起重机臂的姿态和方向参考系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般地设及一种姿态和方向参考系统，W及更特别地设及用于起重机臂的 姿态和方向参考系统。
【背景技术】
[0002] 塔式起重机被用在种种环境中。两个更常见的环境是建筑工地和造船厂，因为运 种类型的起重机提供了高度和起重能力的结合。塔式起重机典型地包括基座、立柱(mast) 和起重机臂。基座被固定到地面，并且也与立柱相连接。回转单元与立柱相连接并被用于使 起重机旋转。此外，起重机臂包括承载部分、平衡臂(counter j ib)部分和操作室。
[0003] 起重机臂的承载部分通常携带负载。平衡臂部分与承载部分相连接，并且在承载 部分携带负载的同时携带配重W平衡起重机臂。操作室通常位于立柱的顶部附近，并且可 W附着到起重机臂。然而，其他塔式起重机可W将操作室安装在立柱下方的中途。不论操作 室的具体位置，起重机操作者坐在操作室中并且控制起重机。在一些情况下，起重机操作者 可W从地面远程控制一台或多台塔式起重机。
[0004] 在一些环境中，多台塔式起重机可W相对靠近地操作。因此，虽然未必可能，但是 已经假定的是，两台或者多台塔式起重机的起重机臂可能碰撞。因此，需要一种碰撞避免/ 警告系统，该系统能够确定在特殊场地处工作的起重机自身的起重机臂和其他起重机臂的 Ξ维(3D)角度方向（例如姿态和方向角）。本发明至少致力于运个需求。
【发明内容】
[000引在一个实施例中，一种确定起重机臂的姿态和方向角的方法包括:感测起重机臂 的角速度、感测起重机臂的滚动角、感测起重机臂的俯仰角、感测作用在起重机臂的一部分 上的比力、W及感测至少紧接起重机臂的局部磁场。感测到的起重机臂的角速度、感测到的 起重机臂的滚动角、感测到的起重机臂的俯仰角、感测到的比力、W及感测到的局部磁场都 被提供给处理器。在处理器中，根据感测到的起重机臂的角速度和感测到的比力来计算起 重机臂的平移速度，W及使用计算的起重机臂的平移速度和感测到的起重机臂的角速度来 计算起重机臂的加速度。使用计算的起重机臂的加速度来从感测到的起重机臂的滚动角和 感测到的起重机臂的俯仰角中去除起重机臂的加速度分量，W及由此提供修正的起重机臂 的滚动角测量和修正的起重机臂的俯仰角测量。将校准参数应用到感测到的局部磁场，由 此提供校准的磁场测量。根据校准的磁场测量结果来计算起重机臂的方向角。使用修正的 起重机臂的滚动角测量、修正的起重机臂的俯仰角测量、和计算的起重机臂的方向角来估 计起重机臂的姿态和方向角。
[0006]在另一个实施例中，一种起重机臂的姿态和方向参考系统，包括多个起重机臂角 速度传感器、多个比力传感器、倾斜计、多个磁力计、w及处理器。每个起重机臂角速度传感 器被配置成感测起重机臂的角速度并且提供表示起重机臂的角速度的角速度信号。每一个 比力传感器被配置成感测作用在起重机臂上的比力并且提供表示该比力的比力传感器信 号。倾斜计被配置成感测起重机臂的滚动角和起重机臂的俯仰角并且提供表示该起重机臂 的滚动角和起重机臂的俯仰角的倾斜计信号。每一个磁力计被配置成感测至少紧接起重机 臂的局部磁场并且提供表示该局部磁场的磁力计信号。处理器被禪合W接收角速度信号、 比力传感器信号、倾斜计信号和磁力计信号，并响应于此而被配置为:根据感测到的起重机 臂的角速度和感测到的比力来计算起重机臂的平移速度、使用计算的起重机臂的平移速度 和感测到的起重机臂的角速度来计算起重机臂的加速度、使用计算的起重机臂的加速度来 从感测到的起重机臂的滚动角和感测到的起重机臂的俯仰角中移除起重机臂的加速度分 量，W及由此提供修正的起重机臂的滚动角测量和修正的起重机臂的俯仰角测量，将校准 参数应用到感测到的局部磁场，W由此提供校准的磁场测量，根据校准的磁场测量来计算 起重机臂的方向角，W及使用修正的起重机臂的滚动角测量、修正的起重机臂的俯仰角测 量、和计算的起重机臂的方向角来估计起重机臂的姿态和方向角。
[0007] 在又一个实施例中，一种起重机臂的姿态和方向参考系统，包括多个起重机臂角 速度传感器、倾斜计、多个加速计、多个磁力计、显示设备和处理器。每个起重机臂角速度传 感器被配置成感测起重机臂的角速度并且提供表示该起重机臂的角速度的角速度信号。倾 斜计被配置成感测起重机臂的滚动角和起重机臂的俯仰角并且提供表示该起重机臂的滚 动角和起重机臂的俯仰角的倾斜计信号。每个加速计被配置成感测作用在检验质量 (proofmass)上的力并且提供表示该力的比力传感器信号。每个磁力计被配置成感测至少 紧接起重机臂的局部磁场并且提供表示该局部磁场的磁力计信号。处理器被禪合到显示设 备并且进一步被禪合W接收角速度信号、倾斜计信号、比力信号和磁力计信号。在接收角速 度信号、倾斜计信号、比力信号和磁力计信号时处理器被配置:使用感测到的作用在验证质 量上的力、重力和加速计偏差的预测来计算修正的加速度计测量、使用感测到的角速度和 角速度传感器偏差的预测来计算修正的角速度测量、使用修正的角速度测量来计算起重机 臂平移速度的估计值、根据倾斜计信号和起重机臂平移速度的估计值来计算修正的起重机 的滚动角和俯仰角、根据磁力计信号来计算起重机臂的方向角，实现第一滤波器，该第一滤 波器接收计算的起重机臂的速度的估计值、计算起重机臂的速度的预测、W及计算加速计 偏差的预测，实现第二滤波器，该第二滤波器接收修正的起重机臂的滚动角和俯仰角的计 算值和起重机臂的方向角的计算值、计算角速度传感器偏差的预测、W及确定起重机臂的 姿态和方向角，W及对显示设备提供图像擅染显示命令，该图像擅染显示命令使得显示设 备能够在其上擅染起重机臂姿态和方向角。
[0008] 此外，起重机臂的姿态和方向系统及方法的其他期望的特征和特性将根据随后的 详细描述和所附的权利要求书，连同附图和先前的背景而变得清楚。
【附图说明】
[0009] 在下文中将结合W下附图对本发明进行描述，其中相同的附图标记表示相同的元 件，其中：
[0010] 图1描绘了塔式起重机的一个实施例的侧视图；
[0011]图2描绘了可w用于图1的塔式起重机中的起重机臂的姿态和方向参考系统 (AHRS)的功能框图；
[001引图拟流程图的方式描绘了由图2的起重机臂AHRS所实现的过程；
[0013] 图4描绘了在执行图3的过程时更详细地描绘的具有在处理器内实现的各种功能 的图2的起重机臂AHRS。
【具体实施方式】
[0014] 接下来的详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或者本发明的应 用和使用。如在运里所使用的，词语"示例性"意味着"用作例子、实例或者说邸'。因此，在运 里被描述为"示例性"的任何实施例不必被解释为比其他实施例优选或者有利。在运里所描 述的所有实施例都是提供来使得本领域技术人员能够制造或使用本发明的示例性实施例， 并且不限制由权利要求所限定的本发明的范围。此外，不意在由先前的技术领域、背景、简 要概要或者下面的详细说明中所呈现的任何表达的或暗示的理论所限制。在运点上，尽管 姿态和方向参考系统在运里被描述为与塔式起重机一起实现，但将理解的是，其能够与诸 如俯仰式起重机之类的其他类型的起重机一起实现。
[0015] 首先参照图1，描绘了塔式起重机100的一个实施例的侧视图。描绘的起重机100是 塔式起重机，尽管还可W使用许多其他类型的起重机中的任一类型。描绘的起重机100包括 基座102、立柱104和回转单元106。基座被固定到表面108,比如地面，并且被用于支撑构成 塔式起重机100的部件的剩余部分。可被实现为可调高度的立柱的立柱104在一端禪合到基 座102。回转单元106旋转地禪合到立柱104的相反端，并且