CN112173997A - 一种基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制系统及方法 - Google Patents

一种基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制系统及方法。涉及吊车机械领域，尤其涉及一种基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制系统及方法。提供了一种方便检测，并进行预警的基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制系统及方法。包括吊车系统和检测系统，所述吊车系统包括底座、旋转总成、支腿总成和伸臂组合,所述旋转总成设在底座上,所述旋转总成包括旋转台，所述采集模块、拉力传感器、角度传感器和四个压力传感器分别通过NB‑IOT传输模块与云平台连接；所述云平台连接手机进行预警。本发明提高了吊车在斜面进行工作作业的安全性和稳定性。

Description

一种基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制系统 及方法
技术领域
本发明涉及吊车机械领域，尤其涉及一种基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制系统及方法。
背景技术
随着我国吊车数量的迅猛发展，大大促进了我国基础设施建设，但吊车防倾覆系统是吊车运行安全的重要保障。在平地运行比较平稳的吊车，在某些高低不平的山区就将会有倾覆的风险，传统吊车的防倾覆都是在平地进行的，而吊车这一特殊工作作业车常常被用于地震多发区的山地，存在安全隐患，吊车工作过程中的可靠性检测有待进一步提高，因此设计出一种能在工作区域不平整，利用物联网技术对防倾覆检测进行预警的技术显得尤为重要。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种方便检测，并进行预警的基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制系统及方法。
本发明的技术方案为:包括吊车系统和检测系统，所述吊车系统包括底座、旋转总成、支腿总成和伸臂组合,
所述旋转总成设在底座上,所述旋转总成包括旋转台，
所述支腿总成设在底座的两端，所述支腿总成包括四个支腿，四个支腿分别为左前支腿、右前支腿、左后支腿和右后支腿，
所述左前支腿包括左前伸出部和左前落地部，
所述右前支腿包括右前伸出部和右前落地部，
所述左后支腿包括左后伸出部和左后落地部，
所述右后支腿包括右后伸出部和右后落地部，
所述伸臂组合设在旋转台的一侧，所述伸臂组合包括伸出臂、拉钩和拉索，所述拉钩通过拉索连接伸出臂；
所述检测系统包括云平台、采集模块、NB-IOT传输模块、水平仪、拉力传感器、角度传感器和四个压力传感器，
所述采集模块用于采集吊车的运动状态；
所述水平仪设在旋转台上；
所述拉力传感器设在拉索上；
所述角度传感器用于获取拉索和伸出臂之间的夹角；
四个压力传感器分别设在左前落地部的接地端、右前落地部的接地端、左后落地部的接地端和右后落地部的接地端；
所述采集模块、拉力传感器、角度传感器和四个压力传感器分别通过NB-IOT传输模块与云平台连接；所述云平台连接手机进行预警。
一种基于物联网云平台的吊车防倾覆检测方法，包括以下步骤：
S1、建立坐标系；
S2、通过采集模块、拉力传感器、角度传感器和四个压力传感器分别获取数据，并通过NB-IOT传输模块与云平台连接，进行分析判定；在满足倾覆条件后，进行手机预警。
步骤S1中，以吊车四个支腿中的最低点为坐标系原点O，吊车中水平仪竖轴在水平方向投影为X轴，则四个支腿为左右分布，其中，垂直于水平面为Z轴，垂直于XOZ面为Y轴，水平仪测得X，Y轴的倾斜量分别为θ1，θ2，水平仪气泡方向为正方向；
通过矩阵变换将坐标系变为笛卡尔坐标系，在笛卡尔坐标系中运动的吊车左乘旋转矩阵即为实际运动状态。
步骤S2中，
四个支腿下方的压力传感器通过NB-IOT传输模块发送数据信息；
拉钩所吊重物重量通过拉力传感器记为G，吊车自重为G1,在X’OY’平面上进行分解，进行X’轴和Y’轴两个方向的倾覆计算，
伸出臂的伸出长度为d，左前支腿和右前支腿之间的间距为d1，右前支腿和右后支腿之间的间距为d2，
通过采集模块读取伸出臂与Y’轴的角度为β，将角度信息和重物的重力通过NB-IOT传输模块连接云平台，通过云平台对吊车倾覆进行分析；
其中，分析的判定方式为：
重物沿Z向下与伸出臂之间夹角通过角度传感器测量为α，在Y’轴方向上，伸出臂为|dcosβ|，
当云平台计算cosβ为正，重力分量为Gcosθ2，力臂间距为
Figure BDA0002711607610000021
当
Figure BDA0002711607610000031
此时支撑的支腿为右前落地部和右后落地部，同时检测左前支腿落地部的压力传感器和左后支腿落地部的压力传感器为0时，判定吊车倾覆，发出预警；
Y’方向倾覆预警，在X’轴方向上，伸出臂|dsinβ|，则在X’轴上分析，重力分量为Gcosθ1，伸出臂为X’轴分量|dsinβ|，当检测吊车旋转角度β数据通过NB-IOT传输模块传送至云平台判断为呈0-180度时，重物重力分量为Gcosθ1，力臂间距为
Figure BDA0002711607610000032
吊车重力分量为G1cosθ1，吊车重力力臂为
Figure BDA0002711607610000033
当
Figure BDA0002711607610000034
此时支撑支腿为左前支腿落地部和右前支腿落地部，同时检测左后支腿落地部的压力传感器和右后支腿落地部的压力传感器，当左后支腿落地部的压力传感器和右后支腿落地部的压力传感器的压力为0，发出X’轴向倾覆预警；
当检测吊车旋转角度β数据通过NB-IOT传输模块传送至云平台判断为180-360度时，重物重力分量为Gcosθ1，重物力臂间距为
Figure BDA0002711607610000035
吊车重力分量为G1cosθ1，吊车重力力臂为
Figure BDA0002711607610000036
当
Figure BDA0002711607610000037
此时支撑支腿为左后支腿落地部和右后支腿落地部，同时检测左前支腿落地部的压力传感器和右前支腿落地部的压力传感器，当左前支腿落地部的压力传感器和右前支腿落地部的压力传感器的压力为0，发出倾覆预警。
本发明计算清晰，结构明确，利用NB-IOT物联网数据传输将采集模块、拉力传感器、角度传感器和四个压力传感器采集的数据传输至云平台进行倾覆模拟计算，当计算结果为有倾覆风险时通过手机端预警，提高了吊车在斜面进行工作作业的安全性和稳定性。
附图说明
图1为本发明中吊车所在坐标系示意图，
图2为本发明中吊车斜面正视图，
图3为本发明中检测系统的原理图；
图中，1为左前支腿落地部接地压力传感器，2为右前支腿落地部接地压力传感器，3为左后支腿落地部接地压力传感器，4为右后支腿落地部接地压力传感器，5为水平仪，6为底座，7为旋转总成，8为左前支腿落地部，9为右前支腿落地部，10为左后支腿落地部，11为右后支腿落地部，12为伸出臂，13为拉索，14为拉钩，15为角度传感器。
具体实施方式
本发明如图1-3所示，包括吊车系统和检测系统，所述吊车系统包括底座6、旋转总成7、支腿总成和伸臂组合,
所述旋转总成7设在底座上,所述旋转总成包括旋转台，
所述支腿总成设在底座的两端，所述支腿总成包括四个支腿，四个支腿分别为左前支腿、右前支腿、左后支腿和右后支腿，
所述左前支腿包括左前伸出部和左前落地部8，
所述右前支腿包括右前伸出部和右前落地部9，
所述左后支腿包括左后伸出部和左后落地部10，
所述右后支腿包括右后伸出部和右后落地部11，
所述伸臂组合设在旋转台的一侧，所述伸臂组合包括伸出臂12、拉钩14和拉索13，所述拉钩通过拉索连接伸出臂；
所述检测系统包括云平台、采集模块、NB-IOT传输模块、水平仪5、拉力传感器、角度传感器15和四个压力传感器，
所述采集模块用于采集吊车的运动状态；
所述水平仪5设在旋转台上；
所述拉力传感器设在拉索上；
所述角度传感器15用于获取拉索和伸出臂之间的夹角；角度传感器的测量端与拉索相固定；
四个压力传感器分别设在左前落地部的接地端、右前落地部的接地端、左后落地部的接地端和右后落地部的接地端；四个压力传感器分别为左前支腿落地部接地压力传感器1、右前支腿落地部接地压力传感器2、左后支腿落地部接地压力传感器3和右后支腿落地部接地压力传感器4；
所述采集模块、拉力传感器、角度传感器和四个压力传感器分别通过NB-IOT传输模块与云平台连接；所述云平台连接手机进行预警。
本发明提出的一种组合式基于物联网云平台计算的吊车防倾覆检测系统，工作原理清晰。利用运动计算可以分析危险状态，实现倾翻预警。
一种基于物联网云平台的吊车防倾覆检测方法，包括以下步骤：
S1、建立坐标系；
S2、通过采集模块、拉力传感器、角度传感器和四个压力传感器分别获取数据，并通过NB-IOT传输模块与云平台连接，进行分析判定；在满足倾覆条件后，进行手机预警。
步骤S1中，以吊车四个支腿中的最低点为坐标系原点O，吊车中水平仪竖轴在水平方向投影为X轴，则四个支腿为左右分布，其中，垂直于水平面为Z轴，垂直于XOZ面为Y轴，水平仪测得X，Y轴的倾斜量分别为θ1，θ2，水平仪气泡方向为正方向；
通过矩阵变换将坐标系变为笛卡尔坐标系，在笛卡尔坐标系中运动的吊车左乘旋转矩阵即为实际运动状态。
步骤S2中，
四个支腿下方的压力传感器通过NB-IOT传输模块发送数据信息；
拉钩所吊重物重量通过拉力传感器记为G，通过NB-IOT传输模块传送至云平台，吊车自重为G1,在X’OY’平面上进行分解，进行X’轴和Y’轴两个方向的倾覆计算，
伸出臂的伸出长度为d，左前支腿和右前支腿之间的间距为d1，右前支腿和右后支腿之间的间距为d2，
通过采集模块读取伸出臂与Y’轴的角度为β，将角度信息和重物的重力通过NB-IOT传输模块连接云平台，通过云平台对吊车倾覆进行分析；
其中，分析的判定方式为：
重物沿Z向下与伸出臂之间夹角通过角度传感器测量为α，在Y’轴方向上，伸出臂为|dcosβ|，
当云平台计算cosβ为正，重力分量为Gcosθ2，力臂间距为
Figure BDA0002711607610000061
当
Figure BDA0002711607610000062
此时支撑的支腿为右前落地部和右后落地部，同时检测左前支腿落地部的压力传感器和左后支腿落地部的压力传感器为0时，判定吊车倾覆，发出预警；
Y’方向倾覆预警，在X’轴方向上，伸出臂|dsinβ|，则在X’轴上分析，重力分量为Gcosθ1，伸出臂为X’轴分量|dsinβ|，当检测吊车旋转角度β数据通过NB-IOT传输模块传送至云平台判断为呈0-180度时，重物重力分量为Gcosθ1，力臂间距为
Figure BDA0002711607610000063
吊车重力分量为G1cosθ1，吊车重力力臂为
Figure BDA0002711607610000064
当
Figure BDA0002711607610000065
此时支撑支腿为左前支腿落地部和右前支腿落地部，同时检测左后支腿落地部的压力传感器和右后支腿落地部的压力传感器，当左后支腿落地部的压力传感器和右后支腿落地部的压力传感器的压力为0，发出X’轴向倾覆预警；
当检测吊车旋转角度β数据通过NB-IOT传输模块传送至云平台判断为180-360度时，重物重力分量为Gcosθ1，重物力臂间距为
Figure BDA0002711607610000066
吊车重力分量为G1cosθ1，吊车重力力臂为
Figure BDA0002711607610000067
当
Figure BDA0002711607610000068
此时支撑支腿为左后支腿落地部和右后支腿落地部，同时检测左前支腿落地部的压力传感器和右前支腿落地部的压力传感器，当左前支腿落地部的压力传感器和右前支腿落地部的压力传感器的压力为0，发出倾覆预警。
本发明针对现有吊车四个支腿不在同一平面可靠性较差等不足，提出一种组合式，利用物联网技术采集支腿支撑压力和工作时运功状态相结合的结构，且每个支腿独立计算支撑力，将其运输至物联网云平台进行计算，从而可获得可靠的运动状态分析，降低倾覆风险。本发明利用NB-IOT物联网数据传输将传感器采集的数据传输至云平台进行倾覆模拟计算，当计算结果为有倾覆风险时通过手机端预警，提高了吊车在斜面进行工作作业的安全性和稳定性。

Claims (4)

1.一种基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制系统，其特征在于，包括吊车系统和检测系统，所述吊车系统包括底座、旋转总成、支腿总成和伸臂组合,
所述旋转总成设在底座上,所述旋转总成包括旋转台，
所述支腿总成设在底座的两端，所述支腿总成包括四个支腿，四个支腿分别为左前支腿、右前支腿、左后支腿和右后支腿，
所述左前支腿包括左前伸出部和左前落地部，
所述右前支腿包括右前伸出部和右前落地部，
所述左后支腿包括左后伸出部和左后落地部，
所述右后支腿包括右后伸出部和右后落地部，
所述伸臂组合设在旋转台的一侧，所述伸臂组合包括伸出臂、拉钩和拉索，所述拉钩通过拉索连接伸出臂；
所述检测系统包括云平台、采集模块、NB-IOT传输模块、水平仪、拉力传感器、角度传感器和四个压力传感器，
所述采集模块用于采集吊车的运动状态；
所述水平仪设在旋转台上；
所述拉力传感器设在拉索上；
所述角度传感器用于获取拉索和伸出臂之间的夹角；
四个压力传感器分别设在左前落地部的接地端、右前落地部的接地端、左后落地部的接地端和右后落地部的接地端；
所述采集模块、拉力传感器、角度传感器和四个压力传感器分别通过NB-IOT传输模块与云平台连接；所述云平台连接手机进行预警。
2.一种基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立坐标系；
S2、通过采集模块、拉力传感器、角度传感器和四个压力传感器分别获取数据，并通过NB-IOT传输模块与云平台连接，进行分析判定；在满足倾覆条件后，进行手机预警。
3.根据权利要求2所述的一种基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制方法，其特征在于，
步骤S1中，以吊车四个支腿中的最低点为坐标系原点O，吊车中水平仪竖轴在水平方向投影为X轴，则四个支腿为左右分布，其中，垂直于水平面为Z轴，垂直于XOZ面为Y轴，水平仪测得X，Y轴的倾斜量分别为θ1，θ2，水平仪气泡方向为正方向；
通过矩阵变换将坐标系变为笛卡尔坐标系，在笛卡尔坐标系中运动的吊车左乘旋转矩阵即为实际运动状态。
4.根据权利要求3所述的一种基于云边端数据融合的折臂吊智能安全预警与控制方法，其特征在于，
步骤S2中，
四个支腿下方的压力传感器通过NB-IOT传输模块发送数据信息；
拉钩所吊重物重量通过拉力传感器记为G，吊车自重为G1，在X’OY’平面上进行分解，进行X’轴和Y’轴两个方向的倾覆计算，
伸出臂的伸出长度为d，左前支腿和右前支腿之间的间距为d1，右前支腿和右后支腿之间的间距为d2，
通过采集模块读取伸出臂与Y’轴的角度为β，将角度信息和重物的重力通过NB-IOT传输模块连接云平台，通过云平台对吊车倾覆进行分析；
其中，分析的判定方式为：
重物沿z向下与伸出臂之间夹角通过角度传感器测量为α，在Y’轴方向上，伸出臂为|dcosβ|，
当云平台计算cosβ为正，重力分量为Gcosθ2，力臂间距为
Figure FDA0002711607600000021
当
Figure FDA0002711607600000022
此时支撑的支腿为右前落地部和右后落地部，同时检测左前支腿落地部的压力传感器和左后支腿落地部的压力传感器为0时，判定吊车倾覆，发出预警；
Y’方向倾覆预警，在X’轴方向上，伸出臂|dsinβ|，则在X’轴上分析，重力分量为Gcosθ1，伸出臂为X’轴分量|dsinβ|，当检测吊车旋转角度β数据通过NB-IOT传输模块传送至云平台判断为呈0-180度时，重物重力分量为Gcosθ1，力臂间距为
Figure FDA0002711607600000031
吊车重力分量为G1cosθ1，吊车重力力臂为
Figure FDA0002711607600000032
当
Figure FDA0002711607600000033
此时支撑支腿为左前支腿落地部和右前支腿落地部，同时检测左后支腿落地部的压力传感器和右后支腿落地部的压力传感器，当左后支腿落地部的压力传感器和右后支腿落地部的压力传感器的压力为0，发出X’轴向倾覆预警；
当检测吊车旋转角度β数据通过NB-IOT传输模块传送至云平台判断为180-360度时，重物重力分量为Gcosθ1，重物力臂间距为
Figure FDA0002711607600000034
吊车重力分量为G1cosθ1，吊车重力力臂为
Figure FDA0002711607600000035
当
Figure FDA0002711607600000036
此时支撑支腿为左后支腿落地部和右后支腿落地部，同时检测左前支腿落地部的压力传感器和右前支腿落地部的压力传感器，当左前支腿落地部的压力传感器和右前支腿落地部的压力传感器的压力为0，发出倾覆预警。
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