一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及起重機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]起重機(jī)廣泛用于各行各業(yè)的物料搬運(yùn)中，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有十分重要的作用。起重機(jī)械是特種設(shè)備的重要組成部分，占全部8大類特種設(shè)備的比例超過(guò)22%，產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)關(guān)系到人民的生命安全。對(duì)起重機(jī)作業(yè)范圍的有效監(jiān)控，有利于避免作業(yè)起重機(jī)和設(shè)備、廠房建筑、以及作業(yè)起重機(jī)之間的碰撞，提高起重機(jī)的安全生產(chǎn)。
[0003]現(xiàn)有橋門式起重機(jī)按控制方式可分為:可編程控制器方式和主令控制器方式。采用可編程控制器方式控制的起重機(jī)通常采用變頻調(diào)速，由于調(diào)速需要，在大小車行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器用于速度反饋，可編程控制器計(jì)算編碼器的脈沖數(shù)后，可以獲得起重機(jī)在軌道上的位置信息。而采用主令控制器方式控制的起重機(jī)則由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)行，只在起重機(jī)運(yùn)行軌道的兩端安裝限位開(kāi)關(guān)，以避免起重機(jī)和廠房建筑的碰撞，無(wú)法確定起重機(jī)在軌道上的準(zhǔn)確位置。實(shí)際生產(chǎn)中，操作不當(dāng)造成限位開(kāi)關(guān)經(jīng)常損壞，留下安全隱患。同時(shí)，由于橋、門式起重機(jī)跨度大，通常采用分別驅(qū)動(dòng)，由于兩側(cè)驅(qū)動(dòng)不同步引起大車運(yùn)行偏斜，引起主梁附加應(yīng)力，降低了起重機(jī)的承載能力和使用壽命。
[0004]2012年頒布的國(guó)標(biāo)GB/T 28264-2012《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》將橋、門式起重機(jī)運(yùn)行行程和大車運(yùn)行偏斜納入了監(jiān)控參數(shù)，不符合國(guó)標(biāo)的起重機(jī)需要進(jìn)行改造以滿足國(guó)標(biāo)要求。目前，通常的改造措施是根據(jù)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加裝計(jì)程輪和編碼器實(shí)現(xiàn)運(yùn)行行程的監(jiān)測(cè)。其工作原理是計(jì)程輪和大車運(yùn)行軌道或車輪通過(guò)摩擦接觸做純滾動(dòng)，計(jì)程輪帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，輸出旋轉(zhuǎn)方向和脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)；控制器通過(guò)計(jì)算編碼器的旋轉(zhuǎn)方向和脈沖獲得起重機(jī)在軌道上的位置。由于該裝置在室外工作需要考慮裝置的防護(hù)、潤(rùn)滑及后期維護(hù)等因素；又因?yàn)榘惭b位置分別位于起重機(jī)左、右側(cè)大車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，布線距離長(zhǎng)，信號(hào)傳輸易受干擾。
[0005]因此，起重機(jī)技術(shù)領(lǐng)域急需一種能夠偵測(cè)橋、門式起重機(jī)位姿檢測(cè)運(yùn)行位置和偏斜的裝置及方法，具有布線距離短，信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，體積小、重量輕、安裝方便，功耗低、耐用性好、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，保證起重機(jī)的承載能力，延長(zhǎng)起重機(jī)的使用壽命O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置及方法，技術(shù)方案如下:
一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置，包括:MEMS器件和單片機(jī)，并且MEMS器件與單片機(jī)相連接；
MEMS器件，包括MEMS加速度傳感器、MEMS陀螺儀、信號(hào)調(diào)理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，并且信號(hào)調(diào)理模塊與MEMS加速度傳感器、MEMS陀螺儀、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連接；
單片機(jī)，包括濾波器、運(yùn)動(dòng)處理器MPU，濾波器與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、運(yùn)動(dòng)處理器MPU相連接;
MEMS加速度傳感器，為三軸加速度傳感器，用于采集起重機(jī)大車、小車運(yùn)行方向的線性加速度信號(hào)；
MEMS陀螺儀，為三軸陀螺儀，用于采集起重機(jī)運(yùn)行偏斜的角速度信號(hào)；
信號(hào)調(diào)理模塊，用于放大信號(hào)，供模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理；
模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于將MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀輸出的模擬值轉(zhuǎn)換成12位精度數(shù)字值，供單片機(jī)處理；
濾波器，采用卡爾曼濾波，用于對(duì)采集到的加速度和角速度數(shù)值進(jìn)行過(guò)濾、降噪，去除毛刺，進(jìn)行數(shù)值最優(yōu)化處理；
運(yùn)動(dòng)處理器MPU，用于將模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的位移變化量和角速度值。
[0007]優(yōu)選的，在上述一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置中，還包括:姿態(tài)解算器，分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、濾波器相連接，用于對(duì)加速度、角速度數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算，得出四位坐標(biāo)或者歐拉坐標(biāo)。
[0008]優(yōu)選的，在上述一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置中，還包括:數(shù)碼顯示器，與單片機(jī)的運(yùn)動(dòng)處理器MPU相連接。
[0009]優(yōu)選的，在上述一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置中，還包括:報(bào)警裝置，與單片機(jī)的運(yùn)動(dòng)處理器MPU相連接。
[0010]優(yōu)選的，在上述一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置中，單片機(jī)為C8051Fxxx系列單片機(jī)。
[0011]優(yōu)選的，在上述一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置中，運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU的型號(hào)為MPU6050。
[0012]優(yōu)選的，在上述一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置中，單片機(jī)通過(guò)RS485總線和上位計(jì)算機(jī)相連接。
[0013]一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟:
步驟一，將組裝好的橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置安裝在起重機(jī)小車機(jī)房?jī)?nèi)，隨小車一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)大車的運(yùn)動(dòng)和偏斜也將改變小車和本監(jiān)測(cè)裝置的位姿，MEMS加速度傳感器能偵測(cè)小車、大車運(yùn)行方向的加速度，MEMS陀螺儀采集大車運(yùn)行偏斜造成的繞垂直地面軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，并將采集到的加速度信號(hào)和旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)都傳遞給信號(hào)調(diào)理模塊，進(jìn)行放大信號(hào)處理；
步驟二，放大后的加速度和角速度信號(hào)被傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將輸出的模擬值轉(zhuǎn)換成12位精度數(shù)字值，再將數(shù)字值傳遞給單片機(jī)中的濾波器；
步驟三，濾波器接收到加速度和旋轉(zhuǎn)角度數(shù)字值后，對(duì)接收到的數(shù)值進(jìn)行過(guò)濾、降噪，去除毛刺，進(jìn)行數(shù)值最優(yōu)化處理；
步驟四，運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的位移變化量和角速度值，并進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示在數(shù)碼顯示器上。
[0014]優(yōu)選的，在上述一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)方法中，還包括:步驟五，將存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)的大車和小車的位置改變值和大車的角度改變值傳遞給上位計(jì)算機(jī)，當(dāng)大車或小車的運(yùn)行行程超出預(yù)先設(shè)定的范圍時(shí)，單片機(jī)輸出報(bào)警信號(hào)，給工作人員以提醒。
[0015]優(yōu)選的在上述一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)方法中，還包括:步驟六，橋、門式起重機(jī)的內(nèi)部系統(tǒng)或者上位計(jì)算機(jī)向單片機(jī)發(fā)射歸零位信號(hào)，并且單片機(jī)將歸零位信號(hào)傳遞給MEMS陀螺儀，進(jìn)而消除MEMS陀螺儀多次測(cè)得角速度的累積誤差，使其滿足下次計(jì)算工作。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
1、MEMS陀螺儀本身容易產(chǎn)生累積偏差，多次累積后誤差增大，通過(guò)起重機(jī)位置開(kāi)關(guān)向單片機(jī)發(fā)射零位歸位信號(hào)對(duì)其進(jìn)行清零，使測(cè)得的大車偏斜角度值更加精確。
[0017]2、本發(fā)明通過(guò)MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀將采集到的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)抖動(dòng)大，不穩(wěn)定，因此通過(guò)卡爾曼濾波，對(duì)采集到的加速度信號(hào)和旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)進(jìn)行處理，得到一個(gè)加速度和角速度的最優(yōu)估計(jì)值，降低抖動(dòng)，更加穩(wěn)定。
[0018]3、本發(fā)明通過(guò)單片機(jī)對(duì)加速度信號(hào)、角速度信號(hào)進(jìn)行積分，得到位置和角度，由于積分所得是一個(gè)相對(duì)量，需要起重機(jī)位置開(kāi)關(guān)向其發(fā)射一個(gè)零位信號(hào)，才能確定大車、小車的絕對(duì)位置，數(shù)值計(jì)算更加完整，使用性和參考性更強(qiáng)。
[0019]4、本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的計(jì)程輪和脈沖編碼器測(cè)量大、小車的運(yùn)行行程和大車偏斜角度的方式，本發(fā)明具有布線距離短，信號(hào)傳輸不受干擾，體積小、重量輕、位置集中，提高功耗低、耐用性好、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，保證起重機(jī)的承載能力，延長(zhǎng)使用壽命O
[0020]5、本發(fā)明進(jìn)一步地將所有結(jié)構(gòu)部件都安裝在小車機(jī)房?jī)?nèi)，解決了防護(hù)問(wèn)題，無(wú)需潤(rùn)滑，免維護(hù)。
[0021]6、本發(fā)明的單片機(jī)采用C8051Fxxx系列單片機(jī)，是目前世界上最快的8位單片機(jī)，運(yùn)行速度快，指令集于MSC-51兼容，能夠更加快速的得出大車和小車的位置改變值以及大車的角度改變值，反應(yīng)速度更加靈敏。
【附圖說(shuō)明】
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明:
圖1是本發(fā)明一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)框圖。
[0023]圖2是本發(fā)明一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)框圖。
[0024]圖3是本發(fā)明一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)方法的流程圖。
[0025]其中，圖1-3中的附圖標(biāo)記與部件名稱之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:
MEMS器件I，單片機(jī)2，MEMS加速度傳感器3，MEMS陀螺儀4，信號(hào)調(diào)理模塊5，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6，濾波器7，運(yùn)動(dòng)處理器MPU 8，姿態(tài)解算器9，數(shù)碼顯示器10，報(bào)警裝置11。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明的核心為提供一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置及方法，解決了起重機(jī)的承載能力和使用壽命低，位置分散，布線距離長(zhǎng)，信號(hào)傳輸易受干擾的問(wèn)題。
[0027]為了使本發(fā)明技術(shù)實(shí)現(xiàn)的措施、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0028]實(shí)施例1:
圖1是本發(fā)明一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)框圖。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種橋、門式起重機(jī)大小車運(yùn)行位姿監(jiān)測(cè)裝置，包括:MEMS器件I和單片機(jī)2，并且MEMS器件I與單片機(jī)2相連接；MEMS器件I包括MEMS加速度傳感器3、MEMS陀螺儀4、信號(hào)調(diào)理模塊5和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6，并且信號(hào)調(diào)理模塊5與MEMS加速度傳感器3、MEMS陀螺儀4、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6相連接；單片機(jī)2包括濾波器7、運(yùn)動(dòng)處理器MPU 8，濾波器7與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6、運(yùn)動(dòng)處理器MPU 8相連接；MEMS加速度傳感器3為三軸加速度傳感器，用于采集起重機(jī)大車、小車運(yùn)行方向的線性加速度信號(hào)；MEMS陀螺儀4為三軸陀螺儀，用于采集起重機(jī)運(yùn)行偏斜的角速度信號(hào)；信號(hào)調(diào)理模塊5用于放大信號(hào)，供模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6用于將MEMS加速度傳感器3和MEMS陀螺儀4輸出的模擬值轉(zhuǎn)換成12位精度數(shù)字值，供單片機(jī)2處理；濾波器7采用卡爾曼濾波，用于對(duì)采集到的加速度和角速度數(shù)值進(jìn)行過(guò)濾、降噪，去除毛刺，進(jìn)行數(shù)值最優(yōu)化處理；運(yùn)動(dòng)處理