CN105836627B - 一种基于三维坐标定位的门座起重机位姿确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维坐标定位的门座起重机位姿确定方法，其特点是该方法在门座起重机的本土上选取至少两个基准点，然后采用三维定位技术对两基准点进行三维坐标的测量，将测得的三维坐标利用三角函数计算得到两基准点相对臂架的旋转中心点X_C、Y_C和Z_C坐标以及臂架的回转角α_臂架和臂架与水平夹角β_臂架的起重机位姿参数，由起重机位姿参数确定门座起重机杆件系统的空间位置。本发明与现有技术相比具有方法简单易操作，成本低，可靠度高，较好的解决了船厂起重机的防撞问题，尤其适用于起重机的安全监控和安全生产的保驾护航。

Description

一种基于三维坐标定位的门座起重机位姿确定方法

技术领域

本发明涉及起重机安全监控及防撞技术领域，具体地说是一种基于三维坐标定位的门座起重机位姿确定方法。

背景技术

门座起重机多用于船厂、码头等场合，是大中型钢结构分段、大型设备等的重要吊装工具。门座起重机的杆件系统相对较为复杂，通常由门座部分、转柱部分和臂架系统组成，臂架系统又包括主臂架、象鼻梁、大拉杆、对重拉杆等。在门座起重机的运行、回转及变幅过程中，各杆件的位置为非常复杂的空间曲线，门座起重机与厂区其它设备或建筑物之间的相对位置关系难以确定，所以，在实际操作过程中，为了生产安全的需要，要随时掌握门座起重机杆件系统的空间位置，即门座起重机位姿，以免与其它设备或建筑物发生碰撞而导致严重事故。

门座起重机杆件系统的空间位置可用旋转中心坐标、回转角度和俯仰角度来唯一确定门座起重机的位姿，目前起重机自身的控制系统中，无法得到这三个参数的信息。目前公布的专利及期刊文献中，也仅提及测量起重机某些测点的技术，尚没有涉及确定门座起重机位姿信息的技术内容。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种基于三维坐标定位的门座起重机位姿确定方法，采用先测得若干个基准点的位置坐标，然后由若干个位置坐标换算得到起重机的姿态参数，对起重机防撞具有很强的实用性，方法简单易操作，成本低，可靠度高，尤其适用于起重机的安全监控和安全生产的保驾护航。

本发明的目的是这样实现的：一种基于三维坐标定位的门座起重机位姿确定方法，其特点是该方法在门座起重机的本体上选取至少两个基准点，然后采用三维定位技术对两基准点进行三维坐标的测量，将测得的位置三维坐标利用三角函数计算得到两基准点相对于起重机旋转中心与机房下平面交点C的三维坐标以及臂架的回转角α_臂架和臂架与水平夹角β_臂架的起重机位姿参数，由起重机位姿参数确定门座起重机杆件系统的空间位置，所述起重机旋转中心与机房下平面交点C的X_C坐标由下述公式(1)计算得到：

X_C＝X_B+L_BC×cos(α_BC)＝X_B+√(X_BC ²+Y_BC ²)×cos(degrees(α_臂架+degrees(arctan(Y_BC/X_BC)))) (1)

其中：X_B、X_C为B基准点和交点C的X坐标；X_BC、Y_BC为B基准点相对交点C的X和Y坐标；L_BC为B基准点至交点C的距离。

所述起重机旋转中心与机房下平面交点C的Y_C坐标由下述公式(2)计算得到：

Y_C＝Y_B+L_BC×sin(α_BC)＝√(X_BC ²+Y_BC ²)×sin(degrees(α_臂架+degrees(arctan(Y_BC/X_BC)))) (2)

其中：Y_B、Y_C为B基准点和交点C的Y坐标；α_BC为B基准点至交点C的回转角。

所述起重机旋转中心与机房下平面交点C的Z_C坐标由下述公式(3)计算得到：

Z_C＝Z_B-Z_BC (3)

其中：Z_C、Z_B为交点C和B基准点的Z坐标；Z_BC为B基准点相对交点C的Z坐标。

所述臂架的回转角α_臂架由下述公式(4)计算得到：

α_臂架＝degrees(arctan((Y_A-Y_B)/(X_A-X_B))-arcsin(|Y_AC-Y_BC|/√((Y_A-Y_B)²+(X_A-X_B)²)) (4)

其中：X_A、Y_A、X_B、Y_B为A、B两基准点的X和Y坐标；Y_AC、Y_BC为A、B两基准点相对交点C的Y坐标。

所述臂架与水平夹角β_臂架由下式(5)计算得到：

臂架与水平夹角β_臂架＝degrees(arctan((Z_A-Z_D)/(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²)-L_CD)+arccos((L_DE ²+((√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²))-L_CD)/cos(arctan((Z_A-Z_D)/(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²)-L_CD)))²-(X_AE ²+Y_AE ²))/(2×L_DE×(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²))-L_CD)/cos(arctan((Z_A-Z_D)/(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²)-L_CD)))) (5)

其中：Z_A、Z_D为A基准点和臂架下铰点的中点D的Z坐标；X_A、X_C为A基准点和交点C的X坐标；Y_A、Y_C为A基准点和交点C的Y坐标；L_DE为臂架下铰点的中点D至臂架上部与象鼻梁中部铰点E的距离；L_CD为交点C至臂架下铰点的中点D的距离；X_AE、Y_AE为A基准点相对臂架上部铰点与象鼻梁中部铰点E的X和Y坐标。

所述门座起重机的本体上选取至少两个基准点，其一基准点设置在象鼻梁头部主钩滑轮组中心附近，另一基准点设置在转盘尾部中点附近。

所述三维定位技术为GPS、glonass或北斗卫星定位技术。

本发明与现有技术相比具有方法简单易操作，成本低，可靠度高，较好的解决了船厂起重机的防撞问题，尤其适用于起重机的安全监控和安全生产的保驾护航。

附图说明

图1为测量点A的布置及俯仰角示意图；

图2为测量点B的布置示意图；

图3为臂架的回转角示意图。

具体实施方式

本发明在门座起重机的本体上选取A、B两点为测量基准点，然后采用三维定位装置测得A、B两基准点的三维坐标，由该两基准点的三维坐标利用三角函数计算得到门座起重机的位姿参数，由起重机位姿参数确定门座起重机杆件系统的空间位置。本发明关键在于基准点的选取与起重机位姿计算方法的推导，基准点数量不宜太多，否则会增加定位装置的采购成本，也不宜太少，否则没有足够的坐标信息来推算起重机的姿态。

实施例1

参阅附图1，本发明选定的基准点有2个，一个基准点布置在象鼻梁头部主钩滑轮组中心A'附近的A点。

参阅附图2，另一个基准点布置在转盘尾部中点B'附近的B点。在起重机变幅平面内，A'点为距回转中心前部最远点，B'点为距回转中心后部最远点，将测点布置在这两个位置上能最大程度的减小测量误差，但是在实际安装定位装置时，由于安装空间的限制，并不能安装在理论点上，只能安装在其附近的某一位置，即分别为A点和B点。通过三维坐标定位技术测量得到A点和B点的坐标，分别为A(X_A，Y_A，Z_A)和B(X_B，Y_B，Z_B)。

参阅附图3，根据起重机的实际结构，得到A点相对起重机旋转中心与机房下平面交点C的坐标(X_AC，Y_AC，Z_AC)，B点相对起重机旋转中心与机房下平面交点C的坐标(X_BC，Y_BC，Z_BC)；A点相对臂架上部与象鼻梁中部铰点E坐标(X_AE，Y_AE，Z_AE)；起重机旋转中心与机房下平面交点C至臂架下铰点的中点D的距离L_CD；臂架下铰点的中点D的坐标Z_D；臂架下铰点的中点D至臂架上部与象鼻梁中部铰点E的距离L_DE。通过推导，得到臂架旋转角度α_臂架为：

α_臂架＝degrees(arctan((Y_A-Y_B)/(X_A-X_B))-arcsin(|Y_AC-Y_BC|/√((Y_A-Y_B)²+(X_A-X_B)²)) 式(4)

起重机旋转中心与机房下平面交点C的X_C为：

X_C＝X_B+L_BC×cos(α_BC)＝X_B+√(X_BC ²+Y_BC ²)×cos(degrees(α_臂架+degrees(arctan(Y_BC/X_BC)))) 式(1)

其中：L_BC＝√(X_BC ²+Y_BC ²)；α_BC＝degrees(α_臂架+arctan(Y_BC/X_BC))。

起重机旋转中心与机房下平面交点C的Y_C为：

Y_C＝Y_B+L_BC×sin(α_BC)＝√(X_BC ²+Y_BC ²)×sin(degrees(α_臂架+degrees(arctan(Y_BC/X_BC)))) 式(2)

起重机旋转中心与机房下平面交点C的坐标Z_C为：

Z_C＝Z_B-Z_BC 式(3)

臂架与水平夹角(俯仰角)β_臂架为：

β_臂架＝degrees(arctan((Z_A-Z_D)/(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²)-L_CD)+

arccos((L_DE ²+((√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²))-L_CD)/cos

(arctan((Z_A-Z_D)/(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²)-L_CD)))²-(X_AE ²+Y_AE ²))/(2×

L_DE×(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²))-L_CD)/cos(arctan((Z_A-Z_D)/(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²

-Y_AE ²)-L_CD)))) 式(5)

其中：L_AC＝√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²)；L_A'C＝√(L_AC ²-Y_AE ²)；L_A'D＝(L_A'C-L_CD)/cos(arctan((Z_A-Z_D)/(L_A'C-L_CD)))；L_A'E＝√(X_AE ²+Y_AE ²)。

以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种基于三维坐标定位的门座起重机位姿确定方法，其特征在于该方法在门座起重机的本体上选取至少两个基准点，然后采用三维定位技术对两基准点进行三维坐标的测量，将测得的三维坐标利用三角函数计算得到两基准点相对于起重机旋转中心与机房下平面交点C的三维坐标以及臂架的回转角α_臂架和臂架与水平夹角β_臂架的起重机位姿参数，由起重机位姿参数确定门座起重机杆件系统的空间位置，所述起重机旋转中心与机房下平面交点C的X_C坐标由下述公式(1)计算得到：

X_C＝X_B+L_BC×cos(α_BC)＝X_B+√(X_BC ²+Y_BC ²)×cos(degrees(α_臂架+degrees(arctan(Y_BC/X_BC)))) (1)

其中：X_B、X_C为B基准点和交点C的X坐标；X_BC、Y_BC为B基准点相对交点C的X和Y坐标；L_BC为B基准点至交点C的距离；

所述起重机旋转中心与机房下平面交点C的Y_C坐标由下述公式(2)计算得到：

Y_C＝Y_B+L_BC×sin(α_BC)＝√(X_BC ²+Y_BC ²)×sin(degrees(α_臂架+degrees(arctan(Y_BC/X_BC)))) (2)

其中：Y_B、Y_C为B基准点和交点C的Y坐标；α_BC为B基准点至交点C的回转角；

所述起重机旋转中心与机房下平面交点C的Z_C坐标由下述公式(3)计算得到：

Z_C＝Z_B-Z_BC (3)

其中：Z_C、Z_B为交点C和B基准点的Z坐标；Z_BC为B基准点相对交点C的Z坐标；

所述臂架的回转角α_臂架由下述公式(4)计算得到：

α_臂架＝degrees(arctan((Y_A-Y_B)/(X_A-X_B))-arcsin(|Y_AC-Y_BC|/√((Y_A-Y_B)²+(X_A-X_B)²)) (4)

其中：X_A、Y_A、X_B、Y_B为A、B两基准点的X和Y坐标；Y_AC、Y_BC为A、B两基准点相对交点C的Y坐标；

所述臂架与水平夹角β_臂架由下式(5)计算得到：

臂架与水平夹角β_臂架＝degrees(arctan((Z_A-Z_D)/(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²)-L_CD)+arccos((L_DE ²+((√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²))-L_CD)/cos(arctan((Z_A-Z_D)/(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²)-L_CD)))²-(X_AE ²+Y_AE ²))/(2×L_DE×(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²))-L_CD)/cos(arctan((Z_A-Z_D)/(√((X_A-X_C)²+(Y_A-Y_C)²-Y_AE ²)-L_CD)))) (5)

其中：Z_A、Z_D为A基准点和臂架下铰点的中点D的Z坐标；X_A、X_C为A基准点和交点C的X坐标；Y_A、Y_C为A基准点和交点C的Y坐标；L_DE为臂架下铰点的中点D至臂架上部与象鼻梁中部铰点E的距离；L_CD为交点C至臂架下铰点的中点D的距离；X_AE、Y_AE为A基准点相对臂架上部与象鼻梁中部铰点E的X和Y坐标。

2.根据权利要求1所述基于三维坐标定位的门座起重机位姿确定方法，其特征在于所述门座起重机的本体上选取至少两个基准点，其一基准点设置在象鼻梁头部主钩滑轮组中心附近，另一基准点设置在在转盘尾部中点附近。

3.根据权利要求1所述基于三维坐标定位的门座起重机位姿确定方法，其特征在于所述三维定位技术为GPS、glonass或北斗卫星定位技术。