[发明专利]起重机臂的姿态和方向参考系统及方法

说明书

本申请是申请日为2012年3月15日，申请号为201210149447.6，发明名称为“起重机臂的姿态和方向参考系统及方法”的申请的分案申请。

技术领域

本发明一般地涉及一种姿态和方向参考系统，以及更特别地涉及用于起重机臂的姿态和方向参考系统。

背景技术

塔式起重机被用在种种环境中。两个更常见的环境是建筑工地和造船厂，因为这种类型的起重机提供了高度和起重能力的结合。塔式起重机典型地包括基座、立柱(mast)和起重机臂。基座被固定到地面，并且也与立柱相连接。回转单元与立柱相连接并被用于使起重机旋转。此外，起重机臂包括承载部分、平衡臂(counterjib)部分和操作室。

起重机臂的承载部分通常携带负载。平衡臂部分与承载部分相连接，并且在承载部分携带负载的同时携带配重以平衡起重机臂。操作室通常位于立柱的顶部附近，并且可以附着到起重机臂。然而，其他塔式起重机可以将操作室安装在立柱下方的中途。不论操作室的具体位置，起重机操作者坐在操作室中并且控制起重机。在一些情况下，起重机操作者可以从地面远程控制一台或多台塔式起重机。

在一些环境中，多台塔式起重机可以相对靠近地操作。因此，虽然未必可能，但是已经假定的是，两台或者多台塔式起重机的起重机臂可能碰撞。因此，需要一种碰撞避免/警告系统，该系统能够确定在特殊场地处工作的起重机自身的起重机臂和其他起重机臂的三维(3D)角度方向(例如姿态和方向角)。本发明至少致力于这个需求。

发明内容

在一个实施例中，一种确定起重机臂的姿态和方向角的方法包括：感测起重机臂的角速度、感测起重机臂的滚动角、感测起重机臂的俯仰角、感测作用在起重机臂的一部分上的比力、以及感测至少紧接起重机臂的局部磁场。感测到的起重机臂的角速度、感测到的起重机臂的滚动角、感测到的起重机臂的俯仰角、感测到的比力、以及感测到的局部磁场都被提供给处理器。在处理器中，根据感测到的起重机臂的角速度和感测到的比力来计算起重机臂的平移速度，以及使用计算的起重机臂的平移速度和感测到的起重机臂的角速度来计算起重机臂的加速度。使用计算的起重机臂的加速度来从感测到的起重机臂的滚动角和感测到的起重机臂的俯仰角中去除起重机臂的加速度分量，以及由此提供修正的起重机臂的滚动角测量和修正的起重机臂的俯仰角测量。将校准参数应用到感测到的局部磁场，由此提供校准的磁场测量。根据校准的磁场测量结果来计算起重机臂的方向角。使用修正的起重机臂的滚动角测量、修正的起重机臂的俯仰角测量、和计算的起重机臂的方向角来估计起重机臂的姿态和方向角。

在另一个实施例中，一种起重机臂的姿态和方向参考系统，包括多个起重机臂角速度传感器、多个比力传感器、倾斜计、多个磁力计、以及处理器。每个起重机臂角速度传感器被配置成感测起重机臂的角速度并且提供表示起重机臂的角速度的角速度信号。每一个比力传感器被配置成感测作用在起重机臂上的比力并且提供表示该比力的比力传感器信号。倾斜计被配置成感测起重机臂的滚动角和起重机臂的俯仰角并且提供表示该起重机臂的滚动角和起重机臂的俯仰角的倾斜计信号。每一个磁力计被配置成感测至少紧接起重机臂的局部磁场并且提供表示该局部磁场的磁力计信号。处理器被耦合以接收角速度信号、比力传感器信号、倾斜计信号和磁力计信号，并响应于此而被配置为：根据感测到的起重机臂的角速度和感测到的比力来计算起重机臂的平移速度、使用计算的起重机臂的平移速度和感测到的起重机臂的角速度来计算起重机臂的加速度、使用计算的起重机臂的加速度来从感测到的起重机臂的滚动角和感测到的起重机臂的俯仰角中移除起重机臂的加速度分量，以及由此提供修正的起重机臂的滚动角测量和修正的起重机臂的俯仰角测量，将校准参数应用到感测到的局部磁场，以由此提供校准的磁场测量，根据校准的磁场测量来计算起重机臂的方向角，以及使用修正的起重机臂的滚动角测量、修正的起重机臂的俯仰角测量、和计算的起重机臂的方向角来估计起重机臂的姿态和方向角。