CN113928991A - 一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法，包括：1)建立坐标系；2)起重臂臂端轨迹测量方法；3)起重臂臂端结构变形测量方法。本发明将捷联惯导模块安装在塔机起重臂臂端，塔机起重臂臂端运行轨迹以及结构变形明显，易于捷联惯导模块收集强的加速度和角度信号。本发明还公开了针对上述监测方法有效性判定以及自动校准，一方面可以及时清除捷联惯导模块的累积误差，另一方面可以使系统持续有效工作，使输出的数据有效利用。其中，捷联惯导模块是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航模块，确保了系统的抗干扰能力，应用于卫星信号弱、有电磁干扰的环境，应用场合广。

Description

一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法及装置

技术领域

本发明公开一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法及装置，属于建筑机械安全智能监测的技术领域。

背景技术

塔式起重机主要作用是往高处运送物料，因其工作空间大、工作效率高、起升高度高等诸多优点在建筑行业得到广泛的运用。由于塔机的金属结构长期受到随机载荷的作用,容易因破坏而引起严重的塔机事故。

现有技术中利用塔机顶端轨迹监测塔机安全的方案较多，而利用例如起重臂等部分轨迹监测塔机性能参数的方法一直并未普及：

捷联惯导模块是一种自主式导航模块，将陀螺仪和加速度计直接固连在运载体上。陀螺仪和加速度计测量运载体的角度和线加速度信息，捷联惯导模块根据这些信息解算出运载体的航向、姿态、速度和位置。

因此，现有技术中常用捷联惯导模块对吊钩的参数进行实时采集：

例如，《基于捷联惯性传感的吊钩姿态估计技术研究》作者杜署明，但是其研究的是吊钩空间姿态角度测量时的捷联惯导系统传感器本身的信号融合问题，主要目的是推导出互补滤波算法。

例如，《基于MEMS技术的吊钩运动姿态传感器研究》作者王立超，研究的是轮式起重机吊钩空间姿态角度的测量问题，在吊钩姿态角度公式的基础上引入了吊钩的弹性变形。

由上可知，现有技术中还未公开：怎样通过研究起重臂臂端的轨迹反映塔机结构和塔机健康状态的技术方案。本发明研究一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法及装置，然后利用该装置的测量数据进行塔机寿命的预测，对减少社会经济损失具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法。

本发明还公开一种实现上述监测方法的装置。

本发明详细的技术方案如下：

一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法，其特征在于，包括：

1)建立坐标系：

1-1)建立1坐标系：

点o1为塔身回转平面与塔身中心垂线的交点，以点o1为所述1坐标系的原点，所述1坐标系的x1轴正方向指向东，y1轴正方向指向北，z1轴正方向垂直于地面向上，1坐标系与大地固连，所述塔身回转平面为塔机下回转平台的上表面，所述塔身中心垂线为过塔身地面固定截面的中心点且垂直于地面的线；

1-2)建立2坐标系：

点o2位于塔机起重臂的臂端，以点o2为2坐标系的原点，2坐标系的x2轴正方向沿着起重臂指向远离塔身方向，y2轴垂直于所述x2轴，y2轴正方向从沿着起重臂远离塔身方向看向右，2坐标系z2轴正方向垂直于x2、y2所在的平面，2坐标系三个轴符合右手螺旋法则，2坐标系与起重臂固连；

1-3)建立2'坐标系：

点o2'位置始终与点o2重合，以点o2'为2'坐标系的原点，2'坐标系三个轴的方向始终与1坐标系一致；

在所述2坐标系中，所述x2轴正方向指向是沿着起重臂指向远离塔身方向，允许x2轴不水平；所述2坐标系的方向实际上是捷联惯导模块中三轴加速传感器的三个轴的方向，因此，所述2坐标系的准确位置由加速度传感器的安装位置决定；所述1坐标系与2'坐标系是严格的东北天坐标系，2坐标系与2'坐标系之间已存在定位技术，即2坐标系感知2'坐标系的姿态角度：如作者薛峰发布的论文《基于MEMS传感器的起重机吊钩运动实时监控系统》中公式(1)(2)(3)确定的2坐标系在2'坐标系中的姿态角；

2)起重臂臂端轨迹测量方法：

将捷联惯导模块安装在所述塔机起重臂的臂端，捷联惯导模块用于实时采集塔机起重臂臂端实时的加速度和角度信号，捷联惯导模块的重心与2坐标系的原点重合；

将捷联惯导模块采集到的加速度数据在扣除重力加速度后，由2坐标系转换到1坐标系，公式(1)如下：

式(1)中：g为重力加速度；g₁为1坐标系上的加速度值；(k)表示第k时刻；

为由2坐标系向2'坐标系进行坐标变换的矩阵；a_2x、a_2y、a_2z分别为2坐标系中x2、y2、z2三个方向上的加速度测量值；

设定v_1xerror、v_1yerror、v_1zerror为1坐标系中x、y、z三个方向的初始时刻速度补偿误差，所述速度补偿误差默认为0，并可以人工调整，初始时刻速度补偿误差由仿真获得，调整初始时刻速度补偿误差使固定误差缩小；

对g₁一次积分得速度序列，公式(2)如下：

式(2)中：(k)表示第k时刻；Δt为时间间隔；v_1(k)为1坐标系下在k时刻的速度向量；

对v_1(k)一次积分得坐标序列，公式(3)如下：

式(3)中，(k)表示第k时刻；Δt为时间间隔；D_1(k)为点o2在1坐标系下的坐标值；d_1x、d_1y、d_1z为点o2在1坐标系上的初始坐标；

所述初始坐标由激光测距模块和回转角度模块的数据以及捷联惯导模块的安装位置计算获得：

d_1z为激光测距模块测量的距离值；

式(4)中：L为点o2与点o1之间的距离；ψ为回转角度模块测得的回转角度值；

3)起重臂臂端结构变形测量方法：

由同一时刻回转角度模块的测量值和起重臂臂端轨迹坐标值，计算起重臂在1坐标系下的结构变形为：

式(5)中：Δx_1(k)、Δy_1(k)、Δz_1(k)为1坐标系下的结构变形数据；ψ为回转角度模块测得的回转角度值；d_1x、d_1y、d_1z为点o2在1坐标系上的初始坐标。

根据本发明优选的，所述监测方法还包括有效性判定方法，其特征在于，包括：

当满足公式(6)、(7)时，则判断所述监测方法失效，

且

式(6)、(7)中：K1为半径检测阈值，优选为0.2；K2为结构变形检测阈值，优选为1.1；ΔE为点o2位置的塔机理论极限结构变形量，此处的塔机理论极限结构变形量是指完好塔机在极限力矩起升重物时，起重臂臂端同一位置变形前后的距离最大值，获取方法为:

获取方法1、计算法，根据设计塔机的相关数据进行计算，例如将起重臂进行粱杆单元的等效然后利用材料力学知识进行计算，再如利用计算机仿真计算，根据设计的相关数据建立塔机有限元模型，仿真塔机在极限力矩起升重物时的工况进行获取；

获取方法2、实验法，将设计塔机进行极限极限力矩起升重物的实验，根据实验测量值确定ΔE；

所述两个阈值是可以修改的，根据塔机工作经验的累积，阈值可作相应调整。

根据本发明优选的，所述监测方法还包括，自动校准方法；当判断所述监测方法失效、且塔机不做回转运动时，对监测方法进行自动校准，其特征在于：重置点o2在1坐标系的初始坐标；重新初始化捷联惯导模块，所述初始化捷联惯导模块是指初始化捷联惯导模块的四元数。

一种实现所述监测方法的装置，其特征在于，包括：

捷联惯导模块、激光测距模块、回转角度模块、数据处理模块、数据输入和数据输出模块；

所述捷联惯导模块用于：实时采集塔机起重臂臂端实时的加速度和角度信号，捷联惯导模块的重心与所述2坐标系的原点重合；

所述激光测距模块安装于塔机起重臂臂端下方，用于测量起重臂臂端测量点与地面上的障碍物的实时距离，要求激光测距仪的激光不被遮挡并且竖直向下；

所述回转角度模块用于：实时测量塔机回转角度；

所述数据处理模块用于：收集捷联惯导模块、激光测距模块、回转角度模块、数据输入和数据输出模块之间的数据，还用于实现步骤2)的起重臂臂端轨迹测量对应的算法、还用于实现步骤3)的起重臂臂端结构变形对应的算法。

根据本发明优选的，所述装置还用于有效性判定方法的实现。

根据本发明优选的，所述装置还用于自动校准方法的实现。

根据本发明优选的，所述装置的数据输入模块用于v_1xerror、v_1yerror、v_1zerror、K1、K2、L、ΔE的输入；所述数据输出模块用于将D_1(k)、结构变形数据、ψ以数字或图形的形式进行显示。

本发明的技术优势在于：

1)本发明利用起重臂轨迹监测数据来判定塔机安全的方法：本发明将捷联惯导模块安装在塔机起重臂臂端，塔机起重臂臂端运行轨迹以及结构变形明显，易于捷联惯导模块收集强的加速度和角度信号。

2)本发明还公开了针对上述监测方法有效性判定以及自动校准，一方面可以及时清除捷联惯导模块的累积误差，另一方面可以使系统持续有效工作，使输出的数据有效利用。其中，捷联惯导模块是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航模块，确保了系统的抗干扰能力，应用于卫星信号弱、有电磁干扰的环境，应用场合广。

3)本发明抗干扰能力强：相对于测量位置的其他技术如：卫星信号定位、无线电定位、超声波定位，惯性导航技术具有抗干扰能力强的优点。惯性导航靠加速度传感器和陀螺仪直接感知物体的运动和姿态，不需要接受信号也不向外辐射信号具有自主性和抗干扰性。

4)本发明输出频率高：相对于卫星信号定位、无线电定位、超声波定位，惯性导航可以同时输出3轴加速度，3轴角速度数据比单一的卫星信号、无线信号、超声波信号输出频率高。

附图说明

附图1是本发明中所述1坐标系和2坐标系；

附图2是本发明为了实现所述监测方法，各个监测模块的安装位置的示意图：1、捷联惯导模块安装位置，2、激光测距模块安装位置，3、回转角度模块安装位置，4、数据处理模块和数据输入、数据输出模块的安装位置；

附图3是实现监测方法的装置对应的模块连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法，其特征在于，包括：

1)建立坐标系：

1-1)建立1坐标系：

点o1为塔身回转平面与塔身中心垂线的交点，以点o1为所述1坐标系的原点，所述1坐标系的x1轴正方向指向东，y1轴正方向指向北，z1轴正方向垂直于地面向上；

1-2)建立2坐标系：

点o2位于塔机起重臂的臂端，以点o2为2坐标系的原点，2坐标系的x2轴正方向沿着起重臂指向远离塔身方向，y2轴垂直于所述x2轴，y2轴正方向从沿着起重臂远离塔身方向看向右，2坐标系z2轴正方向垂直于x2、y2所在的平面，2坐标系三个轴符合右手螺旋法则；

1-3)建立2'坐标系：

点o2'位置始终与点o2重合，以点o2'为2'坐标系的原点，2'坐标系三个轴的方向始终与1坐标系一致；

2)起重臂臂端轨迹测量方法：

将捷联惯导模块安装在所述塔机起重臂的臂端，捷联惯导模块用于实时采集塔机起重臂臂端实时的加速度和角度信号，捷联惯导模块的重心与2坐标系的原点重合；

将捷联惯导模块采集到的加速度数据在扣除重力加速度后，由2坐标系转换到1坐标系，公式(1)如下：

式(1)中：g为重力加速度；g₁为1坐标系上的加速度值；(k)表示第k时刻；

为由2坐标系向2'坐标系进行坐标变换的矩阵；a_2x、a_2y、a_2z分别为2坐标系中x2、y2、z2三个方向上的加速度测量值；

设定v_1xerror、v_1yerror、v_1zerror为1坐标系中x、y、z三个方向的初始时刻速度补偿误差；

对g₁一次积分得速度序列，公式(2)如下：

式(2)中：(k)表示第k时刻；Δt为时间间隔；v_1(k)为1坐标系下在k时刻的速度向量；

对v_1(k)一次积分得坐标序列，公式(3)如下：

式(3)中，(k)表示第k时刻；Δt为时间间隔；D_1(k)为点o2在1坐标系下的坐标值；d_1x、d_1y、d_1z为点o2在1坐标系上的初始坐标；

所述初始坐标由激光测距模块和回转角度模块的数据以及捷联惯导模块的安装位置计算获得：

d_1z为激光测距模块测量的距离值；

式(4)中：L为点o2与点o1之间的距离；ψ为回转角度模块测得的回转角度值；

3)起重臂臂端结构变形测量方法：

由同一时刻回转角度模块的测量值和起重臂臂端轨迹坐标值，计算起重臂在1坐标系下的结构变形为：

式(5)中：Δx_1(k)、Δy_1(k)、Δz_1(k)为1坐标系下的结构变形数据；ψ为回转角度模块测得的回转角度值；d_1x、d_1y、d_1z为点o2在1坐标系上的初始坐标。

实施例2、

如实施例1所述监测方法还包括有效性判定方法，包括：

当满足公式(6)、(7)时，则判断所述监测方法失效，

且

式(6)、(7)中：K1为半径检测阈值0.2；K2为结构变形检测阈值1.1；ΔE为点o2位置的塔机理论极限结构变形量。

实施例3、

如实施例2所述监测方法还包括，自动校准方法；当判断所述监测方法失效、且塔机不做回转运动时，对监测方法进行自动校准：重置点o2在1坐标系的初始坐标；重新初始化捷联惯导模块，所述初始化捷联惯导模块是指初始化捷联惯导模块的四元数。

实施例4、

一种实现如实施例3所述监测方法的装置，包括：

捷联惯导模块、激光测距模块、回转角度模块、数据处理模块、数据输入和数据输出模块；

所述捷联惯导模块用于：实时采集塔机起重臂臂端实时的加速度和角度信号，捷联惯导模块的重心与所述2坐标系的原点重合；

所述激光测距模块安装于塔机起重臂臂端下方，用于测量起重臂臂端测量点与地面上的障碍物的实时距离；

所述回转角度模块用于：实时测量塔机回转角度；

所述数据处理模块用于：收集捷联惯导模块、激光测距模块、回转角度模块、数据输入和数据输出模块之间的数据，还用于实现步骤2)的起重臂臂端轨迹测量对应的算法、还用于实现步骤3)的起重臂臂端结构变形对应的算法。

所述装置还用于有效性判定方法的实现。

所述装置还用于自动校准方法的实现。

所述装置的数据输入模块用于v_1xerror、v_1yerror、v_1zerror、K1、K2、L、ΔE的输入；所述数据输出模块用于将D_1(k)、结构变形数据、ψ以数字或图形的形式进行显示。

实施例5、

本发明中的捷联惯导模块还可以由加速度传感器和陀螺仪替代来分别输出三轴加速度信号和角度信号，加速度传感器易受高频振动噪音干扰，陀螺仪易受低频偏移影响，以陀螺仪的数据为基础，用加速度传感器的数据对陀螺仪进行修正。

利用修正后的陀螺仪数据可以求解四元数。求解四元数的方法包括龙格库塔法、毕卡求解法和等效旋转矢量法。四元数用以推导坐标变换的矩阵

所述坐标变换矩阵将测量物体的加速度信号转移到1坐标系下，获得1坐标系下的加速度信号后，一阶积分求速度，二阶积分求位置。

Claims (7)

1.一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法，其特征在于，包括：

1)建立坐标系：

1-1)建立1坐标系：

点o1为塔身回转平面与塔身中心垂线的交点，以点o1为所述1坐标系的原点，所述1坐标系的x1轴正方向指向东，y1轴正方向指向北，z1轴正方向垂直于地面向上；

1-2)建立2坐标系：

点o2位于塔机起重臂的臂端，以点o2为2坐标系的原点，2坐标系的x2轴正方向沿着起重臂指向远离塔身方向，y2轴垂直于所述x2轴，y2轴正方向从沿着起重臂远离塔身方向看向右，2坐标系z2轴正方向垂直于x2、y2所在的平面，2坐标系三个轴符合右手螺旋法则；

1-3)建立2'坐标系：

点o2'位置始终与点o2重合，以点o2'为2'坐标系的原点，2'坐标系三个轴的方向始终与1坐标系一致；

2)起重臂臂端轨迹测量方法：

将捷联惯导模块安装在所述塔机起重臂的臂端，捷联惯导模块用于实时采集塔机起重臂臂端实时的加速度和角度信号，捷联惯导模块的重心与2坐标系的原点重合；

将捷联惯导模块采集到的加速度数据在扣除重力加速度后，由2坐标系转换到1坐标系，公式(1)如下：

式(1)中：g为重力加速度；g₁为1坐标系上的加速度值；(k)表示第k时刻；

为由2坐标系向2'坐标系进行坐标变换的矩阵；a_2x、a_2y、a_2z分别为2坐标系中x2、y2、z2三个方向上的加速度测量值；

设定v_1xerror、v_1yerror、v_1zerror为1坐标系中x、y、z三个方向的初始时刻速度补偿误差；

对g₁一次积分得速度序列，公式(2)如下：

式(2)中：(k)表示第k时刻；Δt为时间间隔；v_1(k)为1坐标系下在k时刻的速度向量；

对v_1(k)一次积分得坐标序列，公式(3)如下：

式(3)中，(k)表示第k时刻；Δt为时间间隔；D_1(k)为点o2在1坐标系下的坐标值；d_1x、d_1y、d_1z为点o2在1坐标系上的初始坐标；

所述初始坐标由激光测距模块和回转角度模块的数据以及捷联惯导模块的安装位置计算获得：

d_1z为激光测距模块测量的距离值；

式(4)中：L为点o2与点o1之间的距离；ψ为回转角度模块测得的回转角度值；

3)起重臂臂端结构变形测量方法：

由同一时刻回转角度模块的测量值和起重臂臂端轨迹坐标值，计算起重臂在1坐标系下的结构变形为：

式(5)中：Δx_1(k)、Δy_1(k)、Δz_1(k)为1坐标系下的结构变形数据；ψ为回转角度模块测得的回转角度值；d_1x、d_1y、d_1z为点o2在1坐标系上的初始坐标。

2.根据权利要求1所述一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法，其特征在于，所述监测方法还包括有效性判定方法：

当满足公式(6)、(7)时，则判断所述监测方法失效，

且

式(6)、(7)中：K1为半径检测阈值；K2为结构变形检测阈值；ΔE为点o2位置的塔机理论极限结构变形量。

3.根据权利要求1所述一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法，其特征在于，所述监测方法还包括，当判断所述监测方法失效、且塔机不做回转运动时，对监测方法进行自动校准：

重置点o2在1坐标系的初始坐标；重新初始化捷联惯导模块，所述初始化捷联惯导模块是指初始化捷联惯导模块的四元数。

4.一种实现如权利要求1-3任意一项所述监测方法的装置，其特征在于，包括：

捷联惯导模块、激光测距模块、回转角度模块、数据处理模块、数据输入和数据输出模块；

所述捷联惯导模块用于：实时采集塔机起重臂臂端实时的加速度和角度信号，捷联惯导模块的重心与所述2坐标系的原点重合；

所述激光测距模块安装于塔机起重臂臂端下方，用于测量起重臂臂端测量点与地面上的障碍物的实时距离；

所述回转角度模块用于：实时测量塔机回转角度；

所述数据处理模块用于：收集捷联惯导模块、激光测距模块、回转角度模块、数据输入和数据输出模块之间的数据，还用于实现步骤2)的起重臂臂端轨迹测量对应的算法、还用于实现步骤3)的起重臂臂端结构变形对应的算法。

5.如权利要求4所述监测方法的装置，其特征在于，所述装置还用于有效性判定方法的实现。

6.如权利要求4所述监测方法的装置，其特征在于，所述装置还用于自动校准方法的实现。

7.如权利要求4所述监测方法的装置，其特征在于，所述装置的数据输入模块用于v_1xerror、v_1yerror、v_1zerror、K1、K2、L、ΔE的输入；所述数据输出模块用于将D_1(k)、结构变形数据、ψ以数字或图形的形式进行显示。

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