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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。应用场合广。应用场合广。
【技术实现步骤摘要】
一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法及装置
[0001]本专利技术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
技术介绍
[0002]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。
[0003]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：
[0004]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。
[0005]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：
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。本专利技术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。
技术实现思路
[0009]针对现有技术的不足，本专利技术公开一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法。
[0010]本专利技术还公开一种实现上述监测方法的装置。
[0011]本专利技术详细的技术方案如下：
[0012]一种塔机起重臂臂端轨迹的监测方法，其特征在于，包括：
[0013]1)建立坐标系：
[0014]1‑
1)建立1坐标系：
[0015]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；
[0016]1‑
2)建立2坐标系：
[0017]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；
[0018]1‑
3)建立2'坐标系：
[0019]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；
[0020]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；
[0021]2)起重臂臂端轨迹测量方法：
[0022]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；
[0023]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：
[0024][0025]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；
[0026]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；
[0027]对g1一次积分得速度序列，公式(2)如下：
[0028][0029]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；
[0030]对v
1(k)
一次积分得坐标序列，公式(3)如下：
[0031][0032]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；
[0033]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：
[0034]d
1z
为激光测距模块测量的距离值；
[0035][0036]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；
[0037]3)起重臂臂端结构变形测量方法：
[0038]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：
[0039][0040]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。
[0041]根据本专利技术优选的，所述监测方法还包括有效性判定方法，其特征在于，包括：
[0042]当满足公式(6)、(7)时，则判断所述监测方法失效，
[0043][0044]且
[0045]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:
[0046]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，再如利用计算本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋世军，马磊，李楠楠，吴月华，刘昂，臧泓源，
申请(专利权)人：山东富友科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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