專利名稱：吊鉤姿態(tài)檢測裝置和起重機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種起重機(jī)控制技術(shù)，特別涉及一種吊鉤姿態(tài)檢測裝置，還涉及到包
括上述吊鉤姿態(tài)檢測裝置的起重機(jī)。
背景技術(shù)：
起重機(jī)作為一種起吊搬運(yùn)設(shè)備，大量應(yīng)用于建筑業(yè)、制造業(yè)以及港口運(yùn)輸業(yè)。起重 機(jī)具有多種類型，每種類型的起重機(jī)具有不同結(jié)構(gòu)。對于汽車起重機(jī)而言，其包括底盤、回 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、起重臂，吊鉤、巻揚(yáng)機(jī)構(gòu)。起重臂下部通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與底盤相連，吊鉤通過鋼絲繩懸 掛于起重臂上部，鋼絲繩繞過滑輪組與巻揚(yáng)機(jī)構(gòu)相連；巻揚(yáng)機(jī)構(gòu)通過鋼絲繩驅(qū)動吊鉤進(jìn)行 上升、停止和下降等動作；同時，起重臂能夠在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下繞一個豎軸旋轉(zhuǎn)，使吊鉤 在水平面內(nèi)移動。 在進(jìn)行起吊作業(yè)時，起重機(jī)需要經(jīng)過多個步驟，一般包括落鉤、起吊、橫移、落鉤等 步驟。在落鉤過程中，巻揚(yáng)機(jī)構(gòu)的巻揚(yáng)筒在一個方向上旋轉(zhuǎn)，吊鉤在重力作用下，帶動鋼絲 繩向下移動，一直到達(dá)被起吊貨物上方的適當(dāng)位置，然后，將吊鉤與被起吊貨物固定；在起 吊過程中，巻揚(yáng)機(jī)構(gòu)的巻揚(yáng)筒在另一個方向旋轉(zhuǎn)，通過鋼絲繩拉動吊鉤和貨物一起向上移 動，使貨物離開地面；在貨物離開地面后，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行，進(jìn)入橫移的過程，起重臂橫向旋 轉(zhuǎn)，吊鉤連同貨物橫向移動，使貨物到過預(yù)定位置的上方；落鉤，在貨物到達(dá)預(yù)定位置上方 后，巻揚(yáng)筒再進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，貨物和吊鉤向下移動，使貨物到達(dá)預(yù)定位置，實現(xiàn)對貨物的搬 運(yùn)。在起吊過程中，吊鉤不僅要進(jìn)行垂向的移動，還要進(jìn)行橫向的移動；由于慣性或外力作 用，通過鋼絲繩懸掛在起重臂上部的吊鉤及貨物會形成相應(yīng)的擺動，特別是在吊鉤攜帶貨 物開始橫向移動，或者在貨物到過預(yù)定位置停止橫向移動時，吊鉤及貨物的擺動幅度也會 增加。 吊鉤的擺動會影響起重機(jī)的起吊作業(yè)的效率。在落鉤時，為了使吊鉤與貨物相固 定，并避免吊鉤與貨物碰撞，需要等待適當(dāng)?shù)臅r間，以使吊鉤停止擺動；在吊運(yùn)貨物橫向移 動時，為了避免貨物擺動而造成碰撞，也需要吊鉤和貨物以較小的速度移動；在吊運(yùn)的貨物 到達(dá)預(yù)定的位置后，為了將被吊運(yùn)貨物準(zhǔn)確地放置在預(yù)定的位置，還需要等待貨物停止擺 動后再落鉤?，F(xiàn)有起重機(jī)領(lǐng)域中，普遍存在由于吊鉤擺動而延長起吊作業(yè)的時間，進(jìn)而較低 起重機(jī)起吊效率的問題。 上述問題不僅存在于汽車起重機(jī)的起吊作業(yè)過程中，在龍門起重機(jī)或其他起重機(jī) 的起吊過程中，也存在相同的問題。 對于上述問題，當(dāng)前主要通過反擺動的穩(wěn)鉤措施減小吊鉤的擺動幅度，使吊鉤更 快的停止擺動，以減少吊鉤擺動對起吊作業(yè)效率的不利影響。反擺動的穩(wěn)鉤措施一般是根 據(jù)吊鉤擺動的幅度、頻率和方向，利用控制裝置，使吊鉤以適當(dāng)頻率、幅度并與擺動相反的 方向移動，以使吊鉤在較短的時間內(nèi)靜止。當(dāng)前，反擺動的穩(wěn)鉤措施主要依賴于具有較多經(jīng) 驗的操作人員對吊鉤進(jìn)行適當(dāng)控制實現(xiàn)。 為了減小對操作人員操作經(jīng)驗的依賴性，歐洲專利文獻(xiàn)EP1757554公開了一種起重機(jī)反擺動的控制技術(shù)。該專利文獻(xiàn)公開的技術(shù)方案通過預(yù)先設(shè)定模式的方式，預(yù)先確定 吊鉤及貨物的姿態(tài)參數(shù)，并根據(jù)預(yù)先確定的姿態(tài)參數(shù)，控制系統(tǒng)采取適當(dāng)反擺動措施減小 擺動對起吊作業(yè)造成的不利影響。該技術(shù)方案的一個核心在于，預(yù)先確定起吊過程中，吊鉤 運(yùn)動狀態(tài)，即吊鉤的姿態(tài)參數(shù)，并根據(jù)預(yù)定確定的吊鉤姿態(tài)參數(shù)確定控制策略，使吊鉤以預(yù) 定的方式運(yùn)動，以減小吊鉤擺動幅度，使吊鉤較快地停止擺動，降低吊鉤擺動對起吊作業(yè)效 率的不利影響。但由于起吊作業(yè)實際情況的復(fù)雜性，預(yù)先確定的吊鉤姿態(tài)參數(shù)很難與吊鉤 的實際姿態(tài)參數(shù)相一致，因此，該技術(shù)方案僅能夠滿足起吊作業(yè)環(huán)境較穩(wěn)定的場合，在未預(yù) 先確定吊鉤姿態(tài)參數(shù)的作業(yè)環(huán)境中進(jìn)行起吊作業(yè)時，上述技術(shù)方案并不能夠?qū)崿F(xiàn)提高起重 機(jī)起吊作業(yè)效率的目的。 在起吊作業(yè)過程中，如何確定吊鉤實際的姿態(tài)參數(shù)，為控制吊鉤動作提供前提，以 提高起重機(jī)起吊作業(yè)的效率是起重機(jī)領(lǐng)域的一個技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)難題，本發(fā)明的第一個目的在于，提供一種吊鉤姿態(tài)檢測裝置，以確 定吊鉤實際的姿態(tài)參數(shù)，為控制吊鉤動作提供前提。 本發(fā)明的第二個目的在于，提供一種具有上述吊鉤姿態(tài)檢測裝置的起重機(jī)，以根
據(jù)吊鉤的實際姿態(tài)參數(shù)了解吊鉤運(yùn)動狀態(tài)，并實施穩(wěn)鉤措施，提高起重機(jī)起吊作業(yè)的效率。
為了實現(xiàn)上述第一個目的，本發(fā)明提供的吊鉤姿態(tài)檢測裝置包括 角度測量儀，用于實時獲得第二坐標(biāo)系坐標(biāo)軸與第一坐標(biāo)系中相對應(yīng)坐標(biāo)軸之間
的夾角； 加速度測量計，用于實時獲得吊鉤在預(yù)定方向的加速度，所述預(yù)定方向與第二坐 標(biāo)系的坐標(biāo)軸之間具有預(yù)定的角度； 處理器，用于建立所述第一坐標(biāo)系和第二坐標(biāo)系，所述第一坐標(biāo)系與預(yù)定位置相 對固定，所述第二坐標(biāo)系與吊鉤相對固定，所述第一坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸與第二坐標(biāo)系中的 坐標(biāo)軸相對應(yīng)；還根據(jù)角度測量儀獲得的夾角和加速度測量計獲得的加速度獲得吊鉤在第 一坐標(biāo)系中的姿態(tài)參數(shù)； 輸出裝置，用于將所述姿態(tài)參數(shù)輸出。 優(yōu)選的，所述第一坐標(biāo)系為具有X1軸、Y1軸和Zl軸的直角坐標(biāo)系，所述第二坐標(biāo) 系為具有X2軸、Y2軸和Z2軸的直角坐標(biāo)系，所述XI軸、Yl軸和Zl軸分別與X2軸、Y2軸 和Z2軸相對應(yīng)。 優(yōu)選的，所述角度測量儀為三軸角度測量儀，該三軸角度測量儀的三個測量軸軸 線與第二坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸之間分別具有預(yù)定角度。 優(yōu)選的，所述三軸角度測量儀的三個測量軸軸線與第二坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸之間 的預(yù)定角度均為0度。 優(yōu)選的，所述加速度測量計為三軸加速度測量計，該三軸加速度測量計的三個測 量軸軸線與第二坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸之間分別具有預(yù)定角度。 優(yōu)選的，所述加速度測量計的三個測量軸軸線與第二坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸之間的 預(yù)定角度均為0度。 優(yōu)選的，所述輸出裝置包括顯示器，所述顯示器以示意圖的形式顯示所述姿態(tài)參數(shù)。 優(yōu)選的，所述姿態(tài)參數(shù)包括吊鉤在第一坐標(biāo)系中的瞬時速度、運(yùn)動方向及吊鉤位 置中的至少一個。 優(yōu)選的，所述處理器還能夠?qū)⒆藨B(tài)參數(shù)與預(yù)定參數(shù)閾值進(jìn)行比較，以確定起吊作 業(yè)的安全性，并根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行預(yù)定處理。 為了實現(xiàn)上述第二個目的，本發(fā)明提供的起重機(jī)包括起重機(jī)本體、懸掛鋼絲繩和 吊鉤，所述懸掛鋼絲繩下端與吊鉤相連，上端與起重機(jī)本體上的定滑輪相連，與現(xiàn)有技術(shù)的 區(qū)別在于，還包括上述任一種吊鉤姿態(tài)檢測裝置，所述吊鉤姿態(tài)檢測裝置的角度測量儀和 加速度測量計均與懸掛鋼絲繩固定，或均與吊鉤固定。 本發(fā)明提供的吊鉤姿態(tài)檢測裝置中，處理器在空間內(nèi)建立第一坐標(biāo)系和第二坐標(biāo) 系，以兩個坐標(biāo)系為基礎(chǔ)獲得吊鉤的姿態(tài)參數(shù)，了解吊鉤的運(yùn)動狀態(tài)；其中，第一坐標(biāo)系與 預(yù)定位置固定，預(yù)定位置可以與起重機(jī)相關(guān)部件固定，第二坐標(biāo)系與吊鉤的運(yùn)動相關(guān)聯(lián)，以 使吊鉤的運(yùn)動狀態(tài)能夠反映在兩個坐標(biāo)系的相對運(yùn)動狀態(tài)上；角度測量儀用于獲得第二坐 標(biāo)系與第一坐標(biāo)系相對應(yīng)坐標(biāo)軸之間夾角；加速度測量計用于獲得吊鉤在預(yù)定方向上的加 速度，而且預(yù)定方向相對于第二坐標(biāo)系固定，并與第二坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸之間具有預(yù)定的角 度，以為獲得吊鉤在第二坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向上的加速度提供基礎(chǔ)。處理器還能夠根據(jù)加 速度測量計獲得的加速度及角度測量儀獲得的夾角，獲得吊鉤在第一坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸上的 加速度；根據(jù)吊鉤在第一坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸上的加速度，處理器能夠獲得吊鉤的姿態(tài)參數(shù)，確 定吊鉤的運(yùn)動狀態(tài)；然后，輸出裝置能夠?qū)⑻幚砥鳙@得的姿態(tài)參數(shù)以合適的方式輸出。本發(fā) 明提供上述吊鉤姿態(tài)檢測裝置能夠提供吊鉤的姿態(tài)參數(shù)，從而使起重機(jī)的控制系統(tǒng)或操作 人員能夠根據(jù)輸出裝置輸出的姿態(tài)參數(shù)精確地了解吊鉤的位置、運(yùn)轉(zhuǎn)速度，擺動幅度等方 面的信息，以確定吊鉤的運(yùn)動狀態(tài)；并根據(jù)吊鉤的運(yùn)動狀態(tài)采取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)鉤措施，減少起吊 作業(yè)所需要的時間，提高起吊作業(yè)的效率。 在進(jìn)一步的技術(shù)方案中，所述第一坐標(biāo)系和第二坐標(biāo)系分別為包括三個坐標(biāo)軸的 直角坐標(biāo)系；該技術(shù)方案通過三個坐標(biāo)軸能夠獲得吊鉤更全面的姿態(tài)參數(shù)；進(jìn)一步地，能 夠使起重機(jī)的控制系統(tǒng)或操作人員更準(zhǔn)確地確定吊鉤在立體空間內(nèi)的信息，更好地實施穩(wěn) 鉤措施。 在進(jìn)一步的技術(shù)方案中，用三軸角度測量儀獲得兩個坐標(biāo)系中相對應(yīng)坐標(biāo)軸之間 的夾角；這樣一方面能夠提高測量的準(zhǔn)確性；另一方面能夠較快地獲得夾角數(shù)據(jù)，提高吊 鉤姿態(tài)檢測裝置的反應(yīng)速度。在優(yōu)選的技術(shù)方案中，使三軸角度測量儀的三個測量軸軸線 分別與第二坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸之間保持平行，這樣能夠減少角度測量儀的處理步驟，提 高角度測量儀的處理速度。 同樣，在進(jìn)一步的技術(shù)方案中，用三軸加速度測量計獲得吊鉤在各方向的加速度， 能夠提高測量準(zhǔn)確性和吊鉤姿態(tài)檢測裝置的反應(yīng)速度。在優(yōu)選的技術(shù)方案中，使三軸加速 度測量計的三個測量軸軸線分別與第二坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸之間保持平行，這樣能夠減少 加速度測量計的處理步驟，提高加速度測量計的處理速度。 在進(jìn)一步的技術(shù)方案中，所述輸出裝置包括顯示器，通過顯示器能夠?qū)⒌蹉^的姿 態(tài)參數(shù)以示意圖的形式表達(dá)；該技術(shù)方案能夠為操作人員提供直觀的操作信息，從而使操 作人員能夠更好地實施穩(wěn)鉤措施，為起吊作業(yè)效率的提高提供便利。
在進(jìn)一步的技術(shù)方案中，所述處理器還能夠?qū)@得的吊鉤姿態(tài)參數(shù)與預(yù)定的參數(shù)
閾值相比較，并根據(jù)預(yù)定的策略判斷吊鉤位置、速度是否超出預(yù)定的范圍；然后，根據(jù)判斷
結(jié)果確定是否進(jìn)行相關(guān)處理；如果需要進(jìn)行預(yù)定處理，則輸出預(yù)定指示，以進(jìn)一步的提醒操
作人員，該技術(shù)方案能夠在提高起吊作業(yè)效率的同時，減小或避免安全事故的發(fā)生。 在提供上述吊鉤姿態(tài)檢測裝置的基礎(chǔ)上，還提供了一種包括上述吊鉤姿態(tài)檢測裝
置的起重機(jī)；由于吊鉤姿態(tài)檢測裝置具有上述技術(shù)效果，具有該吊鉤姿態(tài)檢測裝置的起重
機(jī)也具有相應(yīng)的技術(shù)效果。


圖1是一種汽車起重機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實施例一提供的吊鉤姿態(tài)測量裝置的結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是實施例一中，角度測量儀和加速度測量計與吊鉤的位置關(guān)系示意圖； 圖4是實施例一中，第一坐標(biāo)系與第二坐標(biāo)系的對比關(guān)系示意圖，圖中用實線示
出了第一坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸，用虛線示出了第二坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸； 圖5是實施例一中，吊鉤運(yùn)動矢量合成示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的核心在于建立第一坐標(biāo)系和第二坐標(biāo)系，其中第二坐標(biāo)系與吊鉤的運(yùn)
動相關(guān)，第一坐標(biāo)系與吊鉤的運(yùn)動無關(guān)，從而使將吊鉤的姿態(tài)參數(shù)的改變反映在兩個坐標(biāo)
系之間位置關(guān)系的改變上；然后，再用角度測量儀獲得兩個坐標(biāo)系坐標(biāo)軸之間的角度關(guān)系，
用加速度測量計獲得吊鉤在第二坐標(biāo)系預(yù)定方向的加速度，根據(jù)角度關(guān)系與加速度獲得吊
鉤在第一坐標(biāo)系相應(yīng)坐標(biāo)軸上的加速度；最后，根據(jù)吊鉤在第一坐標(biāo)系坐標(biāo)軸上的加速度
獲得吊鉤在第一坐標(biāo)系中的姿態(tài)參數(shù)，為進(jìn)一步的控制吊鉤的運(yùn)動提供依據(jù)。 以下通過具體實施方式
對本發(fā)明提供的技術(shù)方案進(jìn)行描述，本部分的描述僅是示
范性和解釋性，不應(yīng)對本發(fā)明的保護(hù)范圍有任何的限制作用。 請參考圖l，該圖是一種汽車起重機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的汽車起重機(jī)包括 底盤100，起重臂200、吊鉤400。起重臂200通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在底盤100上，以能夠繞一 個豎軸，相對于底盤100在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；吊鉤400上具有動滑輪組，動滑輪組通過懸掛鋼 絲繩410與起重臂200上部的定滑輪組相連，定滑輪組通過牽引鋼絲繩310與起重機(jī)的巻 揚(yáng)筒300相連。在進(jìn)行起吊作業(yè)時，牽引鋼絲繩310通過定滑輪組使懸掛鋼絲繩410運(yùn)動， 從而使吊鉤400在垂向上移動，以使被起吊貨物在垂向上移動；起重臂200與底盤100之間 的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在適當(dāng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，使起重臂200與底盤100之間相對運(yùn)動，并帶動吊 鉤400及被起吊貨物在水平面內(nèi)移動，實現(xiàn)貨物位置的變換。在起重臂200旋轉(zhuǎn)或受到外 力作用時，通過懸掛鋼絲繩410懸掛在起重臂200上部的吊鉤400會產(chǎn)生橫向擺動，該橫向 擺動會影響起重機(jī)起吊作業(yè)的效率。 請參考圖2，該圖是本發(fā)明實施例一提供的吊鉤姿態(tài)檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖。實施例 一提供的吊鉤姿態(tài)檢測裝置用于測量上述起重機(jī)吊鉤的姿態(tài)參數(shù)，該吊鉤姿態(tài)檢測裝置包 括角度測量儀510，加速度測量計520和處理器530及輸出裝置540。 處理器530根據(jù)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸可以確定兩個坐標(biāo)系；第一坐標(biāo)系01和第二坐
6標(biāo)系02 ;第一坐標(biāo)系01的坐標(biāo)軸與第二坐標(biāo)系02的坐標(biāo)軸一一對應(yīng)。第一坐標(biāo)系01和第 二坐標(biāo)系02分別與不同位置固定，其中第二坐標(biāo)系02與吊鉤400固定，第二坐標(biāo)系01與 起重臂200的上部固定，這樣，在吊鉤400相對于起重臂200擺動或上下移動時，兩個坐標(biāo) 系之間也產(chǎn)生相對位置變換，從而使吊鉤400的姿態(tài)參數(shù)的變化能夠反映在兩個坐標(biāo)系之 間的位置關(guān)系變化上，以為確定吊鉤400的姿態(tài)參數(shù)提供前提。第一坐系01不限于與起重 臂200的上部固定，也可以與除吊鉤400之外的起重機(jī)的其他部分固定；在起重機(jī)為其他類 型的起重機(jī)，比如龍門式起重機(jī)時，處理器530還可以根據(jù)作業(yè)的實際需要以空間的預(yù)定 位置為基礎(chǔ)立坐標(biāo)系。只要在進(jìn)行起吊作業(yè)時，吊鉤400的運(yùn)動及其姿態(tài)參數(shù)的變化能夠 反映在第一坐標(biāo)系01與第二坐標(biāo)系02之間的位置關(guān)系變化上，就可以為確定吊鉤400的 姿態(tài)參數(shù)提供前提，實現(xiàn)本發(fā)明的目的。 如圖3所示的實施例一中，第一坐標(biāo)系與第二坐標(biāo)系對比關(guān)系示意圖，圖中用實 線示出了第一坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸，用虛線示出了第二坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸。本例中，第一坐標(biāo)系01 和第二坐標(biāo)系02分別為三維的直角坐標(biāo)系，第一坐標(biāo)系01具有三個坐標(biāo)軸X1軸、Yl軸 和Zl軸，第二坐標(biāo)系02具有三個坐標(biāo)軸X2軸、Y2軸和Z2軸；其中，XI軸、Yl軸和Zl軸 分別與X2軸、Y2軸和Z2軸相對應(yīng)。 角度測量儀510用于獲得第二坐標(biāo)系02中坐標(biāo)軸與第一坐標(biāo)系01中相對應(yīng)坐標(biāo) 軸之間的夾角。本例中，角度測量儀為三軸角度測量儀，該三軸角度測量儀具有三個測量 軸，三個測量軸的軸線分別與第二坐標(biāo)系02的三個坐標(biāo)軸相平行，即三個測量軸的軸線與 第二坐標(biāo)系02的三個坐標(biāo)軸之間的夾角分別為0度；這樣，在第二坐標(biāo)系02相對于第一坐 標(biāo)系01的進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，每個測量軸能夠獲得第二坐標(biāo)系02坐標(biāo)軸與第一坐標(biāo)系01相應(yīng)坐 標(biāo)軸之間的角度；如圖3所示，角度測量儀510即能夠獲得Zl軸與Z2軸之間的夾角a， Yl 軸和Y2軸之間的夾角b，Xl軸與X2軸之間夾角c?？梢岳斫猓嵌葴y量儀也可以包括三個 角度傳感器，并使每個角度傳感器測量一對坐標(biāo)軸之間的夾角。 加速度測量計520用于測量吊鉤在預(yù)定方向的加速度，所述預(yù)定方向與第二坐標(biāo) 系02的坐標(biāo)軸之間具有預(yù)定的角度。本例中，加速度測量計520為三軸加速度測量計，該 三軸加速度測量計具有三個測量軸，三個測量軸軸線分別與第二坐標(biāo)系02的三個坐標(biāo)軸 平行，即三個測量軸的軸線與第二坐標(biāo)系02的三個坐標(biāo)軸之間的角度分別為0度。這樣， 加速度測量計520就能夠獲得在第二坐標(biāo)系02各坐標(biāo)軸方向上的加速度；如圖3所示，加 速度測量計520能夠獲得X2軸方向的加速度a ^、在Y2軸方向上的加速度a y2和在Z2軸 方向的加速度az2?？梢岳斫猓S加速度測量計的三個測量軸也可以不與第二坐標(biāo)系02 的三個坐標(biāo)軸相平行，也可以分別與第二坐標(biāo)系02的三個坐標(biāo)軸之間具有預(yù)定角度，在三 個測量軸分別獲得對應(yīng)軸線方向的加速度之后，再通過運(yùn)算獲得吊鉤400在第二坐標(biāo)系02 各坐標(biāo)軸方向的加速度ax2、 a-和az2。 如圖4所示的角度測量儀和加速度測量計與吊鉤的位置關(guān)系示意圖，本例中，角 度測量儀510和加速度測量計520與吊鉤400固定，以使二者獲得的數(shù)據(jù)與吊鉤400的運(yùn) 動狀態(tài)直接相關(guān)。另外，角度測量儀510和加速度測量計520可以與懸掛吊鉤400的懸掛 鋼絲繩410固定，由于懸掛鋼絲繩410與吊鉤400同步運(yùn)動，且懸掛鋼絲繩410的姿態(tài)參數(shù) 和運(yùn)動狀態(tài)與吊鉤400具有確定的關(guān)系，因此，根據(jù)鋼絲繩410的姿態(tài)參數(shù)也可以確定吊鉤 400的姿態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
處理器530還用于根據(jù)角度測量儀510獲得的夾角和加速度測量計520獲得的加 速度獲得吊鉤400在第一坐標(biāo)系01中的姿態(tài)參數(shù)。姿態(tài)參數(shù)可以包括吊鉤400在第一坐 標(biāo)系中的運(yùn)動速度V、運(yùn)動方向及位置。 輸出裝置540將處理器530獲得的所述姿態(tài)參數(shù)輸出，以提供給操作人員或起重 機(jī)的操作系統(tǒng)。 以下描述獲得上述姿態(tài)參數(shù)的具體方式 首先，獲得吊鉤400在第一坐標(biāo)系01內(nèi)各坐標(biāo)軸方向的加速度；其中，在第一坐標(biāo) 系Ol中，X1軸方向上的加速度axl = a。Xcosc，Yl軸方向上的加速度ayl = ay2XC0Sb， Zl軸方向上的加速度azl= az2XC0Sa。這樣就可以獲得吊鉤400在第一坐標(biāo)系01中，各 坐標(biāo)軸方向上的加速度。 其次，處理器530以預(yù)定的周期進(jìn)行處理，并根據(jù)獲得的axl、 a yl和a^、獲得吊 鉤在第一坐標(biāo)系01各坐標(biāo)軸方向上的瞬時速度，具體方式是<formula>formula see original document page 8</formula> 其中，V,為吊鉤400在XI軸方向上的瞬時速度，Vy為吊鉤400在Y1軸方向上的瞬 時速度，Vz為吊鉤在Zl軸方向上的瞬時速度，所述述瞬時為處理器530獲得的吊鉤400的 實時速度；V。x、V。y和V。z分別為在XI軸、Y1軸和Zl軸方向上的初始速度，也就是處理器530 的上一處理周期獲得的速度，dt為處理器530的處理周期。這樣，在第一坐標(biāo)系Ol中，根據(jù) 加速度關(guān)于時間的離散函數(shù)就可以獲得第一坐標(biāo)系01各坐標(biāo)軸方向上的瞬時速度。吊鉤 姿態(tài)檢測裝置可以在起重機(jī)進(jìn)行起吊作業(yè)時開始運(yùn)行，并根據(jù)開始起吊時的狀態(tài)，預(yù)置V吣 V。y和V。z的值；使處理器530能夠根據(jù)角度測量儀510獲得的夾角和加速度測量計520獲 得的加速度獲得吊鉤在第一坐標(biāo)系Ol中各坐標(biāo)軸方向上的瞬時速度，瞬時速度能夠反映 吊鉤400的實時運(yùn)動狀態(tài)，并可以進(jìn)一步確定吊鉤400的實時姿態(tài)參數(shù)。
如圖5所示的吊鉤運(yùn)動矢量合成示意圖，根據(jù)Vx、Vy和Vz之間的關(guān)系，可以獲得吊 鉤400在第一坐標(biāo)系Ol中的瞬時速度V，該瞬時速度為吊鉤400的整體速度，其中， <formula>formula see original document page 8</formula>
再次，可以獲得吊鉤400的運(yùn)動位置，運(yùn)動位置可以根據(jù)吊鉤400與預(yù)定位置之間 的距離確定，由于吊鉤400的運(yùn)動軌跡為非線性運(yùn)動軌跡，為了更準(zhǔn)確地獲得吊鉤400與預(yù) 定位置之間的距離，可以先獲得吊鉤400在第一坐標(biāo)系01中各坐標(biāo)軸方向上，相對于預(yù)定 位置的瞬時位移，其中 在XI軸方向的瞬時位移<formula>formula see original document page 8</formula>
在Yl軸方向的瞬時位移<formula>formula see original document page 8</formula>
在Zl軸方向的瞬時位移<formula>formula see original document page 8</formula>
上述公式中，S。"S。y和S。z分別為吊鉤400在XI軸、Y1軸和Zl軸方向上與預(yù)定位 置之間的初始距離，也就是處理器530的上一處理周期獲得的瞬時位移；dt為處理器530 的處理周期；這樣，在第一坐標(biāo)系Ol中，根據(jù)加速度關(guān)于時間的離散函數(shù)就可以獲得吊鉤 400在第一坐標(biāo)系01各坐標(biāo)軸方向上的瞬時位移，獲得吊鉤400在各坐標(biāo)軸方向上與預(yù)定位置之間的瞬時距離。以吊鉤靜止時的位置為參照，就可以確定吊鉤400在各個坐標(biāo)軸方 向上的偏移量，確定擺動距離及幅度。進(jìn)一步地，還可以再根據(jù)S"SY、Sz獲得吊鉤400在第 一坐標(biāo)系Ol中的瞬時位移S，該瞬時位移為吊鉤400的整體位移，以確定吊鉤400的與預(yù)定 位置之間的瞬時距離。s=VSx +SY +SZ 同樣，以吊鉤400靜止時位置為參照，就可以確定吊鉤400的位置及擺動副度。
根據(jù)處理器530獲得的上述姿態(tài)參數(shù)，操作人員就可以精確地了解吊鉤400的位 置、瞬時速度，擺動幅度等方面的信息，以確定吊鉤400的運(yùn)動狀態(tài)；從而能夠采取更適當(dāng) 的穩(wěn)鉤措施，減少起吊作業(yè)所需要的時間，提高起吊作業(yè)的效率。 在實際起吊作業(yè)時，也可以通過兩個二維的坐標(biāo)系實現(xiàn)上述發(fā)明目的，另外，第一 坐標(biāo)系01和第二坐標(biāo)系02不限于為直角度坐標(biāo)系，也可以是極坐標(biāo)系或其他坐標(biāo)系。在 第一坐標(biāo)系01和第二坐標(biāo)系02分別具有一個坐標(biāo)軸或兩個坐標(biāo)軸時，角度測量儀510可 以具有一個測量軸和二個測量軸，并使測量軸的軸線與第二坐標(biāo)系02的坐標(biāo)軸平行或具 有預(yù)定的角度；同樣，根據(jù)上述方式，也可以獲得兩個坐標(biāo)系中相對應(yīng)坐標(biāo)軸之間的夾角， 并進(jìn)一步地根據(jù)夾角和加速度測量計520獲得的加速度獲得吊鉤400在第一坐標(biāo)系01相 應(yīng)坐標(biāo)軸方向的加速度，進(jìn)一步地獲得吊鉤400的姿態(tài)參數(shù)。 同樣，在第一坐系01和第二坐標(biāo)系02為其他坐標(biāo)系時，加速度計測量儀520也 可以具有一個或兩個測量軸，并使測量軸軸線與第二坐標(biāo)系02的坐標(biāo)軸平行或具有預(yù)定 的夾角，也能夠根據(jù)上述方式獲得吊鉤400在第二坐標(biāo)系02相應(yīng)坐標(biāo)軸方向上的加速度， 實現(xiàn)本發(fā)明的目的。為了更準(zhǔn)確地獲得吊鉤400的加速度，優(yōu)選的技術(shù)方案是加速度測量 計具有能夠測量三維方向加速度的功能，以更準(zhǔn)確地獲得在預(yù)定坐標(biāo)軸方向上加速度的分 為了使操作人員更直觀地確定吊鉤400的姿態(tài)，輸出裝置540可以是指示燈，在吊 鉤400預(yù)定的姿態(tài)參數(shù)達(dá)到預(yù)定數(shù)值時，使預(yù)定的指示燈發(fā)出預(yù)定的指示；也可以是顯示 器，通過顯示器將吊鉤的姿態(tài)參數(shù)以合適的方式示出，比如，對于吊鉤400的位置及運(yùn)動軌 跡可以用示意圖的形式顯示在顯示器上，這樣，操作人員就能夠通過顯示器顯示的示意圖 了解吊鉤400的位置，確定吊鉤400擺動的幅度；另外，處理器530還可以根據(jù)起吊作業(yè)的 實際需要及起吊400實際情況預(yù)設(shè)參數(shù)閾值，并將獲得的吊鉤400的預(yù)定姿態(tài)參數(shù)與預(yù)設(shè) 參數(shù)閾值進(jìn)行比較，以確定吊鉤400的運(yùn)動狀態(tài)是否影響起吊作業(yè)的正常進(jìn)行，然后根據(jù) 比較結(jié)果進(jìn)行預(yù)定處理。比如說可以預(yù)設(shè)吊鉤400的速度閥值，以在吊鉤400的速度過大 時，進(jìn)行相應(yīng)處理；也可以設(shè)置擺動幅度閾值，以在吊鉤400的位置超出擺動幅度閾值時， 進(jìn)行相預(yù)定處理。預(yù)定處理可以是發(fā)出合適的警報、產(chǎn)生合適的訊號等等，還可以在具有很 大的安全風(fēng)險時，通過起重機(jī)的控制系統(tǒng)強(qiáng)行使起重機(jī)停止作業(yè)。 由于本發(fā)明提供的吊鉤姿態(tài)檢測裝置具有上述技術(shù)效果，包括上述吊鉤姿態(tài)檢測 裝置的起重機(jī)也具有相對應(yīng)的技術(shù)效果。為了方便信息通訊，并方便操作人員對吊鉤400 狀態(tài)的了解，可以使處理器530與角度測量儀510同時固定在吊鉤400，或同時固定在懸掛 鋼絲繩410上，將輸出裝置540安裝在起重機(jī)的控制室內(nèi)，并使輸出裝置540與處理器530 之間通過無線傳輸方式通訊。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，比如角度測量儀 510可以為角度傳感器、磁強(qiáng)計、陀螺儀等等，處理器530中還可以具有濾波裝置及AD轉(zhuǎn)換 裝置等等，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種吊鉤姿態(tài)檢測裝置，其特征在于，包括角度測量儀(510)，用于實時獲得第二坐標(biāo)系(O1)坐標(biāo)軸與第一坐標(biāo)系(O2)中相對應(yīng)坐標(biāo)軸之間的夾角；加速度測量計(520)，用于實時獲得吊鉤(400)在預(yù)定方向的加速度，所述預(yù)定方向與第二坐標(biāo)系(O2)的坐標(biāo)軸之間具有預(yù)定的角度；處理器(530)，用于建立所述第一坐標(biāo)系(O1)和第二坐標(biāo)系(O2)，所述第一坐標(biāo)系(O1)與預(yù)定位置相對固定，所述第二坐標(biāo)系(O2)與吊鉤(400)相對固定，所述第一坐標(biāo)系(O1)中的坐標(biāo)軸與第二坐標(biāo)系(O2)中的坐標(biāo)軸相對應(yīng)；還根據(jù)角度測量儀(510)獲得的夾角和加速度測量計(520)獲得的加速度獲得吊鉤(400)在第一坐標(biāo)系(O1)中的姿態(tài)參數(shù)；輸出裝置(540)，用于將所述姿態(tài)參數(shù)輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的吊鉤姿態(tài)檢測裝置，其特征在于，所述第一坐標(biāo)系(01)為具 有X1軸、Y1軸和Z1軸的直角坐標(biāo)系，所述第二坐標(biāo)系(02)為具有X2軸、Y2軸和Z2軸的 直角坐標(biāo)系，所述XI軸、Yl軸和Zl軸分別與X2軸、Y2軸和Z2軸相對應(yīng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的吊鉤姿態(tài)檢測裝置，其特征在于，所述角度測量儀(510)為三 軸角度測量儀，該三軸角度測量儀的三個測量軸軸線與第二坐標(biāo)系(02)的三個坐標(biāo)軸之 間分別具有預(yù)定角度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的吊鉤姿態(tài)檢測裝置，其特征在于，所述角度測量儀(510)的三 個測量軸軸線與第二坐標(biāo)系(02)的三個坐標(biāo)軸之間的預(yù)定角度均為O度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的吊鉤姿態(tài)檢測裝置，其特征在于，所述加速度測量計 (520)為三軸加速度測量計，該三軸加速度測量計的三個測量軸軸線與第二坐標(biāo)系(02)的 三個坐標(biāo)軸之間分別具有預(yù)定角度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的吊鉤姿態(tài)檢測裝置，其特征在于，所述加速度測量計(520)的 三個測量軸軸線與第二坐標(biāo)系(02)的三個坐標(biāo)軸之間的預(yù)定角度均為O度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-6任一項所述的吊鉤姿態(tài)檢測裝置，其特征在于，所述輸出裝置 (540)包括顯示器，所述顯示器以示意圖的形式顯示所述姿態(tài)參數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l-7任一項所述的吊鉤姿態(tài)檢測裝置，其特征在于，所述姿態(tài)參數(shù)包 括吊鉤(400)在第一坐標(biāo)系(01)中的瞬時速度、運(yùn)動方向及吊鉤位置中的至少一個。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l-8任一項所述的吊鉤姿態(tài)檢測裝置，其特征在于，所述處理器(530) 還能夠?qū)⒆藨B(tài)參數(shù)與預(yù)定參數(shù)閾值進(jìn)行比較，以確定起吊作業(yè)的安全性，并根據(jù)比較結(jié)果 進(jìn)行預(yù)定處理。
10. —種起重機(jī)，包括起重臂(200)，懸掛鋼絲繩(410)和吊鉤(400)，所述懸掛鋼絲繩 (410)下端與吊鉤(400)相連，上端與起重臂(200)上的定滑輪相連，其特征在于，還包括權(quán) 利要求1-9任一項所述的吊鉤姿態(tài)檢測裝置，所述吊鉤姿態(tài)檢測裝置的角度測量儀(510) 和加速度測量計(520)均與懸掛鋼絲繩(410)固定，或均與吊鉤(400)固定。
全文摘要
本發(fā)明公開一種吊鉤姿態(tài)檢測裝置和具有該吊鉤姿態(tài)檢測裝置的起重機(jī)。公開的吊鉤姿態(tài)檢測裝置包括用于獲得第二坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸與第一坐標(biāo)系中相對應(yīng)坐標(biāo)軸之間夾角的角度測量儀，用于獲得吊鉤在預(yù)定方向加速度的加速度測量計、建立第一坐標(biāo)系和第二坐標(biāo)系的處理器和輸出裝置；第一坐標(biāo)系與預(yù)定位置相對固定，第二坐標(biāo)系與吊鉤相對固定；處理器還根據(jù)角度測量儀獲得的夾角和加速度測量計獲得的加速度獲得吊鉤在第一坐標(biāo)系中的姿態(tài)參數(shù)。本發(fā)明提供的吊鉤姿態(tài)檢測裝置能夠提供吊鉤的姿態(tài)參數(shù)，使操作人員能夠根據(jù)姿態(tài)參數(shù)采取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)鉤措施，進(jìn)而減少由于吊鉤擺動對起吊作業(yè)造成的不利影響，提高起吊作業(yè)的效率。
文檔編號B66C13/48GK101723239SQ20091022610
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者周斌, 唐修俊, 楊得志 申請人:三一汽車制造有限公司