CN204625005U - 基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及起重机技术领域，提供了基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，包括：MEMS器件和单片机，MEMS器件与单片机相连接；MEMS器件包括MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪、信号调理模块和模数转换器，信号调理模块与MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪、模数转换器相连接；单片机包括滤波器、运动处理器MPU，滤波器与模数转换器、运动处理器MPU相连接；MEMS加速度传感器为三轴加速度传感器，用于采集大车、小车的线性加速度信号；MEMS陀螺仪为三轴陀螺仪，用于采集运行偏斜的角速度信号。本实用新型具有布线距离短，信号传输不受干扰，体积小、重量轻、位置集中，功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定的特点，保证起重机的承载能力，延长使用寿命。

Description

基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置

技术领域

 本实用新型涉及起重机技术领域，特别涉及基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置。

背景技术

起重机广泛用于各行各业的物料搬运中，在国民经济建设中有十分重要的作用。起重机械是特种设备的重要组成部分，占全部8大类特种设备的比例超过22%，产品质量和安全生产关系到人民的生命安全。对起重机作业范围的有效监控，有利于避免作业起重机和设备、厂房建筑、以及作业起重机之间的碰撞，提高起重机的安全生产。

现有桥门式起重机按控制方式可分为：可编程控制器方式和主令控制器方式。采用可编程控制器方式控制的起重机通常采用变频调速，由于调速需要，在大小车行走机构驱动电机轴上安装有旋转编码器用于速度反馈，可编程控制器计算编码器的脉冲数后，可以获得起重机在轨道上的位置信息。而采用主令控制器方式控制的起重机则由电机直接驱动车轮运行，只在起重机运行轨道的两端安装限位开关，以避免起重机和厂房建筑的碰撞，无法确定起重机在轨道上的准确位置。实际生产中，操作不当造成限位开关经常损坏，留下安全隐患。同时，由于桥、门式起重机跨度大，通常采用分别驱动，由于两侧驱动不同步引起大车运行偏斜，引起主梁附加应力，降低了起重机的承载能力和使用寿命。

2012年颁布的国标GB/T 28264-2012《起重机械安全监控管理系统》将桥、门式起重机运行行程和大车运行偏斜纳入了监控参数，不符合国标的起重机需要进行改造以满足国标要求。目前，通常的改造措施是根据起重机的结构特点，加装计程轮和编码器实现运行行程的监测。其工作原理是计程轮和大车运行轨道或车轮通过摩擦接触做纯滚动，计程轮带动编码器旋转，输出旋转方向和脉冲计数信号；控制器通过计算编码器的旋转方向和脉冲获得起重机在轨道上的位置。由于该装置在室外工作需要考虑装置的防护、润滑及后期维护等因素；又因为安装位置分别位于起重机左、右侧大车驱动机构和小车驱动机构，布线距离长，信号传输易受干扰。

因此，起重机技术领域急需一种基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，具有布线距离短，信号传输抗干扰能力强，体积小、重量轻、安装方便，功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定的特点，保证起重机的承载能力，延长起重机的使用寿命。

发明内容

本实用新型提供了基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，技术方案如下：

基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，包括：MEMS器件和单片机，并且MEMS器件与单片机相连接；

MEMS器件，包括MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪、信号调理模块和模数转换器，并且信号调理模块与MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪、模数转换器相连接；

单片机，包括滤波器、运动处理器MPU，滤波器与模数转换器、运动处理器MPU相连接；

MEMS加速度传感器，为三轴加速度传感器，用于采集起重机大车、小车运行方向的线性加速度信号；

MEMS陀螺仪，为三轴陀螺仪，用于采集起重机运行偏斜的角速度信号；

信号调理模块，用于放大信号，供模数转换器处理；

模数转换器，用于将MEMS加速度传感器和MEMS陀螺仪输出的模拟值转换成数字值，供单片机处理；

滤波器，用于对采集到的加速度和角速度数值进行过滤、降噪，去除毛刺，进行数值最优化处理；

    运动处理器MPU，用于将模数转换器采集到的数据转化成相应的位移变化量和角速度值。

优选的，在上述基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置中，还包括：姿态解算器，分别与模数转换器、滤波器相连接，用于对加速度、角速度数值进行运算，得出四位坐标或者欧拉坐标。

优选的，在上述基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置中，还包括：数码显示器，与单片机的运动处理器MPU相连接。

优选的，在上述基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置中，还包括：报警装置，与单片机的运动处理器MPU相连接。

优选的，在上述基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置中，单片机为C8051Fxxx系列单片机。

优选的，在上述基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置中，运动处理传感器MPU的型号为MPU6050。

优选的，在上述基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置中，单片机通过RS485总线和上位计算机相连接。

优选的，在上述基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置中，滤波器为卡尔曼滤波器。

本实用新型的有益效果是：

1、MEMS陀螺仪本身容易产生累积偏差，多次累积后误差增大，通过起重机位置开关向单片机发射零位归位信号对其进行清零，使测得的大车偏斜角度值更加精确。

2、本实用新型通过MEMS加速度传感器和MEMS陀螺仪采集到的加速度信号和角速度信号抖动大，不稳定，因此通过卡尔曼滤波器，对采集到的加速度信号和旋转角度信号进行处理，得到一个加速度和角速度的最优估计值，降低抖动，更加稳定。

3、本实用新型通过单片机对加速度信号、角速度信号进行积分，得到位置和角度，由于积分所得是一个相对量，需要起重机位置开关向其发射一个零位信号，才能确定大车、小车的绝对位置，数值计算更加完整，使用性和参考性更强。

4、本实用新型相比于现有技术的计程轮和脉冲编码器测量大、小车的运行行程和大车偏斜角度的方式，本实用新型具有布线距离短，信号传输不受干扰，体积小、重量轻、位置集中，提高功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定的特点，保证起重机的承载能力，延长使用寿命。

5、本实用新型进一步地将所有结构部件都安装在小车机房内，解决了防护问题，无需润滑，免维护。

6、本实用新型的单片机采用C8051Fxxx系列单片机，是目前世界上最快的8位单片机，运行速度快，指令集于MSC-51兼容，能够更加快速的得出大车和小车的位置改变值以及大车的角度改变值，反应速度更加灵敏。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本实用新型：

图1是本实用新型基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置实施例1的结构框图。

图2是本实用新型基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置实施例2的结构框图。

图3是本实用新型的信号调理模块的电路图。

其中，图1-3的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

MEMS器件1，单片机2，MEMS加速度传感器3，MEMS陀螺仪4，信号调理模块5，模数转换器6，滤波器7，运动处理器MPU 8，姿态解算器9，数码显示器10，报警装置11。

具体实施方式

本实用新型的核心为提供基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，解决了起重机的承载能力和使用寿命低，位置分散，布线距离长，信号传输易受干扰的问题。

为了使本实用新型技术实现的措施、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

实施例1：

图1是本实用新型基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置实施例1的结构框图，图3是本实用新型的信号调理模块的电路图。

如图1、3所示，本实用新型提供了基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，包括：MEMS器件1和单片机2，并且MEMS器件1与单片机2相连接；MEMS器件1包括MEMS加速度传感器3、MEMS陀螺仪4、信号调理模块5和模数转换器6，并且信号调理模块5与MEMS加速度传感器3、MEMS陀螺仪4、模数转换器6相连接；单片机2包括滤波器7、运动处理器MPU 8，滤波器7与模数转换器6、运动处理器MPU 8相连接；MEMS加速度传感器3为三轴加速度传感器，用于采集起重机大车、小车运行方向的线性加速度信号；MEMS陀螺仪4为三轴陀螺仪，用于采集起重机运行偏斜的角速度信号；信号调理模块5用于放大信号，供模数转换器6处理；模数转换器6用于将MEMS加速度传感器3和MEMS陀螺仪4输出的模拟值转换成数字值，供单片机2处理；滤波器7，用于对采集到的加速度和角速度数值进行过滤、降噪，去除毛刺，进行数值最优化处理；运动处理器MPU 8用于将模数转换器采集到的数据转化成相应的位移变化量和角速度值。

实施例2：

图2是本实用新型基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置实施例2的结构框图。

如图2所示，本实用新型提供了基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，在实施例1的基础上，还包括：姿态解算器9，分别与模数转换器6、滤波器7相连接，用于对加速度、角速度数值进行运算，得出四位坐标或者欧拉坐标；数码显示器10与单片机2的运动处理器MPU 8相连接；报警装置11，与单片机的运动处理器MPU 8相连接。

本实施例中，单片机2为C8051Fxxx系列单片机，运动处理传感器MPU 8的型号为MPU6050，单片机2通过RS485总线和上位计算机相连接。

本实施例中，滤波器为卡尔曼滤波器。

基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置的位姿监测方法，包括如下步骤：

步骤一，将组装好的桥、门式起重机大小车运行位姿监测装置安装在起重机小车机房内，随小车一起运动，同时大车的运动和偏斜也将改变小车和本监测装置的位姿，MEMS加速度传感器能侦测小车、大车运行方向的加速度，MEMS陀螺仪采集大车运行偏斜造成的绕垂直地面轴转动的角速度，并将采集到的加速度信号和旋转角度信号都传递给信号调理模块，进行放大信号处理；

步骤二，放大后的加速度和角速度信号被传递给模数转换器，将输出的模拟值转换成数字值，再将数字值传递给单片机中的滤波器；

步骤三，滤波器接收到加速度和旋转角度数字值后，对接收到的数值进行过滤、降噪，去除毛刺，进行数值最优化处理；

步骤四，运动处理传感器MPU将接收到的数据转化成相应的位移变化量和角速度值，并进行存储和显示在数码显示器上。

步骤五，将存储在单片机内的大车和小车的位置改变值和大车的角度改变值传递给上位计算机，当大车或小车的运行行程超出预先设定的范围时，单片机输出报警信号，给工作人员以提醒。

步骤六，桥、门式起重机的内部系统或者上位计算机向单片机发射归零位信号，并且单片机将归零位信号传递给MEMS陀螺仪，进而消除MEMS陀螺仪多次测得角速度的累积误差，使其满足下次计算工作。

本实用新型采用X轴代表大车运行方向，Y轴代表小车运行方向，绕Z轴转动方向代表大车运行偏斜角度；起重机大车运行速度为10~30m/min，起制动时间为2秒，加速度为0.15~0.5m/s²，即0.015~0.05g，g是重力加速度时，通过单片机计算得到的大车运行偏斜为1/1000，折算成角度为0.057°。

根据以上参数，实施例2采用了6轴运动处理传感器MPU 6050，MPU 6050可准确跟踪快速和慢速动作，加速度感测范围±2g、±4g、±8g和±16g可编程设定，角速度感测范围±250、±500、±1000和±2000°/s，可编程设定，角度感测范围±180°，加速度稳定性0.01g，角速度稳定性0.05°/s，姿态测量稳定度0.01°，可满足桥、门式起重机运行行程和大车运行偏斜的要求。

MEMS陀螺仪本身容易产生累积偏差，多次累积后误差增大，通过起重机向单片机发射零位归位信号对其进行清零，使测得的大车偏斜角度值更加精确。

本实用新型通过MEMS加速度传感器和MEMS陀螺仪将采集到的加速度信号和角速度信号抖动大，不稳定，因此通过滤波，对采集到的加速度信号和旋转角度信号进行处理，得到一个加速度和角速度的最优估计值，降低抖动，更加稳定。

本实用新型通过单片机对加速度信号、角速度信号进行积分，得到位置和角度，由于积分所得是一个相对量，需要起重机向其发射一个零位信号，才能确定大车、小车的绝对位置，数值计算更加完整，使用性和参考性更强。

本实用新型相比于现有技术的计程轮和脉冲编码器测量大、小车的运行行程和大车偏斜角度的方式，本实用新型具有布线距离短，信号传输不受干扰，体积小、重量轻、位置集中，提高功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定的特点，保证起重机的承载能力，延长使用寿命。

本实用新型进一步地将所有结构部件都安装在小车机房内，解决了防护问题，无需润滑，免维护。

本实用新型的单片机采用C8051Fxxx系列单片机，是目前世界上最快的8位单片机，运行速度快，指令集于MSC-51兼容，能够更加快速的得出大车和小车的位置改变值以及大车的角度改变值，反应速度更加灵敏。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，其特征在于，包括：MEMS器件和单片机，并且所述MEMS器件与单片机相连接；

所述MEMS器件，包括MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪、信号调理模块和模数转换器，并且所述信号调理模块与MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪、模数转换器相连接；

所述单片机，包括滤波器、运动处理器MPU，所述滤波器与模数转换器、运动处理器MPU相连接；

所述MEMS加速度传感器，为三轴加速度传感器，用于采集起重机大车、小车运行方向的线性加速度信号；

所述MEMS陀螺仪，为三轴陀螺仪，用于采集起重机运行偏斜的角速度信号；

所述信号调理模块，用于放大信号，供所述模数转换器处理；

所述模数转换器，用于将所述MEMS加速度传感器和MEMS陀螺仪输出的模拟值转换成数字值，供所述单片机处理；

所述滤波器，用于对采集到的加速度和角速度数值进行过滤、降噪，去除毛刺，进行数值最优化处理；

所述运动处理器MPU，用于将模数转换器采集到的数据转化成相应的位移变化量和角速度值。

2.根据权利要求1所述的基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，其特征在于，还包括：姿态解算器，分别与所述模数转换器、滤波器相连接，用于对加速度、角速度数值进行运算，得出四位坐标或者欧拉坐标。

3.根据权利要求1所述的基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，其特征在于，还包括：数码显示器，与所述单片机的运动处理器MPU相连接。

4.根据权利要求1所述的基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，其特征在于，还包括：报警装置，与所述单片机的运动处理器MPU相连接。

5.根据权利要求1所述的基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，其特征在于，所述单片机为C8051Fxxx系列单片机。

6.根据权利要求1所述的基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，其特征在于，所述运动处理传感器MPU的型号为MPU6050。

7.根据权利要求1所述的基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，其特征在于，所述单片机通过RS485总线和上位计算机相连接。

8. 根据权利要求1所述的基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置，其特征在于，所述滤波器为卡尔曼滤波器。