起重機臂的姿態(tài)和方向參考系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般地設及一種姿態(tài)和方向參考系統(tǒng)，W及更特別地設及用于起重機臂的 姿態(tài)和方向參考系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 塔式起重機被用在種種環(huán)境中。兩個更常見的環(huán)境是建筑工地和造船廠，因為運 種類型的起重機提供了高度和起重能力的結(jié)合。塔式起重機典型地包括基座、立柱(mast) 和起重機臂。基座被固定到地面，并且也與立柱相連接?；剞D(zhuǎn)單元與立柱相連接并被用于使 起重機旋轉(zhuǎn)。此外，起重機臂包括承載部分、平衡臂(counter j ib)部分和操作室。
[0003] 起重機臂的承載部分通常攜帶負載。平衡臂部分與承載部分相連接，并且在承載 部分攜帶負載的同時攜帶配重W平衡起重機臂。操作室通常位于立柱的頂部附近，并且可 W附著到起重機臂。然而，其他塔式起重機可W將操作室安裝在立柱下方的中途。不論操作 室的具體位置，起重機操作者坐在操作室中并且控制起重機。在一些情況下，起重機操作者 可W從地面遠程控制一臺或多臺塔式起重機。
[0004] 在一些環(huán)境中，多臺塔式起重機可W相對靠近地操作。因此，雖然未必可能，但是 已經(jīng)假定的是，兩臺或者多臺塔式起重機的起重機臂可能碰撞。因此，需要一種碰撞避免/ 警告系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠確定在特殊場地處工作的起重機自身的起重機臂和其他起重機臂的 Ξ維(3D)角度方向（例如姿態(tài)和方向角）。本發(fā)明至少致力于運個需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引在一個實施例中，一種確定起重機臂的姿態(tài)和方向角的方法包括:感測起重機臂 的角速度、感測起重機臂的滾動角、感測起重機臂的俯仰角、感測作用在起重機臂的一部分 上的比力、W及感測至少緊接起重機臂的局部磁場。感測到的起重機臂的角速度、感測到的 起重機臂的滾動角、感測到的起重機臂的俯仰角、感測到的比力、W及感測到的局部磁場都 被提供給處理器。在處理器中，根據(jù)感測到的起重機臂的角速度和感測到的比力來計算起 重機臂的平移速度，W及使用計算的起重機臂的平移速度和感測到的起重機臂的角速度來 計算起重機臂的加速度。使用計算的起重機臂的加速度來從感測到的起重機臂的滾動角和 感測到的起重機臂的俯仰角中去除起重機臂的加速度分量，W及由此提供修正的起重機臂 的滾動角測量和修正的起重機臂的俯仰角測量。將校準參數(shù)應用到感測到的局部磁場，由 此提供校準的磁場測量。根據(jù)校準的磁場測量結(jié)果來計算起重機臂的方向角。使用修正的 起重機臂的滾動角測量、修正的起重機臂的俯仰角測量、和計算的起重機臂的方向角來估 計起重機臂的姿態(tài)和方向角。
[0006]在另一個實施例中，一種起重機臂的姿態(tài)和方向參考系統(tǒng)，包括多個起重機臂角 速度傳感器、多個比力傳感器、傾斜計、多個磁力計、w及處理器。每個起重機臂角速度傳感 器被配置成感測起重機臂的角速度并且提供表示起重機臂的角速度的角速度信號。每一個 比力傳感器被配置成感測作用在起重機臂上的比力并且提供表示該比力的比力傳感器信 號。傾斜計被配置成感測起重機臂的滾動角和起重機臂的俯仰角并且提供表示該起重機臂 的滾動角和起重機臂的俯仰角的傾斜計信號。每一個磁力計被配置成感測至少緊接起重機 臂的局部磁場并且提供表示該局部磁場的磁力計信號。處理器被禪合W接收角速度信號、 比力傳感器信號、傾斜計信號和磁力計信號，并響應于此而被配置為:根據(jù)感測到的起重機 臂的角速度和感測到的比力來計算起重機臂的平移速度、使用計算的起重機臂的平移速度 和感測到的起重機臂的角速度來計算起重機臂的加速度、使用計算的起重機臂的加速度來 從感測到的起重機臂的滾動角和感測到的起重機臂的俯仰角中移除起重機臂的加速度分 量，W及由此提供修正的起重機臂的滾動角測量和修正的起重機臂的俯仰角測量，將校準 參數(shù)應用到感測到的局部磁場，W由此提供校準的磁場測量，根據(jù)校準的磁場測量來計算 起重機臂的方向角，W及使用修正的起重機臂的滾動角測量、修正的起重機臂的俯仰角測 量、和計算的起重機臂的方向角來估計起重機臂的姿態(tài)和方向角。
[0007] 在又一個實施例中，一種起重機臂的姿態(tài)和方向參考系統(tǒng)，包括多個起重機臂角 速度傳感器、傾斜計、多個加速計、多個磁力計、顯示設備和處理器。每個起重機臂角速度傳 感器被配置成感測起重機臂的角速度并且提供表示該起重機臂的角速度的角速度信號。傾 斜計被配置成感測起重機臂的滾動角和起重機臂的俯仰角并且提供表示該起重機臂的滾 動角和起重機臂的俯仰角的傾斜計信號。每個加速計被配置成感測作用在檢驗質(zhì)量 (proofmass)上的力并且提供表示該力的比力傳感器信號。每個磁力計被配置成感測至少 緊接起重機臂的局部磁場并且提供表示該局部磁場的磁力計信號。處理器被禪合到顯示設 備并且進一步被禪合W接收角速度信號、傾斜計信號、比力信號和磁力計信號。在接收角速 度信號、傾斜計信號、比力信號和磁力計信號時處理器被配置:使用感測到的作用在驗證質(zhì) 量上的力、重力和加速計偏差的預測來計算修正的加速度計測量、使用感測到的角速度和 角速度傳感器偏差的預測來計算修正的角速度測量、使用修正的角速度測量來計算起重機 臂平移速度的估計值、根據(jù)傾斜計信號和起重機臂平移速度的估計值來計算修正的起重機 的滾動角和俯仰角、根據(jù)磁力計信號來計算起重機臂的方向角，實現(xiàn)第一濾波器，該第一濾 波器接收計算的起重機臂的速度的估計值、計算起重機臂的速度的預測、W及計算加速計 偏差的預測，實現(xiàn)第二濾波器，該第二濾波器接收修正的起重機臂的滾動角和俯仰角的計 算值和起重機臂的方向角的計算值、計算角速度傳感器偏差的預測、W及確定起重機臂的 姿態(tài)和方向角，W及對顯示設備提供圖像擅染顯示命令，該圖像擅染顯示命令使得顯示設 備能夠在其上擅染起重機臂姿態(tài)和方向角。
[0008] 此外，起重機臂的姿態(tài)和方向系統(tǒng)及方法的其他期望的特征和特性將根據(jù)隨后的 詳細描述和所附的權(quán)利要求書，連同附圖和先前的背景而變得清楚。
【附圖說明】
[0009] 在下文中將結(jié)合W下附圖對本發(fā)明進行描述，其中相同的附圖標記表示相同的元 件，其中：
[0010] 圖1描繪了塔式起重機的一個實施例的側(cè)視圖；
[0011]圖2描繪了可w用于圖1的塔式起重機中的起重機臂的姿態(tài)和方向參考系統(tǒng) (AHRS)的功能框圖；
[001引圖擬流程圖的方式描繪了由圖2的起重機臂AHRS所實現(xiàn)的過程；
[0013] 圖4描繪了在執(zhí)行圖3的過程時更詳細地描繪的具有在處理器內(nèi)實現(xiàn)的各種功能 的圖2的起重機臂AHRS。
【具體實施方式】
[0014] 接下來的詳細描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，并不旨在限制本發(fā)明或者本發(fā)明的應 用和使用。如在運里所使用的，詞語"示例性"意味著"用作例子、實例或者說邸'。因此，在運 里被描述為"示例性"的任何實施例不必被解釋為比其他實施例優(yōu)選或者有利。在運里所描 述的所有實施例都是提供來使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造或使用本發(fā)明的示例性實施例， 并且不限制由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍。此外，不意在由先前的技術(shù)領(lǐng)域、背景、簡 要概要或者下面的詳細說明中所呈現(xiàn)的任何表達的或暗示的理論所限制。在運點上，盡管 姿態(tài)和方向參考系統(tǒng)在運里被描述為與塔式起重機一起實現(xiàn)，但將理解的是，其能夠與諸 如俯仰式起重機之類的其他類型的起重機一起實現(xiàn)。
[0015] 首先參照圖1，描繪了塔式起重機100的一個實施例的側(cè)視圖。描繪的起重機100是 塔式起重機，盡管還可W使用許多其他類型的起重機中的任一類型。描繪的起重機100包括 基座102、立柱104和回轉(zhuǎn)單元106?；还潭ǖ奖砻?08,比如地面，并且被用于支撐構(gòu)成 塔式起重機100的部件的剩余部分?？杀粚崿F(xiàn)為可調(diào)高度的立柱的立柱104在一端禪合到基 座102?；剞D(zhuǎn)單元106旋轉(zhuǎn)地禪合到立柱104的相反端，并且