一种提高起重机制动下滑量精度的测量方法及装置与流程
本发明属于起重机机械领域，涉及起重机运行状态的检测，尤其涉及一种提高起重机制动下滑量精度的测量方法及装置。
背景技术
随着现代社会的发展，起重运输机械已被广泛应用于物料的起重，运输，装卸等领域，大大减少了劳动强度，提高了劳动效率。但在为人们创造利益和提供便利的同时，起重机的安全问题也日益凸显。起重机制动下滑量是起重机安全性能检测中的一项重要指标，在实际生产中需要对起重机的制动下滑量经常进行检测，以保证安全生产。按照国家标准，如果制动下滑量超出标准允许的范围，则需要对起重机进行维修。但是，现有的起重机制动下滑量检测仪结构组成及安装使用复杂，价格昂贵，不能得到广泛的应用。
目前对起重机下降制动距离的检测，一方面是采用目测，米尺，秒表等进行人工估测计算，另一方面是使用超声波测距进行估测或微电机进行测量。第一种方法测试人力成本高，人眼判读误差大，而且操作麻烦，极容易受环境因素和人为因素影响；而另一方面的超声波测距方法存在延时，容易受环境影响，如环境的不平整，人为测试过程的震动等，导致测量存在误差，并且微电机测量方法电路复杂，制作成本高，也不是理想的测距方法，仪器自身也存在误差，精确度都不高，导致起重机制动下滑量与实际下滑量误差较大，存在安全隐患。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提供了一种提高起重机制动下滑量精度的测量方法及装置，该测量方法通过滤波处理、消除采样误差处理和积分处理得到的数据更加精确，同时该测量装置采用的电子元件更少、结构简单、操作方便、价格低、安装使用简便。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
本发明提出了一种提高起重机制动下滑量精度的测量方法，包括以下步骤：
s1：控制加速度传感器开始采集起重机下降制动时的加速度数据；
s2：时间同步模块接收制动指令同时记录制动初始时间t1，并将制动初始时间t1发送至下位机，待起重机完全停止再过3秒钟后，加速度传感器停止采集加速度数据；
s3：将步骤s2采集的所有加速度数据发送至下位机，下位机对所有加速度数据依次进行s301滤波处理、s302消除采样误差处理和s303积分处理，得到制动下滑量。
进一步的，步骤s301滤波处理具体包括：
s3011：异常数据识别：下位机接收所有加速度数据后，将所有加速度数据进行相互比较，识别出差异变化明显的加速度数据，将其定义为异常数据，并记录该异常数据的采样时间，将识别完成后的加速度数据传输至存储模块进行临时存储；
s3012：滤波处理：对识别完成后的加速度数据执行低通滤波处理，去除异常数据，得到平滑的加速度波形；
s3013：数据替换：在所述加速度波形中找出与步骤s3011中得到的所有异常数据的采样时间对应的加速度数据，匹配采样时间替换所有异常数据，得到稳定的加速度数据。
进一步的，步骤s302消除采样误差处理具体包括：根据所述稳定的加速度数据的采样时间，计算每个采样时间的间隔面积，其计算方法为：s＝min(an，an-1)×t+|an-an-1|×t/2，其中，s为第n个采样时间的间隔面积，an为第n次采样的加速度数据，an-1为第n-1次采样的加速度数据，t为采样时间，n为大于1的正整数。
进一步的，步骤s303积分处理具体包括：
s3031：将每个采样时间的间隔面积s进行累计求和，得到下滑速度，其中，
s3032：对下滑速度进行积分，得到下滑制动量，其中，
进一步的，所述步骤s1具体包括：下位机接收上位机发出的检测指令并控制加速度传感器开始采集数据，在t0时刻启动处于高处的起重机，待其稳定下降后，控制台在t1时刻发送制动指令使起重机制动。
进一步的，在步骤s1前还包括步骤s0：将加速度传感器及下位机安装在起重机的吊钩下面，通过控制台启动起重机将带有重物的吊钩升至高处。
进一步的，还包括步骤s4：将得到的制动下滑量数据通过无线传输方式发送至上位机，完成数据的可视化。
在本发明的另一方面，提出了一种提高起重机制动下滑量精度的测量装置，该测量装置用以实现前述测量方法，包括：下位机、加速度传感器、存储模块、时间同步模块、电源管理模块、wifi模块和上位机，其中，
所述加速度传感器和下位机设置于起重机的吊钩下面，且所述加速度传感器与所述下位机相连，将采集到的起重机下降制动过程中所有加速度数据传送至所述下位机；
所述下位机包括：相连的滤波处理单元、消除采样误差处理单元和积分处理单元，用于对所有加速度数据依次进行滤波处理、消除采样误差处理和积分处理，得到制动下滑量；
所述存储模块与所述下位机相连，用于增加所述下位机的数据存储容量；
所述时间同步模块与控制台相连且通过所述wifi模块与所述下位机相连，将记录的起重机制动初始时间通过wifi发送至下位机作为积分处理的下限；
所述电源管理模块与所述下位机相连；
所述上位机通过所述wifi模块与所述下位机相连，用于实现与所述下位机的信息交互。
进一步的，所述时间同步模块包括：单片机组成的时间同步电路及wifi模块。
进一步的，所述上位机为手持控制器，其包括：tft液晶屏、按键、外壳、电池、单片机处理电路和wifi模块，用于控制下位机，并将接收到的处理后得到的制动下滑量数据可视化。
本发明的有益效果至少包括：本发明所述提高起重机制动下滑量精度的测量方法及装置，该测量方法通过滤波处理、消除采样误差处理和积分处理得到的数据更加精确，避免了安全隐患，同时该测量装置采用的电子元件更少、结构简单、操作方便、价格低、安装使用简便；此外，本发明还是一种制动器安全保护性能及其调节状况的评估装置，若测试后发现下滑量超出规定范围，则应停止该起重机的作业并进行检修，及时消除潜在危险，避免可能造成的损失。
附图说明
图1为本发明测量方法流程图。
图2为本发明测量方法框图。
图3为本发明滤波处理第一分析图。
图4为本发明滤波处理第二分析图。
图5为本发明滤波处理第三分析图。
图6为本发明消除采样误差处理第一曲线分析图。
图7为本发明消除采样误差处理第二曲线分析图。
图8为本发明制动下滑量的加速度曲线图。
图9为本发明制动下滑量的速度曲线图。
图10为本发明制动下滑量的高度曲线图。
图11为本发明测量装置结构示意图。
图12为本发明下位机内部结构示意图。
其中，下位机1、滤波处理单元101、消除采样误差处理单元102、积分处理单元103、加速度传感器2、存储模块3、时间同步模块4、电源管理模块5、wifi模块6、上位机7、控制台8、起重机9。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
根据本发明的实施例，图1为本发明测量方法流程图，图2为本发明测量方法框图。参照图1和2所示，本发明提高起重机制动下滑量精度的测量方法，主要包括以下步骤。
s1：控制加速度传感器开始采集起重机下降制动时的加速度数据；根据本发明的一些实施例，更具体的，下位机接收上位机发出的检测指令并控制加速度传感器开始采集数据，在t0时刻启动处于高处的起重机，待其稳定下降后，控制台在t1时刻发送制动指令使起重机制动。
可以理解的是，在起重机工作前，即在步骤s1前还包括设备安装工作步骤s0：将加速度传感器及下位机安装在被测对象起重机的吊钩下面，通过控制台启动起重机将带有重物的吊钩升至高处。
s2：时间同步模块接收制动指令同时记录制动初始时间t1，并将制动初始时间t1发送至下位机，待起重机完全停止再过3秒钟后，下位机接收上位机发出的停止检测指令并控制加速度传感器停止采集加速度数据。
s3：将步骤s2采集的所有加速度数据发送至下位机，下位机对所有加速度数据依次进行s301滤波处理、s302消除采样误差处理和s303积分处理，得到制动下滑量。
本发明测量方法还可以包括步骤s4：将得到的制动下滑量数据通过无线传输方式发送至上位机，完成数据的可视化，将测量结果以最直观的方式在液晶屏上显示出来。
根据本发明的具体实施例，在数据采集到数据分析这一过程中，导致实际测量结果产生干扰和误差的可能至少包括以下3个，在实际测量时需要消除这些干扰：1、采集到的信息有噪声干扰，需要滤波，对信号进行积分时减少大部分的错误，因此本发明设置了滤波处理单元，消除上述第1点可能所带来的测量误差；2、数据采集后需要准确判断真正的下滑起始时间，如果只取加速度发生变化的时间为起始时间可能会存在很大的误差，采集数据时采样时间对采集到的数据有很大影响，进而影响积分，因此，本发明增设了时间同步模块，消除上述第2点可能所带来的测量误差。3、仪器自身的误差，通过消除采样误差处理单元，消除上述第3点可能所带来的测量误差。因此，通过本发明测量方法，得到的起重机制动下滑量数据更加精确，误差更小，可以避免存在的安全隐患。具体方法的分析步骤如下所述。
根据本发明的具体实施例，图3为本发明滤波处理第一分析图，采集到的信息有噪声干扰，会产生很多尖锋毛刺，将这些毛刺或其他干扰引起的数据定义为异常数据，如图3所示，这些毛刺不仅影响采集数据的真实波形或分布情况，而且在对其进行分析计算时会造成很大的误差，需要对这些数据进行平滑处理，得到原始波形以减小测量误差，因此，本发明所述步骤s301滤波处理具体包括以下步骤。
s3011：异常数据识别：下位机接收所有加速度数据后，将所有加速度数据进行相互比较，识别出差异变化明显的加速度数据，将其定义为异常数据，并记录该异常数据的采样时间，将识别完成后的加速度数据传输至存储模块进行临时存储。
可以理解的是，在进行异常数据识别时，首先通过存储的算法对它进行异常数据判断处理，具体步骤为：从收集到的第一个数据开始，与其后面的每一个数据进行对比，在大多数数据都平缓变化的情况下，找出与相邻数据变化或者差异变化巨大的数据，并将其定义为异常数据，如图3所示的异常数据e，并记录该数据的采样时间t，随后将分析识别完成后的加速度数据传输至存储模块进行临时存储。
在进行完所述步骤s3011异常数据识别后，对数据进行滤波处理，去除异常数据，得到原始真实波形或数据，减小计算时的误差。低通滤波是消除加速度计中信号噪音(包括机械的和电子的)很好的方法，因此在对加速度进行计算前对其进行滤波处理；一个简单的低通过滤采样信号的方式是采用fir低通滤波器。采用fir低通滤波器即有限长单位脉冲响应滤波器，是数字信号处理中基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时具有严格的线性相频特性，同时其单位冲激响应是有限的，没有输入到输出的反馈，是稳定的系统。
在进行完所述步骤s3011异常数据识别后，进行所述步骤s3012滤波处理：对识别完成后的加速度数据执行低通滤波处理，使其通过fir滤波器，去掉高频的毛刺或噪声，即去除异常数据，得到平滑的加速度波形，图4为本发明滤波处理第二分析图，如图4中矩形上方的连续波形所示。
然后进行所述步骤s3013数据替换：由于滤波后的数据是平滑、连续的波形，而原加速度采样数据是离散的，a-t的关系图为直方图，如图3所示，且后面的消除采样误差处理中也是对直方图中每个采样数据进行面积计算，所以在完成滤波后，需要替代原数据中的异常数据，进而进行下一步的计算。更具体的，步骤如下：在所述加速度波形中找出与步骤s3011中得到的所有异常数据的采样时间t对应的加速度数据，匹配对应的采样时间，用加速度波形中的加速度数据替换所有异常数据，最终得到与实际加速度采样数据分布情况相同并消除了噪声、毛刺等干扰的加速度数值，得到稳定的加速度值，图5为本发明滤波处理第三分析图，该稳定的加速度值a与时间t的关系如图5所示。
根据本发明的一些实施例，确定合适的采样时间和采样次数，减小采样误差和错误，不同的采样时间采集到的数据与实际值比有不同的差别，采样后不同的计算方法影响计算出的测量距离，与实际值存在偏差，采样错误产生的分析如下：对一个信号采样，得到该信号大小的瞬时值，得到连续的波形。但由于实际情况中采样时间t不可能无限接近于0，即每次采样时是会采集到一段时间的数值，即得到一个小的区域，可以理解为具有时间间隔。理论上加速度值与时间的波形图应该为连续的、平滑的波形，所以为了尽量接近理论值采样时间需要尽可能地小，而为了获得连贯的值采样时间t必须相同，如图4所示。采样时间t代表这块区域间隔的宽，同时采样得到的加速度值代表区域的高，可以理解的是，每个区域间隔内采集到的加速度值是相同的。
为了消除带有分数的乘法，我们假定时间为一个单位(微秒或毫秒)，如图4所示，如果采样时间趋近于0，积分的值可以约等于波形曲线区域面积之和，即在制动时间t1至t2内，对波形曲线的积分，该积分得到的面积之和也就是需要计算的下滑速度，再次进行积分就可得到我们需要的距离，但是实际测量中采样实际不可能无限趋近于0，如上所述，如果直接采用图中每个矩形的面积的和当作积分结果，与理论值相比，将会产生如下错误，图6为本发明消除采样误差处理第一曲线分析图，如图6所示，即每一个小矩形区域的面积都比积分理论值多出了错误区域a的面积，并且在处理的过程中，这个误差将会一直累积，上面每一个错误区域中的面积即比真实加速度积分结果数值要大，当这些错误一直累加时，会对结果产生很大的误差，所有矩形面积之和，即速度将比实际速度多了错误区域a的面积之和个单位。
根据本发明的实施例，图7为本发明消除采样误差处理第二曲线分析图，参照图7所示，为了减少这些错误，我们再做进一步的分析得出，波形曲线下方的每个区域能够看成由两块小的区域的组合，区域b是前一次(第n-1次)采样的加速度值(方形)，区域c是一个三角形，是前一次(第n-1次)采样值和当前(第n次)采样值之差的一半：通过这种方法，我们现在有一个一阶近似(插值)的信号，即本发明所述步骤s302消除采样误差处理具体包括：根据所述稳定的加速度数据的采样时间，计算每个采样时间t的间隔面积，其计算方法为：s＝min(an，an-1)×t+|an-an-1|×t/2，其中，s为第n个采样时间的间隔面积，an为第n次采样的加速度数据，an-1为第n-1次采样的加速度数据，t为采样时间，n为大于1的正整数。
可以理解的是，对于函数min(an，an-1)为本领域常规的算法函数，取两个值中的小值。同时，对于采样次数n,若为1次，则失去了其通过采样多次提高测量数据精度的意义，因此，本发明所述采样次数为多次。在使用积分计算距离前对传感器的采集数据使用上述方法进行处理，可以极大的减少采样误差对结果造成的影响。
根据本发明的实施例，图8为本发明制动下滑量的加速度曲线图，图9为本发明制动下滑量的速度曲线图，图10为本发明制动下滑量的高度曲线图，本发明步骤s303积分处理具体包括：s3031：将每个采样时间的间隔面积s进行累计求和，即得到下滑速度，其中，
根据本发明的另一些实施例，在数据采集到数据分析这一过程中，导致实际测量结果产生干扰和误差的可能还包括：4.加速度传感器z轴的敏感度和零点存在很大的误差和不稳定性，需要校正；5.加速度传感器可能存在三轴之间的不垂直性，需要校正。因此，本发明在进行采集数据后，进行本发明的前述测量方法之外，为再一步提高数据的精确度，还可以进行上述第4点和第5点的校正方法，其具体步骤为本领域常规手段，此处不再赘述。
在本发明的另一方面，提出了一种提高起重机制动下滑量精度的测量装置，该测量装置用以实现前述测量方法，图11为本发明测量装置结构示意图，参照图11所示，包括：下位机、加速度传感器、存储模块、时间同步模块、电源管理模块、wifi模块和上位机。
根据本发明的实施例，所述加速度传感器和下位机设置于起重机的吊钩下面，且所述加速度传感器与所述下位机通过高速串行接口相连，将采集到的起重机下降制动过程中所有加速度数据传送至所述下位机。
根据本发明的一些实施例，所述加速度传感器为mma8451数字式三轴加速度传感器，这是一款低电压供电，电容式微机械传感器，其最高精度可达14位。传感器采用qfn封装，灵活的可编程选项，拥有两个可配置的中断端口，使用i2c串行通信协议和下位机进行通信。主要功能是完成制动下滑时加速度变化数据的采集。
根据本发明的实施例，图12为本发明下位机内部结构示意图，参照图12所示，所述下位机包括：相连的滤波处理单元、消除采样误差处理单元和积分处理单元，用于对所有加速度数据依次进行滤波处理、消除采样误差处理和积分处理，得到制动下滑量。
根据本发明的一些实施例，所述下位机为stm32f407微控制器，性能高功耗低，主要功能是接收加速度传感器的信号和数据，并完成无线数据解析与执行、传感器信号判定、下滑量数据处理，与上位机的通信、传送数据等。
根据本发明的实施例，所述存储模块与所述下位机通过高速串行接口相连，主要用于存储数据处理分析的算法及程序，加速度传感器数据及其处理结果等；本发明通过另设一个或多个所述存储模块，用于增加所述下位机的数据存储容量。
根据本发明的实施例，所述时间同步模块与控制台通过有线方式相连且通过所述wifi模块与所述下位机通过高速串行接口相连，将记录的起重机制动初始时间通过wifi发送至下位机作为积分处理的下限。
根据本发明的一些实施例，所述时间同步模块包括：单片机组成的时间同步电路及wifi模块，可以理解的是，本发明所述单片机组成的时间同步电路为本领域常用电路。
根据本发明的实施例，所述电源管理模块与所述下位机相连；
根据本发明的实施例，所述上位机通过所述wifi模块与所述下位机相连，用于实现与所述下位机的信息交互。
根据本发明的一些实施例，所述上位机为手持控制器，其包括：tft液晶屏、按键、外壳、电池、单片机处理电路和wifi模块，用于控制下位机，并将接收到的处理后得到的制动下滑量数据可视化。
根据本发明的一些实施例，所述wifi模块采用atk-esp8266，该模块支持标准的ieee802.11b/g/n协议，完整的tcp/ip协议栈。用户可以使用该模块为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。主要功能是接收下位机和时间同步模块传送的数据并与上位机进行通信，将接收到的数据发送到上位机，或者接收上位机发送的数据或信号，再传送到下位机中，即实现数据信息的交互。
发明人发现，本发明所述提高起重机制动下滑量精度的测量方法及装置，该测量方法通过滤波处理、消除采样误差处理和积分处理得到的数据更加精确，避免了安全隐患，同时该测量装置采用的电子元件更少、结构简单、操作方便、价格低、安装使用简便；此外，本发明还是一种制动器安全保护性能及其调节状况的评估装置，若测试后发现下滑量超出规定范围，则应停止该起重机的作业并进行检修，及时消除潜在危险，避免可能造成的损失。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体实施例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！