专利名称：起重机吊杆姿态和航向参考系统校准和初始化的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及姿态(attitude)和航向(heading)参考系统,更具体地,涉及一种对起重机的吊杆的姿态和航向参考系统进行校准和初始化的方法。
背景技术：
塔式起重机用在大量的环境中。两个较常见的环境是建筑工地和造船厂，原因在于这种类型的起重机所提供的高度和升举能力的组合。典型地，塔式起重机包括基座、桅杆和起重机吊杆。基座被固定至地面，并且还连接至桅杆。回转单元连接至桅杆，并用于旋转起重机。起重机吊杆特别包括承载部、平衡吊杆(counter jib)部和操作员驾驶室等等。典型地，起重机吊杆的承载部承载着负载。平衡吊杆部连接至承载部，并在承载部 承载负载的同时承载衡重(counter weight)以使起重机吊杆平衡。操作员驾驶室通常位于桅杆的顶部附近，并可以附着至起重机吊杆。然而，其他塔式起重机可能将操作员驾驶室安装在沿桅杆下来的中途处。无论其具体位置如何，起重机驾驶员都坐在操作员驾驶室中并且控制起重机。在一些实例中，起重机驾驶员可以从地面远程控制一个或多个塔式起重机。在一些环境中，可以相对接近地操作多个塔式起重机。因此，尽管不太可能，但是已经假设两个或更多个塔式起重机的起重机吊杆可能碰撞。因此，需要一种碰撞避免/警告系统，其能够确定起重机自身的起重机吊杆和在特定站点处工作的其他起重机吊杆的三维(3D)角定向(例如姿态和航向角)。还需要一种用于计算与塔式起重机操作环境中的磁力计测量相关联的校准参数并对在系统中实施的滤波器进行初始化/调准(align)的方法。本发明至少解决了这种需要。
发明内容
在一个实施例中，一种校准起重机吊杆的姿态和航向参考系统的方法，包括在执行一个或多个起重机吊杆操纵时，使用附着至起重机吊杆的磁力计，收集磁力计测量。将磁力计测量提供给处理器，处理器使用磁力计测量来生成磁力计校准参数。在另一实施例中，一种校准起重机吊杆的姿态和航向参考系统的方法，包括在显示设备上呈现通知操作员实施一个或多个起重机吊杆操纵的命令。在实施一个或多个起重机吊杆操纵时，使用附着至起重机吊杆的磁力计来生成磁力计测量。将磁力计测量提供给处理器，处理器使用磁力计测量来生成磁力计校准参数。在又另一实施例中，一种起重机吊杆姿态和航向参考系统，包括多个磁力计以及处理器。每个磁力计被配置为感测至少与起重机吊杆接近的局部磁场并提供表示所述局部磁场的磁力计信号。所述处理器被耦合以接收所述磁力计信号，并被配置为在接收到所述磁力计信号时生成磁力计校准参数。此外，起重机吊杆姿态和航向参考系统校准和初始化的其他期望特征和特性将通过结合附图和前述背景技术做出的后续具体描述和所附权利要求而变得显而易见。
下文将结合以下附图来描述本发明，其中，相似的数字表示相似的元素，并且其中
图I示出了塔式起重机的实施例的侧视 图2示出了可在图I的塔式起重机中使用的起重机吊杆姿态和航向参考系统(AHRS)的功能框 图3不出了由图2的起重机吊杆AHRS实施的流程图形式的过程；
图4更详细地示出了具有在执行图3的过程时在处理器内实现的各种功能的图2的起重机吊杆AHRS ；
图5示出了被实现为对图2的起重机吊杆AHRS进行校准和初始化的流程图形式的过 程；以及
图6以不同形式并利用不同细节示出了图5所示的过程的校准序列。
具体实施例方式以下具体实施方式
实质上仅是示例性的，并不意在限制本发明或者本发明的应用和使用。这里使用的词语“示例性”意味着“用作示例、实例或示意”。因此，这里被描述为“示例性”的任何实施例不必理解为比其他实施例优选或有利。这里描述的所有实施例是示例性实施例，其被提供以使本领域技术人员能够设计或使用本发明，而不限制由权利要求限定的本发明的范围。此外，并不意在受在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式
中提出的任何所表达的或所隐含的理论约束。在这一点上，尽管这里将姿态和航向参考系统描述为实施用于塔式起重机，但是将认识到，该系统可以实施用于其他类型的起重机(例如俯仰式起重机)。首先参照图I，示出了塔式起重机100的一个实施例的侧视图。所示的起重机100是塔式起重机，不过也可以使用多种其他类型的起重机中的任一种。所示的起重机100包括基座102、桅杆104和回转单元106。基座附贴至表面108 (例如地面)，并用于支撑构成塔式起重机100的组件的其余部分。可被实现为可调整高度桅杆的桅杆104在一端耦合至基座102。回转单元106旋转耦合至桅杆104的相对端，并且还耦合至起重机吊杆结构110，所述起重机吊杆结构110包括承载部112、平衡吊杆部114和操作员驾驶室116。在进一步继续下去之前，需要注意，当这里使用术语“起重机吊杆”时，其涵盖了 整个起重机吊杆结构110、承载部112和平衡吊杆部114、仅承载部112、或者仅平衡吊杆部114。承载部112 (在所示的实施例中包括多个格子结构元件)在一端耦合至回转单元106并从回转单元106延伸至第二端。线缆吊运车(cable trolley) 118可以安装在承载部112上，并可以可控制地移动至承载部112的末端之间的多个位置。平衡吊杆部114在与承载部112相对的一侧耦合至回转单元106，并具有与之耦合的衡重122。操作员驾驶室116稱合至回转单元106,并至少在所示的实施例中位于承载部112之下。被安置在操作员驾驶室116内的操作员控制塔式起重机100。具体地，经由多个未示意的发动机和齿轮组，操作员可以旋转回转单元106，从而绕着第一正交轴124、相对于桅杆104旋转起重机吊杆。起重机吊杆在操作期间的动态(dynamics)以及环境条件另外会使起重机吊杆绕着第二正交轴126 (被示作点以表示进入纸平面和从纸平面出来的轴)和第三正交轴128旋转。如这里所使用，绕第一正交轴124的旋转改变了起重机吊杆的航向角，绕第二正交轴126的旋转改变了起重机吊杆的螺旋角，并且绕第三正交轴128的旋转改变了起重机吊杆的横摇角。在一些实例中，可以与一个或多个其他未示出的塔式起重机相对接近地操作塔式起重机100。因此，为了甚至进一步降低起重机吊杆110将与另一塔式起重机的吊杆碰撞的可能性，所示的塔式起重机100还配备有起重机吊杆姿态和航向参考系统(AHRS)。在图2中示出并且现在将参照图2来描述起重机吊杆AHRS 200的示例性实施例。所示的起重机吊杆AHRS 200包括多个起重机吊杆角速度传感器202 (202-1,202-2、202-3)、多个磁力计 204 (204-1、204_2、204_3)、多个加速计 206 (206-1、206-2、206-3)、倾角计208、处理器210和显示设备212。起重机吊杆角速度传感器202中的每一个被配置为感测起重机吊杆的角速度并提供表示角速度的角速度信号。磁力计204中的每一个被配置为感测至少与起重机吊杆接近的局部磁场并提供表示该局部磁场的磁力计信 号。更具体地，磁力计204提供了对沿测量轴的定向分解的局部磁场向量的测量。由于磁力计204附着至起重机吊杆110，所以磁力计204和起重机吊杆110具有固定的相对定向。因此，磁力计204的定向与起重机吊杆110的定向直接关联。加速计206中的每一个被配置为感测作用于检测质量(未示出)上的力并提供表示所述力的比力信号。倾角计208被配置为感测起重机吊杆的横摇角和螺旋角并提供表示横摇角和螺旋角的倾角计信号。将认识到，起重机吊杆角速度传感器202的数目和类型、磁力计204的数目和类型以及加速计206的数目和类型可以变化。然而，在所示的实施例中，起重机吊杆角速度传感器202是使用三个正交布置的速率陀螺仪(“陀螺仪(gyros)”)来实现的，磁力计204是使用三个正交布置的磁力计来实现的，并且加速计206是使用三个正交布置的加速计来实现的。尽管所使用的速率陀螺仪202、磁力计204、加速计206和倾角计208的具体类型也可以变化，但是在一个具体实施例中，使用了由Honeywell International, Inc.制造的在单个外壳中包括所有这些设备的HG1171惯性测量单元(IMU)ο将认识到，在其他实施例中，可以使用单独封装的传感器。不论起重机吊杆角速度传感器202、磁力计204、加速计206和倾角计208的具体实现如何，处理器210都被耦合以分别从它们接收角速度信号、磁力计信号、比力信号和倾角计信号。处理器210被配置为响应于这些信号而确定起重机吊杆的姿态和航向角。处理器210还将图像呈现显示命令提供给显示设备212。图像呈现显示命令使显示设备212在其上呈现所确定的起重机吊杆姿态和航向角。在进一步继续下去之前，应当注意，显示设备212可以使用适于以起重机操作员可观看的格式呈现图像和/或文本数据的多种已知显示设备中的任一种来实现。这些显示设备的非限制性示例包括各种阴极射线管(CRT)显示器以及各种平板显示器(例如，各种类型的IXD (液晶显示器)和TFT (薄膜晶体管)显示器，仅举几个例子)。处理器210被配置为实现各种功能，以根据角速度信号、磁力计信号、比力信号和倾角计信号来确定起重机吊杆的姿态和航向角。具体地，并且如图2进一步示出，处理器210实现了两个卡尔曼滤波器一第一卡尔曼滤波器214和第二卡尔曼滤波器216。如以下将更详细地描述，第一卡尔曼滤波器214 (这里被称作速度卡尔曼滤波器)计算对起重机吊杆的速度的预测和对加速计偏置的预测。速度卡尔曼滤波器214的测量向量是起重机吊杆的速度，其是根据经校正的角速度测量来计算的。起重机吊杆110的计算出的速度还用于计算起重机吊杆110的加速度，该加速度用于校正由倾角计感测的横摇角和螺旋角。第二卡尔曼滤波器216 (这里被称作四元数(quaternion)卡尔曼滤波器)计算对角速度传感器偏置的预测，并确定起重机吊杆的姿态和航向角。四元数卡尔曼滤波器的测量向量216包括上述经校正的起重机吊杆横摇和螺旋角，以及根据磁力计信号确定的起重机吊杆航向角。应当注意，起重机吊杆航向角是相对于起重机吊杆的初始角定向的航向角。众所周知，卡尔曼滤波器实施迭代两步预测-校正过程以估计状态向量。该过程的预测部分有时被称作“时间更新”，这是由于支配状态向量的差分方程(例如，动态模型)是在时间上前向传播的。来自该过程的预测部分的计算结果可以被称作状态向量的先验估计。该过程的校正部分有时被称作“测量更新”，这是由于测量向量用于校正在预测步骤中计算的状态向量的先验估计。来自该过程的校正部分的计算结果可以被称作状态向量的后验估计。如刚刚所述的，起重机吊杆AHRS 200包括两个卡尔曼滤波器214、216。这两个卡 尔曼滤波器214、216 —起操作。因此，在处理器210中实现的总体过程包括两个预测步骤和两个校正步骤。此外，所示的卡尔曼滤波器214、216被配置为使得测量向量驱动预测步骤和校正步骤。在图3中以流程图形式示出了在处理器210中实现的总体过程300，总体过程300包括以下迭代步骤由速度卡尔曼滤波器214进行的预测(302)、由四元数卡尔曼滤波器216进行的预测(304)、由速度卡尔曼滤波器214进行的校正(306)、各种中间计算(308)以及由四元数卡尔曼滤波器304进行的校正(310)。由于该过程是迭代的，因此一再地顺序执行这些过程步骤。现在参照图4，图4更详细地示出了在处理器210内实现的各种功能，现在将更详细地描述图3所示且以上总体描述的过程。首先执行速度卡尔曼滤波器预测步骤(302)。在该步骤期间，速度卡尔曼滤波器214计算对起重机吊杆速度402的预测和对加速计偏置404的预测。这些预测是使用动态模型406来计算的，以下将更详细对其进行描述。用于驱动速度卡尔曼滤波器预测步骤(302)的测量是补偿的角速度测量424和补偿的加速计测量408。补偿的角速度测量是已通过角速度传感器偏置420 (例如，来自先前时间步骤的后验估计)补偿的、从角速度传感器202提供的角速度信号。补偿的加速计测量408是已针对加速计偏置404 (例如，来自先前时间步骤的后验估计)和重力412补偿的、从加速计206提供的加速计信号。在四元数卡尔曼滤波器预测步骤(304)期间，四元数卡尔曼滤波器216计算对起重机吊杆3D角定向414 (螺旋角、横摇角和航向角)的预测和对角速度传感器偏置420的预测。这些预测也是使用动态模型422来计算的，以下也将对其进行更详细描述。用于驱动四元数卡尔曼滤波器预测步骤(304)的测量是补偿的角速度测量424。使用所计算出的起重机吊杆速度426来驱动速度卡尔曼滤波器校正步骤(306)，起重机吊杆速度426被提供给测量模型407。与动态模型406类似，以下将进一步描述测量模型407。被提供给测量模型407的起重机吊杆速度426是根据角速度传感器202的校正角速度测量424和(在起重机吊杆110上的)已知位置428来计算的。如刚刚所述的，校正角速度测量424是使用从角速度传感器202提供的角速度信号和角速度传感器偏置420的后验估计来计算的。还需要注意，在速度卡尔曼滤波器校正步骤(302)后计算出的对起重机吊杆速度402和加速计偏置404的预测是起重机吊杆速度402和加速计偏置404的后验估计。在中间计算步骤(308)期间，执行多个中间计算。这些计算包括使用起重机吊杆速度402的后验估计以及(使用角速度传感器偏置420的后验估计而计算的)校正的起重机吊杆角速度测量424来计算起重机吊杆加速度432。使用所计算出的起重机吊杆加速度432将加速度补偿434应用于从倾角计208提供的倾角计信号。这种补偿从感测到的起重机吊杆横摇角和感测到的起重机吊杆螺旋角移除起重机吊杆加速度分量，从而提供校正的起重机吊杆横摇角测量和校正的起重机吊杆螺旋角测量436。将磁力计校准参数438应用于从磁力计204提供的磁力计信号，从而生成经校准的磁力计测量416。可以在初始调准过程期间确定校准参数438。然后，使用经校准的磁力计测量416来计算起重机吊杆110 (相对于其初始角定向)的航向角442。然后，将校正的起重机吊杆横摇角和螺旋角测量436以及航向角442转换为四元数444并提供给四元数卡尔曼滤波器216。应当注意，向四元数的转换以及对四元数的后续使用仅是一种可以用于对3D角定向进行参数化的技术且可以使 用许多其他姿态参数化方法。一些非限制性示例包括欧拉角、罗德里格(Rodriques)参数和方向余弦，仅举几个例子。在中间计算步骤(308 )之后，执行四元数卡尔曼滤波器校正步骤(310)。该步骤是使用根据倾角计信号计算的经校正的横摇角和螺旋角434以及根据经校准的磁力计测量438计算的航向角442 (且被转换为四元数444)来驱动的。将这些值提供给测量模型423，以下还将进一步描述。对起重机吊杆3D角定向414 (例如，横摇角、螺旋角和航向角)和角速度传感器偏置420的后验估计进行计算。起重机吊杆3D角定向414的后验估计用于生成图像呈现显示命令，所述图像呈现显示命令被提供给显示设备212。如前所述，显示设备212呈现起重机吊杆姿态和航向角的图像。在以上讨论中所述的，分别如速度卡尔曼滤波器214和四元数卡尔曼滤波器216中的测量模型407和423那样，描述分别处于速度卡尔曼滤波器214和四元数卡尔曼滤波器216中的动态模型406和422。为了完整，现在将提供这些描述，首先以速度卡尔曼滤波器214开始，其所实现的动态模型数学表示如下
权利要求
1.一种对起重机吊杆的姿态和航向参考系统进行校准的方法，包括以下步骤 在执行一个或多个起重机吊杆操纵时，使用附着至所述起重机吊杆的磁力计来收集磁力计测量； 将所述磁力计测量提供给处理器；以及 在所述处理器中，使用所述磁力计测量来生成磁力计校准参数。
2.根据权利要求I所述的方法，其中 所述姿态和航向参考系统包括多个滤波器；以及 所述方法还包括对每个滤波器进行初始化和调准。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，所述一个或多个起重机吊杆操纵包括以下一项或多项回转所述起重机吊杆；移动在所述起重机吊杆上安装的线缆吊运车；以及移动在所述起重机吊杆上安装的线缆带钩滑车。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述一个或多个起重机吊杆操纵包括通过可获得的运动范围，将所述起重机吊杆回转至少一个满转。
5.根据权利要求I所述的方法，其中 所述磁力计校准参数是使用磁力计测量模型来生成的，所述磁力计测量模型被定义为
6.一种对起重机吊杆的姿态和航向参考系统进行校准的方法，包括以下步骤 在显示设备上呈现通知操作员实施一个或多个起重机吊杆操纵的命令； 在实施所述一个或多个起重机吊杆操纵时，使用附着至所述起重机吊杆的磁力计来生成磁力计测量； 将所述磁力计测量提供给处理器；以及 在所述处理器中，使用所述磁力计测量来生成磁力计校准参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中 所述姿态和航向参考系统包括多个滤波器；以及 所述方法还包括使用所述磁力计校准参数来对所述多个滤波器进行初始化和调准。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，对所述多个滤波器进行初始化和调准的步骤包括 将初始状态向量统计提供给每个滤波器，所述初始状态向量统计包括部分地基于所述磁力计校准参数的初始状态向量；以及 在所述处理器中，至少确定基于滤波器的测量何时收敛至传感器测量的预定值内。
9.根据权利要求8所述的方法，其中 所述磁力计校准参数是使用磁力计测量模型来生成的，所述磁力计测量模型被定义为
10.一种起重机吊杆姿态和航向参考系统,包括 多个磁力计，每个磁力计被配置为感测至少与起重机吊杆接近的局部磁场并提供表示所述局部磁场的磁力计信号；以及 处理器，被耦合以接收所述磁力计信号，并被配置为在接收到所述磁力计信号时生成磁力计校准参数。
全文摘要
本发明涉及起重机吊杆姿态和航向参考系统校准和初始化。提供了用于对起重机吊杆的姿态和航向参考系统进行校准和初始化/调准的方法和设备。在执行包括起重机吊杆回转的起重机吊杆操纵时，使用附着至起重机吊杆的磁力计来生成磁力计测量。所述磁力计测量被提供给处理器，所述处理器被配置为使用所述磁力计测量来生成磁力计校准参数并对多个滤波器进行初始化和调准。
文档编号B66C13/46GK102745592SQ20121011407
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月18日 优先权日2011年4月19日
发明者B.E.弗利, B.马哈德夫, M.R.埃尔格斯马, S.P.切恩奇瓦, V.L.巴格什瓦 申请人:霍尼韦尔国际公司