CN110657788A - 一种起重机轨道平顺性动态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于动态检测技术，具体为一种起重机轨道平顺性动态检测方法，首先确定起重机天车的行驶速度，之后确定惯性/里程计组合导航，确定惯导系统的位置、速度及姿态信息，进行激光初始照射角标定，得到初始安装角之后进行数据处理得到轨道顶点的三维位置坐标，最后进行平顺性计算确定测量过程中任意处轨道顶点相对于起始点的三维位移信息，本方法能够补偿动态检测过程中由于振动产生的测量误差，实现起重机轨道平顺性的高精度、连续、动态检测。

Description

一种起重机轨道平顺性动态检测方法

技术领域

本发明属于动态检测技术，具体涉及一种起重机轨道平顺性动态检测方法。

背景技术

起重机是从事物料搬运、装卸、运输与安装等现代化生产建设必不可少的重要工具，在国民经济生产的各个部门都有着广泛的应用。轨道作为起重机的承重装置，承受起重机自重和起吊货物重力，轨道的状况将直接影响到起重机的稳定性和使用寿命。由于制造、安装的精度难以保证，且受磨损、地面沉降等因素的影响，起重机在使用过程中容易发生“啃轨”现象，所谓“啃轨”是指起重机大车或小车在运行的过程中，车轮轮缘与轨道侧面强制接触，产生水平侧向推力，引起轮缘与轨道之间严重摩擦，致使轮缘与轨道侧面发生严重磨损。“啃轨”现象的发生，在很大程度上影响着起重机的使用寿命，同时也对起重机的安全工作状态构成威胁。“啃轨”严重时，起重机在行驶中可能发生脱轨，造成重大的安全事故。

轨道的制造、安装以及磨损是诱发“啃轨”的主要原因之一，由于起重机长期处于重载甚至超载的工作环境下，同时受到地面沉降、厂房承重结构变形等因素的影响，易引发轨道在横向和纵向上发生变形，为了保障起重机的正常使用，避免“啃轨”现象的发生，需要在轨道的制造、安装以及使用过程中定期检测轨道的各项参数，当某一个参数或者多个参数超差时，应对轨道进行相应的修正，保障起重机的安全使用。

起重机轨道平顺性检测主要包括轨道顶部水平直线度以及轨道顶部中心高低直线度检测。传统的起重机轨道检测方法主要包括拉钢丝检测法、水准仪检测法等，这些检测方法无论在检测原理还是技术手段上都存在不足，主要体现在：(1)自动化程度低，测量人员劳动量大；(2)高空作业存在巨大安全隐患； (3)检测结果精度低，误差较大，易受人为因素和外界因素影响。

为提高检测效率和测量精度，减轻测量人员的劳动强度，国内外许多专家学者在起重机轨道检测领域开展了相关技术的研究。斯洛伐克科技大学的Peter Kyrinovic和Alojz Kopacik提出一种起重机轨道检测自动测量系统，主要包括全站仪(含棱镜)、笔记本电脑、电感式位移传感器以及行驶车轮和安装结构。其基本原理是通过全站仪测量得到整个检测系统的测量位置，在通过位移传感器测量得到轨道顶面相对于全站仪的距离，两者结合可以得到轨道顶面的位置信息。上海理工大学吴恩启、杜宝江等人开发了一种基于检测机器人的起重机轨道检测系统，该系统主要由全站仪和轨道机器人两部分组成，全站仪架设在轨道上，测量过程中轨道机器人沿着被测轨道行进，全站仪追踪机器人的位置。上海工程技术大学刘伟、程维明等人在此基础上提出了一种改进方案，将全站仪架设在地面，提高了操作的灵活性。这些基于全站仪的测量方法相比传统的拉钢丝、水准仪等检测方法无论在测量效率还是测量精度等方面都有了很大程度的提高，然而基于全站仪的测量方法只能实现离散点的测量，通过对多个测量点拟合得到整个被测轨道的平顺性，存在一定的拟合误差。并且在每个测量点都需操作人员重新瞄准全站仪棱镜，测量效率有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种起重机轨道平顺性动态检测方法，能够提高起重机轨道平顺性检测的测量效率和测量精度。

本发明的技术方案如下：

一种起重机轨道平顺性动态检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤1)确定起重机天车的行驶速度

其中，

为里程计输出速度，φⁿ为惯导解算的姿态误差角，

为载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，φ_a为里程计与惯导之间的安装误差角，

为里程计仪器坐标系到载体坐标系的姿态转换矩阵；

步骤2)惯性/里程计组合导航，确定惯导系统的位置、速度及姿态信息；

步骤3)激光初始照射角标定

设标定平面在激光测量坐标平面内的直线方程为

y＝kx+b

式中，k、b为待定系数，x、y为激光的测距坐标值；

利用下式确定初始安装角α₀

α₀＝atan(y/x)

步骤4)激光测量数据处理

激光测量得到的轨道顶点相对坐标为(x,y,z)，根据惯性/里程组合得到的位置(p₁,p₂,p₃)，采用下式确定轨道顶点的三维位置坐标

α＝α₀+(γ-γ₀)

其中，α为动态测量过程中的激光照射偏角，γ₀为初始时刻惯导滚动角，γ为动态测量过程中的惯导滚动角，α₀为初始时刻激光照射偏角；

步骤5)平顺性计算

根据轨道顶点的三维位置坐标确定测量过程中任意处轨道顶点相对于起始点的三维位移信息。

所述的步骤2)惯性/里程计组合导航具体为：

2.1)建立状态方程

惯性/里程组合导航Kalman滤波选取21维状态变量：

X＝[δV_NδV_UδV_Eφ_Nφ_Uφ_EδLδhδλ▽_x▽_y▽_zε_xε_yε_zφ_ayφ_azδK_DR_xR_yR_z]^T

式中，δV_N、δV_U、δV_E表示惯导系统北向、天向、东向速度误差，φ_N、φ_U、φ_E：表示惯导系统北向、天向、东向失准角，δL、δh、δλ表示惯导系统纬度、高度、经度误差，▽_x、▽_y、▽_z表示x轴、y轴、z轴加速度计零位误差，ε_x、ε_y、ε_z表示x 轴、y轴、z轴陀螺常值漂移，φ_ay、φ_az表示里程计与惯性测量单元之间残余方位和俯仰安装误差角，δK_D为里程计刻度系数误差，R_x、R_y、R_z表示里程计与惯性测量单元之间的杆臂误差；

状态方程为

式中，w为系统噪声，A为系统状态矩阵。

2.2)确定量测方程

Kalman滤波量测方程

Z＝HX+v

式中，Z表示Kalman滤波观测量，H表示系统观测矩阵，v为系统量测噪声；

观测量为

Z＝V_SINS-V_Odo

式中，V_SINS表示惯性导航解算得到的速度，V_Odo表示里程计输出速度。

根据观测量可以得到量测矩阵H

式中，v_bx表示里程计测量坐标系x轴速度，分别表示陀螺测得的载体坐标系x轴、y轴、z轴角速率；

2.3)对位置误差、速度误差以及里程计刻度系数误差进行滤波估计；

还包括步骤2.4)，利用滤波估计得到的状态估计值，对惯导系统位置误差、速度误差以及里程计刻度系数误差进行修正。

本发明的显著效果在于：以惯性测量为基准，系统主要包括惯性测量单元、里程计、激光测距仪以及其它功能部件。惯性测量单元通过捷联惯性导航计算获得检测系统的位置、速度及姿态信息，利用里程计的高精度里程信息进行惯性/里程组合导航以抑制惯性系统随时间累积的误差，进一步提高系统惯性测量的精度。激光测距仪用于测量轨道顶面到其自身的距离，由于激光测距仪到惯导系统的空间位置关系可以通过事先标定获得，将惯性测量得到位置信息与激光测距得到的距离信息相结合即可获得轨道顶面的位置信息，进一步计算即可得到整条轨道相对于测量起始点的三轴位移信息。

用惯性测量的姿态信息可以补偿动态检测过程中由于振动产生的测量误差，实现起重机轨道平顺性的高精度、连续、动态检测。

附图说明

图1为激光测距测量示意图；

图中：1.激光测距仪，2.标定平面，3.被测轨道。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

步骤1 使用里程计确定起重机天车的行驶速度

设里程计输出速度为

将

投影到导航坐标系下可得：

式中，φⁿ为惯导解算的姿态误差角，

为载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，φ_a为里程计与惯导之间的安装误差角，

为里程计仪器坐标系到载体坐标系的姿态转换矩阵。

步骤2 惯性/里程计组合导航，通过Kalman滤波实现里程计辅助下高精度空间基准建立。

2.1)建立状态方程

惯性/里程组合导航Kalman滤波选取21维状态变量：

X＝[δV_NδV_UδV_Eφ_Nφ_Uφ_EδLδhδλ▽_x▽_y▽_zε_xε_yε_zφ_ayφ_azδK_DR_xR_yR_z]^T

式中，δV_N、δV_U、δV_E表示惯导系统北向、天向、东向速度误差，φ_N、φ_U、φ_E：表示惯导系统北向、天向、东向失准角，δL、δh、δλ表示惯导系统纬度、高度、经度误差，▽_x、▽_y、▽_z表示x轴、y轴、z轴加速度计零位误差，ε_x、ε_y、ε_z表示x 轴、y轴、z轴陀螺常值漂移，φ_ay、φ_az表示里程计与惯性测量单元之间残余方位和俯仰安装误差角，δK_D为里程计刻度系数误差，R_x、R_y、R_z表示里程计与惯性测量单元之间的杆臂误差。

对应的状态方程表示如下：

式中，w为系统噪声，A为系统状态矩阵，根据状态变量，参照捷联惯导系统误差方程，可以得到系统状态矩阵中各元素的值。

2.2)确定量测方程

Kalman滤波量测方程形式如下：

Z＝HX+v

式中，Z表示Kalman滤波观测量，H表示系统观测矩阵，v为系统量测噪声。

惯性/里程组合导航Kalman滤波采用速度匹配模式，以惯性导航解算得到的速度和里程计测量的速度之差值作为Kalman滤波器的观测量。即观测量：

Z＝V_SINS-V_Odo

式中，V_SINS表示惯性导航解算得到的速度，V_Odo表示里程计输出速度。

根据观测量可以得到量测矩阵H

式中，v_bx表示里程计测量坐标系x轴速度，

分别表示陀螺测得的载体坐标系x轴、y轴、z轴角速率。

3)滤波计算

根据组合导航系统状态方程和量测方程，选择合适的初始状态估计值X₀、初始估计均方误差阵P₀、系统噪声初始方差阵Q₀以及量测噪声方差阵R_k，参照Kalman滤波计算公式，可以实现对位置误差、速度误差以及里程计刻度系数误差的准确估计，属于现有技术不再赘述。

4)误差修正

利用Kalman滤波计算得到的状态估计值，对惯导系统位置误差、速度误差以及里程计刻度系数误差进行修正可以得到检测系统的位置、速度及姿态信息，实现高精度惯性空间基准建立。

步骤3 激光初始照射角标定

如图1所示，为了能够准确提取轨道特征点信息，激光测距仪在安装时相对轨道存在一个固定的安装角度α₀。由于整个检测系统通过安装结构与起重机的横梁刚性连接，在检测过程中安装角α₀固定不变，可以通过事先标定的方法准确获得。

将标定平面放置在被测轨道顶部，可以得到标定平面相对激光测量原点的距离信息。

设标定平面在激光测量坐标平面内的直线方程为

y＝kx+b

式中，k、b为待定系数，x、y为激光的测距坐标值。

根据测量结果即可求得直线方程的斜率k，进而可以得到激光测距仪的初始安装角α₀。

α₀＝atan(y/x)

步骤4 激光测量数据处理

假设激光测量得到的轨道顶点相对坐标为(x,y,z)，根据惯性/里程组合得

到的位置(p₁,p₂,p₃)，可以计算得到轨道顶点的三维位置坐标

α＝α₀+(γ-γ₀)

其中，α为动态测量过程中的激光照射偏角，γ₀为初始时刻惯导滚动角，γ为动态测量过程中的惯导滚动角，α₀为初始时刻激光照射偏角。

步骤5 平顺性计算。

根据轨道顶点的三维位置坐标可以计算得到测量过程中任意处轨道顶点相对于起始点的三维位移信息。参照GB/T10183.1-2010规定的轨道顶部水平直线度和轨道顶部中心高低直线度的计算方法可以获得轨道平顺性测量结果，实现起重机轨道平顺性的高精度、连续、动态检测。

Claims (3)

1.一种起重机轨道平顺性动态检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1)确定起重机天车的行驶速度

其中，

为里程计输出速度，φⁿ为惯导解算的姿态误差角，

为载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，φ_a为里程计与惯导之间的安装误差角，为里程计仪器坐标系到载体坐标系的姿态转换矩阵；

步骤2)惯性/里程计组合导航，确定惯导系统的位置、速度及姿态信息；

步骤3)激光初始照射角标定

设标定平面在激光测量坐标平面内的直线方程为

y＝kx+b

式中，k、b为待定系数，x、y为激光的测距坐标值；

利用下式确定初始安装角α₀

α₀＝a tan(y/x)

步骤4)激光测量数据处理

激光测量得到的轨道顶点相对坐标为(x,y,z)，根据惯性/里程组合得到的位置(p₁,p₂,p₃)，采用下式确定轨道顶点的三维位置坐标

α＝α₀+(γ-γ₀)

其中，α为动态测量过程中的激光照射偏角，γ₀为初始时刻惯导滚动角，γ为动态测量过程中的惯导滚动角，α₀为初始时刻激光照射偏角；

步骤5)平顺性计算

根据轨道顶点的三维位置坐标

确定测量过程中任意处轨道顶点相对于起始点的三维位移信息。

2.如权利要求1所述的一种起重机轨道平顺性动态检测方法，其特征在于，所述的步骤2)惯性/里程计组合导航具体为：

2.1)建立状态方程

惯性/里程组合导航Kalman滤波选取21维状态变量：

X＝[δV_NδV_UδV_Eφ_Nφ_Uφ_EδLδhδλ▽_x▽_y▽_zε_xε_yε_zφ_ayφ_azδK_DR_xR_yR_z]^T

式中，δV_N、δV_U、δV_E表示惯导系统北向、天向、东向速度误差，φ_N、φ_U、φ_E：表示惯导系统北向、天向、东向失准角，δL、δh、δλ表示惯导系统纬度、高度、经度误差，▽_x、▽_y、▽_z表示x轴、y轴、z轴加速度计零位误差，ε_x、ε_y、ε_z表示x轴、y轴、z轴陀螺常值漂移，φ_ay、φ_az表示里程计与惯性测量单元之间残余方位和俯仰安装误差角，δK_D为里程计刻度系数误差，R_x、R_y、R_z表示里程计与惯性测量单元之间的杆臂误差；

状态方程为

式中，w为系统噪声，A为系统状态矩阵。

2.2)确定量测方程

Kalman滤波量测方程

Z＝HX+v

式中，Z表示Kalman滤波观测量，H表示系统观测矩阵，v为系统量测噪声；

观测量为

Z＝V_SINS-V_Odo

式中，V_SINS表示惯性导航解算得到的速度，V_Odo表示里程计输出速度。

根据观测量可以得到量测矩阵H

式中，v_bx表示里程计测量坐标系x轴速度，

分别表示陀螺测得的载体坐标系x轴、y轴、z轴角速率；

2.3)对位置误差、速度误差以及里程计刻度系数误差进行滤波估计。

3.如权利要求2所述的一种起重机轨道平顺性动态检测方法，其特征在于，所述的步骤2)还包括步骤2.4)，利用滤波估计得到的状态估计值，对惯导系统位置误差、速度误差以及里程计刻度系数误差进行修正。

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