CN113200455B - 一种起重机防摇摆系统性能检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种起重机防摇摆系统性能检测方法及系统，其方法部分包括，采用传感器对起重机的运行状态和起重机吊具的摆动进行监测并获取参数；对获取的运行状态和吊具的摆动的参数进行数据信号处理；将处理后的数据与标准判别等级比对，进行防摇摆系统性能的检测。本发明采用多组传感器利用组网方式对起重机防摇摆系统性能进行检测，与现有传统采用设置标尺并进行肉眼观察或借助快速相机的检测方法相比具有更强的精准性和时效性，同时利用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组成的六轴加速度传感器将三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的优点相结合在频域上特性互补,采用互补滤波提高测量精度和系统的动态性能。

Description

一种起重机防摇摆系统性能检测方法及系统

技术领域

本发明应用于起重机性能检测领域，具体是一种起重机防摇摆系统性能检测方法及系统。

背景技术

起重机的小车和吊重之间一般采用柔性钢绳联结，由于大、小车和吊重存在惯性，小车或大车的运行使吊重产生摇摆，不利于起重机快速对位。为了提高起重机的工作效率和定位精度，起重机起升机构上越来越多的引入防摇摆控制。大小车运行时由于加速或制动导致加减速度改变从而引起，吊重的摆动。吊重的摆角与大车和小车的运行的加减速度和绳长有关：吊重的摆角随着加(减)速度的增大而增大，并且大小车的吊重的复合摆角，可以认为是大小车分别导致的摆角的矢量和；吊重的摆角随着绳长的增加而增加。

为了判定防摇摆系统的性能，就要对吊重的剩余摆幅进行测量，剩余摆幅指的是起重机运行停止后，测量出的摆动距离。现用的测量方法就是通过在吊重摆动路径上设置标尺并进行肉眼观察或借助快速相机。上述方法受到人为因素影响较大，并且受到起重机停车过程的影响，无法准确判定停车过程和吊重摆动时间关系和停车距离；另外一方面只能测量大车方向或者小车方向单一方向的摆幅，无法对复合摆幅进行测量。相对于摆幅的测量，摆角是防摇性能的更直接体现，因此摆角的测量更关键。通过摆角就可计算出摆幅大小和摆角衰减周期。而且摆幅受到停车距离的影响当角度方向与角度增加方向相同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种起重机防摇摆系统性能检测方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明的一种起重机防摇摆系统性能检测方法，包括如下步骤：

采用传感器对起重机的运行状态和起重机吊具的摆动进行监测并获取参数；

对获取的运行状态和吊具的摆动的参数进行数据信号处理；

将处理后的数据与标准判别等级比对，进行防摇摆系统性能的检测。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述采用传感器对起重机的运行状态和起重机吊具的摆动进行监测并获取参数的步骤中所获取的参数至少包括：起重机大车和小车的启停、起重机大车和小车的启停时间、起重机吊具摆动的角度和起重机吊具摆动的角加速度。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述采用传感器对起重机的运行状态和起重机吊具的摆动进行监测并获取参数的方法具体包括：

采用两轴加速度传感器对起重机的运行状态进行监测并获取参数；

采用由三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组合成的六轴加速度传感器对起重机吊具的摆动进行监测并获取参数。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述对获取的运行状态和吊具的摆动的参数进行数据信号处理的方法具体包括：

对加速度传感器和陀螺仪获取的参数进行采集；

对采集到的加速度传感器获取的参数进行处理；

对采集到的陀螺仪获取的参数进行处理；

将处理后的六轴加速度传感器中的加速度传感器和陀螺仪获取的参数融合获得摆角数据并计算出摆幅大小和摆角衰减周期。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述对采集到的加速度传感器获取的参数进行处理的方法具体为：对加速度传感器输出的各个方向的加速度数据利用低通滤波去除高频的噪声，同过重力矢量在三个轴上的投影，计算出各个轴上的倾斜角度。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述对采集到的陀螺仪获取的参数进行处理的方法具体为：对陀螺仪输出的各个方向上的角速度信号进行积分后得到角度数据再通过高通滤波去除低频的噪声。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述将处理后的六轴加速度传感器中的加速度传感器和陀螺仪获取的参数融合获得摆角数据并计算出摆幅大小和摆角衰减周期的方法具体为：对分别通过低通滤波和高通滤波处理的加速度传感器的角度数据和陀螺仪的角度数据进行合并重构得到最终摆角信息，并利用摆角数据计算出摆幅大小和摆角衰减周期。

一种起重机防摇摆系统性能检测系统，包括：

起重机运行状态监测模块，固定安装于起重机小车架上，用于实时测量和记录起重机大车和小车的运行状态、运行速度和启停状态，得到准确的起重机大小车停止时间；

摆幅监测模块，固定安装于起重机吊具上，与起重机运行状态监测模块信号连接，用于在接收到起重机运行状态监测模块的触发信号时测量吊具的摆动的角度和角加速度；

手持终端，与起重机运行状态监测模块和摆幅监测模块组网式信号连接，用于对起重机运行状态监测模块和摆幅监测模块获取的参数进行接收、储存和处理，并可查看起重机运行状态监测模块和摆幅监测模块的联网情况。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述起重机运行状态监测模块包括两轴加速度传感器、主控单元、zigbee终端单元、电源；所述摆幅监测模块包括六轴加速度传感器、主控单元、zigbee终端单元、电源；所述手持终端包括显示单元、zigbee协调器、电源。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述六轴加速度传感器由三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组成，该六轴加速度传感器可测量出三维线加速度信息和三维角加速度信息。

本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：

本发明采用多组传感器利用组网方式对起重机防摇摆系统性能进行检测，与现有传统采用设置标尺并进行肉眼观察或借助快速相机的检测方法相比具有更强的精准性和时效性，同时利用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组成的六轴加速度传感器将三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的优点相结合在频域上特性互补,采用互补滤波提高测量精度和系统的动态性能。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

图1为本发明原理流程示意简图；

图2为本发明系统部分原理示意简图；

图3为本发明实施例加速度传感器计算示意简图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

判定防摇摆系统的性能，就要对吊重的剩余摆幅进行测量，剩余摆幅指的是起重机运行停止后，测量出的摆动距离。现用的测量方法就是通过在吊重摆动路径上设置标尺并进行肉眼观察或这借助快速相机。上述方法受到人为因素影响较大，并且受到起重机停车过程的影响，无法准确判定停车过程和吊重摆动时间关系和停车距离；另外一方面只能测量大车方向或者小车方向单一方向的摆幅，无法对复合摆幅进行测量。相对于摆幅的测量，摆角是防摇性能的更直接体现，因此摆角的测量更关键。通过摆角就可计算出摆幅大小和摆角衰减周期。而且摆幅受到停车距离的影响当角度方向与角度增加方向相同。SinΦ＝δ/L,角度的正弦值就是摆幅与摆长的比值，通过该比值关系值就可判断防摇摆性能的等级。

其中检测比对的重要数据为摆角，通过摆角能够根据现有计算方式计算出摆幅大小和摆角衰减周期等，进一步的，剩余摆幅为起重机在控制系统控制下，由运行状态减速到停止后载荷摇摆的摆幅。最大剩余摆幅为，起重机运行停止后,立即采用卷尺测量绑扎在起重机吊具上的激光笔投影在地面上的激光摆动距离。而最大剩余摆幅分为以下三个级别:I级:最大剩余摆幅不超过载荷悬挂长度的2‰；II级:最大剩余摆幅不超过载荷悬挂长度的5‰；III级:最大剩余摆幅不超过载荷悬挂长度的10‰。上述级别可作为步骤“将处理后的数据与标准判别等级比对，进行防摇摆系统性能的检测。”中的标准判别等级。

如图1-3所示，本发明提供了一种起重机防摇摆系统性能检测方法，包括如下步骤：

采用传感器对起重机的运行状态和起重机吊具的摆动进行监测并获取参数；进一步的，所述采用传感器对起重机的运行状态和起重机吊具的摆动进行监测并获取参数的步骤中所获取的参数至少包括：起重机大车和小车的启停、起重机大车和小车的启停时间、起重机吊具摆动的角度和起重机吊具摆动的角加速度。

对获取的运行状态和吊具的摆动的参数进行数据信号处理；所述采用传感器对起重机的运行状态和起重机吊具的摆动进行监测并获取参数的方法具体包括：采用两轴加速度传感器对起重机的运行状态进行监测并获取参数；采用由三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组合成的六轴加速度传感器对起重机吊具的摆动进行监测并获取参数。所述对获取的运行状态和吊具的摆动的参数进行数据信号处理的方法具体包括：对加速度传感器和陀螺仪获取的参数进行采集；即通过IIC接口与六轴加速度传感器连接采集加速度和角加速度的数据。对采集到的加速度传感器获取的参数进行处理；对采集到的陀螺仪获取的参数进行处理；将处理后的六轴加速度传感器中的加速度传感器和陀螺仪获取的参数融合获得摆角数据并计算出摆幅大小和摆角衰减周期。进一步的，所述对采集到的加速度传感器获取的参数进行处理的方法具体为：对加速度传感器输出的各个方向的加速度数据利用低通滤波去除高频的噪声，同过重力矢量在三个轴上的投影，计算出各个轴上的倾斜角度。加速度传感器的输出数值ax,ay,az为重力加速度g在XYZ三个轴上的投影(分量)；假设传感器的X轴与水平面XY之间的夹角为α，Y轴与水平面XY间的夹角为β，Z轴与重力方向夹角为γ(如图3所示)。则

由于三个轴加速度的矢量和等于重力加速度，即：

则传感器在各个轴上的夹角可表示为：

进一步的，所述对采集到的陀螺仪获取的参数进行处理的方法具体为：对陀螺仪输出的各个方向上的角速度信号进行积分后得到角度数据再通过高通滤波去除低频的噪声。所述将处理后的六轴加速度传感器中的加速度传感器和陀螺仪获取的参数融合获得摆角数据并计算出摆幅大小和摆角衰减周期的方法具体为：对分别通过低通滤波和高通滤波处理的加速度传感器的角度数据和陀螺仪的角度数据进行合并重构得到最终摆角信息，并利用摆角数据计算出摆幅大小和摆角衰减周期。其中互补滤波就是在短时间内采用陀螺仪得到的角度做为最优，定时对加速度采样来的角度进行取平均值来校正陀螺仪的得到的角度。即短时间内用陀螺仪比较准确，以其为主；长时间用加速度计比较准确，这时候加大其比重，进行互补。六轴加速度传感器是三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的组合，能够测量出物体的三维线加速度信息和三维角加速度信息。三轴加速度传感器对于运动敏感，动态响应差，测量静态数据时误差小；陀螺仪动态特性好，但是存在零点数据的漂移，因此测量角度时由于积分周期的增加，有累积误差。在频域上特性互补,可以采用互补滤波提高测量精度和系统的动态性能；三轴加速度传感器通过低通滤波去除高频的噪声，三轴陀螺仪积分后通过高通滤波去除低频的噪声，然后二者合并，重构得到更准确的角度信息。

将处理后的数据与标准判别等级比对，进行防摇摆系统性能的检测。根据标准判别剩余摆幅的等级。衰减周期的判别即判断摆幅衰减到最大摆幅衰减的指定百分比率的范围内的时间和周期。

一种起重机防摇摆系统性能检测系统，包括：

起重机运行状态监测模块，采用磁吸装置固定安装于起重机小车架上，用于实时测量和记录起重机大车和小车的运行状态、运行速度和启停状态，得到准确的起重机大小车停止时间；所述起重机运行状态监测模块包括两轴加速度传感器、主控单元、zigbee终端单元、电源；

摆幅监测模块，采用磁吸装置或绑带固定安装于起重机吊具上，与起重机运行状态监测模块信号连接，用于在接收到起重机运行状态监测模块的触发信号时测量吊具的摆动的角度和角加速度；测量得到吊具的摆动的角度和角加速度，并通过无线网络发送给手持终端。所述摆幅监测模块包括六轴加速度传感器、主控单元、zigbee终端单元、电源；所述六轴加速度传感器由三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组成，该六轴加速度传感器可测量出三维线加速度信息和三维角加速度信息。六轴加速度传感器是三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的组合，能够测量出物体的三维线加速度信息和三维角加速度信息。三轴加速度传感器对于运动敏感，动态响应差，测量静态数据时误差小；陀螺仪动态特性好，但是存在零点数据的漂移，因此测量角度时由于积分周期的增加，有累积误差。在频域上特性互补,可以采用互补滤波提高测量精度和系统的动态性能；三轴加速度传感器通过低通滤波去除高频的噪声，三轴陀螺仪积分后通过高通滤波去除低频的噪声，然后二者合并，重构得到更准确的角度信息。

手持终端，与起重机运行状态监测模块和摆幅监测模块组网式信号连接，用于对起重机运行状态监测模块和摆幅监测模块获取的参数进行接收、储存和处理，并可查看起重机运行状态监测模块和摆幅监测模块的联网情况。通过zigbee协调器建立无线网络；同时控制起重机运动状态测试模块和摆幅检测模块。所述手持终端包括处理单元、显示单元、zigbee协调器、电源。

其中通过zigbee标准网络协议建立三者之间的网状拓扑结构：手持终端配备Zigbee协调器，加速度检测模块和起重机运行状态检测模块配备zigbee终端模块，通过zigbee自组网方式，建立无线网络，实现对加速度检测模块和起重机运行状态检测模块控制及数据通信，并且在zigbee无线网络中加速度检测模块和起重机运行状态检测模块可以互相通讯。

以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种起重机防摇摆系统性能检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）采用传感器对起重机的运行状态和起重机吊具的摆动进行监测并获取参数；具体包括：

采用两轴加速度传感器对起重机的运行状态进行监测并获取参数；

采用由三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组合成的六轴加速度传感器对起重机吊具的摆动进行监测并获取参数；

（2）对获取的运行状态和吊具的摆动的参数进行数据信号处理；具体包括：

对加速度传感器和陀螺仪获取的参数进行采集；

对采集到的加速度传感器获取的参数进行处理；具体为：对加速度传感器输出的各个方向的加速度数据利用低通滤波去除高频的噪声，同过重力矢量在三个轴上的投影，计算出各个轴上的倾斜角度；

对采集到的陀螺仪获取的参数进行处理；

将处理后的六轴加速度传感器中的加速度传感器和陀螺仪获取的参数融合获得摆角数据并计算出摆幅大小和摆角衰减周期；

（3）将处理后的数据与标准判别等级比对，进行防摇摆系统性能的检测。

2.根据权利要求1所述的一种起重机防摇摆系统性能检测方法，其特征在于：所述采用传感器对起重机的运行状态和起重机吊具的摆动进行监测并获取参数的步骤中所获取的参数至少包括：起重机大车和小车的启停、起重机大车和小车的启停时间、起重机吊具摆动的角度和起重机吊具摆动的角加速度。

3.根据权利要求1所述的一种起重机防摇摆系统性能检测方法，其特征在于：所述对采集到的陀螺仪获取的参数进行处理的方法具体为：对陀螺仪输出的各个方向上的角速度信号进行积分后得到角度数据再通过高通滤波去除低频的噪声。

4.根据权利要求1所述的一种起重机防摇摆系统性能检测方法，其特征在于：所述将处理后的六轴加速度传感器中的加速度传感器和陀螺仪获取的参数融合获得摆角数据并计算出摆幅大小和摆角衰减周期的方法具体为：对分别通过低通滤波和高通滤波处理的加速度传感器的角度数据和陀螺仪的角度数据进行合并重构得到最终摆角信息，并利用摆角数据计算出摆幅大小和摆角衰减周期。

5.一种起重机防摇摆系统性能检测系统，其特征在于，包括：

起重机运行状态监测模块，固定安装于起重机小车架上，用于实时测量和记录起重机大车和小车的运行状态、运行速度和启停状态，得到准确的起重机大小车停止时间；

摆幅监测模块，固定安装于起重机吊具上，与起重机运行状态监测模块信号连接，用于在接收到起重机运行状态监测模块的触发信号时测量吊具的摆动的角度和角加速度；

手持终端，与起重机运行状态监测模块和摆幅监测模块组网式信号连接，用于对起重机运行状态监测模块和摆幅监测模块获取的参数进行接收、储存和处理，并可查看起重机运行状态监测模块和摆幅监测模块的联网情况；

所述起重机运行状态监测模块包括两轴加速度传感器、主控单元、zigbee终端单元、电源；所述摆幅监测模块包括六轴加速度传感器、主控单元、zigbee终端单元、电源；所述六轴加速度传感器由三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组成，该六轴加速度传感器可测量出三维线加速度信息和三维角加速度信息；所述手持终端包括显示单元、zigbee协调器、电源。

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