CN112074482B - 起重机的感测装置和检测起重机的提升状况的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测起重机的不安全操作状况的感测装置以及用于检测升降式起重机的不安全操作提升状况的方法，该感测装置包括用于测量起重机的被附接到负载的吊钩的俯仰和偏航的惯性测量单元。惯性测量单元适于：测量起重机的吊钩与铅垂位置的偏差，以及在吊钩的偏差超过预定限度的情况下启用警报元件。

Description

起重机的感测装置和检测起重机的提升状况的方法

技术领域

本发明涉及一种用于辅助起重机的索具装配员的感测装置和方法，该感测装置和方法对于检测升降(luffing：起重杆升降)型起重机的提升吊钩的不安全的偏离铅垂状况特别地有用。

背景技术

本文中提及的背景技术并不被解释为承认该技术构成公知常识。

在起重机的使用中，发出信号或纠正不安全的提升状况的警告装置是已知的。

一个这样的危险状况涉及当起重机臂架与负载的半径在竖向上未对准时进行提升，随之起重机和相关联的部件将变得过载，或者更严重地，由此产生的负载的悬摆动作可能会导致起重机倾覆。

具有多年经验的起重机操作员通常熟练地从视觉上识别过载的起重机臂架。但是，在将提升缆索吊钩与负载点附接并且提升缆索中出现松弛后，提升缆索可能会保持偏离铅垂若干度数。这样的情况可能导致不安全的操作状况，结果是当负载被提升时，负载突然悬摆，导致器材损坏或对周围区域中的人员的伤害。

当臂架特别地长和/或被提高成大角度时，准确地识别起重机臂架问题的难度增大，并且当存在盛行风时会更加复杂。

此外，在一些情况下，待提升的负载在起重机操作员的视野之外，并且操作员必须完全地依靠第三方诸如索具装配员或信号员(Dogman：盯梢员)发出的指令。

发明的目的

本发明的目的在于提供一种用于辅助起重机索具装配员的感测装置，该感测装置克服或改善了上述缺点或问题中的一个或更多个，或者该感测装置至少提供了有用的商业替代方案。

本发明的其它优选目的将从下面的描述中变得明显。

发明内容

在一个形式中，尽管它不一定是唯一的形式或实际上是最广泛的形式，但本发明在于用于检测起重机的不安全操作状况的感测装置，该感测装置包括：

惯性测量单元，该惯性测量单元用于测量起重机的被附接至负载的吊钩的俯仰和偏航，

其中，惯性测量单元适于测量起重机的吊钩与铅垂位置的偏差，并且在吊钩的偏差超过预定限度时，启用警报元件。

优选地，感测装置适于在吊钩的偏差在预定范围内时启用警报元件。

优选地，感测装置适于指示被附接到负载的提升缆索铅垂或者偏离铅垂。

优选地，惯性测量单元包括电子陀螺仪，该电子陀螺仪适于测量吊钩的定向并获取定向数据。优选地，惯性测量单元还包括加速度计，该加速度计适于测量吊钩的定向并获取定向数据。优选地，陀螺仪和加速度计适于测量吊钩与竖向俯仰的偏差。

优选地，惯性测量单元包括磁力计，该磁力计适于测量吊钩相对于磁北的改变。优选地，磁力计适于测量吊钩的偏航。

优选地，感测装置还包括微控制器。优选地，微控制器被布置成计算用于磁力计的补偿因数。优选地，微控制器被布置成计算补偿因数以补偿存在于吊钩中的厚锌层钢板(heavy iron：厚镀层热浸镀锌铁皮、重铁)。

优选地，微控制器被布置成将由加速度计和陀螺仪测量的定向数据与统计性估计滤波器相结合。优选地，统计性估计滤波器包括卡尔曼滤波器。优选地，微控制器被布置成使用定向数据与统计性估计滤波器的结合以确定与铅垂位置的偏差。

优选地，感测装置包括壳体。优选地，壳体是防水的。优选地，惯性测量单元位于壳体内。

优选地，感测装置可移除地附接至吊钩的轴环。

优选地，惯性测量单元适于测量吊钩以度数为单位的偏差。

优选地，感测装置与图形显示装置连接。优选地，感测装置与图形显示装置无线地连接。

优选地，感测装置被布置成操作图形显示装置，以在图形显示装置上显示吊钩的关于铅垂位置的视觉指示。

优选地，感测装置被连接到起重机传感器总线。优选地，感测装置被布置成从起重机传感器总线读取负载重量、臂架半径、臂架长度和总重量中的一项或更多项。

优选地，警报元件为听觉信号发生器或视觉信号发生器的形式诸如闪光灯或图形显示器上的弹窗。

在另一形式中，本发明在于用于检测起重机的不安全操作提升状况的方法，该方法包括以下步骤：

使用被附接到起重机的惯性测量单元，确定吊钩与铅垂位置的偏差；以及

在吊钩偏离铅垂位置时，启用警报元件。

优选地，该方法包括确定吊钩与铅垂位置的偏差是小于还是大于预定限度的另外的步骤。

优选地，确定吊钩的偏差的步骤包括使用惯性测量单元计算吊钩的俯仰角度。优选地，确定偏差的步骤还包括使用惯性测量单元计算吊钩的偏航角度。

优选地，在吊钩的偏差大于预定限度时，该方法包括操作警报元件以指示吊钩的偏差大于预定限度的另外的步骤。优选地，警报元件指示起重机的操作状况是不安全的。

优选地，该方法包括确定吊钩是处于铅垂位置还是偏离铅垂位置的另外的步骤。

优选地，在吊钩的偏差小于预定限度时，该方法包括操作警报元件以指示吊钩的偏差小于预定限度的另外的步骤。优选地，警报元件指示起重机的操作状况是安全的或在预定限度内。

优选地，警报元件包括起重机的操作员以及/或者索具装配员的显示装置。

优选地，计算俯仰平面的角度的步骤包括将从陀螺仪和加速度计获取的数据与重力矢量比较。优选地，来自陀螺仪的数据包括吊钩的角动量。优选地，对从陀螺仪和加速度计获取的数据应用统计性估计滤波器。

优选地，该方法还包括计算吊钩的偏航的步骤。优选地，通过磁力计计算吊钩的偏航。优选地，磁力计补偿被附接到吊钩的缆索中的任何扭转。

优选地，警报元件为听觉信号发生器或视觉信号发生器的形式诸如闪光灯或图形显示元件。

优选地，警报元件由图形显示装置接收。优选地，警报元件在用于远程通信的低功率广域网络(LPWAN)上无线地被传送到图形显示装置以及被图形显示装置接收。

在另一形式中，本发明在于用于确定吊钩与铅垂位置的偏差的系统，该系统包括：

感测装置，该感测装置具有惯性测量单元和微控制器；

具有吊钩的起重机，其中，感测装置被附接到吊钩；

感测装置，被配置成：

通过将吊钩的角动量与重力矢量比较来计算俯仰平面的角度；以及

确定吊钩与竖向的偏差。

根据下面的详细描述，本发明的另外的特征和优点将变得明显。

附图说明

仅通过示例的方式，将参照附图在下文中更全面地描述本发明的优选实施方式，附图如下：

图1例示根据本发明的实施方式的被附接到起重机的感测装置；

图2例示被附接到准备提升负载的起重机的提升吊钩的图1的感测装置；以及

图3例示图1的感测装置、起重机驾驶室和索具装配员显示装置的示意图。

具体实施方式

图1、图2和图3例示起重机吊钩感测装置100，该起重机吊钩感测装置用于检测升降型起重机120的不安全的、偏离铅垂的提升吊钩110(如图2所示)。

起重机吊钩感测装置100计算与惯性轴线的角度和偏差，以确定由起重机120的吊索122所接合的负载130的最佳索具应用。

转到图3，例示了系统1，该系统包括起重机吊钩感测装置100、驾驶室处理器组件131和索具装配员显示装置141。

起重机吊钩感测装置100包括微控制器板101，该微控制器板包括访问数字存储器105的微控制器103，该数字存储器存储包含指令的固件107，以计算吊钩110相对于臂架头124的竖向轴线(或铅垂位置)的偏差的角度θ₁以及对吊钩110的任何扭转的补偿。吊钩110的扭转通常发生在当吊钩滑车被吊绳的奇数悬垂段(falls：下垂物)穿过时或者被风荷载穿过时，并影响吊钩110的水平定向(偏航)，这将影响现有系统的计算的准确度。

铅垂位置由从地面延伸到臂架头124的竖向线140(见图2)限定。

微控制器103还操作无线电通信Tx/Rx单元109使用远程无线电技术诸如例如低功率广域网络(LPWAN)，来建立使用Tx/Rx单元98的、在起重机驾驶室126和索具装配员显示器141之间的无线电通信。

起重机吊钩感测装置100包括与微控制器103通信的惯性测量单元(IMU)111。IMU111测量吊钩110的3轴线定向(即俯仰、滚转和偏航)。IMU 111包括用于提供长期定向数据的陀螺仪传感器112(诸如电子陀螺仪)和用于提供短期定向数据的加速度计113，该陀螺仪传感器和加速度计与卡尔曼滤波器(或其他适合的统计性估计滤波器)结合以准确地确定与重力矢量的变化。

IMU 111的磁力计114测量吊钩110相对于磁北的偏航改变，其中，根据固件107进行计算以补偿感测装置100被安装在其上的吊钩110的、厚锌层钢板。

吊钩感测装置100被容置在具有安装支架的防水壳体121内，该安装支架可移除地被固定至吊钩滑车的颊部(cheekbones：颧骨部)125内侧的吊钩110的轴环123。有利地，感测装置100可以根据需要从吊钩110被移除以再充电和维护。

感测装置100由位于壳体121内的电池102供电。在一些优选的实施方式中，电池102是可以使用标准USB充电电缆而被再充电的可充电电池。

位于起重机120的驾驶室126内的是驾驶室处理器组件131，该驾驶室处理器组件与起重机传感器总线133连接并与驾驶室无线电Tx/Rx单元98耦合。组件131从现有的起重机传感器S1,...,Sn读取包括以下内容的提升特定数据流：负载重量、臂架半径、臂架长度和总重量。

该数据从起重机传感器S1,...,Sn的提取与品牌和型号相关，并且依赖于驾驶室处理器组件131中的集成技术，该集成技术可以处理用于不同起重机的不同连接和数据格式。

驾驶室126内的显示器135为操作者137提供了吊钩关于负载130的中心的定向的作为水平面的鸟瞰图的图形视图。显示器135使用通过软件程控的微处理器来提取起重机数据以及绘制显示画面。提取起重机数据所需的特定于集成的硬件用于将显示器135与现有的起重机传感器S1,...,Sn连接。

索具装配员139还具有显示器组件141。索具装配员显示器组件141包括接收由感测装置100的无线电Tx/Rx单元109发送的数据流的无线电接收器142，该数据流包括实时计算结果，索具装配员139可以使用该实时计算结果来调整负载130以用于最佳提升。显示器141的形式可以变化，从智能手机到智能眼镜，或者专门设计的适合用于现场施工使用的显示设备。

索具装配员显示器141提供图形化的铅垂测量仪(gauge：计量器)，该铅垂测量仪突显与竖向方向度数上的偏差(从+10°到-10°)以及来自起重机传感器S1,...,Sn的其它数据，如重量和与索具装配员139相关的其它指示。

无线电Tx/Rx单元109包括用于在感测装置100、起重机驾驶室126的无线电Tx/Rx单元98和索具装配员显示设备141的无线电接收单元142之间的双向通信的远程无线电。适合地，无线电Tx/Rx单元109具有远程能力以确保在无线电Tx/Rx单元98、感测装置100和索具装配员显示设备141之间成功地传输信号，以迎合可能不利地影响信号状况的变化的现场状况。系统使用被专门地设计的数据传输协议以确保起重机操作员137和索具装配员显示设备141接收到正确的信息，并且对传送中的错误有复原性。

如上所述，感测装置100测量在臂架124下方的吊钩100与竖向定向(由铅垂线140指示)的以度为单位的偏差，该竖向定向被称为在提升开始时由索具装配员139校准以适合的“铅垂”。该信息经由远程无线电频率被发送到起重机操作员的驾驶室126中的无线电Tx/Rx单元98并且被发送到索具装配员显示器141的无线电Tx/Rx装置组件142以向索具装配员139显示。

在使用中，感测装置100被附接到起重机120的吊钩110。然后，将吊钩110附接到负载130，以为提升做准备。

在提升之前，感测装置100基于下述与重力矢量的比较实时计算俯仰平面的角度：由IMU 111的加速度计测量的且由IMU 111的陀螺仪的角动量补偿的、使用经修改的卡尔曼公式的。此外，由于在吊钩110被扭转的情况下，在俯仰平面中的角度测量的准确度会降低，因此使用IMU 111的磁力计(优选地为罗盘)对扭转进行计算和补偿，允许在计算用于大量的起重机提升情况的俯仰角度时的高精度。假如吊钩110已经偏差超过了预定限度，诸如例如3°，则可以借助于显示器135和/或索具装配员139的显示装置141向起重机驾驶室126中的操作员137发出吊钩110当前处于不安全操作状况的警报或指示，使得可以适当地调整提升操作。替代性地或另外地，在吊钩110在预定范围内(即没有超过允许的偏差限度)的情况下，可以通过警报发生器143和/或索具装配员139的显示装置141向起重机驾驶室126中的操作员137发出吊钩当前处于安全操作状况的警报或指示。

警报发生器143在驾驶室处理器131的控制下，用于按照感测装置100的指令产生视觉和/或听觉信号。

用于不安全状况的警报可以是视觉元素的形式诸如红色闪光灯，或者是听觉信号诸如警报器(siren：汽笛、报警器)。一旦达到安全操作状况，灯可以改变成绿色或被预定成预示安全状况的另一颜色。另外地，听觉信号可以是铃铛钟声或表示安全状况的其他预定声音。

使用中的感测装置100的示例在图2中示出。位于起重机120的吊钩110附近的感测装置100正在测量与吊钩110的铅垂位置以度数为单位的差异，由铅垂线140和偏差线150所例示。

在例示的情况下，将借助于显示器135和/或警报发生器143和索具装配员139的显示装置141向起重机120的驾驶室126中的操作者137发出警报。在收到警报时，操作者137和索具装配员139立即地意识到不安全的状况并且能够通过操纵起重机控制器轻松地纠正该状况以达到安全操作状况，这也可以通过感测装置检测和指示。

虽然该例示仅示出具有完美索具布置的负载(即所有提升器材具有相同的长度)，但感测装置也可以被校准以在部分负载已经被起重机带起的情况下允许“偏移”铅垂。当索具在负载的两侧具有不同长度和配置时，这是特别地有用的。

有利地，感测装置可以有效地计算起重机的吊钩或吊钩滑车中的任何侧向的定向改变，诸如起重机配置中吊绳的悬垂段的特定数目或引起扭矩的特定索具应用、或者强风。

在另一优点中，使用现有的起重机传感器改进计算，以用于较好地引导起重臂向后或向前移动。

另一优点在于能够指示提升操作的安全和不安全操作状况两者。

在本说明书中，形容词诸如第一和第二、左和右、上和下等可以用于仅将一个元件或动作与另一元件或动作区分，而不一定要求或暗示任何实际这样的关系或顺序。在上下文许可的情况下，对整数或部件或步骤(或类似物)的引用不被解释为只限于该整数、部件或步骤中的一项，而可以是该整数、部件或步骤等中的一项或更多项。

提供对本发明的各种实施方式的以上描述以用于向相关技术领域的普通技术人员描述的目的。这并非意在穷举或将本发明限制成单一公开的实施方式。如上所述，本发明的众多替代方案和变化对于上述教导的领域的技术人员来说将是明显的。相应地，虽然已经具体地讨论了一些替代实施方式，但其他实施方式将是明显的或是本领域普通技术人员相对容易地开发的。本发明意在涵盖本文已经讨论的本发明的所有替代方案、修改和变化以及属于上述发明的精神和范围的其它实施方式。

在本说明书中，术语‘包括(comprises)’、‘包括(comprising)’、‘包括(includes)’、‘包括(including)’、或类似术语意在指非排他性的包括，使得包括一系列元件或步骤的方法、系统或设备并不只包括这些元件，而很可能包括未列出的其它元件。

Claims (20)

1.一种用于检测升降式起重机的不安全操作状况的感测装置，所述感测装置包括：

惯性测量单元，所述惯性测量单元用于测量起重机的被附接至负载的吊钩的俯仰和偏航，所述惯性测量单元包括：

电子陀螺仪；

加速度计，其中，所述电子陀螺仪和所述加速度计适于测量所述吊钩的定向并获取定向数据以测量所述吊钩的与铅垂位置的偏差；

磁力计，所述磁力计适于测量所述吊钩的偏航，以及适于测量所述吊钩的相对于磁北的改变并获取偏航数据，以及

微控制器，所述微控制器被布置成：

根据由所述磁力计测量的偏航数据来计算补偿因数；

将由所述电子陀螺仪和所述加速度计测量的定向数据与统计性估计滤波器相结合；以及

在开始提升被附接到所述吊钩的所述负载之前，使用所述定向数据与所述统计性估计滤波器的结合以及所述补偿因数，来确定所述起重机的所述吊钩的与所述铅垂位置的偏差，

其中，所述惯性测量单元适于在所述吊钩的偏差超过预定限度时启用警报元件。

2.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述感测装置适于在所述吊钩的偏差在预定范围内时启用警报元件。

3.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述感测装置适于指示被附接到负载的提升缆索为铅垂或者偏离铅垂。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的感测装置，其中，所述感测装置包括防水壳体，并且所述惯性测量单元位于所述壳体内。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的感测装置，其中，所述惯性测量单元适于测量所述吊钩的以度为单位的偏差。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的感测装置，其中，所述感测装置与图形显示装置无线地连接。

7.根据权利要求6所述的感测装置，其中，所述感测装置被布置成操作所述图形显示装置以在所述图形显示装置上显示所述吊钩关于所述铅垂位置的视觉指示。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的感测装置，其中，所述感测装置被连接到起重机传感器总线，并且所述感测装置被布置成从所述起重机传感器总线读取负载重量、臂架半径、臂架长度和总重量中的一项或更多项。

9.根据权利要求2所述的感测装置，其中，所述警报元件是听觉信号发生器或视觉信号发生器。

10.一种用于检测升降式起重机的不安全操作提升状况的方法，所述方法包括以下步骤：

从被附接至起重机的吊钩的惯性测量单元的电子陀螺仪和加速度计，来测量所述起重机的被附接至负载的所述吊钩的定向；

从所述惯性测量单元的所述电子陀螺仪和所述加速度计获取定向数据；

从所述惯性测量单元的磁力计测量所述吊钩的偏航；

从所述惯性测量单元的所述磁力计获取偏航数据；

使用微控制器、根据通过所述磁力计测量的所述偏航数据来计算补偿因数；

使用所述微控制器，将通过所述加速度计和所述电子陀螺仪测量的所述定向数据与统计性估计滤波器结合；

在开始提升被附接到所述吊钩的所述负载之前，使用所述定向数据与所述统计性估计滤波器的结合以及所述补偿因数，来确定所述吊钩与铅垂位置的偏差；以及

在所述吊钩不处于铅垂位置时启用警报元件。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：确定所述吊钩与所述铅垂位置的所述偏差是小于还是大于预定限度的步骤。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，测量所述吊钩的定向的步骤还包括使用所述惯性测量单元来计算所述吊钩的俯仰角度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，测量所述吊钩的偏航的步骤还包括使用所述惯性测量单元计算所述吊钩的偏航角度。

14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，在所述吊钩的所述偏差大于预定限度的情况下，所述方法包括操作所述警报元件以指示所述吊钩的偏差大于所述预定限度的另外的步骤。

15.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，所述方法包括确定所述吊钩是处于铅垂位置还是偏离铅垂位置的另外的步骤。

16.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，在所述吊钩的偏差小于预定限度的情况下，所述方法包括操作警报元件以指示所述吊钩的偏差小于所述预定限度的另外的步骤。

17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述警报元件包括与起重机的操作员和/或索具装配员相关联的显示装置。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，计算所述俯仰角度的步骤包括将从所述电子陀螺仪和所述加速度计获取的所述定向数据与重力矢量比较。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，来自所述电子陀螺仪的所述定向数据包括所述吊钩的角动量。

20.根据权利要求10至13中的任一项所述的方法，其中，所述磁力计补偿被附接到所述吊钩的缆索中的任何扭转。

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