一种基于uwb的施工升降机高度检测方法
阅读说明：本技术 一种基于uwb的施工升降机高度检测方法 (UWB-based construction elevator height detection method ) 是由 陈本文 梁伟 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及升降机技术领域,尤其涉及一种基于UWB的施工升降机高度检测方法,包括安装在升降机提升笼底部的UWB标签、正对UWB标签下方地基上的UWB基站和安装在提升笼中的监测主机,所述监测主机与所述UWB标签连接,所述UWB标签和UWB基站均包括UWB收发芯片、RF天线和精准时钟,所述监测主机包括控制处理单元和与所述控制处理单元连接的显示屏UWB标签通过磁铁吸附安装在所述提升笼的底部。本发明的UWB标签和基站之间无遮挡物；故无需复杂的滤波、校正计算；减少了系统复杂度,使系统更稳定可靠,精度高。成本低,无需电池供电。解决了其它方案难安装、齿轮难匹配、安装后易松动、无法重复安装、易受干扰等机械问题,省去高度校准环节。(The invention relates to the technical field of elevators, in particular to a construction elevator height detection method based on UWB, which comprises a UWB tag arranged at the bottom of an elevator lifting cage, a UWB base station just opposite to a foundation below the UWB tag and a monitoring host arranged in the lifting cage, wherein the monitoring host is connected with the UWB tag, the UWB tag and the UWB base station respectively comprise a UWB transceiver chip, an RF antenna and a precision clock, and the monitoring host comprises a control processing unit and a display screen UWB tag connected with the control processing unit, and the UWB tag is arranged at the bottom of the lifting cage in an adsorption mode through a magnet. There is no shelter between UWB label and base station of the invention; therefore, complex filtering and correction calculation are not needed; the complexity of the system is reduced, and the system is more stable and reliable and has high precision. Low cost and no need of battery power supply. The mechanical problems that other schemes are difficult to install, gears are difficult to match, the gears are easy to loosen after installation, cannot be repeatedly installed, are easy to interfere and the like are solved, and a height calibration link is omitted.)
技术领域
本发明涉及升降机技术领域，尤其涉及一种基于UWB的施工升降机高度检测方法。
背景技术
施工电梯通常称为施工升降机，但施工升降机包括的定义更宽广，施工平台也属于施工升降机系列。单纯的施工电梯是由轿厢、驱动机构、标准节、附墙、底盘、围栏、电气系统等几部分组成，是建筑中经常使用的载人载货施工机械，由于其独特的箱体结构使其乘坐起来既舒适又安全，施工电梯在工地上通常是配合塔吊使用，一般载重量在0.3-3.6吨，运行速度为1-96M/min不等。我国生产的施工升降机越来越成熟，逐步走向国际。
传统的高度传感器安装在升降机提升笼顶部，高度传感器和升降机导轨架以齿轮啮合的方式连接；提升笼的运动通过齿轮传递到高度传感器，从而测量到升降机当前高度。
具有如下缺点：
1.传感器不好安装，需要用燕尾自攻螺丝将传感器附着在升降机上；传感器每拆装一次就会在升降机上留下几个孔，不方便二次拆装。
2.由于施工升降机运行时震动比较大，和安装位置的局限性；传感器容易脱落；传感器脱落后容易发生安全事故。
3.安装位置离起升电机很近，传感器信号容易被干扰。
4.由于升降机齿轮规格不一，高度传感器齿轮需要适配升降机齿轮，故齿轮不能做到统一规格，需要定制。
5.高度传感器安装后需要校准，但是现场人员不清楚升降机总高，现场高度又难以测量；故现场实施时基本采用估算的方法，这样校准误差较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于UWB的施工升降机高度检测方法，本发明包括安装在升降机提升笼底部的UWB标签、正对UWB标签下方地基上的UWB基站和安装在提升笼中的监测主机，所述监测主机与所述UWB标签连接，所述UWB标签和UWB基站均包括UWB收发芯片、RF天线和精准时钟，所述监测主机包括控制处理单元和与所述控制处理单元连接的显示屏；所述UWB标签通过磁铁吸附安装在所述提升笼的底部。
进一步，本发明的一种基于UWB的施工升降机高度检测方法具体按以下步骤：
S1:UWB标签在TSP时刻发出信息，UWB基站记录收到信息的时间TRP，延时一小段时间后返回信息给UWB标签标签且记录发送时间TSR；
S2:当UWB标签收到回复信息后，记录接收时间TRR，延时一小段时间后在TSF时刻将标签记录的时间TSP、TRR、TSF时间信息发送给基站；
S3:UWB标签发送接收时间差＝(TRR-TSP)；UWB基站延迟时间＝(TSR-TRP)；
S4:UWB信号从标签到UWB基站，再从UWB基站返回标签的传输时间＝(TRR-TSP)-(TSR-TRP)；
S5:UWB基站发送接收时间差＝(TRF-TSR)，UWB标签延迟时间＝(TSF-TRR)；
S6:UWB信号从基站到UWB标签，再从UWB标签返回UWB基站的传输时间＝(TRF-TSR)-(TSF-TRR)；单程飞行时间为TOF，计算如式(1)和式(2)；
根据式(1)和式(2)，得到
(TRR-TSP)×(TRF-TSR)＝(2TOF+(TSR-TRP))(2TOF+(TSF-TRR)) 式(3)
UWB标签到UWB基站的距离如式(5)，此距离也就是施工升降机离地面的高度；
H＝TOF*C； 式(5)
其中，H为高度，C为光速。本发明的TSP至TSF时刻的间距为20ms完成一次完整的升降机高度数据测量值采样。
进一步，利用最近10次数据(H1,H2,……,H10)，得到有效高度h,具体如式(6)所示：
其中，h为有效高度；
根据得到的有效高度h，得出当前施工升降机所处的高度信息。
本发明的一种基于UWB的施工升降机高度检测方法的有益效果为：
1、UWB标签和UWB基站的安装位置都方便接入电源，无需电池供电；无需考虑低功耗，和充电问题；故标签和基站的收发频率可以不受电池电量的限制，精度可以做得更高。本产品UWB标签和基站之间无任何遮挡物，不需要复杂的滤波(如卡尔曼滤波)计算，对MCU运算性能要求不高，可以低成本实现。只需进行简单的中值滤波即可。因应用场景不受功率限制故可以对TOF进行高频率多次测量，然后将数据进行滤波处理，用以提高检测精度。施工升降机最高速度为0.6m/s，GB/T 28264-2017规定采样频率不得大于100ms；我们将此标准提高到20ms完成一次完整的升降机高度数据测量。假如施工升降机正全速运行，20ms的测量周期产生的误差仅为1.2cm(0.6*100*0.02)；20ms内可进行7次TOF测量，然后将七次数据排序，取中间的那一次测量值作为本测量周期内有效值TOFM；升降机当前高度H＝TOFM*C。经实际测量本产品精度可以做到10cm内。
2、解决了传统的传感器安装问题；现有的测量方法均是在升降机铁皮顶棚上用钻尾自攻螺丝安装高度传感器；由于长期在工地上运行，此顶棚大多结构有变形或者上面有很多掉落物、灰尘、油污；所以在安装传感器时很难做到水平、垂直安装，若果传感器安装不水平使用过程中就可能发生传感器掉落问题；且钻尾自攻螺丝不适用于金属与金属的结合固定，所以实际使用中高度传感器经常掉落。本产品部件体积小重量轻采用磁吸安装的方法，只需要将标签和基站放在附作物表面即可。
3、解决了传感器使用寿命问题；施工升降机工作环境恶劣，高度传感器又安装在施工升降机顶部，长期饱受风吹日晒且升降机工作工程中振动比较强烈，故其整体寿命不长；本方法使用纯电子方式测量升降机实时高度代替了原始的机械传动方式，使用寿命至少提升两倍。
4、解决了校准及精度问题；现有的升降机高度测量方法都需要人为校准，现场人员校准时往往得不到准确的标准高度去校准传感器，标准高度基本都靠人为估算；所以现有方案在实施起来比较困难，精度难以估算。本发明不需要人为校准，减少了人为因素对精度的影响，节省了人力资源；精度最高可达10cm。
附图说明
图1是本发明的安装结构图；
图2是本发明的计算数据交互流程图；
其中，提升笼1，监测主机11，UWB标签2，地基3，UWB基站4。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，显然，所描述的实施例仅仅只是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本实施例中，如图1-2所示，包括安装在升降机提升笼底部的UWB标签、正对UWB标签下方地基上的UWB基站和安装在提升笼中的监测主机，所述监测主机与所述UWB标签连接，所述UWB标签和UWB基站均包括UWB收发芯片、RF天线和精准时钟，所述监测主机包括控制处理单元和与所述控制处理单元连接的显示屏；所述UWB标签通过磁铁吸附安装在所述提升笼的底部。
本实施例中，本发明的一种基于UWB的施工升降机高度检测方法具体按以下步骤：
S1:UWB标签在TSP时刻发出信息，UWB基站记录收到信息的时间TRP，延时一小段时间后返回信息给UWB标签标签且记录发送时间TSR；
S2:当UWB标签收到回复信息后，记录接收时间TRR，延时一小段时间后在TSF时刻将标签记录的时间TSP、TRR、TSF时间信息发送给基站；
S3:UWB标签发送接收时间差＝(TRR-TSP)；UWB基站延迟时间＝(TSR-TRP)；
S4:UWB信号从标签到UWB基站，再从UWB基站返回标签的传输时间＝(TRR-TSP)-(TSR-TRP)；
S5:UWB基站发送接收时间差＝(TRF-TSR)，UWB标签延迟时间＝(TSF-TRR)；
S6:UWB信号从基站到UWB标签，在从UWB标签返回UWB基站的传输时间＝(TRF-TSR)-(TSF-TRR)；单程飞行时间为TOF，计算如式(1)和式(2)；
根据式(1)和式(2)，得到
(TRR-TSP)×(TRF-TSR)＝(2TOF+(TSR-TRP))(2TOF+(TSF-TRR)) 式(3)
UWB标签到UWB基站的距离如式(5)，此距离也就是施工升降机离地面的高度；
H＝TOF*C； 式(5)
其中，H为高度，C为光速。本发明的TSP至TSF时刻的间距为20ms完成一次完整的升降机高度数据测量值采样。
利用最近10次数据(H1,H2,……,H10)，得到有效高度h,具体如式(6)所示：
其中，h为有效高度；
根据得到的有效高度h，得出当前施工升降机所处的高度信息。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
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