用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明公开一种用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置，其包含：角反射器，其设置于吊具顶部，反射向吊具发送的电磁波；电磁波测距仪组，其包含对称设置于吊具牵引部底部与吊绳连接点两侧的一对电磁波测距仪，电磁波测距仪向吊具发送电磁波，并接收角反射器反射的电磁波，测得发送的电磁波与接收的电磁波之间的相位差；测量处理器，其通信连接电磁波测距仪组，根据相位差获取当前状态下吊具的吊摆角和吊绳的绳长。本发明采用高频电磁波波反射精确测距技术，为非接触式测量的测量方法，同时测量吊具摆角及绳长，测距精度高，抗干扰能力强，设备寿命长，结构简单，成本低，维护简单。
【专利说明】
用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置及测量方法
技术领域
[0001] 本发明设及电磁波测量技术，具体设及一种基于高频电磁波测距的用于双吊具桥 吊的吊具机构的摆角与绳长测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002] 桥吊广泛应用于港口的集装箱装卸运输过程。为了提高装卸效率，增加集装箱吞 吐量，双起升双吊具桥式吊车的应用越来越广泛。但在桥式吊车工作过程中，由于负载变化 和外部扰动的影响，负载和吊具不可避免地发生摆动。当负载到达目标位置时，残余摆动会 造成安全隐患，并且极大地降低了工作效率。为了消除摆动，需要检测出吊具摆角及绳长进 行反馈控制。
[0003] 双起升双吊具桥式吊车能够同时吊起两个负载，其结构复杂，工作方式多样，给相 应的摆角及绳长检测带来了很大困难。
[0004] 目前大多数桥吊都是单吊具桥吊且仅安装了机械防摇装置，并没有摆角检测装 置。之前有关桥吊摆角检测的发明，一类属于接触式检测，此类摆角检测装置由于设计原因 器件存在死区，影响了传感器的灵敏度，而且由于机构间的摩擦，往复运动时存在累计误 差；另一类非接触式检测装置采用了激光式角度仪，此类装置结构复杂，成本高昂，抗干扰 能力差。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置及测量方法，能够同时测 量吊具摆角及绳长，采用高频电磁波波反射精确测距技术，W非接触式测量，结构简单，造 价低，准确性高，维护方便。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置，该吊 具机构包含：吊具牵引部，连接在吊具牵引部底部的吊绳，连接在吊绳低端的吊具;其特点 是，
[0007] 该测量装置包含：
[000引角反射器，其设置于吊具顶部，反射向吊具发送的电磁波；
[0009] 电磁波测距仪组，其包含对称设置于吊具牵引部底部与吊绳连接点两侧的一对电 磁波测距仪，电磁波测距仪向吊具发送电磁波，并接收角反射器反射的电磁波，测得发送 的电磁波与接收的电磁波之间的相位差；
[0010] 测量处理器，其通信连接电磁波测距仪组，根据相位差获取当前状态下吊具的吊 摆角和吊绳的绳长。
[0011] 上述电磁波测距仪包含：
[0012] 电磁波发射装置，其通信连接测量处理器，接收测量处理器的指令发射电磁波；
[0013] 电磁波接收装置，其接收角反射器反射的电磁波；
[0014] 相位差处理器，其电路连接电磁波接收装置和测量处理器，测算发送的电磁波与 接收的电磁波之间的相位差，将相位差转换为电压信号输出至测量处理器。
[0015] 上述测量装置用于双吊具桥吊的吊具机构的吊摆角与绳长测量；
[0016] 双吊具桥吊包含：
[0017] 大车机构，其设置在位于地面的堆场轨道上，大车机构上设有与堆场轨道垂直的 小车轨道；
[0018] 小车机构，其设置在大车机构的小车轨道中；
[0019] 若干起升电机，其设置于小车机构上，每个起升电机对应连接有吊绳，每个吊绳下 对应吊设有吊具。
[0020] 上述电磁波测距仪组的一对电磁波测距仪发射的电磁波频率不同。
[0021] -种吊摆角与绳长测量装置的测量方法，其特点是，该测量装置包含:对称设置于 吊绳顶端两侧的一对电磁波测距仪、设置于吊绳底端吊具上的角反射器和电路连接电磁波 测距仪的测量处理器；
[0022] 该测量方法包含：
[0023] -对电磁波测距仪同时向吊具发射电磁波，位于吊具上的角反射器将电磁波反射 回各电磁波测距仪；
[0024] 电磁波测距仪将发射的电磁波与接收的电磁波的相位差转换为电压信号发送至 测量处理器；
[0025] 测量处理器根据电压信号测算得各电磁波测距仪与吊具上角反射器之间的距离；
[0026] 测量处理器根据各电磁波测距仪与吊具上角反射器之间的距离，获取吊具的吊摆 角和吊绳的绳长。
[0027] 上述测算得每个电磁波测距仪与吊具上角反射器之间的距离包含：
[002引测量处理器根据一个电磁波测距仪上传的相位差气根据式（1)得出信号传播时 间t:
[0029] (1)
[0030] 式(1)中f为电磁波的频率；
[0031] 根据式(2)得出该电磁波测距仪与吊具上角反射器之间的距离D:
[0032] (2)
[0033] 式(2)中C为光速，f为电磁波的频率。
[0034] 如权利要求4或5所述测量方法，其特征在于，所述获取吊具的吊摆角和吊绳的绳 长包含：
[0035] 设吊具所对应的一对电磁波测距仪与角反射器之间的距离分别为a和b，两个电磁 波测距仪之间的距离为C，令
根据式(3)获得吊具的摆角Θ:
[0036] (3)
[0037] 根据式(4)获取吊绳的绳长e:
[00；3 引
(4)。
[0039] 上述吊具静止时，对吊摆角与绳长测量装置进行初始化。
[0040] 同一上述电磁波测距仪组包含的一对电磁波测距仪发射的电磁波频率不同。
[0041] 本发明用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置及测量方法和现有技术的吊具测 量技术相比，其优点在于，本发明采用高频电磁波波反射精确测距技术，能够同时测量吊具 摆角及绳长，测距精度高，抗干扰能力强，能够在相对恶劣的条件下正常工作；
[0042] 本发明采用非接触式测量的测量方法，测量精度高，正常情况下传感器寿命长，结 构简单，成本低，维护简单。
【附图说明】
[0043] 图1为双吊具桥吊的结构示意图；
[0044] 图2为本发明电磁波测距仪及角反射器安装示意图；
[0045] 图3为电磁波测距仪的外部示意图；
[0046]图4为本发明的信号处理框图；
[0047]图5为本发明的绳长及角度的测算原理图。
【具体实施方式】
[004引 W下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
[0049] 如图1所示，公开了一种用于双吊具桥吊的吊具机构的摆角与绳长测量装置的实 施例，W及该测量装置所适用的双吊具桥吊。
[0050] 双吊具桥吊包含:堆场轨道10、大车机构9、小车机构6、吊绳5、吊具4。堆场轨道10 铺设在堆场的地面上。大车机构9架设在堆场轨道10上，并可沿堆场轨道10滑动。大车机构9 采用桥吊结构，在大车机构9的顶部设有垂直于堆场轨道10的小车轨道。小车机构6设置在 小车轨道中，小车结构6包含架设在小车轨道中的驱动装置12W及吊挂在驱动装置12下的 小车结构本体，小车结构6可通过驱动装置12沿小车轨道滑动。小车机构6的本体上设置有 一对起升电机7、8,起升电机7、8下分别连接有吊绳5,每个吊绳5的底端吊设吊具4,起升电 机7、8可通过吊绳5带动吊具4沿竖直方向运动。
[0051] 进一步的，双吊具桥吊还包含有桥吊驾驶室11，该桥吊驾驶室11设置在大车机构9 桥吊支架的右侧，该桥吊驾驶室11是桥吊司机的操作室，具有显示吊绳5绳长和吊具4的摆 角的显示屏，负责发出桥吊运行命令。
[0052] 本实施例中，用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置包含:第一电磁波测距仪组 1、第二电磁波测距仪组2、角反射器3、测量处理器13。
[0053] 第一电磁波测距仪组1、第二电磁波测距仪组2分别设置于小车机构6的底部，每个 电磁波测距仪组对应一根吊绳5、一个吊具4和一个角反射器3设置。W第一电磁波测距仪组 1为例，其包含有两个电磁波测距仪，该两个电磁波测距仪对称设置于吊绳5与小车结构6底 部连接点的两侧，两个电磁波测距仪距离吊绳5与小车结构6底部连接点的距离相等。第一 电磁波测距仪组1下的两个电磁波测距仪分别发送频率不同的高频电磁波，并且在电磁波 经过反射后接收对应频率的电磁波，测算发送的电磁波与接收的电磁波之间的相位差。
[0054] 运里对于电磁波测距仪发送电磁波的频率范围说明如下：
[0055] 对于粗测尺，其频率范围是1M化~2M化，对于精测尺，其频率范围是10M化~ 20MHz，工程上两组测尺共同测测距。其中，1.5MHz对应检测精度是0.1 m，15MHz对应检测精 度是0.01m。
[0056] 每一个吊具4顶部对应设置有一个角反射器3,角反射器3用于反射向其所对应的 吊具4发送的电磁波。
[0057] 测量处理器13设置于大车结构9的顶部，分别与第一电磁波测距仪组1和第二电磁 波测距仪组2通信连接，接收第一电磁波测距仪组1和第二电磁波测距仪组2分别上传的相 位差。
[0化引 W第一电磁波测距仪组1为例，测量处理器13接收第一电磁波测距仪组1下两个电 磁波测距仪分别上传的相位差，从而测算出两个电磁波测距仪分别至第一电磁波测距仪组 1所对应角反射器3的距离，并且根据第一电磁波测距仪组1下两个电磁波测距仪至对应角 反射器3的距离测算出当前状态下该角反射器3所对应吊具4的吊摆角和吊绳3的绳长。
[0059] 如图2所示，为电磁波测距仪及角反射器安装示意图，具体说明电磁波测距仪及角 反射器的安装方式。T图中箭头巧旨示的是大车结构9的运动方向。
[0060] 在小车结构6的底部安装有两组电磁波测距仪组，每个电磁波测距仪组包含有两 个电磁波测距仪，分为为第一电磁波测距仪201、第二电磁波测距仪202、第Ξ电磁波测距仪 203和第四电磁波测距仪204,其中第一电磁波测距仪201和第二电磁波测距仪202组成一组 电磁波测距仪组，第Ξ电磁波测距仪203和第四电磁波测距仪204组成一组电磁波测距仪 组。
[0061] 第一电磁波测距仪201与小车结构6底部的连接点为A点，第二电磁波测距仪202与 小车结构6底部的连接点为B点，在A点和B点的连线的中间点设0点，0点设为第一吊绳207与 小车结构6底部的连接点。第一电磁波测距仪201和第二电磁波测距仪202对应的吊具吊设 在第一吊绳207的底端，第一角反射器205设置于第一吊绳207底端的吊具上。第一角反射器 205所在的点设为C点。
[0062] 第Ξ电磁波测距仪203与小车结构6底部的连接点为P点，第四电磁波测距仪204与 小车结构6底部的连接点为Q点，在P点和Q点的连线的中间点设E点，E点设为第二吊绳208 与小车结构6底部的连接点。第Ξ电磁波测距仪203和第四电磁波测距仪204对应的吊具吊 设在第二吊绳208的底端，第二角反射器206设置于第二吊绳208底端的吊具上。第二角反射 器206所在的点设为D点。
[0063] 测量处理器209设置于大车结构9的顶端，并且分别与第一电磁波测距仪201、第二 电磁波测距仪202、第Ξ电磁波测距仪203和第四电磁波测距仪204通讯连接。
[0064] 如图3所示，为电磁波测距仪的外部示意图，电磁波测距仪外部结构包含：底座 303,在底座303上设有发射镜301和接收镜302,在底座303的侧边设有两个USB串行总线接 头 304。
[0065] 进一步的，电磁波测距仪的内部结构包含有：电磁波发射装置、电磁波接收装置和 相位差处理器。
[0066] 电磁波发射装置通信连接测量处理器，接收测量处理器的指令，通过发射镜301发 射高频电磁波。
[0067] 电磁波接收装置通过接收镜302接收角反射器反射的电磁波。
[0068] 相位差处理器设置于底座303内，其电路连接电磁波接收装置和测量处理器，测算 发送的电磁波与接收的电磁波之间的相位差，将相位差转换为电压信号输出至测量处理 器。
[0069] 如图4所示，结合上述双吊具桥吊的吊具机构的摆角与绳长测量装置的结构，W - 个电磁波测距仪和一个角反射器的系统为例，掲示了 W下信号处理流程：
[0070] 测量处理器发出测距命令至电磁波测距仪，电磁波测距仪的电磁波发射器发射电 磁波，电磁波经过角反射器反射后返回至电磁波测距仪，电磁波测距仪的电磁波接收器接 收电磁波，相位差处理器将发送的电磁波与接收的电磁波之间的相位差转换为电压信号。 电磁波测距仪还内嵌有前置放大电路和整形滤波电路，能够将电压信号处理后输出到测量 处理器。测量处理器包含有A/D转换器和摆角和绳长测算单元，A/D转换器接收经过处理的 电压信号，进行转换后传输至摆角和绳长测算单元，摆角和绳长测算单元根据相位差测算 出吊具摆角和吊绳的绳长，最后将测算得的吊具摆角和吊绳的绳长信息通过摆角和绳长数 据处理器控制单元发送至桥吊驾驶室，通过显示器显示输出给操作人员。
[0071] 本发明还公开了一种适用于上述吊摆角与绳长测量装置的测量方法，该测量方法 包含W下步骤：
[0072] S1、吊具静止，吊绳自然下垂，无任何摆角，在此状态下，测量处理器初始化。
[0073] S2、当测量处理器接到桥吊运行命令时，测量处理器同时发出测距命令给同一电 磁波测距仪组下的一对电磁波测距仪。
[0074] S3、同一电磁波测距仪组下的一对电磁波测距仪同时向该电磁波测距仪组所对应 的吊具发射不同频率的电磁波。
[0075] S4、位于吊具上的角反射器将电磁波分别反射回各电磁波测距仪。各电磁波测距 仪根据电磁波频率的不同，接收自己发送的电磁波。
[0076] S5、电磁波测距仪将发射的电磁波与接收的电磁波的相位差转换为电压信号发送 至测量处理器。
[0077] S6、测量处理器根据电压信号测算得各电磁波测距仪与吊具上角反射器之间的距 离；
[0078] 测量处理器根据一个电磁波测距仪上传的相位差心，根据式（1)得出信号传播时间 t ：
[0079] (1)
[0080] 式(1)中f为电磁波的频率；
[0081] 根据式(2)得出该电磁波测距仪与吊具上角反射器之间的距离D:
[0082] (2)
[0083] 式(2)中C为光速，f为电磁波的频率。
[0084] S7、测量处理器根据各电磁波测距仪与吊具上角反射器之间的距离，获取吊具的 吊摆角和吊绳的绳长。
[0085] 如图5并结合图2所示，设吊具所对应的一对电磁波测距仪与角反射器之间的距离 分别为a和b，两个电磁波测距仪之间的距离为C，令
根据式(3)获 得吊具的摆角Θ:
[0086] (3)
[0087]根据式(4)获取吊绳的绳长e:
[008引 (4)。
[0089]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【主权项】
1. 一种用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置，该吊具机构包含：吊具牵引部，连接在 吊具牵引部底部的吊绳，连接在吊绳低端的吊具;其特征在于， 该测量装置包含： 角反射器，其设置于吊具顶部，反射向吊具发送的电磁波； 电磁波测距仪组，其包含对称设置于吊具牵引部底部与吊绳连接点两侧的一对电磁波 测距仪，一对电磁波测距仪向吊具发送电磁波，并接收角反射器反射的电磁波，测得发送的 电磁波与接收的电磁波之间的相位差； 测量处理器，其通信连接电磁波测距仪组，根据相位差获取当前状态下吊具的吊摆角 和吊绳的绳长。2. 如权利要求1所述的用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置，其特征在于，所述电磁 波测距仪包含： 电磁波发射装置，其通信连接测量处理器，接收测量处理器的指令发射电磁波； 电磁波接收装置，其接收角反射器反射的电磁波； 相位差处理器，其电路连接电磁波接收装置和测量处理器，测算发送的电磁波与接收 的电磁波之间的相位差，将相位差转换为电压信号输出至测量处理器。3. 如权利要求1所述的用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置，其特征在于，所述测量 装置用于双吊具桥吊的吊具机构的吊摆角与绳长测量； 双吊具桥吊包含： 大车机构，其设置在位于地面的堆场轨道上，大车机构上设有与堆场轨道垂直的小车 轨道； 小车机构，其设置在大车机构的小车轨道中； 若干起升电机，其设置于小车机构上，每个起升电机对应连接有吊绳，每个吊绳下对应 吊设有吊具。4. 如权利要求1所述的用于吊具机构的吊摆角与绳长测量装置，其特征在于，所述电磁 波测距仪组的一对电磁波测距仪发射的电磁波频率不同。5. -种吊摆角与绳长测量装置的测量方法，其特征在于，该测量装置包含:对称设置于 吊绳顶端两侧的一对电磁波测距仪、设置于吊绳底端吊具上的角反射器和电路连接电磁波 测距仪的测量处理器； 该测量方法包含： 一对电磁波测距仪同时向吊具发射电磁波，位于吊具上的角反射器将电磁波反射回各 电磁波测距仪； 电磁波测距仪将发射的电磁波与接收的电磁波的相位差转换为电压信号发送至测量 处理器； 测量处理器根据电压信号测算得各电磁波测距仪与吊具上角反射器之间的距离； 测量处理器根据各电磁波测距仪与吊具上角反射器之间的距离，获取吊具的吊摆角和 吊绳的绳长。6. 如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述测算得每个电磁波测距仪与吊具上 角反射器之间的距离包含： 巧慢处理器根据一个电磁波测距仪上传的相位差心，根据式(1)得出信号传播时间t:(!) 式(1)中f为电磁波的频率； 根据式(2)得出该电磁波测距仪与吊具上角反射器之间的距离D:(2) 式(2)中C为光速，f为电磁波的频率。7. 如权利要求5或6所述的测量方法，其特征在于，所述获取吊具的吊摆角和吊绳的绳 长包含： 设吊具所对应的一对电磁波测距仪与角反射器之间的距离分别为a和b，两个电磁波测 距仪之间的距离为C，令根据式(3)获得吊具的摆角Θ:C3) 根据式(4)获取吊绳的绳长e:(4)。8. 如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述吊具静止时，对吊摆角与绳长测量 装置进行初始化。9. 如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，同一所述电磁波测距仪组包含的一对电 磁波测距仪发射的电磁波频率不同。
【文档编号】G01S3/48GK105967064SQ201610269527
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】彭勃华, 徐为民, 姚亚婵, 郑翔
【申请人】上海海事大学