CN110260832A - 一种起重机幅度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种起重机幅度测量方法，利用定位点，建立空间坐标，对测量点进行空间坐标转换，从而计算出起重机幅度。该方法测量精确，计算简洁，无需直接测量起重机回转中心到吊钩中心的距离，降低了测量误差。

Description

一种起重机幅度测量方法
技术领域
本发明涉及测试测绘技术领域，特别涉及一种起重机幅度测量方法。
背景技术
起重机幅度指起重机回转中心轴线至吊钩中心的水平距离。根据国家相关规定，200t以上的履带式起重机需安装大型监控系统，并要求在法定检验中校验其幅度综合误差不大于5％，因此现场测量其幅度并验算其综合误差是非常重要的。
履带式起重机的幅度显示系统通常采用角度传感器测量臂架角度，同时记录此时起重臂长，通过臂长乘以臂架角度余弦的方法换算为起重幅值。由于其角度传感器精度可达0.0050，臂长误差±10cm，因此幅度显示系统综合误差一般小于±10cm，臂架角度较小时幅度显示值误差较大。
但在检验现场，履带式起重机回转中心常常被转台覆盖难以确定，常用的拉卷尺测量等传统方法测量精度低，如卷尺会存着牵引力及重力变形产生的读数误差，其测量误差甚至超过了起重机幅度显示系统的综合误差，严重影响了检验结果的判定。因此寻找一种测量精度高、简单易实现的履带式起重机幅度测量方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种起重机幅度测量方法，包括步骤：
S1.将起重机水平放置，使起重机的底盘的底面平行于水平面，并使臂架回转角度锁死在零度；
S2.设置第一平面，所述第一平面平行于起重机底盘的侧面，在第一平面上设置至少三个定位点，其中两个定位点之间的连线为第一辅助线，所述起重机的回转中心轴在所述第一平面上的垂直映射线与第一辅助线之间的距离在设定误差内，且所述起重机的回转中心轴与第一辅助线相互平行，至少有一个定位点不在所述第一辅助线上，测量所述至少三个定位点的坐标，根据所述至少三个定位点的坐标获得所述第一平面的坐标方程；
S3.保持起重机的臂架静止，吊钩的底部中心点设置为第一辅助点，并在吊钩的上设有第一标记点，分别测量第一辅助点的坐标和第一标记点的坐标E1；
S4.保持起重机的臂架静止，将吊钩下降或上升，测量吊钩下降或上升后的第一标记点的坐标E2；
S5.过第一辅助点作平行于第一平面的第二平面，过第一辅助线中的任意一点作第一平面的法线，与第二平面交于第二辅助点，获得第二辅助点的坐标；
S6.根据第一辅助点和第二辅助点的坐标获得第一向量，根据坐标E1和坐标E2获得铅垂向量，根据所述第一向量和所述铅垂向量获得夹角α，根据所述第一向量和夹角α获得起重机幅度。
进一步地，所述S2步骤中，所述定位点为四个，其中两个定位点之间的连线为所述第一辅助线，另外两个定位点不在所述第一辅助线所在的直线上。
进一步地，所述S3步骤中，在所述吊钩上设置第二标记点，并测量第二标记点的坐标；所述S4步骤中，在吊钩下降或上升后，测量吊钩下降或上升后的第二标记点的坐标；所述S6步骤中，根据所述第二标记点在下降或上升前后的坐标对所述铅垂向量进行校正。
进一步地，所述S3步骤中，所述第一辅助点与第一标记点重合位于吊钩的底部中心点，测量第一标记点的坐标E1；所述S6步骤中，根据坐标E1和第二辅助点的坐标获得第一向量。
进一步地，所述S6步骤中，
其中，为第一向量，为铅垂向量，R为起重机幅度。
进一步地，采用全站仪进行坐标测量，所述全站仪对每个坐标进行至少两次测量。
进一步地，全站仪的型号为徕卡TPS1200。
进一步地，所述第一平面与起重机的底盘侧面重合，所述至少三个定位点位于起重机的底盘侧面上。
进一步地，所述S4步骤中，过所述第一辅助线的中点作第一平面的法线与第二平面交于第二辅助点。
进一步地，所述S2步骤中，利用最小二乘法拟合所述至少三个定位点的坐标计算第一平面的坐标方程。
本发明提供的起重机幅度测量方法，利用对定位点的坐标空间解析几何变换、平面拟合以及定位点的空间映射得到回转中心至吊钩中心的幅度值，无需直接测量起重机回转中心，降低了测量难度，提升了测量精度；通过全站仪测量定位点三维坐标，提高了测量精度；对每个定位点均进行多次测量，减少人为读数误差及风振动误差；第一平面上多个定位点所确定的平面提升了拟合第一平面的计算精度；通过在吊钩上设置若干个标记点，提升铅垂向量的测量精度，减少了吊钩的摆动带来的误差。
附图说明
图1为本发明实施例的起重机幅度测量方法的空间几何原理图；
图2为本发明实施例的起重机幅度测量方法流程图；
其中，11-第一平面，12-第二平面，21-臂架，22-吊钩，23-底盘的侧面，a-定位点，31-回转中心轴，32-第一辅助线，b-定位点，c-定位点，d-定位点，e-第一辅助点，f-第二辅助点，g-第一标记点，h-第二标记点，i-定位点a和定位点b连线的中点。
具体实施方式
如前所述，起重机回转中心常常被转台覆盖难以确定，同时使用卷尺测量误差幅度大，而使用传感器测量时臂架角度较小时幅度显示值误差过大。本发明有别于这些方法，采用坐标空间解析几何变换的方式间接测量起重机幅度值。
以下结合附图和具体实施例对本发明的起重机幅度测量方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，为本发明实施例的起重机幅度测量方法的空间几何原理图。本发明的起重机幅度测量方法，包括以下步骤：
S1.将起重机水平放置，使起重机的底盘的底面平行于水平面，并使臂架21回转角度锁死在零度；
S2.设置第一平面11，所述第一平面11平行于起重机底盘的侧面23，在第一平面11上设置至少三个定位点，如定位点a、b和c，其中两个定位点a和b之间的连线为第一辅助线32，所述起重机的回转中心轴31在所述第一平面11上的垂直映射线与第一辅助线32之间的距离在设定误差内(二者尽可能地重合)，且所述起重机的回转中心轴31与第一辅助线32相互平行，至少有一个定位点不在第一辅助线32所在的直线上，如本实施例中定位点c不在第一辅助线32所在的直线上，测量所述至少三个定位点的坐标，根据所述至少三个定位点的坐标获得所述第一平面11的坐标方程；
S3.保持起重机的臂架21静止，吊钩22的底部中心点设置为第一辅助点e，并在吊钩22的上设有第一标记点g，分别测量第一辅助点e的坐标和第一标记点g的坐标E1；
S4.保持起重机的臂架21静止，将吊钩22下降或上升，测量吊钩22下降或上升后的第一标记点g的坐标E2；
S5.过第一辅助点e作平行于第一平面11的第二平面12，过a和b连线上的任意一点作第一平面11的法线与第二平面12交于第二辅助点f，获得第二辅助点f的坐标；
S6.根据第一辅助点e和第二辅助点f的坐标获得第一向量，根据坐标E1和坐标E2获得铅垂向量，根据所述第一向量和所述铅垂向量获得夹角α，根据所述第一向量和夹角α获得起重机幅度。
需要说明的是，起重机的臂架21回转角度锁死在零度时，臂架21的方向位于起重机行进方向的正前方；起重机的底盘包括上表面、底面、两个侧面以及正面和背面，其中，两个侧面为与起重机行进方向平行的两个面，所述底盘的侧面23是指两个侧面；同时铅垂向量为竖直方向的向量。
明显地，本实施例中，起重机底盘的侧面23还设有定位点d，定位点d不在第一辅助线32所在的直线上，使第一平面11计算更加精确。当然所述定位点的数量为至少三个，本发明并不限定具体数量，定位点越多范围越分散其测量精度越高，技术人员可以根据实际需求获取定位点数量。
较优地，为了抵消吊钩22受风力等环境因素的影响，减少误差，所述S3步骤中，在所述吊钩22上设置第二标记点h，并测量第二标记点h的坐标；所述S4步骤中，在吊钩22下降或上升后，测量第二标记点h的坐标。技术人员通过第一标记点g和第二标记点h的坐标变换，获得铅垂向量，使获取到的铅垂向量更加精确。
进一步地，采用全站仪进行坐标测量，并且对每个坐标进行至少两次测量，降低人为误差和振动误差。本实施例采用的全站仪型号为徕卡TPS1200，精度等级为1"，距离误差为1mm+1.5ppm(即1公里距离误差2.5mm)，完全能够满足幅度测量精度要求。
为了便于计算，所述S4步骤中，过所述第一辅助线32的中点i作第一平面11的法线，与第二平面12交于第二辅助点f。
为了便于定位点的标记，所述第一平面11与起重机的底盘侧面23重合，所述定位点a、b、c和d位于起重机底盘的侧面23上，技术人员可以直接在起重机底盘的侧面23进行标记，降低了测量难度。
可选地，所述S2步骤中，利用最小二乘法拟合所述定位点的坐标计算第一平面11的坐标方程，所述计算方法可以提高计算的精确度。
同时本实施例中，涉及到许多计算公式，为此本发明采用MATLAB编制程序进行计算，其中总程序measure.m，子函数[A，B，C，D]＝a(s)为剔除初差，[A，B，C，D]＝PlaneFitting(s)为基本平面拟合方法。所述总程序的流程如图2所示。首先输入各测量点的坐标，可以利用定位点a、b、c和d四个定位点的坐标建立坐标系进行计算第一平面11的方程；根据第二平面12与第一平面11平行关系，以及位于第二平面12上的第一辅助点e的坐标，计算出第二平面12的坐标方程；第二辅助点f的坐标利用第一平面11与第二平面12之间的法线进行计算；接着通过第二辅助点f坐标和第一辅助点e的坐标计算第一向量；铅垂向量根据第一标记点g的坐标移动进行计算；夹角α根据第一向量与铅垂向量，结合向量关系式进行计算；最后起重机幅度则可以利用三角函数，即第一向量与夹角α进行计算。
进一步地，起重机底盘的侧面23设置的定位点所确定的平面决定了幅度值精度，采用最小二乘法拟合定位点坐标所确定的平面，设平面方程为其中分别为三坐标数据均值，p、A、B和C为平面方程的系数，目标函数方程为：
式中N是坐标数据总数，令W＝[A B C]T，X＝[xi yi zi]T，矩阵函数表示为F＝WTXXTW，对WT求一阶偏导并取零得WT(XXT)＝0，将(XXT)进行特征分解，其最小特征值对应的特征向量为所求拟合平面的系数，即vmin＝[A B C]。为了进一步提高拟合精度，每次拟合平面后，去除离平面距离较大数据点，剩下的数据点继续拟合新的平面直至均满足设定要求，最后求得拟合第一平面11方程。
本实施例对需要测量的坐标点进行了测量，其测量数据如表1所示。
表1各点位置及测量数据
利用拟合求得第一平面11方程为：
0.6671x+0.4907y+0.5605z-30.3161＝0，
第二平面12为过第一辅助点e点且与第一平面11平行，因此第二平面12方程为：
0.6671x+0.4907y+0.5605z-29.2826＝0，
过第一辅助线32中点i垂直于第一平面11并于第二平面12相交于点f的方程组为：
因此点f坐标为(13.3826，35.9469，4.8445)，结合点e坐标获得第一向量为(-7.0449，-2.9671，10.9724)，其中第一向量的模为13.3704，利用第一标记点g和第二标记点h获得铅垂向量为(-0.0696，-0.0137，-31.4538)。接着计算第一向量与铅垂向量之间的夹角最后通过计算得到幅度值为
在本实施例中，计算铅垂向量需要标记点的数量至少为一个，本实施例中，采用第一标记点g和第二标记点h来计算铅垂向量。同时也可以将第一辅助点e作为一个标记点来计算铅垂向量，当然技术人员可以根据需求选择合适的标记点，本发明并不限定。另外，吊钩22在移动时，第一标记点g和第二标记点h移动方向在竖直方向上。
由于上述有些计算公式为现有技术，所以本实施例就不一一详细列出。当然，本领域的技术人员需要理解的是，本发明包括但不局限与上述实施中所列举的计算方法，本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
另外，起重机的幅度显示系统的幅度值，与全站仪测量换算结果有一定差距，这是由于臂架21长度是默认的固定值，实际上由于臂架21的装配及承载变形长度会发生变化。本发明尤其适用于履带式起重机。
综上所述，本发明的起重机幅度测量方法，利用对定位点的坐标空间解析几何变换、平面拟合以及定位点的空间映射得到回转中心点至吊钩的中心点的幅度值，无需直接测量起重机回转中心，降低了测量难度，提升了测量精度；通过全站仪测量定位点三维坐标，提高了测量精度；对每个定位点均进行多次测量，减少人为读数误差及风振动误差；第一平面上多个定位点所确定的平面提升了第一平面的计算精度；通过在吊钩上设置若干个标记点，提升铅垂向量的测量精度，减少了吊钩的摆动带来的误差。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种起重机幅度测量方法，其特征在于，包括步骤：
S1.将起重机水平放置，使起重机的底盘的底面平行于水平面，并使臂架回转角度锁死在零度；
S2.设置第一平面，所述第一平面平行于起重机底盘的侧面，在第一平面上设置至少三个定位点，其中两个定位点之间的连线为第一辅助线，所述起重机的回转中心轴在所述第一平面上的垂直映射线与第一辅助线之间的距离在设定误差内，且所述起重机的回转中心轴与第一辅助线相互平行，至少有一个定位点不在所述第一辅助线上，测量所述至少三个定位点的坐标，根据所述至少三个定位点的坐标获得所述第一平面的坐标方程；
S3.保持起重机的臂架静止，吊钩的底部中心点设置为第一辅助点，并在吊钩的上设有第一标记点，分别测量第一辅助点的坐标和第一标记点的坐标E1；
S4.保持起重机的臂架静止，将吊钩下降或上升，测量吊钩下降或上升后的第一标记点的坐标E2；
S5.过第一辅助点作平行于第一平面的第二平面，过第一辅助线中的任意一点作第一平面的法线，与第二平面交于第二辅助点，获得第二辅助点的坐标；
S6.根据第一辅助点和第二辅助点的坐标获得第一向量，根据坐标E1和坐标E2获得铅垂向量，根据所述第一向量和所述铅垂向量获得夹角α，根据所述第一向量和夹角α获得起重机幅度。
2.如权利要求1所述的起重机幅度测量方法，其特征在于，所述S2步骤中，所述定位点为四个，其中两个定位点之间的连线为所述第一辅助线，另外两个定位点不在所述第一辅助线所在的直线上。
3.如权利要求1所述的起重机幅度测量方法，其特征在于，所述S3步骤中，在所述吊钩上设置第二标记点，并测量第二标记点的坐标；所述S4步骤中，在吊钩下降或上升后，测量吊钩下降或上升后的第二标记点的坐标；所述S6步骤中，根据所述第二标记点在下降或上升前后的坐标对所述铅垂向量进行校正。
4.如权利要求1所述的起重机幅度测量方法，其特征在于，所述S3步骤中，所述第一辅助点与第一标记点重合位于吊钩的底部中心点，测量第一标记点的坐标E1；所述S6步骤中，根据坐标E1和第二辅助点的坐标获得第一向量。
5.如权利要求1所述的起重机幅度测量方法，其特征在于，所述S6步骤中，
其中，为第一向量，为铅垂向量，R为起重机幅度。
6.如权利要求1-4任一项所述的起重机幅度测量方法，其特征在于，采用全站仪进行坐标测量，所述全站仪对每个坐标进行至少两次测量。
7.如权利要求5所述的起重机幅度测量方法，其特征在于，全站仪的型号为徕卡TPS1200。
8.如权利要求1所述的起重机幅度测量方法，其特征在于，所述第一平面与起重机的底盘侧面重合，所述至少三个定位点位于起重机的底盘侧面上。
9.如权利要求1所述的起重机幅度测量方法，其特征在于，所述S4步骤中，过所述第一辅助线的中点作第一平面的法线与第二平面交于第二辅助点。
10.如权利要求1所述的起重机幅度测量方法，其特征在于，所述S2步骤中，利用最小二乘法拟合所述至少三个定位点的坐标计算第一平面的坐标方程。
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