据采集模块(05)通信连接，将修正后的空间位置坐标信息传至数据采集模块(05)。
3.一种起重机负载空间摆角实时检测方法，其特征在于，采用权利要求2所述的起重机负载空间摆角实时检测系统，步骤如下：
S1：建立坐标系：采用WGS-84坐标系为第一个坐标系，将吊臂头部与悬臂顶部的连接点为坐标系原点建立第二坐标系，第二坐标系以沿变幅平面内的水平轴为x轴，以铅锤方向为z轴；
S2：在所述数据采集模块(05)中，通过臂尾GPS定位仪(2011)和臂头GPS定位仪(2012)获取的空间位置坐标信息，建立第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息的变换关系；
S3：在所述数据处理模块(06)中，将第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)在WGS-84坐标系中获取的空间位置坐标信息带入S2中建立的空间位置坐标信息的变换关系中，得到第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)在第二坐标系中对应的空间位置坐标信息；
利用第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)在第二坐标系中的空间位置坐标信息计算负载的空间摆角信息。
4.如权利要求3所述的起重机负载空间摆角实时检测方法，其特征在于，所述S2中建立的第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息的变换关系如下：
S2a：设：在WGS-84坐标系中，臂尾GPS定位仪(2011)和臂头GPS定位仪(2012)获取的空间位置坐标信息分别为[x1 y1]T与[x2 y2]T；
在第二坐标系中，臂尾GPS定位仪(2011)和臂头GPS定位仪(2012)获取的空间位置坐标信息分别为[x1′ y1′]T与[x2′ y2′]T；
第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息变换的坐标转换系数分别为x轴的平移参数△x、y轴的平移参数△y、尺度比参数m和旋转参数α；
S2b：第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息的变换关系如公式(1)和(2)：
其中，m为尺度比参数，其值为检验值；
S2c：通过公式(3)计算第一坐标系与第二坐标系空间位置坐标信息变换的坐标转换系数△x、△y、m和α：
其中κ＝mcosα，γ＝msinα。
5.如权利要求4所述的起重机负载空间摆角实时检测方法，其特征在于，所述S3中得到第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)在第二坐标系中对应的空间位置坐标信息的过程如下：
设：在WGS-84坐标系中，第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)获取的空间位置坐标信息分别为[x3 y3]T与[x4 y4]T；
在第二坐标系中，第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)获取的空间位置坐标信息分别为[x3′ y3′]T与[x4′ y4′]T；
将所述空间位置坐标信息[x3 y3]T与[x4 y4]T分别对应的带入公式(4)和(5)，计算得到第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)在第二坐标系中对应的空间位置坐标信息[x3′ y3′]T与[x4′ y4′]T；
6.如权利要求5所述的起重机负载空间摆角实时检测方法，其特征在于，所述S3中利用第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)在第二坐标系中的空间位置坐标信息计算负载空间摆角信息的过程如下：
利用公式(6)和(7)分别计算负载空间摆角信息：
其中z2，z3和z4分别为臂头GPS定位仪(2012)、第一吊钩GPS定位仪(2013)和第二吊钩GPS定位仪(2014)在WGS-84坐标系下，高度方向的位置坐标，αs为负载(03)的切向摆角，βs为负载(03)的径向摆角。
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