本實(shí)用新型屬于起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種針對起重機(jī)制動下滑量的軟測量裝置。

背景技術(shù)：

起重運(yùn)輸機(jī)械，是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移動重物的機(jī)電設(shè)備。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，起重運(yùn)輸機(jī)械已被廣泛應(yīng)用于物料的起重、運(yùn)輸、裝卸、安裝和人員輸送等領(lǐng)域。它不僅大大減少了勞動強(qiáng)度，還有效提高了勞動效率。然而，在為人們創(chuàng)造利益和提供便利的同時，起重運(yùn)輸機(jī)械的安全問題也日益凸現(xiàn)。如何使得起重運(yùn)輸機(jī)械安全高效的運(yùn)行，成為安全生產(chǎn)的重中之重。

起重機(jī)的作用是把貨物快速高效安全的吊運(yùn)至目標(biāo)位置，起重機(jī)的吊重與小車通過鋼絲繩柔性連接，該連接方式不但可以承受起吊和搬運(yùn)重物時的瞬時沖擊，還可以承受不同種類交變負(fù)載的作用。但該方式也會導(dǎo)致在起升、搬運(yùn)和制動過程中，由于鋼絲繩自身形變出現(xiàn)落點(diǎn)不準(zhǔn)確的情況。實(shí)際生產(chǎn)中，起升機(jī)構(gòu)制動性能的優(yōu)劣對起重機(jī)安全運(yùn)行起著決定性作用，而起重機(jī)制動下滑量是評價制動性能優(yōu)劣的一項重要指標(biāo)。另外，在柔性鋼絲繩的作用下，吊重系統(tǒng)做起升和制動動作時會出現(xiàn)擺動現(xiàn)象，這不僅嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，甚至威脅周邊工作人員和其他起重機(jī)的安全作業(yè)。

目前，對制動下滑量的檢測一般是在對起重機(jī)定期檢測時進(jìn)行。主要是通過基于行程開關(guān)控制的檢測裝置、基于光控繼電器的檢測裝置或者是通過基于壓力傳感器和非接觸測距傳感器的在線檢測裝置進(jìn)行測量。檢測裝置在每次起重機(jī)制動下滑量檢測使用時，均需重復(fù)對起重機(jī)載荷、制動控制器進(jìn)行機(jī)械和電路改造，安裝較復(fù)雜、不易拆卸與攜帶，操作繁瑣、效率低下，難以滿足高效率的起重機(jī)制動下滑量定期檢測需求；同時對起重機(jī)機(jī)械和電路改造，也造成了安全隱患，一直備受詬病。而且，定期檢測的周期通常較長，在這期間如果因制動性能劣化出現(xiàn)安全隱患就不能及時地發(fā)現(xiàn)，會嚴(yán)重威脅起重機(jī)的安全運(yùn)行。另外，起重機(jī)的數(shù)據(jù)不能遠(yuǎn)距離傳輸，操作人員也不能在操作間實(shí)時的了解到起重機(jī)的運(yùn)行狀況。

雖然當(dāng)前也有利用加速度計的軟測量方法，這類方法主要將吊鉤和重物運(yùn)動信息作為測試對象，由過上位機(jī)作為控制、計算和運(yùn)行平臺。系統(tǒng)向起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)發(fā)送控制吊鉤和重物運(yùn)動指令的同時，利用加速度計測量重物運(yùn)動過程中的線加速度值。上位機(jī)在接收數(shù)據(jù)之后對其進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得重物的速度信息，隨后再次進(jìn)行一次積分運(yùn)算，方可獲取重物的位置信息。該方法智能化程度高，易于實(shí)現(xiàn)。雖然加速度計的測量精度較高，但是由于積分過程中受到“平移項”和“趨勢項”的影響，本方法所得結(jié)果常常會在兩次積分后出現(xiàn)失真。

因此，目前急需一套能夠及時甚至實(shí)時地對起重機(jī)制動性能進(jìn)行精確測量、評價的方法，以便及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于動力學(xué)模型的起重機(jī)制動下滑量軟測量裝置。

首先，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，提供一種起重機(jī)制動下滑量軟測量裝置，包括放置在起重機(jī)吊鉤上與重物接觸位置的數(shù)據(jù)采集器和與所述數(shù)據(jù)采集器連接的數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)采集器由順序串聯(lián)的MEMS傳感器、主控制模塊和通信管理模塊組成，通信管理模塊作為數(shù)據(jù)采集器的輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊連接；

所述MEMS傳感器用以對起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度和角速度信息進(jìn)行采樣；

所述主控制模塊用以控制MEMS傳感器并存儲采集到的加速度和角速度信息；

所述通信管理模塊用以在主控制模塊控制，負(fù)責(zé)將加速度和角速度信息傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊；

數(shù)據(jù)處理模塊用以根據(jù)MEMS傳感器采集到的起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度和角速度信息進(jìn)行非線性動力學(xué)微分方程組的求解運(yùn)算，得到繩長變化值和角度變化值，即得到起重機(jī)制動下滑量。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型裝置中，所述的MEMS傳感器采用MPU-9255數(shù)據(jù)采集芯片，MPU-9255數(shù)據(jù)采集芯片輸出端通過IIC總線(即Inter-Integrated Circuit，集成電路總線)與主控制模塊連接，MPU-9255數(shù)據(jù)采集芯片的時鐘總線與主控制模塊連接，兩者時鐘保持同步。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型裝置中，所述的主控制模塊采用MSP430單片機(jī)芯片，MSP430單片機(jī)芯片外設(shè)有時鐘電路、復(fù)位電路和JTAG接口(即Joint Tes t Action Group；聯(lián)合測試工作組接口)，MSP430單片機(jī)芯片通過IIC總線與ME MS傳感器連接，通過UART串口(即Universal Asynchronous Receiver/Trans mitter，通用異步收發(fā)傳輸器)與通信管理模塊連接。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型裝置中，所述的通信管理模塊采用WizFi210模塊，WizFi210模塊通過基于串口的異步收發(fā)傳輸器與數(shù)據(jù)處理模塊連接；或者通過TCP/IP協(xié)議(即Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又名網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議)與數(shù)據(jù)處理模塊連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型裝置中，所述的數(shù)據(jù)采集器中設(shè)有太陽能電池板，太陽能電池板采集電能，并同時連接MEMS傳感器、主控制模塊和通信管理模塊，為其供電。

本實(shí)用新型裝置中的數(shù)據(jù)采集器和與所述數(shù)據(jù)采集器連接的數(shù)據(jù)處理模塊按照如下方式進(jìn)行測量：

第一步，初始化：對MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)，Microelectro Mechanical Systems)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，完成初始化；

第二步，采樣：通過MEMS傳感器對起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度和角速度信息進(jìn)行采樣，存儲起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度和角速度，并將吊重瞬間加速度和角速度信息傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊；

第三步，求解如下由第一拉格朗日方程和第二拉格朗日方程聯(lián)立的吊重系統(tǒng)非線性動力學(xué)微分方程組，得到繩長變化值和角度變化值，即為起重機(jī)制動下滑量：

其中，為鋼絲繩長度變化量關(guān)于時間t的微分，即所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度，g為重力加速度，θ為吊重擺角，m為吊重質(zhì)量，x為鋼絲繩長變化量，為所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間角速度，k為鋼絲繩彈性系數(shù)，l₀為制動瞬間鋼絲繩長度，為吊重擺角變化加速度，Q為風(fēng)載荷作用力，Q＝CK_hqA，C為風(fēng)力系數(shù)，K_h為風(fēng)壓高度系數(shù)，q為計算風(fēng)壓，q＝0.613v²，其中v為計算風(fēng)速，A為吊重垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積。

吊重系統(tǒng)非線性動力學(xué)微分方程組由兩個拉格朗日方程組成。其中第一拉格朗日方程為：其中，為鋼絲繩長度變化量關(guān)于時間t的微分，即所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度，g為重力加速度，θ為吊重擺角，m為吊重質(zhì)量，x為鋼絲繩方向的變化量，為所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的角速度，k為鋼絲繩彈性系數(shù)，l₀為制動瞬間鋼絲繩長度。其中Q為風(fēng)載荷作用力，Q＝CK_hqA，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》，Q＝CK_hqA中C為風(fēng)力系數(shù)，起吊重物表面光滑的箱型梁、司機(jī)室、平衡重、鋼絲繩、物品等一般取值1.2；K_h為風(fēng)壓高度系數(shù)，離地高度0-10m時取1.0；q為計算風(fēng)壓，單位為N/m²，通過q＝0.613v²計算得到，其中v為計算風(fēng)速，通過查詢風(fēng)力風(fēng)速對應(yīng)表確定具體取值；A為起重機(jī)或物體垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積，單位為m²。其中重力加速度g的取值范圍依據(jù)測量所在地位置而確定，一般情況為9.8-10.2m/s²，吊重質(zhì)量m、鋼絲繩彈性系數(shù)k、制動瞬間鋼絲繩長度l₀為已知量。

第二拉格朗日方程為：其中為吊重擺角變化加速度；

將第一拉格朗日方程和第二拉格朗日方程聯(lián)合得到吊重系統(tǒng)的非線性動力學(xué)微分方程組將制動瞬間鋼絲繩長度l₀、第二步中采集的吊重瞬間加速度值和角速度信息帶入吊重系統(tǒng)的非線性動力學(xué)微分方程組中，計算得到繩長變化值和角度變化值，即為起重機(jī)制動下滑量。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型中還需要對MEMS傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定的過程如下：

步驟101，分別將MEMS傳感器延x軸正負(fù)方向、y軸正負(fù)方向、z軸正負(fù)方向六個方向移動，分別在所述六個方向置各采集一組靜態(tài)數(shù)據(jù)，每組靜態(tài)數(shù)據(jù)均包括：x軸實(shí)際的加速度值A(chǔ)_x，y軸實(shí)際的加速度值A(chǔ)_y，z軸實(shí)際的加速度值A(chǔ)_z，x軸加速度計輸出的電壓值V_x，y軸加速度計輸出的電壓值V_y，z軸加速度計輸出的電壓值V_z。具體的數(shù)據(jù)采集步驟如下：當(dāng)將MEMS傳感器沿X軸正方向移動時，采集一組靜態(tài)數(shù)據(jù)，該組數(shù)據(jù)包含x軸實(shí)際的加速度值，y軸實(shí)際的加速度值，z軸實(shí)際的加速度值。然后以同樣的方法將MEMS傳感器沿x軸負(fù)方向，y軸正負(fù)方向，z軸正負(fù)方向移動，分別采集另外五組靜態(tài)數(shù)據(jù)。其中，各組數(shù)據(jù)之間采集時只需盡量使得MEMS傳感器的初始位置及終止位置一致。由于只需要獲得沿某方向移動時的一組數(shù)據(jù)，對MEMS傳感器具體位置坐標(biāo)要求并不是很嚴(yán)格。

步驟102，將步驟101中的6組靜態(tài)數(shù)據(jù)分別帶入加速度計誤差模型：

加速度計誤差模型中，E_ij(i＝x、y、z,j＝x、y、z,i≠j)表示兩個方向上的加速度計安裝誤差系數(shù)，其中下標(biāo)i，j代表加速度計安裝誤差系數(shù)所針對的方向。

步驟103，利用最小二乘法計算出加速度計誤差模型中的各項系數(shù)：x軸上加速度的零偏B_x，y軸上加速度的零偏B_y，z軸上加速度的零偏B_z，x軸加速度計的標(biāo)度因數(shù)S_x，y軸加速度計的標(biāo)度因數(shù)S_y，z軸加速度計的標(biāo)度因數(shù)S_z；完成對MEMS傳感器的標(biāo)定。

由于傳統(tǒng)的加速度計標(biāo)定方法需要在三軸轉(zhuǎn)臺上同時標(biāo)定，更需要建立地理坐標(biāo)系統(tǒng)，內(nèi)、外、中環(huán)軸坐標(biāo)系等，理想情況下，轉(zhuǎn)臺的輸入軸、輸出軸、擺軸三軸均處于零位時，坐標(biāo)系是重合的，因此對轉(zhuǎn)臺依賴性較高。而對轉(zhuǎn)臺無依賴性的方法精度又較低。本方法通過建立加速度計誤差模型，只需要采集六個位置的靜態(tài)加速度計輸出的數(shù)據(jù)，即可完成較高精度的標(biāo)定。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型方法中的數(shù)據(jù)處理模塊在接收對起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度和角速度信息進(jìn)行采樣的數(shù)據(jù)之后，還用卡爾曼濾波器對所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度和角速度信號進(jìn)行濾波，濾除信號中的脈沖噪聲、高頻噪聲和隨機(jī)噪聲。

有益效果：本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本實(shí)用新型在起重機(jī)的吊重處設(shè)置數(shù)據(jù)采集器來采集吊重系統(tǒng)加速度和角速度的數(shù)據(jù)，然后通過吊重系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采集器所采集到的吊重瞬間加速度值以及初始繩長值，從而得到起重機(jī)制動下滑量。本實(shí)用新型不需要像現(xiàn)有的測量裝置一樣，在測量時反復(fù)地對起重機(jī)載荷以及制動控制器進(jìn)行機(jī)械或電路改造。因而避免了現(xiàn)有測量方式改造成本高、操作繁瑣、無法實(shí)時得到起重機(jī)制動下滑量。尤其，由于本實(shí)用新型避免了對起重機(jī)本身進(jìn)行的改造，解決了由于測量改造所帶來的安全隱患。

相對于現(xiàn)有的軟測量裝置，本實(shí)用新型無需對加速度計測量重物運(yùn)動過程中的線加速度值進(jìn)行二次積分以獲取重物的位置信息，從而避免了積分過程中“平移項”和“趨勢項”對測量精度的影響。本實(shí)用新型開拓性地將風(fēng)載荷形成的非有勢力引入拉格朗日方程，通過廣義坐標(biāo)系下吊重系統(tǒng)的加速度和角速度數(shù)據(jù)來計算起重機(jī)的制動下滑量。尤其，本裝置在計算吊重系統(tǒng)的拉格朗日算子時，從能量的角度，根據(jù)系統(tǒng)的能量和廣義力來建立運(yùn)動方程，而不必考慮未知約束力。由此推到出的吊重系統(tǒng)的非線性動力學(xué)微分方程組在計算中同樣無需進(jìn)行二次積分，從而解決了傳統(tǒng)測量方式中由于二次積分而引入的“平移項”和“趨勢項”所帶來的不可避免的計算誤差問題。同時，非線性動力學(xué)微分方程組的求解過程計算簡單，錯誤率也更低。

同時，在計算效率方面，由于拉格朗日方程具有很好的對稱性，方程規(guī)范，使用過程直接且簡單。尤其將其應(yīng)用在廣義坐標(biāo)下的吊重系統(tǒng)運(yùn)動方程中時，由于方程個數(shù)和系統(tǒng)自由度數(shù)相等，可以在保證計算精度的同時使運(yùn)動方程數(shù)目更少，簡化求解較復(fù)雜的非自由質(zhì)點(diǎn)的動力學(xué)問題時的建模過程，測量效率更高。

硬件方面，本實(shí)用新型采用WizFi210模塊作為通信管理模塊。WizFi210模塊選擇通過基于串口的異步收發(fā)傳輸器(UART)或組建無線網(wǎng)絡(luò)通過TCP/IP協(xié)議與數(shù)據(jù)處理模塊連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，方便數(shù)據(jù)處理模塊及時獲得所需的測量數(shù)據(jù)。同時這樣的設(shè)計也簡化了安裝操作，簡化了傳統(tǒng)測量裝置中復(fù)雜的連接電路，同時保證測量所得數(shù)據(jù)的實(shí)時性。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型選用超低功耗的微處理器MSP430降低整個裝置的功耗。配合太陽能電池板為鋰電池充電，可保障整個裝置內(nèi)各個模塊的供電，在方便安裝操作的同時也省去了經(jīng)常更換電池的麻煩。

附圖說明

圖1是起重機(jī)制動下滑量測量裝置的整體模塊圖。

圖2是起重機(jī)制動下滑量測量裝置中數(shù)據(jù)流程圖。

圖3是本實(shí)用新型第2個實(shí)施例的示意圖。

圖4是建立吊重系統(tǒng)動力學(xué)模型的示意圖。

圖5是起重機(jī)吊重系統(tǒng)運(yùn)動簡化模型圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

實(shí)施例1

圖1為本實(shí)用新型測量裝置的整體模塊圖。本實(shí)用新型所述起重機(jī)制動下滑量軟測量裝置包括數(shù)據(jù)采集器1和數(shù)據(jù)處理模塊2兩部分。其中數(shù)據(jù)采集器設(shè)置在起重機(jī)吊鉤上與重物接觸的位置，數(shù)據(jù)采集器由順序串聯(lián)的MEMS傳感器1-1、主控制模塊1-2和通信管理模塊1-3組成，通信管理模塊1-3作為數(shù)據(jù)采集器1的輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊2連接。其中，MEMS傳感器1-1對起重機(jī)吊重系統(tǒng)的加速度和角速度信息進(jìn)行采樣；主控制模塊1-2負(fù)責(zé)控制MEMS傳感器1-1并存儲采集到的加速度和角速度信息；通信管理模塊1-3由主控制模塊1-2處理模塊2先通過起重機(jī)吊重系統(tǒng)的能量和廣義力建立非線性動力學(xué)微分方程，然后將數(shù)據(jù)采集器1采集到的起重機(jī)吊重系統(tǒng)的加速度和角速度信息帶入方程，計算得到起重機(jī)制動下滑量并輸出

本裝置中對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體測量方法如下：

第一步，初始化：對MEMS傳感器進(jìn)行標(biāo)定，完成初始化；此處所用的傳感器不限于MEMS傳感器，也可以此采用其他能夠采集吊重系統(tǒng)運(yùn)動參數(shù)的傳感器。

第二步，采樣：通過MEMS傳感器對起重機(jī)吊重系統(tǒng)的加速度和角速度信息進(jìn)行采樣，存儲起重機(jī)吊重系統(tǒng)的加速度和角速度，并將加速度和角速度信息傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊；

第三步，數(shù)據(jù)處理：通過數(shù)據(jù)處理模塊求解如下由第一拉格朗日方程和第二拉格朗日方程聯(lián)立的吊重系統(tǒng)非線性動力學(xué)微分方程組，得到繩長變化值和角度變化值，即為起重機(jī)制動下滑量：

其中，為鋼絲繩長度變化量關(guān)于時間t的微分，即所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度，g為重力加速度，θ為吊重擺角，m為吊重質(zhì)量，x為鋼絲繩長變化量，為所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間角速度，k為鋼絲繩彈性系數(shù)，l₀為制動瞬間鋼絲繩長度，為吊重擺角變化加速度，Q為風(fēng)載荷作用力，Q＝CK_hqA，C為風(fēng)力系數(shù)，K_h為風(fēng)壓高度系數(shù)，q為計算風(fēng)壓，q＝0.613v²，其中v為計算風(fēng)速，A為吊重垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積。

吊重系統(tǒng)非線性動力學(xué)微分方程組由兩個拉格朗日方程組成，其推導(dǎo)過程如下：

首先，計算吊重系統(tǒng)的拉格朗日算子

其中，L為拉格朗日算子，m為吊重質(zhì)量，為鋼絲繩長變化速度，x為鋼絲繩方向的變化量，為所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的角速度，θ為吊重擺角，_g為重力加速度，k為鋼絲繩彈性系數(shù)，l₀為制動瞬間鋼絲繩長度；其中重力加速度g的取值范圍依據(jù)測量所在地位置而確定，一般情況為9.8-10.2m/s²，吊重質(zhì)量m、鋼絲繩彈性系數(shù)k、制動瞬間鋼絲繩長度l₀為已知量；

然后，建立以吊重沿繩長方向x為廣義坐標(biāo)的拉格朗日方程，引入風(fēng)載荷在θ方向上的非有勢力Q*sinθ，整理得到第一拉格朗日方程：

其中，為鋼絲繩長度變化量關(guān)于時間t的微分，表示由傳感器測量獲得的鋼絲繩長變化加速度，即所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度；Q為風(fēng)載荷作用力，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》，Q＝CK_hqA，其中C為風(fēng)力系數(shù)，起吊重物表面光滑的箱型梁、司機(jī)室、平衡重、鋼絲繩、物品等一般取值1.2；K_h為風(fēng)壓高度系數(shù)，離地高度0-10m時取1.0；q為計算風(fēng)壓，單位為N/m²，通過q＝0.613v²計算得到，其中v為計算風(fēng)速，通過查詢風(fēng)力風(fēng)速對應(yīng)表確定具體取值；A為起重機(jī)或物體垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積，單位為m²；

之后，建立以吊重擺角θ為廣義坐標(biāo)的拉格朗日方程，引入風(fēng)載荷在θ方向上的非有勢力整理得到第二拉格朗日方程：

其中為吊重擺角變化加速；

將第一拉格朗日方程和第二拉格朗日方程聯(lián)合得到吊重系統(tǒng)的非線性動力學(xué)微分方程

最后，將第二步中采集的吊重瞬間加速度值以及初始繩長值輸入式1中，計算得到繩長變化值和角度變化值，作為起重機(jī)制動下滑量，輸出。

本實(shí)用新型在起重機(jī)的吊重處設(shè)置數(shù)據(jù)采集器來采集吊重系統(tǒng)加速度和角速度的數(shù)據(jù)。然后通過吊重系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采集器所采集到的吊重瞬間加速度值以及初始繩長值，從而得到起重機(jī)制動下滑量。本實(shí)用新型只需要在起重機(jī)的吊重處加設(shè)數(shù)據(jù)采集器，通過高精度的數(shù)學(xué)模型提高制動下滑量的測量精度。無需通過專業(yè)的測量設(shè)備和儀器，不需要反復(fù)地對起重機(jī)載荷、制動控制器進(jìn)行機(jī)械和電路改造。因此，本實(shí)用新型避免了現(xiàn)有測量方法改造成本高、操作繁瑣、不能實(shí)時得到起重機(jī)制動下滑量的缺陷。尤其，由于本實(shí)用新型不需要對起重機(jī)本身進(jìn)行改造，同時也解決了由于測量改造所帶來的安全隱患。

其中，建立吊重系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模的過程如圖4所示，建立動力學(xué)模型之前先要對吊重系統(tǒng)運(yùn)動進(jìn)行簡化，簡化結(jié)果如圖5所示。吊重在廣義坐標(biāo)系內(nèi)的位置為xcosθ

由于鋼絲繩彈性產(chǎn)生的形變量為x-l₀

重物的切向動能為

法向動能為

系統(tǒng)總動能為

勢能包括重力勢能和鋼絲繩的彈性勢能為

于是，由式2-1與式2-2就可以得到吊重系統(tǒng)的拉格朗日(Lagrange)算子：

以吊重沿繩長方向x為廣義坐標(biāo)的拉格朗日方程，考慮風(fēng)載荷的影響，在該方向非有勢力為Q*sinθ，所以可得出：

經(jīng)簡化2-3式可以整理為系統(tǒng)的第一拉格朗日方程：

以吊重擺角θ為廣義坐標(biāo)的拉格朗日方程，考慮風(fēng)載荷的影響，在該方向非有勢力為則有：

經(jīng)簡化，系統(tǒng)的第二拉格朗日方程為：

綜上，起重機(jī)吊重系統(tǒng)的非線性動力學(xué)微分方程為：

上面式子中，x為鋼絲繩方向的變化量，θ為鋼絲繩與豎直方向的偏轉(zhuǎn)角，l₀為制動瞬間鋼絲繩長度，T為吊重的動能，E_k1為吊重的切向動能，E_k2為吊重的法向動能，U為吊重的勢能，m為吊重質(zhì)量，為鋼絲繩變化速度，為鋼絲繩變化加速度，為所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的角速度，為所述起重機(jī)吊重系統(tǒng)的吊重瞬間加速度，為吊重偏擺角角加速度，g為重力加速度，k為鋼絲繩彈性系數(shù)，Q為風(fēng)載荷。

由硬件電路采集的吊重瞬間加速度值以及初始繩長值輸入到式2-7中，然后通過數(shù)學(xué)模型計算可得繩長及角度變化值，即起重機(jī)制動下滑量數(shù)值，用以評估起重機(jī)制動性能的優(yōu)劣。

相對于現(xiàn)有的軟測量方法，本方法無需對加速度計測量重物運(yùn)動過程中的線加速度值進(jìn)行二次積分以獲取重物的位置信息，從而避免了積分過程中“平移項”和“趨勢項”對測量精度的影響。方法中開拓性地將風(fēng)載荷形成的非有勢力引入拉格朗日方程，通過廣義坐標(biāo)系下吊重系統(tǒng)的加速度和角速度數(shù)據(jù)來計算起重機(jī)的制動下滑量。尤其，本方法在計算吊重系統(tǒng)的拉格朗日算子時，從能量的角度，根據(jù)系統(tǒng)的能量和廣義力來建立運(yùn)動方程，而不必考慮未知約束力，因而解決了傳統(tǒng)測量方法中“平移項”和“趨勢項”所帶來的不可避免的計算誤差問題。

實(shí)施例2

參照圖2。進(jìn)一步的，考慮到測量精度的要求，本實(shí)用新型同時對上述的測量方法進(jìn)行改進(jìn)，通過增加對MEMS傳感器進(jìn)行標(biāo)定(加速度計標(biāo)定)，校正其中加速度計的測量誤差。為了進(jìn)一步減小測量、計算的誤差，還可以進(jìn)一步的在數(shù)據(jù)處理前，對采集到的信息進(jìn)行卡爾曼(Kalman)濾波，只保留有效信息，無效數(shù)據(jù)的干擾。具體改進(jìn)如下：

在實(shí)施例1所述測量方法的第一步中，對MEMS傳感器進(jìn)行標(biāo)定的過程如下：

標(biāo)定所基于的加速度計誤差模型如下：

A_x＝B_x+S_xV_x+E_xyV_y+E_xzV_z

A_y＝B_y+E_yxV_x+S_yV_y+E_yzV_z

A_z＝B_z+E_zxV_x+E_zyV_y+S_zV_z

式中，A_i(i＝x、y、z)為x、y、z軸實(shí)際的加速度值，B_i(i＝x、y、z)為各個軸上加速度的零偏，S_i(i＝x、y、z)為各軸加速度計的標(biāo)度因數(shù)，V_i(i＝x、y、z)為各軸加速度計輸出的電壓值，E_ij(i＝x、y、z,j＝x、y、z,i≠j)為加速度計的安裝誤差系數(shù)。

其中，加速度計就是測量加速度的傳感器，就是該傳感器的輸入量為加速度，輸出為電脈沖數(shù)。輸出的電脈沖數(shù)和輸入的加速度之間的比值就是標(biāo)度因數(shù)。因此輸出的電脈沖數(shù)乘上標(biāo)度因數(shù)就可以得到加速度。

由上述模型，將X、Y、Z軸分別分為正向、反向共六個位置，在每個位置可建立三個方程，這樣對于每個加速度計來說，都存在四個未知的模型參數(shù)，由于有六個方程，因此可以利用最小二乘法解出系數(shù)項。

具體步驟為：

步驟101，分別將MEMS傳感器延x軸正負(fù)方向、y軸正負(fù)方向、z軸正負(fù)方向六個方向移動，分別在6個位置各采集一組靜態(tài)數(shù)據(jù)，每組靜態(tài)數(shù)據(jù)均包括：x軸實(shí)際的加速度值A(chǔ)_x，y軸實(shí)際的加速度值A(chǔ)_y，z軸實(shí)際的加速度值A(chǔ)_z，x軸加速度計輸出的電壓值V_x，y軸加速度計輸出的電壓值V_y，z軸加速度計輸出的電壓值V_z；

步驟102，將步驟101中的6組靜態(tài)數(shù)據(jù)分別帶入加速度計誤差模型：

加速度計誤差模型中，E_ij(i＝x、y、z,j＝x、y、z,i≠j)表示兩個方向上的加速度計安裝誤差系數(shù)，其中下標(biāo)i，j代表加速度計安裝誤差系數(shù)所針對的方向

步驟103，利用最小二乘法計算出加速度計誤差模型中的各項系數(shù)：x軸上加速度的零偏B_x，y軸上加速度的零偏B_y，z軸上加速度的零偏B_z，x軸加速度計的標(biāo)度因數(shù)S_x，y軸加速度計的標(biāo)度因數(shù)S_y，z軸加速度計的標(biāo)度因數(shù)S_z；完成對MEMS傳感器的標(biāo)定。經(jīng)標(biāo)定試驗(yàn)測試可得，三軸零偏B_x、B_y、B_z具體數(shù)值分別為33086、33390、32648，三軸標(biāo)度因數(shù)S_x、S_y、S_z具體數(shù)值分別為409.675、411.752、412.014，安裝誤差E_xy、E_xz、E_yx、E_yz、E_zx、E_zy具體數(shù)值分別為1.959、-1.561、-1.274、0.278、5.723、9.353。本方法通過建立加速度計誤差模型，只需要采集六個位置的靜態(tài)加速度計輸出的數(shù)據(jù)，即可完成標(biāo)定。且本方法標(biāo)定的精度與傳統(tǒng)的依賴于轉(zhuǎn)臺的加速度計標(biāo)定方法所得精度相差無幾。

具體操作方法如下：在水平桌面上，將X、Y、Z軸分別向上、向下共六個方向，每個位置采集一組靜態(tài)數(shù)據(jù)，將每個位置各加速度計輸出電壓的均值作為該加速度計的測量值進(jìn)行后期的解算。利用六個方向上的共6組數(shù)據(jù)，根據(jù)加速度計的誤差模型，采用誤差模型系數(shù)計算公式，利用最小二乘法計算出加速度計誤差模型的各項系數(shù)。代入誤差模型即可得出標(biāo)定后的加速度計數(shù)據(jù)，為后期姿態(tài)解算所用。該方法只需采集六個方向的靜態(tài)加速度計輸出數(shù)據(jù)，即可對加速度計零偏、標(biāo)度因數(shù)、安裝誤差等系數(shù)進(jìn)行高精度標(biāo)定。標(biāo)定后，針對三種信號中分別存在脈沖噪聲、高頻噪聲和隨機(jī)噪聲的特點(diǎn)，設(shè)計卡爾曼濾波器對其進(jìn)行濾除噪聲處理。

在實(shí)施例1所述測量方法的第二步中，通過MEMS傳感器對起重機(jī)吊重系統(tǒng)的加速度和角速度信息進(jìn)行采樣后，先用卡爾曼濾波器對采樣得到的信號進(jìn)行濾波，濾出信號中的脈沖噪聲、高頻噪聲和隨機(jī)噪聲后再儲起重機(jī)吊重系統(tǒng)的加速度和角速度信息，并將加速度和角速度信息傳輸至數(shù)據(jù)處理單元。

圖3為本實(shí)施例中的硬件連接示意圖。

其中MEMS傳感器1-1采用MPU-9255數(shù)據(jù)采集芯片，MPU-9255數(shù)據(jù)采集芯片為九軸MEMS傳感器，其輸出端通過IIC總線與主控制模塊1-2連接，MPU-9255數(shù)據(jù)采集芯片的時鐘總線與主控制模塊1-2連接，兩者時鐘保持同步。IIC總線中數(shù)據(jù)線主要負(fù)責(zé)加速度計的配置以及數(shù)據(jù)的傳輸，時鐘線則負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。MEMS傳感器MPU-9255作為采集終端可以采集加速度和角速度數(shù)據(jù)，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過通信管理模塊發(fā)送至PC端完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸，PC端可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示、保存與處理功能。

MPU-9255是美國Invensense公司開發(fā)的一款九軸運(yùn)動跟蹤裝置，它是一個QFN封裝(Quad Flat No-leadPackage，方形扁平無引腳封裝)的復(fù)合芯片(MCM)，由兩部分組成：一部分是三軸加速度計和三軸陀螺儀，另一部分則是AKM公司的AK8975三軸磁力計。本實(shí)用新型利用MPU-9255中的IIC方案，直接輸出九軸的全部數(shù)據(jù)，時鐘校準(zhǔn)并保持與主控制模塊同步。

主控制模塊1-2采用MSP430F247單片機(jī)核心處理器芯片，MSP430單片機(jī)芯片外設(shè)有時鐘電路、復(fù)位電路和JTAG接口，MSP430單片機(jī)芯片通過IIC總線與MEMS傳感器1-1連接，MSP430單片機(jī)芯片通過UART串口與通信管理模塊1-3連接。TI公司的超低功耗MSP430系列，可以保證系統(tǒng)功耗在一個較低的水平。由于本方法所采用的器件及電路功耗超低，整個系統(tǒng)正常運(yùn)行時功耗控制在0.4mAh以內(nèi)，可支持系統(tǒng)連續(xù)工作300個小時以上。

通信管理模塊1-3采用WizFi210模塊，WizFi210模塊選擇通過基于串口的異步收發(fā)傳輸器與數(shù)據(jù)處理模塊2，即PC端，連接；或者選擇配置并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，通過TCP/IP協(xié)議與數(shù)據(jù)處理模塊2連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通信管理模塊采用Wiznet公司的WizFi210模塊，該模塊提供了全部必需的硬件和軟件，從而可以快速地建立Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與PC或外部微處理器的連接。本實(shí)用新型主要利用其數(shù)據(jù)傳輸功能，單片機(jī)通過串口對WizFi210進(jìn)行配置，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，通過TCP/IP協(xié)議與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x限制。通過本模塊，PC端能夠及時獲得所需的測量數(shù)據(jù)，簡化了裝置的安裝，尤其是省去了傳統(tǒng)測量裝置中復(fù)雜的連接電路，保證測量所得數(shù)據(jù)的實(shí)時性。

同時，數(shù)據(jù)采集器1中設(shè)有太陽能電池板，太陽能電池板采集電能，為MEMS傳感器1-1、主控制模塊1-2和通信管理模塊1-3供電。太陽能電池板配合超低功耗的微處理器MSP430，使得本裝置在方便安裝操作的同時也省去了經(jīng)常更換電池的麻煩。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，盡管參照前述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。