CN117490916B - 一种闸门平衡度检测方法、装置及存储介质 - Google Patents

一种闸门平衡度检测方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种闸门平衡度检测方法、装置及存储介质，基于传感器获取影响闸门平衡度的相关监测数据，包括荷重值、倾斜度、速度以及加速度；对获得的荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据分别进行预处理和特征提取；将处理后的数据上传至单片机进行数据整合与数据分析，单片机内内置分别对应荷重值、倾斜度、速度以及加速度的闸门平衡度判断条件，单片机根据闸门平衡度判断条件对实时监测的闸门的荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据进行分析判定，以判断闸门的平衡度。本发明同通过对闸门荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据的实时获取分析，能够及时且准确地判断闸门倾斜度，提高闸门安全性。

Description

一种闸门平衡度检测方法、装置及存储介质
技术领域
本发明属于闸门平衡度检测技术领域，尤其涉及一种闸门平衡度检测方法、装置及存储介质。
背景技术
随着目前水闸领域中越来越多的闸站实现无人值守化控制，闸门远程控制的稳定性与安全性至关重要。当受荷重过载致电机烧坏、钢丝绳年久断裂等危险因素的影响，会导致闸门发生倾斜、甚至断裂的危险情况，严重威胁闸站的安全性，闸门的安全性和损坏、保养维护问题造成了推进无人值守化闸站的困惑，而在发生事故之前，会在闸门姿态上体现出来，及时并自动化地对闸门进行姿态平衡检测，则能够提前预知潜在危险，帮助工作人员及时做出处置措施，以降低危害损失程度甚至杜绝危险的发生。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种闸门平衡度检测方法、装置及存储介质，通过对闸门荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据的实时获取分析，能够及时且准确地判断闸门倾斜度，提高闸门安全性。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种闸门平衡度检测方法，包括：
基于传感器获取影响闸门平衡度的相关监测数据，包括荷重值、倾斜度、速度以及加速度；
对获得的荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据分别进行预处理和特征提取；
将处理后的数据上传至单片机进行数据整合与数据分析，单片机内内置分别对应荷重值、倾斜度、速度以及加速度的闸门平衡度判断条件，单片机根据闸门平衡度判断条件对实时监测的闸门的荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据进行分析判定，以判断闸门的平衡度。
进一步地，所述传感器包括荷重传感器、陀螺仪、转速传感器和加速度传感器；至少一对所述荷重传感器安装在闸门钢丝绳的左右两侧；所述陀螺仪用于判断闸门位置以及闸门是否发生倾斜，并确定倾斜方向，闸门顶部左侧、顶部右侧以及顶部中间位置分别安装所述陀螺仪；至少一对所述加速度传感器安装在闸门的两侧；所述转速传感器对应闸门的电机轴向安装。
进一步地，定义闸门以水平横向为X轴、水平纵向为Y轴、垂直方向为Z轴；荷重值包括对应闸门钢丝绳的左右荷重HGj-1和HGj-2，倾斜度为K，速度通过闸门的电机转速V体现，三轴加速度为Qx、Qy、Qz；对应倾斜度设置浮动区间数值L和闸门倾斜率阈值P，以及对应荷重值设置偏差率数值W；综合左右荷重HGj-1、HGj-2、倾斜度K、电机转速V以及三轴加速度Qx、Qy、Qz对闸门进行平衡度检测，具体如下：
a)当电机转速V＝0时，闸门为停止的状态，若Qz不为0，且Qx、Qy中任意一个加速度不为0时，则判定闸门具有倾斜趋势；
b)当左右荷重值HGj-1、HGj-2偏差率大于W，则判定闸门发生倾斜或闸门钢丝绳异常；
c)当其中一项荷重值为0，而另一项不为0时，则判定钢丝绳发生断裂；同步依据倾斜度K进行判别，K数值越小倾斜度越小；
d)电机转速V≠0时，闸门为在运动中的状态，先以加速度Qz判断闸门运动状态，如下：
当Qz趋势为先增加后减少，则表示闸门为由停止到运动；
当Qz趋势为先减小后增加再减少，则表示闸门浸没在水中至闸门完全升至水面以上；
然后以倾斜度K和左右荷重HGj-1、HGj-2判断闸门是否倾斜，如下：
当倾斜度K超过浮动区间L时，继续判定左右荷重HGj-1、HGj-2，若偏差率大于W，则判定闸门发生倾斜；
e)当电机转速V≠0，且HGj-1、HGj-2＝0时，表示闸门已触底，此时根据倾斜度K判别闸门倾斜，若K≠0且|K|≥P，则判定闸门发生倾斜；
f)当电机转速V＝0，且HGj-1、HGj-2值大于最大荷重值时，若0≤|K|≤0.05，则判定闸门处有重物积压或钢丝绳有断丝问题；
g)当电机转速V＝0，且HGj-1、HGj-2偏差率大于W时，若0≤|K|≤0.05，则判定闸门左右荷重不一或闸门左右处钢丝绳发生断丝；
h)当电机转速V＝0，且HGj-1、HGj-2偏差率大于W时，若K≠0且|K|≥P，则判定闸门因荷重不平衡或钢丝绳大量断丝问题导致倾斜。
在本发明中，浮动区间数值L的取值为5％，闸门倾斜率阈值P的取值为0.15，偏差率数值W的取值为20％。
进一步地，三个位置处的所述陀螺仪从左至右三轴数据分别为{X1，Y1，Z1}、{X2，Y2，Z2}、{X3，Y3，Z3}，计算X轴向三个陀螺仪两两之间的斜率分别为K1xy、K1zy、K1xz，K2xy、K2zy、K2xz，K2xy、K2zy、K2xz；
其中：数字1代表第一处陀螺仪与第二处陀螺仪所成斜率，数字2代表第二处陀螺仪与第三处陀螺仪所成斜率，数字3代表第一处陀螺仪与第三处陀螺仪所成斜率，xy代表X轴与Y轴所成平面斜率，zy代表Z轴与Y轴所成平面斜率，xz代表X轴与Z轴所成平面斜率；
所得三处斜率结果求平均值K：
Kxy，Kzy，Kxz为闸门三轴上的偏移情况，0≤K≤1对应该处闸门倾斜角度范围为0-90°。
装置，该装置包括单片机，单片机连接能够获取影响闸门平衡度的相关监测数据的各传感器，单片机具有处理模块，通过处理模块对传感器获得的各监测值进行数据处理而实现一种基于单片机的电机健康评估方法。
存储介质，其内存储有可执行程序，所述可执行程序被处理器执行可实现一种基于单片机的电机健康评估方法。
有益效果：本发明通过对闸门荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据的实时获取分析，能够及时且准确地判断闸门倾斜度，降低闸门出现运行事故的概率，减少了闸门倾斜、过重导致闸门及电机损坏的概率，以及有效提高了无人值守下闸机远程操控的现场安全性。
附图说明
附图1为本发明的基于单片机的闸门平衡度检测方法步骤示意图；
附图2为闸门三轴方向定义的结构示意图；
附图3为现有电路图的结构示意图；
附图4为对附图3中电路图进行改进以适用本发明使用的电路图的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1所示，一种闸门平衡度检测方法，包括：
基于传感器获取影响闸门平衡度的相关监测数据，包括荷重值、倾斜度、速度以及加速度；对获得的荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据分别进行预处理和特征提取，；将处理后的数据上传至单片机进行数据整合与数据分析，单片机内内置分别对应荷重值、倾斜度、速度以及加速度的闸门平衡度判断条件，单片机根据闸门平衡度判断条件对实时监测的闸门的荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据进行分析判定，以判断闸门的平衡度。
所述传感器包括荷重传感器、陀螺仪、转速传感器和加速度传感器；至少一对所述荷重传感器安装在闸门钢丝绳的左右两侧，而且位置相差不能大于0.5米，安装位置大致为在闸门升顶后介于闸门与上方钢丝卷扬机中间位置；所述陀螺仪用于判断闸门位置以及闸门是否发生倾斜，并确定倾斜方向，闸门顶部左侧、顶部右侧以及顶部中间位置分别安装所述陀螺仪，因此，陀螺仪需要的数量为3个，对比3各陀螺仪的XYZ三轴坐标，可以计算出闸门是否倾斜以及倾斜度；至少一对所述加速度传感器安装在闸门的两侧，可在闸门顶部两侧，也可在闸门中间两侧边上；所述转速传感器对应闸门的电机轴向安装。
荷重传感器的选型：荷重传感器按原理的不同分为：轴销式荷重传感器、压力式荷重传感器、桥式荷重传感器、滑轮式荷重传感器、轴承座式荷重传感器、拉力式荷重传感器等。根据现场闸门及钢丝绳直径以及闸门重量，选取合适的荷重传感器，传感器无特殊要求选用4-20mA模拟量输出。
加速度传感器的选型：加速度传感器按照安装方式分为接触式和非接触式，如无特殊要求应选择接触式安装在闸门两侧。按照原理分为电荷输出型和电压输出型，该发明中尽量选取电荷输出高灵敏度型。
单片机的选型：该发明选用STM32F030C8T6微控制器，能够完全满足该发明中的功能使用。
对于荷重数值处理在T1-T2时间段内，获取钢丝绳的荷重值HGj，采集频率为f，其中j＝1，2…M，获取到M组钢丝绳最大荷重值，并将最大值荷重标记为HGmax，同时将其它值代入到公式HGj％＝(1-HGj/HGmax)*100％，获得实际荷重偏差率，并将n作为其在T1-T2秒时间段内所采集次数，其中n>1，且n为整数，并求出在T1-T2时间段内的平均值作为该当前时段的荷重值HGj-1/2＝(HGj1+HGj2+···HGjM)/n，将数据采集模块获取到的数据上传至数据处理模块中。
对于加速度数据的处理利用最小二乘法进行标定，以压电式三轴加速度计为示例，采用最小二乘模型对其灵敏度系数进行标定。考虑三轴加速度计各敏感轴主灵敏度系数的同时，考虑各轴之间的耦合灵敏度系数，则三轴加速度计输入与输出间的关系为：
式中：Ai(i＝x，y，z)表示i轴的加速度输入，Qi(i＝x，y，z)表示i轴的电荷输出；Sij(j＝x，y，z)表示灵敏度系数，特别地，当i＝j时，Sii表示i轴的主灵敏度系数，当i*j时，Sij表示i轴对j轴的合系数，j轴为输入轴，i轴为输出轴，εi(i＝x，y，z)表示轴线性拟合输出与真实输出之间的误差。
考虑三轴加速度计的组输入与输出，则上述式可表示为：
或可表示为对应的矩阵符号形式：
Q＝SA+ε
满足最小二乘原理的三轴加速度计灵敏度系数矩阵S*是使得误差矩阵ε的2范数最小的灵敏度系数矩阵S，而误差矩阵ε的2范数可通过矩阵的迹表示，即：
||ε||2＝tr[(Q-SA)(Q-SA)T
由于S*可被视为S的关于下式的极值，因此其可通过矩阵微分求驻点进行求解：
解得基于最小二乘的三轴加速度计线性解耦标定模型为：
S*＝QAT(AAT)-1
根据该模型，将数据采集模块获取到的数据上传至数据处理模块中。
如附图2所示，定义闸门以水平横向为X轴、水平纵向为Y轴、垂直方向为Z轴；荷重值包括对应闸门钢丝绳的左右荷重HGj-1和HGj-2，倾斜度为K，速度通过闸门的电机转速V体现，三轴加速度为Qx、Qy、Qz；对应倾斜度设置浮动区间数值L和闸门倾斜率阈值P，以及对应荷重值设置偏差率数值W；综合左右荷重HGj-1、HGj-2、倾斜度K、电机转速V以及三轴加速度Qx、Qy、Qz对闸门进行平衡度检测，具体如下：
a)当电机转速V＝0时，闸门为停止的状态，若Qz不为0，且Qx、Qy中任意一个加速度不为0时，则判定闸门具有倾斜趋势；
b)当左右荷重值HGj-1、HGj-2偏差率大于W，则判定闸门发生倾斜或闸门钢丝绳异常；
c)当其中一项荷重值为0，而另一项不为0时，则判定钢丝绳发生断裂；同步依据倾斜度K进行判别，K数值越小倾斜度越小；
d)电机转速V≠0时，闸门为在运动中的状态，先以加速度Qz判断闸门运动状态，如下：
当Qz趋势为先增加后减少，则表示闸门为由停止到运动；
当Qz趋势为先减小后增加再减少，则表示闸门浸没在水中至闸门完全升至水面以上；
然后以倾斜度K和左右荷重HGj-1、HGj-2判断闸门是否倾斜，如下：
当倾斜度K超过浮动区间L时，继续判定左右荷重HGj-1、HGj-2，若偏差率大于W，则判定闸门发生倾斜；
e)当电机转速V≠0，且HGj-1、HGj-2＝0时，表示闸门已触底，此时根据倾斜度K判别闸门倾斜，若K≠0且|K|≥P，则判定闸门发生倾斜；
f)当电机转速V＝0，且HGj-1、HGj-2值大于最大荷重值时，若0≤|K|≤0.05，则判定闸门处有重物积压或钢丝绳有断丝问题；
g)当电机转速V＝0，且HGj-1、HGj-2偏差率大于W时，若0≤|K|≤0.05，则判定闸门左右荷重不一或闸门左右处钢丝绳发生断丝；
h)当电机转速V＝0，且HGj-1、HGj-2偏差率大于W时，若K≠0且|K|≥P，则判定闸门因荷重不平衡或钢丝绳大量断丝问题导致倾斜。
三个位置处的所述陀螺仪从左至右三轴数据分别为{X1，Y1，Z1}、{X2，Y2，Z2}、{X3，Y3，Z3}，计算X轴向三个陀螺仪两两之间的斜率分别为K1xy、K1zy、K1xz，K2xy、K2zy、K2xz，K2xy、K2zy、K2xz；
其中：数字1代表第一处陀螺仪与第二处陀螺仪所成斜率，数字2代表第二处陀螺仪与第三处陀螺仪所成斜率，数字3代表第一处陀螺仪与第三处陀螺仪所成斜率，xy代表X轴与Y轴所成平面斜率，zy代表Z轴与Y轴所成平面斜率，xz代表X轴与Z轴所成平面斜率；
所得三处斜率结果求平均值K：
Kxy，Kzy，Kxz为闸门三轴上的偏移情况，0≤K≤1对应该处闸门倾斜角度范围为0-90°。
关于数据接收，各传感器及行程开关传输数据至单片机进行处理分析。其中行程开关以数字量直接传输至单片机，其余传感器为模拟量数据传输至单片机中，其中4-20mA模拟量传感器利用加设150Ω电阻转换成对应电压使单片机可接收对应数据，如附图3所示，IS1为一个电流源代表4-20ma信号，通过一个150欧姆电阻将电流值转化为电压值，VF1电压变化范围为0.6～3V，电阻最大消耗功率0.06W，可选取0805封装的精密电阻。
经过分析，上述电路从原理上完全可以实现功能。VF1连接单片机ADC管脚，在ADC采样期间R2上会流过电流，根据基尔霍夫定律，此时流过R1的电流必定会小于IS1的电流，会造成电流采样不准。对以上电路进行优化，设计出如附图4所示的电路：单片机集成了以48MHz频率运行的高性能ARM Cortex-M0 32位RISC内核、高速嵌入式存储器(高达256KB的闪存和高达32KB的SRAM)，以及广泛的增强型外设和I/O。提供标准通信接口(最多两个I2C、最多两个SPI和最多六个USART)、一个12位ADC、七个通用16位定时器和一个高级控制PWM定时器。可在-40至+85℃的温度范围内工作，电源电压为2.4至3.6V。采用四种不同封装的器件，从20引脚到64引脚不等，完全满足该发明中的功能使用。
装置，该装置包括单片机，单片机连接能够获取影响闸门平衡度的相关监测数据的各传感器，单片机具有处理模块，通过处理模块对传感器获得的各监测值进行数据处理而实现一种基于单片机的电机健康评估方法。
存储介质，其内存储有可执行程序，所述可执行程序被处理器执行可实现一种基于单片机的电机健康评估方法。
本发明通过对闸门荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据的实时获取分析，能够及时且准确地判断闸门倾斜度，降低闸门出现运行事故的概率，减少了闸门倾斜、过重导致闸门及电机损坏的概率，以及有效提高了无人值守下闸机远程操控的现场安全性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种闸门平衡度检测方法，其特征在于：包括：
基于传感器获取影响闸门平衡度的相关监测数据，包括荷重值、倾斜度、速度以及加速度；
对获得的荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据分别进行预处理和特征提取；
将处理后的数据上传至单片机进行数据整合与数据分析，单片机内内置分别对应荷重值、倾斜度、速度以及加速度的闸门平衡度判断条件，单片机根据闸门平衡度判断条件对实时监测的闸门的荷重值、倾斜度、速度以及加速度数据进行分析判定，以判断闸门的平衡度；
所述传感器包括荷重传感器、陀螺仪、转速传感器和加速度传感器；至少一对所述荷重传感器安装在闸门钢丝绳的左右两侧；所述陀螺仪用于判断闸门位置以及闸门是否发生倾斜，并确定倾斜方向，闸门顶部左侧、顶部右侧以及顶部中间位置分别安装所述陀螺仪；至少一对所述加速度传感器安装在闸门的两侧；所述转速传感器对应闸门的电机轴向安装；
定义闸门以水平横向为X轴、水平纵向为Y轴、垂直方向为Z轴；荷重值包括对应闸门钢丝绳的左右荷重HGj-1和HGj-2，倾斜度为K，速度通过闸门的电机转速V体现，三轴加速度为Qx、Qy、Qz；对应倾斜度设置浮动区间数值L和闸门倾斜率阈值P，以及对应荷重值设置偏差率数值W；综合左右荷重HGj-1、HGj-2、倾斜度K、电机转速V以及三轴加速度Qx、Qy、Qz对闸门进行平衡度检测，具体如下：
a）当电机转速V=0时，闸门为停止的状态，若Qz不为0，且Qx、Qy中任意一个加速度不为0时，则判定闸门具有倾斜趋势；
b）当左右荷重值HGj-1、HGj-2偏差率大于W，则判定闸门发生倾斜或闸门钢丝绳异常；
c）当其中一项荷重值为0，而另一项不为0时，则判定钢丝绳发生断裂；同步依据倾斜度K进行判别，K数值越小倾斜度越小；
d）电机转速V≠0时，闸门为在运动中的状态，先以加速度Qz判断闸门运动状态，如下：
当Qz趋势为先增加后减少，则表示闸门为由停止到运动；
当Qz趋势为先减小后增加再减少，则表示闸门浸没在水中至闸门完全升至水面以上；
然后以倾斜度K和左右荷重HGj-1、HGj-2判断闸门是否倾斜，如下：
当倾斜度K超过浮动区间L时，继续判定左右荷重HGj-1、HGj-2，若偏差率大于W，则判定闸门发生倾斜；
e）当电机转速V≠0，且HGj-1、HGj-2=0时，表示闸门已触底，此时根据倾斜度K判别闸门倾斜，若K≠0且|K|≥P，则判定闸门发生倾斜；
f）当电机转速V=0，且HGj-1、HGj-2值大于最大荷重值时，若0≤|K|≤0.05，则判定闸门处有重物积压或钢丝绳有断丝问题；
g）当电机转速V=0，且HGj-1、HGj-2偏差率大于W时，若0≤|K|≤0.05，则判定闸门左右荷重不一或闸门左右处钢丝绳发生断丝；
h）当电机转速V=0，且HGj-1、HGj-2偏差率大于W时，若K≠0且|K|≥P，则判定闸门因荷重不平衡或钢丝绳大量断丝问题导致倾斜。
2.根据权利要求1所述的一种闸门平衡度检测方法，其特征在于：三个位置处的所述陀螺仪从左至右三轴数据分别为{X1，Y1，Z1}、{X2，Y2，Z2}、{X3，Y3，Z3}，计算X轴向三个陀螺仪两两之间的斜率分别为K1xy、K1zy、K1xz，K2xy、K2zy、K2xz，K2xy、K2zy、K2xz；
其中：数字1代表第一处陀螺仪与第二处陀螺仪所成斜率，数字2代表第二处陀螺仪与第三处陀螺仪所成斜率，数字3代表第一处陀螺仪与第三处陀螺仪所成斜率，xy代表X轴与Y轴所成平面斜率，zy代表Z轴与Y轴所成平面斜率，xz代表X轴与Z轴所成平面斜率；
所得三处斜率结果求平均值K：Kxy，Kzy，Kxz为闸门三轴上的偏移情况，0≤K≤1对应该处闸门倾斜角度范围为0-90°。
3.一种闸门平衡度装置，该装置包括单片机，单片机连接能够获取影响闸门平衡度的相关监测数据的各传感器，单片机具有处理模块，通过处理模块对传感器获得的各监测值进行数据处理而实现权利要求1~2任一项所述的一种闸门平衡度检测方法。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其内存储有可执行程序，所述可执行程序被处理器执行可实现权利要求1~2任一项所述的一种闸门平衡度检测方法。
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