专利名称：起重机格雷母线通信定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种起重机的定位系统，特别是一种起重机格雷母线通信定位系统。
技术背景现有的起重机大都采用人为操纵控制行车和起重，在吊装位置只能靠操纵者人为地观察起重臂和起重小车的行车位置，并凭借的经验判断，准确度低，而且在过程中很难保证不发生碰撞、掉道等事故，不利于安全生产。
实用新型内容本实用新型克服了上述缺点，提供一种结构简单、定位精确、安装维护方便的起重机格雷母线通信定位系统。
本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是一种起重机格雷母线通信定位系统，包括与起重臂轨道并行的第一格雷母线和与起重小车轨道并行的第二格雷母线，所述第一格雷母线连接有地址编码发射/接收器，起重臂上设置有天线和与所述第一天线相连的地址编码接收/发射器，所述第二格雷母线连接有地址编码发射/接收器，起重小车上设置有第二天线和与所述第二天线相连的地址编码接收/发射器，所述格雷母线中包括至少两对芯线，其中一对为相互平行的基准线，其余各对地址线为每隔一个步长交叉一次的地址线，每对地址线的步长各不相同，分别为最小步长的2i倍，其中i＝0，1，2......。
还可包括一个与所述格雷母线并行的感应环线，所述感应环线连接有感应通信单元，所述起重臂上设置有与天线相连的感应通信单元。
所述与地址编码发射器或地址编码接收器相连的天线可包括参数相同、方向相同的主线圈和副线圈，所述主线圈比副线圈与所述格雷母线之间的距离近。
所述起重臂上的感应通信单元、与第一天线相连的地址编码接收/发射器和与所述第二格雷母线相连的地址编码接收/发射单元可分别与一个可编程控制器相连。
所述格雷母线还可包括与至少一对地址线步长相等，且错开半个步长的地址线。
所述格雷母线的最小步长可为20～400毫米，较佳值为200毫米。
所述格雷母线的总长度可为2n-1*W，其中，n为地址线的对数，W为最小步长。
本实用新型通过安装在起重臂的天线和敷设在起重臂轨道旁的格雷母线进行电磁耦合，通过移动站位置检测方式来传递起重臂的位置信息，同时通过安装在起重小车上的天线和敷设在起重小车轨道旁的格雷母线进行电磁耦合，通过固定站位置检测方式来传递起重小车的位置信息，使检测过程无机械性接触磨损，能够实现起重机的自动走行、自动堆取料，防止起重机两端掉道，防止起重机发生碰撞等事故。由于格雷母线芯线以格雷码方式交叉扭绞排列，保证格雷母线芯线全程无重叠的交叉点，能够在移动物体行走范围内连续地、高精度地检测绝对地址，检测精度达5毫米，完全可以满足起重机位置的精确定位的需求；而且由于格雷母线使用了特有的交叉扭绞结构及相位检测技术，能够消除电源开、停过程中产生的电磁干扰，也不受环境噪音和接收信号电平波动的影响，能够在诸如铁矿石场等恶劣环境条件中长期可靠的工作；此外，安装在室外的格雷母线、天线箱、始端箱、终端箱和段间箱采用非金属材料制作而且采用密封工艺，不怕雨水、灰尘，耐酸、碱腐蚀。
图1为本实用新型的系统结构示意图图2为本实用新型中格雷母线的电缆芯线展开图图3为本实用新型中固定站检测方式的工作原理图图4为本实用新型中移动站检测方式的工作原理图图5为本实用新型中精密地址检测工作原理图图6为本实用新型中线圈箱与格雷母线分布示意图具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括与起重臂轨道并行的格雷母线1和起重小车轨道并行的格雷母线2，两对感应环线(图中未标示)与所述格雷母线1并行，用于数据感应通信，所述格雷母线1的两端设置有始端箱11和终端箱12，地址编码发射器13通过所述始端箱11与所述格雷母线1相连，地址编码接收器14与天线箱Y1相连，并设置在移动的起重臂的操作室中，感应通信单元31也通过所述始端箱11与所述感应环线3相连，另一感应通信单元32与天线箱Y2相连，也设置在所述移动的起重臂操作室中，所述格雷母线2的两端也设置有始端箱21和终端箱22，所述地址编码接收器24通过所述始端箱21与所述格雷母线2相连，且也设置在所述起重臂操作室中，地址编码发射器连接有天线箱Y2，并设置在起重小车上。所述感应通信单元32、地址编码接收器14和24都分别与可编程控制器4相连。
本实用新型中采用了两种检测方式，即固定站检测方式和移动站检测方式，所述对起重臂位置检测即采用移动站检测方式，而对起重小车位置的检测则采用固定站检测方式。以下对两种检测方式的工作原理和过程做详尽描述。
(一)起重小车位置检测所述格雷母线为以格雷码方式排列的检测母线，包括电缆护套和由所述电缆护套包裹的电缆芯线和模芯，所述电缆芯线如图2中所示，所述电缆芯线有两种，即基准线R线和地址线G0线-G9线，基准线R线在整个格雷母线段中不交叉，用于获取标准信号，地址线用于检测地址。各对地址线按不同步长规律编排，每隔一个步长交叉一次，设格雷母线的最小步长为W，则G0、G1、G2…G8、G9步长分别为20W、21W、22W……28W、29W，即1W、2W、4W…256W、512W。
通过上述布置的地址线，可实现绝对地址的检测，移动站(即起重小车23)上安装一个带有发射天线的天线箱，天线箱距离格雷母线电缆8～20CM，天线箱发射的高频信号通过电磁感应被起重臂上的的格雷母线电缆接收，R线为平行敷设的一对线，接收到的信号作为基准信号，G0～G9在不同的位置有不同的交叉点，其接收到的信号在经过偶数个交叉后，相位与基准信号相同，在经过奇数个交叉点后，相位与基准信号的相位相反，若规定同相位时地址为“0”，反相位时地址为“1”，则在格雷母线电缆的某一位置得到唯一10位的地址编码，此对应于起重小车的一个地址。
如图3中所示，通过一个最小的地址检测系统来描述固定站检测方式工作原理，该系统中的格雷母线仅由一对交叉的地址线和一对平行的基准线组成。当移动站的天线线圈中通入交变电流时，在天线附近会产生交变磁场，由于天线离格雷母线很近(约80毫米)，故所述格雷母线近似处在一个交变的、均匀分布的磁场中，因此每对格雷母线芯线会产生感应电动势。由所述移动站的天线发射的地址信号通过电磁耦合方式传送到格雷母线的地址线和基准线上，并通过地址线和基准线把信号传送到固定站的地址编码接收器。地址编码接收器对接收到的信号进行相位比较。当地址“0”的地址线的信号相位与基准线的信号相位相同，那么定义移动站地址为“0”；当地址“1”的地址线的信号相位与基准线的信号相位相反，那么移动站地址为“1”。从而实现了在固定站完成地址检测。
此过程中，移动站天线箱为信号“发射天线”，固定设置的格雷母线芯线为信号“接收天线”；由固定站来检测移动站的地址，所述移动站要获得起重小车地址需通过无线通信方式得到。
(二)起重臂位置检测所述格雷母线为以格雷码方式排列的检测母线，并如图2中所示，这里不再赘述。
通过上述布置的地址线，可实现绝对地址的检测，固定站的地址编码发生器在TR0时刻接通标准信号线R0，首先发送一个同步头，紧接着发送R0信号；TG0时刻接通地址线G0，发送G0信号；依次接通并向G1、G2…G8、G9发送信号。移动站的接收天线接收到同步头信号后，下一个时间的信号便是R0，紧接着是G0、G1、G2…G8、G9。移动站上地址检测单元根据接收到的R0信号产生一个标准信号，紧接着将接收到的各路地址线信号放大整形后送入进行鉴相和计数，G0、G1、G2…G8、G9信号相位与R0信号相同，若规定地址为“0”，反相位时地址为“1”，即可得到一组格雷码。最后将格雷码转换成十进制数即可得到移动的起重臂位置。
如图4所示，以4个地址的检测系统为例来具体描述移动检测过程所述固定站的地址编码发射器以同频率分时方式分别将信号送给格雷母线标准线、地址线1、地址线2，并通过电磁耦合方式把信号传送到移动站的天线。
移动站的地址编码接收器按顺序接收信号后，将两对地址线的信号分别与基准线信号进行相位比较，如果地址线的信号相位与基准线的信号相位相同，那么定义地址为“0”；如果相位相反，定义地址为“1”。图3中地址1的两对地址线的信号相位与基准线的信号相位相同，因此地址1为“00”。地址2中的第一对地址线的信号相位与基准线的信号相位相同，第二对地址线的信号相位与基准线的信号相位相反，因此地址2为“01”。
从上面的分析可以看到，格雷母线用一对地址线可以检测到2个地址，用二对地址线可以检测到4个地址。实际上，用n对地址线可以检测到2n个地址。
根据电磁学理论Φ＝S*B 其中Φ为磁通量，S为线圈面积，B为电磁强度。
e＝N*dΦ/dt 其中e为感应电压，N为线圈的匝数。
理论上讲，只要将格雷母线最小步长W取得足够小，格雷母线定位精度就可以做得很高，但在工程上由于格雷母线芯线、天线尺寸误差、起重摆动，磁场分布不均匀性，以及外界干扰等因素，格雷母线最小步长W取值受到一定限制。W取得太小，电磁感应面积变小，地址检测的信噪比低，造成地址不稳定。根据工程经验，W＝200毫米较好。
格雷母线最小步长W根据定位精度来确定，电缆长度由格雷母线芯线的数量和最小步长W确定。一般来说绝对定位精度μ＝W/2(其中W为格雷母线最小步长)格雷母线长度L＝2n*μ (其中n为格雷母线芯线的数量)通过上面的分析我们知道当格雷母线最小步长W＝200毫米时，大地址的检测精度为μ＝W/2＝200/2＝100毫米。
如果格雷母线地址线为10对(G0-G9)，当W＝200毫米时，则格雷母线长度为L＝210*100(毫米)＝102.4米。
格雷母线长度可依工程需要而定，单根格雷母线长度可达102.4米，多根格雷母线可拼接以满足工程需要。
地址线G0步长200毫米，在100毫米开始交叉；G1步长400毫米，在200毫米开始交叉；G2步长800毫米，在400毫米开始交叉，……；G8步长51.2米，在25.6米交叉一次，；G9步长102.4米，在51.2米交叉一次。
选择那一种地址检测工作方式要根据控制系统的需求来考虑决定。如果控制系统的重心在移动站上，则采用移动检测方式较好；如果控制系统的重心在固定站，则采用固定检测方式较合适。
此外，可以在所述格雷母线中增加一对地址线L0，如图4中所示，所述地址线L0的步长即交叉间隔跟G0一样，只是错开半个步长。
与绝对地址检测方法一样，精密地址也分为固定站检测方式和移动站检测方式。两种工作方式原理相同，这里以固定站检测方式为例，在格雷母线电缆中增加一对地址线L0，其交叉间隔跟G0一样，只是错开半个最小步长。
如图5所示，G0，L0两对线的交叉间距一致，均为200毫米，且错开100毫米，其中R线为基准线，不交叉。
当移动站的天线线圈中通入交变电流时，地址线G0、L0产生的感应电动势如下V0＝-N*dΦ0/dt ....................(1)V1＝-N*dΦ1/dt ....................(2)Φ＝S*B..... ... ..........(3)其中，V0、V1——电缆芯线G0、L0上感应电动势信号幅度；dΦ0、dΦ1——通过电缆芯线G0、L0的磁通变化量；N——格雷母线芯线圈数，在这里N＝1；B——磁场强度；S——磁场作用在电缆芯线G0、L0上的有效面积；设S0是磁场作用在芯线G0上的有效面积，S1是磁场作用在芯线L0上的有效面积，H为电缆的宽度，W为格雷母线芯线的最小步长。当移动站上的天线按图5中方式移动时(移动距离为X，X＜100毫米)。
则V0＝-dΦ0/dt＝-BdS0/dt＝-Bd(HW-2HX)/dt ....(4)V1＝-dΦ1/dt＝-BdS1/dt＝-Bd(2HX)/dt....(5)在同一时间间隔内，由(4)/(5)得V0/V1＝W/2X-1 ....(6)格雷母线安装好后，当天线信号源不变时，由式(6)可知，当X＜100毫米范围内，V0/V1与X成线性关系。由于G0、L0的交叉间距相同且错开100毫米，故在100毫米间距的每个位置总有一个V0/V1比值对应，且这个比值不受环境噪音和接收信号电平波动的影响。
将V0、V1整流，A/D转换得数字量，V0、V1送入CPU，计算V0/V1，此比值对应于大地址内(0→100毫米)的一个地址，其检测精度为μ/m，m为大地址细分的等分数。理论上如果将V0/V1比值无限细分，可以获得非常高的检测精度，但是由于工艺条件的限制，地址细分数不可能很大，根据工程经验，细分数取20较好。例如，如果格雷母线得到的大地址精度为100毫米，细分数为20，则精密地址精度＝100/20＝5毫米。
所述线圈箱中包括主线圈和副线圈，如图6中所示，所述主线圈与副线圈参数一样，同向连接，主线圈距感应电缆信号辐射范围近，副线圈距感应电缆信号辐射范围远。由于主线圈与副线圈有距离差，对地址感应信号来说，两个线圈接收的信号强弱有差异；对干扰信号来说，两个线圈接收的信号强弱相当。信号强弱有差异；对干扰信号来说，两个线圈接收的信号强弱相当。这样，通过对G0线和L0线的采集和比较，既能够消除电源开、停过程中产生的电磁干扰，又不降低位置检测天线的接收灵敏度，较比同轴分布的差分线圈造成系统信噪比要低很多。
本实用新型的主要有益效果在于通过安装在起重臂的天线和敷设在起重臂轨道旁的格雷母线进行电磁耦合，通过移动站位置检测方式来传递起重臂的位置信息，同时通过安装在起重小车上的天线和敷设在起重小车轨道旁的格雷母线进行电磁耦合，通过固定站位置检测方式来传递起重小车的位置信息，使检测过程无机械性接触磨损；由于格雷母线芯线以格雷码方式交叉扭绞排列，保证格雷母线芯线全程无重叠的交叉点，能够在移动物体行走范围内连续地、高精度地检测绝对地址，检测精度达5毫米，完全可以满足起重机位置的精确定位的需求；而且由于格雷母线使用了特有的交叉扭绞结构及相位检测技术，能够消除电源开、停过程中产生的电磁干扰，也不受环境噪音和接收信号电平波动的影响，能够在诸如铁矿石场等恶劣环境条件中长期可靠的工作；此外，安装在室外的格雷母线、天线箱、始端箱、终端箱和段间箱采用非金属材料制作而且采用密封工艺，不怕雨水、灰尘，耐酸、碱腐蚀。
此外，所述感应环线按一定间隔沿格雷母线铺设，通过感应通信方式实现起重机与控制站的双向通讯，通过电磁耦合在信号发出和信号接收之间传送信息，使用频率键控(FSK)方式调制，使用相干解调，标准通信速率4800bps或9600bps，由于所述采用感应环线的感应通信方式为本领域常规技术，这里不再赘述。
以上对本实用新型所提供的起重机格雷母线通信定位系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
权利要求1. 一种起重机格雷母线通信定位系统，其特征在于包括与起重臂轨道并行的第一格雷母线和与起重小车轨道并行的第二格雷母线，所述第一格雷母线连接有地址编码发射/接收器，起重臂上设置有天线和与所述第一天线相连的地址编码接收/发射器，所述第二格雷母线连接有地址编码发射/接收器，起重小车上设置有第二天线和与所述第二天线相连的地址编码接收/发射器，所述格雷母线中包括至少两对芯线，其中一对为相互平行的基准线，其余各对地址线为每隔一个步长交叉一次的地址线，每对地址线的步长各不相同，分别为最小步长的2i倍，其中i＝0，1，2......。
2.根据权利要求1所述的起重机格雷母线通信定位系统，其特征在于所述与地址编码发射器或地址编码接收器相连的天线包括参数相同、方向相同的主线圈和副线圈，所述主线圈比副线圈与所述格雷母线之间的距离近。
3.根据权利要求1或2所述的起重机格雷母线通信定位系统，其特征在于还包括一个与所述格雷母线并行的感应环线，所述感应环线连接有感应通信单元，所述起重臂上设置有与天线相连的感应通信单元。
4.根据权利要求1或2所述的起重机格雷母线通信定位系统，其特征在于所述起重臂上的感应通信单元、与第一天线相连的地址编码接收/发射器和与所述第二格雷母线相连的地址编码接收/发射单元分别与一个可编程控制器相连。
5.根据权利要求1或2所述的起重机格雷母线通信定位系统，其特征在于所述格雷母线还包括与至少一对地址线步长相等，且错开半个步长的地址线。
6.根据权利要求1或2所述的起重机格雷母线通信定位系统，其特征在于所述格雷母线的最小步长为20～400毫米，较佳值为200毫米。
7.根据权利要求1或2所述的起重机格雷母线通信定位系统，其特征在于所述格雷母线的总长度为2n-1*W，其中，n为地址线的对数，W为最小步长。
专利摘要本实用新型涉及一种起重机的定位系统，特别是一种起重机格雷母线通信定位系统。通过安装在起重臂的天线和敷设在起重臂轨道旁的格雷母线进行电磁耦合，通过移动站位置检测方式来传递起重臂的位置信息，同时通过安装在起重小车上的天线和敷设在起重小车轨道旁的格雷母线进行电磁耦合，通过固定站位置检测方式来传递起重小车的位置信息，使检测过程无机械性接触磨损，能够实现起重机的自动走行、自动堆取料，防止起重机两端掉道，防止起重机发生碰撞等事故。
文档编号B66C1/36GK2915813SQ20062001220
公开日2007年6月27日 申请日期2006年4月18日 优先权日2006年4月18日
发明者张明华, 梁能志, 黎宁 申请人:武汉利德测控技术股份有限公司