CN113044721A - 一种门座式起重机作业姿态控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种门座式起重机作业姿态控制系统及方法，属于港口设备控制领域。所述门座式起重机作业姿态控制系统包括：控制器和与其连接的检测装置；所述检测装置包括：位置检测装置，用于获得门座式起重机的位置；变幅角度检测装置，用于获得抓斗的变幅角度；旋转角度检测装置：用于获得抓斗的旋转角度；开闭钢丝绳出绳长度检测装置，用于获得开闭钢丝绳的出绳长度；支持钢丝绳出绳长度检测装置，用于获得支持钢丝绳的出绳长度；所述控制器根据检测装置采集到的数据对门座式起重机进行控制。利用本发明能够监测和控制门座式起重机的作业姿态，保证了作业安全，也为散货码头的智能化升级提供了基础平台。

Description

一种门座式起重机作业姿态控制系统及方法

技术领域

本发明属于港口设备控制领域，具体涉及一种门座式起重机作业姿态控制系统及方法，用于通用设备的智能化升级。

背景技术

当前智慧型港口建设步伐不断加快，不论是集装箱泊位场桥、岸桥，还是散货连续化装船系统，都在智能化升级方面取得了较大进展，部分或全部实现无人化操作。港口在作业效率、安全性、员工劳动强度、成本等方面受益良多。

目前矿石船舶接卸作业一般采用“船-漏斗-车”的作业工艺，疏港车辆停放在大漏斗的下方，门座式起重机司机通过抓斗5将船上的散货抓取起来，然后调整抓斗5的位置，将抓斗5对正漏斗，打开抓斗5，货物从抓斗5落下，落入到漏斗内，再从漏斗落入到疏港车辆内，这种工艺在高效、节能的同时，也存在一定的安全风险。一旦发生门座式起重机抓斗没有对准漏斗的情况，下落的物料产生的冲击容易对车辆驾驶室甚至司机造成伤害。尽管采取了遮挡、防护等安全措施，但要从根本上解决问题还需要从门座式起重机抓斗与大漏斗相对位置关联性上入手。

如图1所示，门座式起重机主要包括：臂架系统、人字架、转盘，以及安装在转盘上面的起升、变幅、旋转机构及机房、电气房、司机室等上部回转部分，和由圆筒式门架、平衡梁、运行台车、抗风防倾装置及其它安全装置等下部非回转部分及一些辅助机构组成。所述臂架系统包括：象鼻架1、拉杆2、机架3和动臂4，形成四边形结构。

门座起重机的工作原理是:通过起升、变幅、旋转这3种运动的组合，可以在一个环形圆柱体空间实现物品的升降、移动(升降通过起升运动实现，沿圆柱体空间的直径上的移动通过变幅运动(即动臂4在与水平面垂直的平面内的旋转，也就是动臂4与水平线之间的夹角的变化)来实现，沿圆柱体空间的圆周上的移动通过转台的旋转来实现)，并通过运行机构调整整机的工作位置，可以在较大的作业范围内满足运移物品的需要。

与集装箱、系统化装卸设备相比，以门座式起重机为主要作业设备的通用散杂货码头，因其装卸货类、设备、工艺特点等因素，与集装箱设备相比，散杂货设备要实现无人化操作，目前在智能化升级方面还存在以下几个难点：

1货物信息的标准化

集装箱作为被装卸货物，从形态、尺寸到位移的起点、终点等各项信息都有较为明确的标准。而散杂货在这方面存在先天的不足，货物垛型、比重、位移的起点、终点等信息需要通过图像识别、扫描、建模等手段进行标准化。

2姿态控制

在对货物形态进行感知的基础上，要实现无人驾驶，负责驾驶的计算机需要明确设备与货物的相对位置，也就是明确设备自身的姿态信息。

3关联信息

在获取了货物、设备自身的姿态信息后，要实现无人驾驶，还需要获取与本机作业相关的其他信息，如船舱(舱口位置)信息、相邻设备姿态信息、属具(如卸矿石漏斗)信息、相关车辆信息、货物位移起止位置等。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，尤其针对门座式起重机姿态控制的难点，提供一种门座式起重机作业姿态控制系统及方法，能够监测和控制门座式起重机的作业姿态，保证作业安全。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种门座式起重机作业姿态控制系统，所述门座式起重机包括：门架、臂架系统、转盘，在所述臂架系统上连接有开闭钢丝绳和支持钢丝绳，开闭钢丝绳和支持钢丝绳与抓斗连接，所述开闭钢丝绳、支持钢丝绳是分别卷绕在各自的钢丝绳滚筒上，在每个钢丝绳滚筒的两侧设置有与其同时旋转的钢缆绞盘，在钢缆绞盘的外侧设置有固定的支架；所述臂架系统包括：象鼻架、拉杆、机架和动臂；所述门座式起重机作业姿态控制系统包括：控制器和与其连接的检测装置；

所述检测装置包括：

位置检测装置，用于获得门座式起重机的位置；

变幅角度检测装置，用于获得抓斗的变幅角度；

旋转角度检测装置：用于获得抓斗的旋转角度；

开闭钢丝绳出绳长度检测装置，用于获得开闭钢丝绳的出绳长度；

支持钢丝绳出绳长度检测装置，用于获得支持钢丝绳的出绳长度；

所述控制器根据检测装置采集到的数据对门座式起重机进行控制。

优选的，所述变幅角度检测装置、旋转角度检测装置均采用角度传感器；在所述动臂的底部安装有角度传感器，通过该角度传感器获得抓斗的变幅角度；在所述转盘上安装有角度传感器，通过该角度传感器获得抓斗的旋转角度；

或者所述变幅角度检测装置、旋转角度检测装置采用同一个陀螺仪传感器；在所述动臂的底部安装所述陀螺仪传感器，通过所述陀螺仪传感器同时检测动臂的变幅角度和旋转角度。

优选的，所述开闭钢丝绳出绳长度检测装置、支持钢丝绳出绳长度检测装置均采用编码装置；

所述编码装置包括被检测体和检测传感器；

在一侧的钢缆绞盘上设置多个在圆周上均布的且与钢丝绳滚筒角速度一致的被检测体；在该侧所述钢缆绞盘外侧的支架上设置有检测传感器，当钢丝绳滚筒旋转时，各个被检测体依次对准所述检测传感器。

优选的，所述控制器包括：

采集模块：与各个检测装置连接，获得各个检测装置的数据；

存储模块：与采集模块连接，用于存储各个检测装置的数据、标准变幅角度、标准旋转角度、标准开闭钢丝绳的出绳长度、标准支持钢丝绳的出绳长度；

差值计算模块：分别与采集模块连接、存储模块连接，将变幅角度减去标准变幅角度得到变幅角度差值、将旋转角度减去标准旋转角度得到旋转角度差值、将开闭钢丝绳的出绳长度减去标准开闭钢丝绳的出绳长度得到开闭钢丝绳差值、将支持钢丝绳的出绳长度减去标准支持钢丝绳的出绳长度得到支持钢丝绳差值；

判断模块：与差值计算模块连接，用于设定变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值，并将差值计算模块得到的变幅角度差值的绝对值、旋转角度差值的绝对值、开闭钢丝绳差值的绝对值、支持钢丝绳差值的绝对值分别与变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值进行比较，如果差值的绝对值小于对应的阈值，则判定在安全范围内，否则判定不在安全范围内；

信号发送模块：与判断模块连接，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度均在安全范围内，则发出开斗信号，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳、支持钢丝绳的出绳长度中有任意一个或多个不在安全范围内，则发出调整抓斗位置的信号。

所述位置检测装置采用差分GPS定位模块；

所述差分GPS定位模块安装在所述门座式起重机的门架上。

所述门座式起重机作业姿态控制系统进一步包括人机界面，用于显示门座式起重机的姿态和数据以及设定数据；

所述人机界面通过CAN总线与控制器连接，或者直接通过串口与控制器连接；

每个检测装置通过CAN总线与控制器连接。

本发明还提供了一种门座式起重机作业姿态控制方法，所述方法包括：

(1)将门座式起重机的抓斗与漏斗位置对正，采集此时抓斗的变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度，将其分别作为标准变幅角度、标准旋转角度、标准开闭钢丝绳的出绳长度、标准支持钢丝绳的出绳长度存储到存储模块中；

(2)门座式起重机的操作员操作抓斗从船上抓取货物，并控制抓斗移动到漏斗的上方；

(3)采集此时抓斗的变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度；

(4)分别判断变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度是否在安全范围内，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度均在安全范围内，则转入步骤(5)，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度中有任意一个或多个不在安全范围内，则发出调整抓斗位置的信号，操作员接收到调整抓斗位置的信号后对抓斗的位置进行调整，然后返回步骤(3)；

(5)发出开斗信号；

(6)门座式起重机接到开斗信号后，进行开斗卸料，卸料完成后，返回步骤(2)。

所述方法中进一步包括：

在步骤(1)到步骤(6)中，如果门座式起重机和/或漏斗的位置发生改变，则返回步骤(1)。

所述方法进一步包括矿石接卸精准抑尘的步骤，用于对水泵进行控制，其包括：

(S1)所述控制器在发出开斗信号的同时，所述控制器向水泵的控制装置发送开始喷水信号，水泵的控制装置接收到开始喷水信号后开始喷水；

(S2)水泵持续喷水，同时所述控制器采集抓斗的变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度，并分别判断变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度是否在安全范围内，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度中有任意一个或多个不在安全范围内，则判定抓斗离开漏斗，转入步骤(S3)，否则，返回步骤(S2)；

(S3)所述控制器向水泵的控制装置发送停止喷水信号；

(S4)水泵的控制装置接收到停止喷水信号后停止喷水。

所述步骤(4)或步骤(S2)中的分别判断变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度是否在安全范围内的操作包括：

分别设定变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度的阈值得到：变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值；

将变幅角度减去标准变幅角度得到变幅角度差值、将旋转角度减去标准旋转角度得到旋转角度差值、将开闭钢丝绳的出绳长度减去标准开闭钢丝绳的出绳长度得到开闭钢丝绳差值、将支持钢丝绳的出绳长度减去标准支持钢丝绳的出绳长度得到支持钢丝绳差值；

将变幅角度差值的绝对值、旋转角度差值的绝对值、开闭钢丝绳差值的绝对值、支持钢丝绳差值的绝对值分别与变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值进行比较，如果差值的绝对值小于对应的阈值，则判定在安全范围内，否则判定不在安全范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明能够监测和控制门座式起重机的作业姿态，保证了作业安全，也为散货码头的智能化升级提供了基础平台。

附图说明

图1门座式起重机抓取散货的姿态示意图；

图2本发明系统的组成结构图；

图3本发明系统中的钢缆绞盘上的编码装置的结构示意图；

图4本发明系统的人机界面示意图；

图5本发明方法的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

1、门座式起重机姿态的表达

门座式起重机的臂架系统上连接有开闭钢丝绳和支持钢丝绳，并通过钩头连接抓斗，可以根据散货的特性，更换不同的抓斗。

抓斗的工作过程如下：

第一步：抓斗以张开状态下降到货堆上，这时支持钢丝绳、开闭钢丝绳以同样速度下降，抓斗完全张开。

第二步：抓取物料：支持钢丝绳不动，开闭钢丝绳上升，抓斗逐渐闭合，在自重作用下，抓斗插入料堆，抓取物料；

第三步，卸货上升：支持钢丝绳和闭合钢丝绳同步上升，抓斗完全闭合，把抓斗升到预定的高度；

第四步：开斗卸料：支持钢丝绳不动，开闭钢丝绳下降，在下横梁、爪、货物重量的作用下，爪逐渐张开，物料卸出。

经过上述四个步骤，抓斗完成一个工作循环，重新处于准备抓货的状态。总之，支持钢丝绳和开闭钢丝绳以相同速度同时上升或下降时，抓斗就保持一定的开闭程度起升或下降，当支持钢丝绳不动，开闭钢丝绳下降或上升则使抓斗打开或关闭。

以散货码头为例，门座式起重机姿态包括：抓斗的位置、抓斗的状态。

其中，抓斗的位置可以描述为门座式起重机抓斗在以门座式起重机中心转轴与地面交点为原点O的三维坐系内的坐标值(图1中，以门座式起重机的中心转轴所在的直线为Z轴，X轴、Y轴位于水平面内，图1的实施例给出的是右手坐标系。)。要获得这个坐标值，需要通过检测起升、变幅、旋转三个机构运动状态，从而分别获得起升高度、幅度、旋转角度。其中，幅度是指门座式起重机的中心转轴至抓斗中心线之间的距离，单位是“m”，即抓斗与原点在水平方向上的距离，也就是抓斗在水平面上的投影与原点的距离，具体的，起升高度是通过支持钢丝绳的出绳长度获得的，幅度是通过动臂4与水平线之间的夹角换算得到的，该夹角被称为变幅角度；旋转角度是抓斗与原点连线在水平面上投影与码头岸线(在图1中未画出)之间的夹角信息，“码头岸线”是指一条与Y轴平行的直线，抓斗与原点连线在水平面上投影与Y轴的夹角与该夹角相等。

抓斗的状态指抓斗的开闭状态，即抓斗的开度，为了获得抓斗的开度，需要对门座式起重机的支持钢丝绳、开闭钢丝绳这两组钢丝绳的出绳距离进行分别的检测，利用检测得到的两个出绳距离的差值可以换算成为抓斗的开度。抓斗的每个开度都对应唯一的一个出绳距离的差值，只要测量得到支持钢丝绳、开闭钢丝绳的出绳距离，就可以根据两个出绳距离的差值从查询表中查询到抓斗的开度。开度与出绳距离的差值的查询表是在门座式起重机具备运行条件后，进行一次测试，测量抓斗的每个开度对应的出绳距离的差值，形成查询表里的数据，该数据包括开度、该开度对应的支持钢丝绳、开闭钢丝绳两者的出绳距离的差值。

可以看出，通过变幅角度、旋转角度、支持钢丝绳的出绳长度、开闭钢丝绳的出绳长度即可确定门座式起重机的姿态，因此本发明中的姿态信息包括：变幅角度、旋转角度、支持钢丝绳的出绳长度、开闭钢丝绳的出绳长度。

2、门座式起重机的位置

由于同一泊位的门座式起重机都在一条同样的轨道上行走，起重机的位置信息可以用一个一维或者二维的坐标来进行描述。仅需要将轨道的一端选为原点，采用差分GPS或者超宽带无线定位等方案即可确定门座式起重机的位置信息。

3、门座式起重机作业姿态控制系统

本发明门座式起重机作业姿态控制系统的结构如图2所示，包括：人机界面、控制器和多个检测装置，每个检测装置与控制器通过CAN总线进行数据通讯，人机界面通过总线与控制器通讯，或者直接通过串口与控制器连接。

其中，所述检测装置包括：

①位置检测装置：用于获得门座式起重机的位置，具体的，所述位置检测装置采用现有的差分GPS定位模块，在门座式起重机的门架上安装差分GPS定位模块，实现精确位置定位。

②变幅角度检测装置：用于获得抓斗的变幅角度；

③旋转角度检测装置：用于获得抓斗的旋转角度；

所述变幅角度检测装置、旋转角度检测装置均采用角度传感器。具体的，一方面在所述动臂4的底部安装角度传感器，通过角度传感器获得变幅角度，如果需要幅度值，可以进一步将变幅角度换算成抓斗的幅度。每一个变幅角度对应唯一的一个幅度，有对应的查询表，检测到变幅角度后从查询表中即可查询到该变幅角度对应的幅度。变幅角度与幅度值的查询表是在门座式起重机具备运行条件后，进行一次测试，测量动臂4的每个变幅角度，并将每个变幅角度换算成抓斗的幅度，形成查询表里的数据，数据包括变幅角度、该变幅角度对应的抓斗的幅度。另一方面在所述转盘上安装角度传感器，通过该角度传感器获得抓斗的旋转角度。通过变幅角度和旋转角度就可以精确确定抓斗静止时的投影位置。

或者在所述动臂4的底部安装陀螺仪传感器，由于陀螺仪传感器能够同时检测两个轴向上的旋转角度，因此本发明利用陀螺仪传感器同时检测动臂4上的2个轴的角度，即在检测动臂4的变幅角度(在与水平面垂直的平面内)的同时也能够检测到动臂4的旋转角度(在水平面内)。通过变幅角度和旋转角度就可以精确确定抓斗静止时的投影位置。

按目前的门座式起重机的机械结构，从满幅到最小幅度，变幅角度的变动大约是30度，幅度变化从10米到33米(满幅是指当动臂外伸处于最远极限位置时，从起重机旋转中心到抓斗中心线之间的距离，即抓斗投影到原点的最大距离，最小幅度是指当起重臂收回处于最近极限位置时，从起重机旋转中心到抓斗中心线之间的距离，即抓斗投影到原点的最小距离。)，相当于动臂4的变幅角度每变化0.008度，幅度变化1cm，按照目前的角度传感器，可以精确检测到0.02以上的角度的变化，相当于可检测到动臂幅度1.25cm的变化，满足目前的检测需求。

④开闭钢丝绳出绳长度检测装置：用于获得开闭钢丝绳的出绳长度；抓斗包括至少两个爪，在每个爪上连接有开闭钢丝绳，通过同时提起各个爪实现抓斗的开，同时放下各个爪实现抓斗的闭。具体的，在抓斗不进行开闭时，开闭钢丝绳随支持钢丝绳上升和下降，当需要开闭抓斗时，将与抓斗上各个爪连接的开闭钢丝绳同时缩短，则将各个爪提起，实现抓斗的开，将与抓斗上各个爪连接的开闭钢丝绳同时伸长，则将各个爪放下，实现抓斗的闭。

⑤支持钢丝绳出绳长度检测装置：用于获得支持钢丝绳的出绳长度，可以将抓斗的最高点定义为钢缆零点，因为最高点到地面的距离是已知的，因此支持钢丝绳的出绳的长度与抓斗到地面的高度是一一对应的，即将最高点到地面的距离减去出绳长度即可获得抓斗到地面的高度，也可以将其它位置设为钢缆零点，根据钢缆零点与抓斗的最高点之间的距离、出绳长度通过计算可以获得抓斗到地面的高度，即起升高度。

门座式起重机机上的开闭钢丝绳、支持钢丝绳是分别通过钢丝绳滚筒进行收放的，在每个钢丝绳滚筒的两侧设置有钢缆绞盘，钢缆绞盘与钢丝绳滚筒同轴线设置且同步旋转，钢缆绞盘的外侧设置有固定的支架。

所述开闭钢丝绳出绳长度检测装置、支持钢丝绳出绳长度检测装置均采用编码装置，通过编码装置可获取到钢丝绳放下或提起的长度，进而可以根据开闭钢丝绳、起升钢丝的出绳距离的差值获得抓斗的开度，即开合大小。

如图3所示，所述编码装置包括被检测体和检测传感器。具体做法是在一侧的钢缆绞盘304(另一侧的钢缆绞盘处设置有用于带动钢丝绳滚筒旋转的电机。)上设置若干与钢丝绳滚筒角速度一致的被检测体303(实际使用时，对于带有在圆周上均布的螺栓帽的钢缆绞盘，直接将各个螺栓帽作为被检测体303，对于不带有螺栓帽的钢缆绞盘，在一侧的钢缆绞盘上焊接多个在圆周上均布的金属感应块即可)，同时在钢缆绞盘外侧的支架上设置两个检测传感器，分别为A传感器302和B传感器301，当一个传感器对准一个被检测体的中心点时，另外一个传感器对准两个相邻被检测体之间的空隙的中心点，即两个检测传感器之间的间距＝(两个被检测体的中心点之间的间距的一半)的奇数倍，当选择1倍时，即A传感器302对准一个检测体的中心点时，B传感器301对准该检测体和与其相邻的检测体之间的空隙的中心点，B传感器301对准一个检测体的中心点时，A传感器302对准该检测体和与其相邻的检测体之间的空隙的中心点。当钢丝绳滚筒旋转时，各个被检测体依次对准所述检测传感器。具体的，两个检测传感器采用现有的多种非接触式的且能够检测金属物质的电感传感器(例如接近开关等)，每当一个被检测体对准所述检测传感器时，该检测传感器会发出一个脉冲。当钢缆绞盘旋转时，两个检测传感器产生相位偏差90度的两个脉冲波形，可以设定A传感器302的检测波形超前为顺向旋转，B传感器301的波形超前为逆向旋转，不同的旋转方向对应钢丝绳放下或收起。

钢丝绳的出绳长度的计算方法如下：

(3.14*滚筒的筒壁直径/被检测体的数量)*A传感器的脉冲数

实际使用时，如果支持钢丝绳是从钢缆零点开始放下的，则可以直接根据支持钢丝绳的出绳长度获得抓斗的高度，如果支持钢丝绳不是从钢缆零点开始放下的，则根据前后两次支持钢丝绳的出绳长度的变化以及旋转方向获得后一次放下相对于钢缆零点的出绳长度，即可获得抓斗的起升高度。开闭钢丝绳的相对其钢缆零点的出绳长度的计算方法与此相同。

本发明系统中的人机界面包括设置界面和常规界面，在常规界面可以看到图形化的门座式起重机姿态(如投影图和侧视图)和关键数据(如幅度、开度、起升高度等)，这些采用现有的图形化软件即可实现。设定界面可进行一些初始关键数据的设定。例如设定钢缆零点、设定角度零点等等，如图4所示。

在每个门座式起重机的位置安装有摄像头。本发明系统中的控制器采用8～15寸触摸屏作为人机界面，采用4核嵌入式系统作为主控系统，具有较高的处理性能和稳定性，可同时显示各个检测装置检测到的门座式起重机的姿态及摄像头的实时画面。

具体的，所述控制器包括：

采集模块：与各个检测装置连接，获得各个检测装置的数据；

存储模块：与采集模块连接，用于存储各个检测装置的数据、标准变幅角度、标准旋转角度、标准开闭钢丝绳的出绳长度、标准支持钢丝绳的出绳长度；

差值计算模块：分别与采集模块连接、存储模块连接，将变幅角度减去标准变幅角度得到变幅角度差值、将旋转角度减去标准旋转角度得到旋转角度差值、将开闭钢丝绳的出绳长度减去标准开闭钢丝绳的出绳长度得到开闭钢丝绳差值、将支持钢丝绳的出绳长度减去标准支持钢丝绳的出绳长度得到支持钢丝绳差值；

判断模块：与差值计算模块连接，用于设定变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值，并将差值计算模块得到的变幅角度差值的绝对值、旋转角度差值的绝对值、开闭钢丝绳差值的绝对值、支持钢丝绳差值的绝对值分别与变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值进行比较，如果差值的绝对值小于对应的阈值，则判定在安全范围内，否则判定不在安全范围内；

信号发送模块：与判断模块连接，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度均在安全范围内，则发出开斗信号，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳、支持钢丝绳的出绳长度中有任意一个或多个不在安全范围内，则发出调整抓斗位置的信号。

本发明还提供一种门座式起重机作业姿态控制方法，具体如下：

在作业之初，门座式起重机、船、漏斗相对位置固定后，将门座式起重机的抓斗与漏斗位置对正，将此时的姿态信息存储到控制器的存储器中，所述姿态信息包括变幅角度、旋转角度、支持钢丝绳的出绳长度、开闭钢丝绳的出绳长度。将该姿态信息与门座式起重机的控制器的开斗信号相关联(具体是本系统中的控制器输出一个开斗信号，该开斗信号与门座式起重机的控制器关联，如果没有接受到该开斗信号，则门座式起重机会因缺少控制条件而不能开斗。)，确保门座式起重机开斗动作仅能够在漏斗位置的一定误差范围内执行(如果位置不对，人机界面进行提示、语音提示)，从根本上杜绝漏斗以外部位的物料撒漏。如果作业中门座式起重机、漏斗位置发生改变，则重复上述步骤再次更新姿态信息后，继续作业。

如图5所示，该方法的步骤具体包括：

(1)将门座式起重机的抓斗与漏斗位置对正(该对正过程采用现有的方式实现，例如通过起重机司机与地面引导人员配合实现抓斗与漏斗的位置对正)，采集此时抓斗的变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度(这些参数都是相对于各自的零点来说的)，将其分别作为标准变幅角度、标准旋转角度、标准开闭钢丝绳的出绳长度、标准支持钢丝绳的出绳长度存储到存储模块中；

(2)门座式起重机的操作员操作抓斗从船上抓取货物，并控制抓斗移动到漏斗的上方；

(3)采集此时抓斗的变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度；

(4)分别判断变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度是否在安全范围内，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度均在安全范围内，则转入步骤(5)，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度中有任意一个或多个不在安全范围内，则发出调整抓斗位置的信号，操作员接收到调整抓斗位置的信号后对抓斗的位置进行调整，然后返回步骤(3)；

(5)发出开斗信号；

(6)门座式起重机接到开斗信号后，进行开斗卸料，卸料完成后，返回步骤(2)。

所述步骤(4)中的分别判断变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳、支持钢丝绳的出绳长度是否在安全范围内的操作包括：

分别设定变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度的阈值得到：变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值；

将变幅角度减去标准变幅角度得到变幅角度差值、将旋转角度减去标准旋转角度得到旋转角度差值、将开闭钢丝绳的出绳长度减去标准开闭钢丝绳的出绳长度得到开闭钢丝绳差值、将支持钢丝绳的出绳长度减去标准支持钢丝绳的出绳长度得到支持钢丝绳差值；

将变幅角度差值的绝对值、旋转角度差值的绝对值、开闭钢丝绳差值的绝对值、支持钢丝绳差值的绝对值分别与变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值进行比较，如果差值的绝对值小于对应的阈值，则判定该参数(变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度中的一个参数)在安全范围内，否则判定该参数不在安全范围内。

所述方法中进一步包括：

在步骤(1)到步骤(6)中，如果门座式起重机和/或漏斗的位置发生改变，则返回步骤(1)。

本实施例中的门座式起重机作业姿态控制系统的设计指标如表1所示：

表1

进一步，利用本发明能够实现矿石接卸精准抑尘，具体如下：采用“船-漏斗-车”工艺作业，部分货类因为物料自身物理特性、含水量等原因，接卸过程中扬尘较大。目前最有效的抑尘方法是湿式抑尘，即在大漏斗顶部、下部安装水雾喷头，扬尘较大时开启抑尘。在一个作业循环中，抓斗放料并产生扬尘的时长在10秒钟左右，而整个作业过程长达90秒，也就是说抑尘水雾需要开启的时间很短，如果长时间开启会造成抑尘水浪费和漏斗下方积水，影响文明生产水平。采用人员遥控出水方案，会增加人力成本。为此可以采用姿态控制，识别漏斗位置，确定好抑尘水开启、关闭的策略后，实现抑尘水喷淋的精准控制，最大程度提升文明生产水平。

具体步骤如下：

(S1)所述控制器在发出开斗信号的同时，所述控制器向水泵的控制装置发送开始喷水信号，水泵的控制装置接收到开始喷水信号后开始喷水；

(S2)水泵持续喷水，同时所述控制器采集抓斗的变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度，并分别判断变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度是否在安全范围内(与步骤(4)中的判断方法相同)，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳、支持钢丝绳的出绳长度中有任意一个或多个不在安全范围内，则判定抓斗离开漏斗，转入步骤(S3)，否则，返回步骤(S2)；

(S3)所述控制器向水泵的控制装置发送停止喷水信号；

(S4)水泵的控制装置接收到停止喷水信号后停止喷水。

另外，还可以在本发明系统的基础上，搭建泊位级设备姿态控制系统，即门座式起重机单机姿态信息和位置信息相结合，对同一个泊位上的全部设备的位置、姿态数据进行采集，并通过建模将各台设备的姿态表达作为设备作业状态监控，通过泊位级的控制系统进行控制。这样做的意义在于：一是通过泊位级姿态控制可以避免门座式起重机碰撞等安全事故，特别是两台设备在同一舱内作业的情况下可以在源头避免碰撞；二是避免船舶靠离过程中，因为设备摆放不到位造成的船舶设备相撞事故，可以利用该系统依据船舶长度直观对设备位置进行；三是为未来门座式起重机单机、集群的无人化操作搭建基础性姿态控制反馈平台。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种门座式起重机作业姿态控制系统，所述门座式起重机包括：门架、臂架系统、转盘，在所述臂架系统上连接有开闭钢丝绳和支持钢丝绳，开闭钢丝绳和支持钢丝绳与抓斗连接，所述开闭钢丝绳、支持钢丝绳是分别卷绕在各自的钢丝绳滚筒上，在每个钢丝绳滚筒的两侧设置有与其同时旋转的钢缆绞盘，在钢缆绞盘的外侧设置有固定的支架；所述臂架系统包括：象鼻架、拉杆、机架和动臂；其特征在于：所述门座式起重机作业姿态控制系统包括：控制器和与其连接的检测装置；

所述检测装置包括：

位置检测装置，用于获得门座式起重机的位置；

变幅角度检测装置，用于获得抓斗的变幅角度；

旋转角度检测装置：用于获得抓斗的旋转角度；

开闭钢丝绳出绳长度检测装置，用于获得开闭钢丝绳的出绳长度；

支持钢丝绳出绳长度检测装置，用于获得支持钢丝绳的出绳长度；

所述控制器根据检测装置采集到的数据对门座式起重机进行控制。

2.根据权利要求1所述的门座式起重机作业姿态控制系统，其特征在于：所述变幅角度检测装置、旋转角度检测装置均采用角度传感器；在所述动臂的底部安装有角度传感器，通过该角度传感器获得抓斗的变幅角度；在所述转盘上安装有角度传感器，通过该角度传感器获得抓斗的旋转角度；

或者所述变幅角度检测装置、旋转角度检测装置采用同一个陀螺仪传感器；在所述动臂的底部安装所述陀螺仪传感器，通过所述陀螺仪传感器同时检测动臂的变幅角度和旋转角度。

3.根据权利要求1所述的门座式起重机作业姿态控制系统，其特征在于：所述开闭钢丝绳出绳长度检测装置、支持钢丝绳出绳长度检测装置均采用编码装置；

所述编码装置包括被检测体和检测传感器；

在一侧的钢缆绞盘上设置多个在圆周上均布的且与钢丝绳滚筒角速度一致的被检测体；在该侧所述钢缆绞盘外侧的支架上设置有检测传感器，当钢丝绳滚筒旋转时，各个被检测体依次对准所述检测传感器。

4.根据权利要求1所述的门座式起重机作业姿态控制系统，其特征在于：所述控制器包括：

采集模块：与各个检测装置连接，获得各个检测装置的数据；

存储模块：与采集模块连接，用于存储各个检测装置的数据、标准变幅角度、标准旋转角度、标准开闭钢丝绳的出绳长度、标准支持钢丝绳的出绳长度；

差值计算模块：分别与采集模块连接、存储模块连接，将变幅角度减去标准变幅角度得到变幅角度差值、将旋转角度减去标准旋转角度得到旋转角度差值、将开闭钢丝绳的出绳长度减去标准开闭钢丝绳的出绳长度得到开闭钢丝绳差值、将支持钢丝绳的出绳长度减去标准支持钢丝绳的出绳长度得到支持钢丝绳差值；

判断模块：与差值计算模块连接，用于设定变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值，并将差值计算模块得到的变幅角度差值的绝对值、旋转角度差值的绝对值、开闭钢丝绳差值的绝对值、支持钢丝绳差值的绝对值分别与变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值进行比较，如果差值的绝对值小于对应的阈值，则判定在安全范围内，否则判定不在安全范围内；

信号发送模块：与判断模块连接，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度均在安全范围内，则发出开斗信号，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳、支持钢丝绳的出绳长度中有任意一个或多个不在安全范围内，则发出调整抓斗位置的信号。

5.根据权利要求1所述的门座式起重机作业姿态控制系统，其特征在于：所述位置检测装置采用差分GPS定位模块；

所述差分GPS定位模块安装在所述门座式起重机的门架上。

6.根据权利要求1-5任一项所述的门座式起重机作业姿态控制系统，其特征在于：所述门座式起重机作业姿态控制系统进一步包括人机界面，用于显示门座式起重机的姿态和数据以及设定数据；

所述人机界面通过CAN总线与控制器连接，或者直接通过串口与控制器连接；

每个检测装置通过CAN总线与控制器连接。

7.一种门座式起重机作业姿态控制方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)将门座式起重机的抓斗与漏斗位置对正，采集此时抓斗的变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度，将其分别作为标准变幅角度、标准旋转角度、标准开闭钢丝绳的出绳长度、标准支持钢丝绳的出绳长度存储到存储模块中；

(2)门座式起重机的操作员操作抓斗从船上抓取货物，并控制抓斗移动到漏斗的上方；

(3)采集此时抓斗的变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度；

(4)分别判断变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度是否在安全范围内，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度均在安全范围内，则转入步骤(5)，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度中有任意一个或多个不在安全范围内，则发出调整抓斗位置的信号，操作员接收到调整抓斗位置的信号后对抓斗的位置进行调整，然后返回步骤(3)；

(5)发出开斗信号；

(6)门座式起重机接到开斗信号后，进行开斗卸料，卸料完成后，返回步骤(2)。

8.根据权利要求7所述的门座式起重机作业姿态控制方法，其特征在于：所述方法中进一步包括：

在步骤(1)到步骤(6)中，如果门座式起重机和/或漏斗的位置发生改变，则返回步骤(1)。

9.根据权利要求7所述的门座式起重机作业姿态控制方法，其特征在于：所述方法进一步包括：

(S1)所述控制器在发出开斗信号的同时，所述控制器向水泵的控制装置发送开始喷水信号，水泵的控制装置接收到开始喷水信号后开始喷水；

(S2)水泵持续喷水，同时所述控制器采集抓斗的变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度，并分别判断变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度是否在安全范围内，如果变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度中有任意一个或多个不在安全范围内，则判定抓斗离开漏斗，转入步骤(S3)，否则，返回步骤(S2)；

(S3)所述控制器向水泵的控制装置发送停止喷水信号；

(S4)水泵的控制装置接收到停止喷水信号后停止喷水。

10.根据权利要求7或9所述的门座式起重机作业姿态控制方法，其特征在于：所述步骤(4)或步骤(S2)中的分别判断变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度是否在安全范围内的操作包括：

分别设定变幅角度、旋转角度、开闭钢丝绳的出绳长度、支持钢丝绳的出绳长度的阈值得到：变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值；

将变幅角度减去标准变幅角度得到变幅角度差值、将旋转角度减去标准旋转角度得到旋转角度差值、将开闭钢丝绳的出绳长度减去标准开闭钢丝绳的出绳长度得到开闭钢丝绳差值、将支持钢丝绳的出绳长度减去标准支持钢丝绳的出绳长度得到支持钢丝绳差值；

将变幅角度差值的绝对值、旋转角度差值的绝对值、开闭钢丝绳差值的绝对值、支持钢丝绳差值的绝对值分别与变幅角度阈值、旋转角度阈值、开闭钢丝绳阈值、支持钢丝绳阈值进行比较，如果差值的绝对值小于对应的阈值，则判定在安全范围内，否则判定不在安全范围内。

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