CN110271966A - 基于光感应定位器的多吊具桥吊的多摆角的摆角检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光感应定位器的多吊具桥吊的多摆角的摆角检测装置。吊具上的孔状冷激光发射块，作为冷激光的发射光源；摆绳上的冷激光折射介质板，作为冷激光的折射介质；摆绳上的光感应定位接收板，作为冷激光对应折射光的接收装置，通过排成阵列的感光PN结，分别得到吊具摆动或不摆动时，折射光在该光感应定位接收板上的激光点所在的位置数据；光点位置计算CPU根据吊具摆动或不摆动时位置数据之间的差计算出吊具摆动的摆角。本发明解决了多起升多吊具及其多摆角同步检测的问题，该装置结构简单，成本低廉，维护简单，容易制作，抗干扰能力强，不受恶劣天气的影响且检测精度高，测量快。

Description

基于光感应定位器的多吊具桥吊的多摆角的摆角检测装置

技术领域

本发明涉及光学、电子技术以及透明材料技术，特别涉及一种基于光感应定位器的多吊具桥吊的多摆角的摆角检测装置。

背景技术

在现有集装箱装卸的大型港口，目前存在的桥式吊车只有单吊具和双吊具的吊车，这样的桥式吊车在搬运货物的过程中，一次只能搬运一个或两个集装箱，搬运装卸的效率很低，且耗时较大，影响工作质量。为了提高桥吊的装卸效率，在未来的桥吊的发展中，桥式吊车会朝着多吊具桥吊的方向发展，不断改进和创新。所以，根据多吊具的桥式吊车的背景下，针对多吊具桥式吊车的各种检测装置显得极其重要。即如何利用一个装置来同时检测各个吊具的摆动角度和摆绳长度。

现有的桥吊检测装置都是针对单吊具或双吊具桥吊设计的，它们对吊具的检测均采用了比较复杂的检测仪器，造价高，维护不方便，准确性低。而且这类检测装置不适合对多吊具桥吊(三个及以上)进行摆角检测。同时现有的集装箱起重机操作员常常都是用眼睛观察吊具及负载来获得其摆动情况，这种方法不但准确性低且极易导致工作疲劳，影响起重机的搬运效率和搬运质量。

发明内容

针对上述背景技术的不足，本发明提供一种基于光感应定位器的多吊具桥吊的多摆角的摆角检测装置，利用光折射、PN结光感应原理以及数字电路编码技术，可以快速准确地测算出摆角大小，其结构简单，成本低廉，抗干扰能力强，检测精度高，测量快。

本发明的技术方案是提供一种摆角检测装置，包含：

孔状冷激光发射块，安装在摆绳下部的吊具上，作为冷激光的发射光源；

冷激光折射介质板，安装在摆绳的上部，作为冷激光的折射介质；

光感应定位接收板，安装在摆绳的上部，作为冷激光对应折射光的接收装置，提供折射光在所述光感应定位接收板上的激光点所在的位置数据，包含吊具不摆动时激光点所在的第一位置数据，和吊具摆动时激光点所在的第二位置数据；

光点位置计算CPU，根据第二位置数据和第一位置数据的差，计算出吊具摆动的摆角。

可选地，孔状冷激光发射块的摆动状态，跟随吊具的摆动状态；孔状冷激光发射块射出的冷激光平行于摆绳，以偏离竖直方向的第一夹角射向冷激光折射介质板，在冷激光折射介质板内部后具有偏离竖直方向的第二夹角，再到冷激光折射介质板与光感应定位接收板之间时具有偏离竖直方向的第三夹角；第一夹角、第三夹角的数值为θ₁对应于吊具摆动的摆角；第二夹角的数值为θ₂；

光点位置计算CPU，计算吊具在一个方向的摆角时，先求解一参数x_d：

其中，k为光感应定位接收板的测量阵列在该方向上的总长度，D₀为吊具不摆动时激光点所在的第一位置数据，D₁为吊具摆动时激光点所在的第二位置数据，D为位置数据的量程；

再通过以下的关系式计算θ₁的数值，得到该方向的摆角：

其中，冷激光折射介质板的厚度为d₁，冷激光折射介质板与光感应定位接收板之间的距离为d₂，空气的折射率为n₁，冷激光折射介质板的折射率为n₂。

可选地，所述光感应定位接收板通过测量阵列来感光激光点的位置；所述测量阵列，包含多个光敏二极管PN结，作为冷激光感应器件；

每个光敏二极管PN结的两端，与其所在行的行向PN结阳极连接线、所在列的列向PN结阴极连接线分别连接；

行向PN结阳极连接线通过行向连接线的检测引出线，将所在行的电平信息传输给相应的阵列定位数字编码器；列向PN结阳极连接线通过列向连接线的检测引出线，将所在列的电平信息传输给相应的阵列定位数字编码器；

每个阵列定位数字编码器对应于若干行或对应于若干列，根据获得的电平信息得到对应于激光点位置的编码信息，传送给所述光点位置计算CPU。

可选地，多个孔状冷激光发射块，分别安装在吊具上平面的各个方向；

多个孔状冷激光发射块在随吊具摆动而摆动时，激光点在光感应定位接收板上连成多边形图案，所述光点位置计算CPU通过多边形图案及其中心点的位置，换算得到吊具的摆角。

可选地，吊具上平面的四个方向分别设置有孔状冷激光发射块。

可选地，同一个桥吊大车设置有多个桥吊小车；每个桥吊小车设置有多个吊具，和这些吊具共用的冷激光折射介质板、光感应定位接收板；

每个吊具设置有对应的孔状冷激光发射块；每个吊具的摆绳，依次穿过相应的冷激光折射介质板、光感应定位接收板，通过连接装置来连接该吊具。

可选地，同一个桥吊大车设置有三个或三个以上的桥吊小车；

每个桥吊小车设置有三个或三个以上的吊具。

可选地，桥吊的搭载平台，包含桥吊的竖直支架、桥吊的行向支架；

所述桥吊大车的驱动机构和运行机构，包含桥吊大车驱动电机、桥吊大车拖动皮带、桥吊大车桥梁；

所述桥吊大车与桥吊小车的连接机构，包含大车与小车轨道连接杆；

所述桥吊小车作为其各自对应摆角检测装置及起升电机的搭载平台，通过相应的桥吊小车轨道机构驱动；

所述光点位置计算CPU，作为吊具摆角信息处理装置，和与吊桥控制系统进行数据交换的通讯装置。

本发明的摆角检测装置，利用光折射、PN结光感应原理以及数字电路编码芯片，通过介质对入射光线偏折和光感应板对光斑的位置检测和处理，经过相应的计算获得吊具及其负载(集装箱)的摆角信息，并将计算出的摆角信息传递给桥吊控制系统。

与现有技术相比较，本发明的主要优点在于：

本发明设计有光感应定位器，其结构中包含了大量的光敏特性的PN结，在接收到激光时，会发生导通，产生一定的电平变化；通过一些数字逻辑门电路芯片的对这些电平进行编码，来确定各个感光PN结的位置，进而确定该感光点的位置。该光感应定位器，可以使用比较廉价的材料制作，所以成本比较低，且容易制作。

本发明含有无源发射块，示例地在每个吊具上都装有四个孔状冷激光发射块，在运动时可在接收板上形成各种四边形图案，通过四边形的图案和中心点的位置，就能够换算得到偏转的角度。

本发明能够全方位360°同时测量摆角，解决了多起升多吊具摆角同步检测的问题(三轨道×三吊具桥吊或更多数量的情况)，该装置结构简单，成本低廉，维护简单，容易制作，抗干扰能力强，不受恶劣天气的影响且检测精度高，测量快。该装置能够准确地定位，进而换算出摆角大小，满足实际的桥吊摆角测量的需要。

附图说明

图1是多轨道多吊具桥吊的结构模型的结构示意图；

图2是单个吊具的细节部分的结构示意图；

图3是单个吊具的冷激光发射装置的结构示意图

图4是光敏特性PN结阵列的结构示意图；

图5是光敏特性PN结阵列细节的结构示意图；

图6是桥吊摆角检测以及反馈的方法流程图；

图7是光线折射计算方法的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种实现多吊具桥吊及其多摆角同时检测的装置，利用光折射、PN结光感应原理以及数字电路编码芯片等，将摆角定位信息转化为电信号和数字信号。

如图1所示，本发明的实施例是基于三轨道×三吊具桥吊来设计的摆角检测装置，包含桥吊的竖直支架1，桥吊的行向支架2，作为桥吊的搭载平台；桥吊大车驱动电机3，桥吊大车拖动皮带4，桥吊大车桥梁5，作为大车的驱动机构和运行机构；大车与小车轨道连接杆6，作为大车、小车的连接机构；1#轨道桥吊小车7、2#轨道桥吊小车8、3#轨道桥吊小车9，各自作为摆角检测装置以及起升电机的搭载平台；1#桥吊小车轨道机构10、2#桥吊小车轨道机构11、3#桥吊小车轨道机构12，分别作为各个小车的驱动装置。

与每个小车相对应的，进一步包含：冷激光折射介质板14，作为冷激光的折射介质；光感应定位接收板13，作为折射光的接收装置；吊具15、16和17，作为激光搭载装置和集装箱抓举装置。

图1的虚线框其中一个吊具的放大部分，配合参见图2，摆绳18、连接装置19，为吊具和摆绳的连接器；吊具20，用于抓举负载(如集装箱)。摆绳18依次穿过冷激光折射介质板14、光感应定位接收板13，通过连接装置19来连接吊具20。孔状冷激光发射块21、22、23、24，作为发射光源，分别安装在吊具20上平面的各个方向；吊具20的俯视图见图3。其他九个吊具的结构与该吊具20的结构一样。

本发明所述的光感应定位接收板13，内部结构的原理参见图4，其包含列向排列的光敏二极管PN结28，行向排列的光敏二极管PN结29，用于感光光点的位置；若干阵列定位数字编码器30，每个该编码器与若干排或列的光敏二极管PN结相对应，用于编码阵列感光点的位置；光点位置计算CPU·38，作为吊具摆角信息处理装置和与吊桥控制系统之间数据交换的通讯装置。图4的虚线框31进一步示出阵列组合的详细信息，配合图5参见其放大结构。

在图5中，光敏二极管PN结32，作为冷激光感应器件；列向PN结阴极连接线33，列向连接线的检测引出线37，连接于相应阵列定位数字编码器30的管脚36，以便其检测高低电平；行向PN结阳极连接线35，行向连接线的检测引出线34，连接于阵列定位数字编码器30的管脚36，以便其检测高低电平。即，每个光敏二极管PN结32的两端，与所在行列的行向PN结阳极连接线35、列向PN结阴极连接线33分别连接，进而分别通过连接线端部的行向连接线的检测引出线34、列向连接线的检测引出线37，连接到相应阵列定位数字编码器30的管脚36。

图6示出桥吊摆角检测以及反馈的方法流程。以1#轨道桥吊小车7为例，首先驾驶室发送命令控制使得该桥吊小车及其对应的多个吊具15、16、17启动运行，此时桥吊小车沿着相应的桥吊小车轨道机构10运动，而各个吊具15、16、17被摆绳带着发生列向移动，在此过程中吊具15、16、17发生了晃动；各个吊具上的孔状冷激光发射块21、22、23、24也发生了晃动；孔状冷激光发射块21、22、23、24处经发射孔发射出来的激光平行于摆绳，射向了冷激光折射介质14；激光经过折射后最终射到光感应定位接收板13，光感应定位接收板13上排列的光敏二极管PN结32导通产生电流，将光信号转换为电信号，使得光敏二极管PN结32对应行列的行向信号检测点引出线34、列向信号检测点引出线37的电平发生变化；阵列定位数字编码器30将各个位置的高低电平进行编码，得到数字数据；这些数字数据经过光点位置计算CPU·38计算光点偏移距离，再换算得到摆角信息；摆角信息经过反馈传递给桥吊控制器，桥吊控制器根据反馈的摆角信息计算出控制律，进而防摇装置执行控制命令。

摆角计算的原理如图7所示，冷激光折射介质板14的厚度为d₁，冷激光折射介质板14与光感应定位接收板13之间的距离为d₂，空气的折射率为n₁，冷激光折射介质板14的折射率为n₂，根据折射定律有n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂；平行于摆绳的激光在到达冷激光折射介质板14前与竖直方向的夹角为θ₁，进入冷激光折射介质板14内部后与竖直方向的夹角为θ₂，再到冷激光折射介质板14与光感应定位接收板13之间时与竖直方向的夹角又为θ₁。

则，根据几何关系可以得到以下公式：

对应于激光当前位置在冷激光折射介质板14上表面偏离竖直方向的距离，对应于激光在光感应定位接收板13下表面偏离竖直方向的距离；x_d是两者的和。通过以上关系可以得到θ₁与x_d之间的关系：

解得的θ₁即为摆角的大小。

其中x_d可以由以下公式得到：

其中k为测量阵列在一个方向上的总长度，对应于一行(或一列)的第一个PN结到最后一个PN结的距离；D₀为吊具未发生摇晃时的位置数据，D₁为吊具发生摇晃时的位置数据，D为位置数据的量程。

例如，测量阵列一行(或一列)PN结的范围为0～2000ms，其中k为2000，D为2000ms所对应的数字芯片测量的值，本例为65535；吊具未摆动时测得D₀的值为32767，吊具发生摆动时测得D₁的值为30000，可计算得到：

本发明所述摆角检测装置的具体工作过程如下：

假设吊具未发生移动，即未发生摆动，此时孔状冷激光发射块21、22、23、24从吊具上沿着摆绳18，垂直射向冷激光折射介质板14，该入射角为0度，冷激光未发生折射，垂直穿过冷激光折射介质板14，垂直射到光感应定位接收板13；此时可以计算得到吊具不发生摆动的情况下，激光点所在的位置数据D₀。

当桥吊小车启动时，吊具15、16、17发生开始摆动，吊具的摆动会带着孔状冷激光发射块21、22、23、24摆动；此时，孔状冷激光发射块21、22、23、24射出的激光，会以一定的角度射向冷激光折射介质板14，因为不是0度，所以激光会在不同的介质中发生折射，根据折射定律可以知道相应的关系；折射的光线会继续射向光感应定位接收板13，此时可以计算得到吊具发生摆动的情况下，激光点所在的位置数据D₁。根据摆动与不摆动之间的数据差、单方向上的量程和精度，光点位置计算CPU·38可以计算出两个激光点的位置差，进而可以计算出吊具摆动过程中对应单方向的摆角大小。

综上所述，本发明提供一种基于光感应定位器的多吊具桥吊的多摆角的摆角检测装置，根据光折射和光感应原理，通过介质对入射光线偏折和光感应板对光斑的位置检测和处理，经过相应的计算获得吊具及其负载(集装箱)的摆角信息，该摆角信息可以提供集装箱起重机操作员参考，或反馈到桥吊控制系统做防摇控制，从而提高操作员的工作质量和工作效率并且减轻工作负担。本发明含有无源发射块，具有结构简单，成本低廉，维护简单，容易制作，测量快等优点。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种摆角检测装置，其特征在于，包含：

孔状冷激光发射块，安装在摆绳下部的吊具上，作为冷激光的发射光源；

冷激光折射介质板，安装在摆绳的上部，作为冷激光的折射介质；

光感应定位接收板，安装在摆绳的上部，作为冷激光对应折射光的接收装置，提供折射光在所述光感应定位接收板上的激光点所在的位置数据，包含吊具不摆动时激光点所在的第一位置数据，和吊具摆动时激光点所在的第二位置数据；

光点位置计算CPU，根据第二位置数据和第一位置数据的差，计算出吊具摆动的摆角。

2.如权利要求1所述摆角检测装置，其特征在于，

孔状冷激光发射块的摆动状态，跟随吊具的摆动状态；孔状冷激光发射块射出的冷激光平行于摆绳，以偏离竖直方向的第一夹角射向冷激光折射介质板，在冷激光折射介质板内部后具有偏离竖直方向的第二夹角，再到冷激光折射介质板与光感应定位接收板之间时具有偏离竖直方向的第三夹角；第一夹角、第三夹角的数值为θ₁对应于吊具摆动的摆角；第二夹角的数值为θ₂；

光点位置计算CPU，计算吊具在一个方向的摆角时，先求解一参数x_d：

其中，k为光感应定位接收板的测量阵列在该方向上的总长度，D₀为吊具不摆动时激光点所在的第一位置数据，D₁为吊具摆动时激光点所在的第二位置数据，D为位置数据的量程；

再通过以下的关系式计算θ₁的数值，得到该方向的摆角：

其中，冷激光折射介质板的厚度为d₁，冷激光折射介质板与光感应定位接收板之间的距离为d₂，空气的折射率为n₁，冷激光折射介质板的折射率为n₂。

3.如权利要求1或2所述摆角检测装置，其特征在于，

所述光感应定位接收板通过测量阵列来感光激光点的位置；所述测量阵列，包含多个光敏二极管PN结，作为冷激光感应器件；

每个光敏二极管PN结的两端，与其所在行的行向PN结阳极连接线、所在列的列向PN结阴极连接线分别连接；

行向PN结阳极连接线通过行向连接线的检测引出线，将所在行的电平信息传输给相应的阵列定位数字编码器；列向PN结阳极连接线通过列向连接线的检测引出线，将所在列的电平信息传输给相应的阵列定位数字编码器；

每个阵列定位数字编码器对应于若干行或对应于若干列，根据获得的电平信息得到对应于激光点位置的编码信息，传送给所述光点位置计算CPU。

4.如权利要求1所述摆角检测装置，其特征在于，

多个孔状冷激光发射块，分别安装在吊具上平面的各个方向；

多个孔状冷激光发射块在随吊具摆动而摆动时，激光点在光感应定位接收板上连成多边形图案，所述光点位置计算CPU通过多边形图案及其中心点的位置，换算得到吊具的摆角。

5.如权利要求4所述摆角检测装置，其特征在于，

吊具上平面的四个方向分别设置有孔状冷激光发射块。

6.如权利要求1～5中任意一项所述摆角检测装置，其特征在于，

同一个桥吊大车设置有多个桥吊小车；每个桥吊小车设置有多个吊具，和这些吊具共用的冷激光折射介质板、光感应定位接收板；

每个吊具设置有对应的孔状冷激光发射块；每个吊具的摆绳，依次穿过相应的冷激光折射介质板、光感应定位接收板，通过连接装置来连接该吊具。

7.如权利要求6所述摆角检测装置，其特征在于，

同一个桥吊大车设置有三个或三个以上的桥吊小车；

每个桥吊小车设置有三个或三个以上的吊具。

8.如权利要求6所述摆角检测装置，其特征在于，

桥吊的搭载平台，包含桥吊的竖直支架、桥吊的行向支架；

所述桥吊大车的驱动机构和运行机构，包含桥吊大车驱动电机、桥吊大车拖动皮带、桥吊大车桥梁；

所述桥吊大车与桥吊小车的连接机构，包含大车与小车轨道连接杆；

所述桥吊小车作为其各自对应摆角检测装置及起升电机的搭载平台，通过相应的桥吊小车轨道机构驱动；

所述光点位置计算CPU，作为吊具摆角信息处理装置，和与吊桥控制系统进行数据交换的通讯装置。