阅读说明：本技术 一种基于惯性测量的起重机轨道形变检测方法 (Crane track deformation detection method based on inertia measurement ) 是由 邓继权 郭玉胜 王海军 艾赢涛 马小艳 张吉先 莫明岗 于 2018-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于检测技术,具体涉及一种基于惯性测量的起重机轨道形变检测方法,首先搭建起重机轨道形变检测系统,确定两侧轨道中心跨距和两侧轨道中心高度差,最后计算单轨轨道顶面的水平直线度及顶面中心的高低直线度,用惯性测量的姿态信息可以补偿动态检测过程中由于振动产生的测量误差,惯性测量单元通过捷联惯性导航计算获得检测系统的位置、速度及姿态信息,利用里程计的高精度里程信息进行惯性/里程组合导航以抑制惯性系统随时间累积的误差,进一步提高系统惯性测量的精度实现起重机轨道形变的高精度、连续、动态检测。(The invention belongs to the detection technology, and particularly relates to a crane track deformation detection method based on inertial measurement.)

一种基于惯性测量的起重机轨道形变检测方法

技术领域

本发明属于检测技术，具体涉及一种基于惯性测量的起重机轨道形变检测方法。

背景技术

起重机是从事物料搬运、装卸、运输与安装等现代化生产建设必不可少的重要工具，在国民经济生产的各个部门都有着广泛的应用。轨道作为起重机的承重装置，承受起重机自重和起吊货物重力，轨道的状况将直接影响到起重机的稳定性和使用寿命。由于制造、安装的精度难以保证，且受磨损、地面沉降等因素的影响，起重机在使用过程中容易发生“啃轨”现象，所谓“啃轨”是指起重机大车或小车在运行的过程中，车轮轮缘与轨道侧面强制接触，产生水平侧向推力，引起轮缘与轨道之间严重摩擦，致使轮缘与轨道侧面发生严重磨损。“啃轨”现象的发生，在很大程度上影响着起重机的使用寿命，同时也对起重机的安全工作状态构成威胁。“啃轨”严重时，起重机在行驶中可能发生脱轨，造成重大的安全事故。

轨道的制造、安装以及磨损是诱发“啃轨”的主要原因之一，由于起重机长期处于重载甚至超载的工作环境下，同时受到地面沉降、厂房承重结构变形等因素的影响，易引发轨道在横向和纵向上发生变形，为了保障起重机的正常使用，避免“啃轨”现象的发生，需要在轨道的制造、安装以及使用过程中定期检测轨道的各项参数，当某一个参数或者多个参数超差时，应对轨道进行相应的修正，保障起重机的安全使用。

起重机轨道形变检测主要包括轨道顶部水平直线度、轨道顶部中心高低直线度、两轨轨道中心跨距以及两轨轨道中心高度差检测。传统的起重机轨道形变检测方法主要包括拉钢丝检测法、水准仪检测法等，这些检测方法无论在检测原理还是技术手段上都存在不足，主要体现在：(1)自动化程度低，测量人员劳动量大；(2)高空作业存在巨大安全隐患；(3)检测结果精度低，误差较大，易受人为因素和外界因素影响。

为提高检测效率和测量精度，减轻测量人员的劳动强度，国内外许多专家学者在起重机轨道检测领域开展了相关技术的研究。斯洛伐克科技大学的Peter Kyrinovic和Alojz Kopacik提出一种起重机轨道检测自动测量系统，主要包括全站仪(含棱镜)、笔记本电脑、电感式位移传感器以及行驶车轮和安装结构。其基本原理是通过全站仪测量得到整个检测系统的测量位置，在通过位移传感器测量得到轨道顶面相对于全站仪的距离，两者结合可以得到轨道顶面的位置信息。上海理工大学吴恩启、杜宝江等人开发了一种基于检测机器人的起重机轨道检测系统，该系统主要由全站仪和轨道机器人两部分组成，全站仪架设在轨道上，测量过程中轨道机器人沿着被测轨道行进，全站仪追踪机器人的位置。上海工程技术大学刘伟、程维明等人在此基础上提出了一种改进方案，将全站仪架设在地面，提高了操作的灵活性。这些基于全站仪的测量方法相比传统的拉钢丝、水准仪等检测方法无论在测量效率还是测量精度等方面都有了很大程度的提高，然而基于全站仪的测量方法只能实现离散点的测量，通过对多个测量点拟合得到整个被测轨道的形变参数，存在一定的拟合误差。并且在每个测量点都需操作人员重新瞄准全站仪棱镜，测量效率有待进一步提高。惯性测量由于其自主、连续、不受干扰等特点，在众多领域都得到了广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于惯性测量的起重机轨道形变检测方法，能够进一步提高起重机轨道形变检测的测量效率和测量精度。

本发明的技术方案如下：

一种基于惯性测量的起重机轨道形变检测方法，包括如下步骤：

步骤1)搭建起重机轨道形变检测系统

在将全站仪测量设备放置在左右轨道的垂直线中间位置，起重机工字型横梁1位于左右轨道上方，且两端与轨道左右两侧的墙体对齐；

激光测距仪Ⅰ3、激光测距仪Ⅱ4分别安装在起重机工字型横梁1两侧的正下方，在起重机工字型横梁1两端工字结构的内侧，一端内侧自外向内安装全站仪棱镜Ⅰ5和全站仪棱镜Ⅱ6，另一端内侧自外向内安装全站仪棱镜Ⅳ8和全站仪棱镜Ⅲ7；

步骤2)确定两侧轨道中心跨距

设四个全站仪棱镜5、6、7、8的相对坐标分别(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)；

全站仪棱镜Ⅱ6和全站仪棱镜Ⅲ7之间的跨距d；

d＝|z₂-z₃|

利用下式确定左右两侧轨道中心跨距的初值D。

D＝d+d_l+d_r+z_L+z_R

其中，全站仪棱镜Ⅱ6相对于右侧激光测距仪Ⅱ4的横向距离为d_r、全站仪棱镜Ⅲ7相对于左两侧激光测距仪Ⅰ3的横向距离d_l，设激光测距仪Ⅰ3测得的左侧轨道顶点的坐标为(x_L,y_L,z_L)、激光测距仪Ⅱ测得的右侧轨道顶点的坐标为(x_R,y_R,z_R)

步骤3)确定两侧轨道中心高度差

确定全站仪棱镜Ⅱ6和全站仪棱镜Ⅲ7之间的高度差h

h＝|y₂-y₃|

左右两侧轨道中心高度差H为

H＝h+|y_L-y_R|

步骤4)确定单轨轨道顶面的水平直线度及顶面中心的高低直线度

激光测距仪Ⅰ测得的左侧轨道顶点的相对坐标为(x_L,y_L,z_L)，利用下式确定相应轨顶点三维位置坐标

α＝α₀+(γ-γ₀)

其中，α为动态测量过程中的激光照射偏角，γ₀为初始时刻惯导滚动角，γ为动态测量过程中的惯导滚动角，α₀为初始时刻激光照射偏角；

根据得到的轨道顶点位置信息

确定整条被测轨道任一点相对于测量起始点的位移量，参照GB/T10183.1-2010规定的计算方法确定轨道顶面的水平直线度及顶面中心的高低直线度。

所述的步骤4)中初始时刻激光照射偏角α₀为棱镜Ⅲ7相对于棱镜Ⅳ8的水平偏角，利用下式确定

所述的步骤4)中通过基于Kalman滤波惯性/里程组合导航方法，得到测量过程中检测系统的三维位置坐标(p₁,p₂,p₃)。

所述的步骤1)中的起重机轨道形变检测系统中的激光测距仪、全站仪棱镜均通过刚性结构固定安装。

本发明的显著效果在于：惯性测量单元通过捷联惯性导航计算获得检测系统的位置、速度及姿态信息，利用里程计的高精度里程信息进行惯性/里程组合导航以抑制惯性系统随时间累积的误差，进一步提高系统惯性测量的精度。激光测距仪用于测量轨道顶面到其自身的距离，由于激光测距仪到惯导系统的空间位置关系可以通过事先标定获得，将惯性测量得到位置信息与激光测距得到的距离信息相结合即可获得轨道顶面的位置信息，进一步计算即可得到整条轨道相对于测量起始点的三轴位移信息。全站仪用于测量两轨轨道中心跨距以及两轨轨道中心高度差的初值，测量过程中全站仪只在测量起始点使用一次，大大提高了测量效率。参照GB/T10183.1-2010规定的计算方法，可以得到轨道顶面的水平直线度、轨道顶面中心的高低直线度、两轨轨道中心跨距以及两轨轨道中心高度差。用惯性测量的姿态信息可以补偿动态检测过程中由于振动产生的测量误差，实现起重机轨道形变的高精度、连续、动态检测。

附图说明

图1为起重机轨道形变检测系统示意图；

图中，1.起重机工字型横梁，2.惯性测量单元，3.激光测距仪Ⅰ，4.激光测距仪Ⅱ，5.全站仪棱镜Ⅰ，6.全站仪棱镜Ⅱ，7.全站仪棱镜Ⅲ，8.全站仪棱镜Ⅳ，9.全站仪测量主机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，基于惯性测量的起重机轨道形变检测系统包括通过起重机工字型横梁1安装的惯性测量单元2、光电编码器、激光测距仪3、4、全站仪棱镜5、6、7、8。

所述的起重机工字型横梁1两端与轨道左右两侧的墙体对齐。全站仪测量主机9放置在左右轨道中间。

所述的惯性测量单元2安装在工字型横梁1一侧，所有设备之间通过刚性结构固连。

激光测距仪Ⅰ3、激光测距仪Ⅱ4分别安装在起重机工字型横梁1两侧的正下方，激光向下照射覆盖整个轨道顶面。在起重机工字型横梁1两端工字结构的内侧，一端内侧自外向内安装全站仪棱镜Ⅰ5和全站仪棱镜Ⅱ6，另一端内侧自外向内安装全站仪棱镜Ⅳ8和全站仪棱镜Ⅲ7。

惯性测量单元2为整个检测系统建立空间基准，激光测距仪3、4用于测量轨道顶面到检测系统的距离，全站仪棱镜5、6、7、8用于测量两轨轨道中心跨距以及两轨轨道中心高度差的初值，结合惯性测量空间基准、激光测距仪的测距信息以及全站仪的初始测量信息，可以得到起重机两侧轨道顶部中心的位置信息。

下面结合上述系统进行基于惯性测量的起重机轨道形变检测，具体步骤如下。

步骤1确定两侧轨道中心跨距

上述四个全站仪棱镜5、6、7、8的相对坐标分别(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，可以得到全站仪棱镜Ⅱ6和全站仪棱镜Ⅲ7之间的跨距d。

d＝|z₂-z₃|

全站仪棱镜Ⅱ6相对于右侧激光测距仪Ⅱ4的横向距离为d_r、全站仪棱镜Ⅲ7相对于左两侧激光测距仪Ⅰ3的横向距离d_l，均通过起重机工字型横梁1的结构设计已知。

设激光测距仪Ⅰ3测得的左侧轨道顶点的坐标为(x_L,y_L,z_L)、激光测距仪Ⅱ测得的右侧轨道顶点的坐标为(x_R,y_R,z_R)，可以得到两侧轨道中心跨距的初值D。

D＝d+d_l+d_r+z_L+z_R

由于各设备之间通过刚性结构固连，动态测量过程中全站仪棱镜Ⅱ6和全站仪棱镜Ⅲ7之间的跨距d、全站仪棱镜Ⅱ6相对于右侧激光测距仪Ⅱ4的横向距离d_r、全站仪棱镜Ⅲ7相对于左两侧激光测距仪Ⅰ3的横向距离d_l均固定不变，因此根据测量过程中左右两侧轨道顶点相对于激光测距仪坐标的变化即可实现两侧轨道中心跨距的动态连续测量。

步骤2确定两侧轨道中心高度差

根据全站仪初始时刻测得的全站仪棱镜Ⅱ6相对坐标(x₂,y₂,z₂)、全站仪棱镜Ⅲ7相对坐标(x₃,y₃,z₃)，可以得到全站仪棱镜Ⅱ6和全站仪棱镜Ⅲ7之间的高度差h。

h＝|y₂-y₃|

由于棱镜和激光测距仪之间刚性固连，棱镜Ⅱ6、棱镜Ⅲ7之间的高度差h即为激光测距仪Ⅰ3和激光测距仪Ⅱ4的高度差。结合左右两侧轨道顶点相对于激光测距仪的坐标(x_L,y_L,z_L)、(x_R,y_R,z_R)，可以得到左右两侧轨道中心高度差H。

H＝h+|y_L-y_R|

由于左右两侧激光测距仪测量原点的高度差h固定不变，根据测量过程中左右两侧轨道顶点相对激光测距仪坐标的变化即可实现两侧轨道中心高度差的动态、连续测量。

步骤3确定单轨轨道顶面的水平直线度及顶面中心的高低直线度

惯性测量单元通过捷联惯性导航解算得到检测系统的位置、速度及姿态信息，通过基于Kalman滤波惯性/里程组合导航方法，得到测量过程中检测系统的三维位置坐标(p₁,p₂,p₃)。

根据检测系统的位置信息，结合轨道顶点相对于激光测距仪的坐标，可以得到左右两侧轨道顶点的位置信息。

以左侧轨道为例，激光测距仪Ⅰ测得的左侧轨道顶点的相对坐标为(x_L,y_L,z_L)，可以得到轨顶点三维位置坐标

式中，

α为动态测量过程中的激光照射偏角，γ₀为初始时刻惯导滚动角，γ为动态测量过程中的惯导滚动角，α₀为初始时刻激光照射偏角。

根据全站仪测得的棱镜Ⅲ7相对坐标(x₃,y₃,z₃)、棱镜Ⅳ8相对坐标(x₄,y₄,z₄)，可以得到棱镜Ⅲ7相对于棱镜Ⅳ8的水平偏角α₀。

根据得到的轨道顶点位置信息

可以得到整条被测轨道任一点相对于测量起始点的位移量，参照GB/T10183.1-2010规定的计算方法可以进行轨道顶面的水平直线度及顶面中心的高低直线度计算。