CN107091640B - 主令控制器动作姿态检测装置及电控*** - Google Patents

主令控制器动作姿态检测装置及电控*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主令控制器动作姿态检测装置及电控***，该主令控制器动作姿态检测装置包括用于检测主令控制器上手柄的动作姿态的测量装置及与测量装置相连用于接收测量装置检测的第一信号并生成与主令信号对应的第二信号的处理器，处理器连接用于将第二信号传递给电子辅助***的通信模块。通过采用该检测装置实现对手柄动作姿态的实时检测，并将检测后生成的与主令信号对应的第二信号传递给电子辅助***，为设备智能化监测及运行可靠性的提升提供了有力的保障，且本发明不需要介入电控***原有主令控制回路，安装方便，成本低，维护便利，具有极大的推广应用价值。

Description

主令控制器动作姿态检测装置及电控***
技术领域
本发明涉及主令控制器领域，特别地，涉及一种主令控制器动作姿态检测装置。此外，本发明还涉及一种包括上述主令控制器动作姿态检测装置的电控***。
背景技术
主令控制器(又称主令开关)，主要用于电气传动装置中，其按一定顺序分合触头，达到发布命令或其它控制线路联锁、转换的目的。适用于频繁对电路进行接通和切断，常配合磁力起动器对绕线式异步电动机的起动、制动、调速及换向实行远距离控制，广泛应用于各类起重机械的拖动电动机的控制***中。
主令控制器的动作原理是靠凸轮来控制触头***的关合。不同形状凸轮的组合可使触头按一定顺序动作，而凸轮的转角是由控制器的结构决定的，凸轮数量的多少则取决于控制线路的要求。
目前，机械设备正在向智能化、信息化方向发展，各类电子辅助***在机械设备上越来越多的出现，这些电子辅助***需要从设备电气控制***中采集各类信号，其中主令控制信号是重要的采集对象，它是分析设备运行工况重要参数。由于主令控制器的控制线路连接的是电气***的二次电路，是独立的电路回路，直接从该回路中获取主令控制器的触头开关信号虽然也能达到检测主令信号的目的，但是这破坏了电气***的原有的电路结构，有比较大的安全风险；同时检测既有的开关信号对成本要求比较高，因此，如何实现对现有主令控制器的主令信号进行采集，以供电子辅助***应用，是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种主令控制器动作姿态检测装置及电控***，以解决现有的主令控制器的主令信号无法直接采集或者经二次回路采集导致结构复杂、存在破坏电路结构导致安全风险的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种主令控制器动作姿态检测装置，包括用于检测主令控制器上手柄的动作姿态的测量装置及与测量装置相连用于接收测量装置检测的第一信号并生成与主令信号对应的第二信号的处理器，处理器连接用于将第二信号传递给电子辅助***的通信模块。
进一步地，测量装置为设于手柄上用于检测手柄的动作姿态的电子式姿态传感器或者设于手柄的四周用于检测手柄是否位移至设定位置状态的组合式限位开关。
进一步地，电子式姿态传感器包括用于检测手柄旋转的角速度的三轴陀螺仪测量单元、用于检测手柄对应的加速度的三轴加速度计及用于检测手柄对应的磁感应强度的三轴电子罗盘；
电子式姿态传感器还包括姿态确定单元，用于接收三轴陀螺仪测量单元、三轴加速度计及三轴电子罗盘的检测数据并生成手柄当前姿态对应的采样值。
进一步地，电子式姿态传感器还包括温度补偿模块，用于在姿态确定单元生成采样值的过程中对检测数据进行温度补偿，以得到经过温度补偿后的当前姿态对应的采样值。
进一步地，采样值包括手柄当前姿态对应的俯仰角、翻滚角及航向角。
进一步地，处理器包括姿态判定模块，用于根据接收的手柄当前姿态对应的采样值与预先设定的阈值模型比较，以生成用于判定主令控制器生成的主令信号的第二信号。
进一步地，测量装置为组合式限位开关时，处理器包括开关信号判断模块，用于根据接收的开关信号，生成用于判定主令控制器生成的主令信号的第二信号。
进一步地，通信模块为有线通信模块或者无线通信模块。
根据本发明的另一方面，还提供一种电控***，包括上述的主令控制器动作姿态检测装置，检测装置经通信模块连接电子辅助***，以将其检测生成的第二信号传递给电子辅助***。
进一步地，电子辅助***为设于本地的处理终端或者设于远程端的处理终端。
本发明具有以下有益效果：
本发明主令控制器动作姿态检测装置及电控***，通过采用该检测装置实现对手柄动作姿态的实时检测，并将检测后生成的与主令信号对应的第二信号传递给电子辅助***，为设备智能化监测及运行可靠性的提升提供了有力的保障，且本发明不需要介入电控***原有主令控制回路，安装方便，成本低，维护便利，具有极大的推广应用价值。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例主令控制器与测量装置结合的结构示意图；
图2是本发明优选实施例主令控制器动作姿态检测装置的原理方框示意图；
图3是本发明优选实施例中主令控制器手柄动作的示意图；
图4是本发明优选实施例中主令控制器手柄动作对应的姿态检测示意图；
图5是本发明优选实施例中采样值对应的阈值模型的示意图。
附图标记说明：
1、主令控制器；11、手柄；2、测量装置；21、电子式姿态传感器；
3、处理器；4、通信模块；5、电源。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
针对现有的主令控制器为了采集主令信号，需要在主令控制器的控制线路上采集信号，容易导致破坏电气***的原有电路结构，造成安全风险的问题，本实施例提供了一种新型的现有主令控制器上无需对二次回路进行改变的主令信号的采集方案，其可靠性高、兼容性及维护性好。参照图1及图2，本发明的优选实施例提供了一种主令控制器动作姿态检测装置，包括用于检测主令控制器1上手柄11的动作姿态的测量装置2及与测量装置2相连用于接收测量装置2检测的第一信号并生成与主令信号对应的第二信号的处理器3，处理器3连接用于将第二信号传递给电子辅助***的通信模块4。
本实施例通过采用测量装置实现对手柄动作姿态的实时检测，并将检测后生成的与主令信号对应的第二信号传递给电子辅助***，为设备智能化监测及运行可靠性的提升提供了有力的保障，且本发明不需要介入电控***原有主令控制回路，安装方便，成本低，维护便利，具有极大的推广应用价值。
本实施例中，测量装置2为设于手柄11上用于检测手柄11的动作姿态的电子式姿态传感器21或者设于手柄11的四周用于检测手柄11是否位移至设定位置状态的组合式限位开关。本实施例主令控制器为用于操纵塔机或者施工升降机以改变运行工况的操纵台。
在一个实施例中，电子式姿态传感器21包括用于检测手柄11旋转的角速度的三轴陀螺仪测量单元、用于检测手柄11对应的加速度的三轴加速度计及用于检测手柄11对应的磁感应强度的三轴电子罗盘；电子式姿态传感器21还包括姿态确定单元，用于接收三轴陀螺仪测量单元、三轴加速度计及三轴电子罗盘的检测数据并生成手柄11当前姿态对应的采样值。
参照图3及图4，当手柄11在操作人员控制下动作时，其方向及姿态实时改变，即对应在X轴、Y轴及Z轴上分量发生实时变化。本实施例通过设于手柄11上的电子式姿态传感器21实现手柄对应姿态的实时检测，具体地：本实施例电子式姿态传感器是一种高性能三维运动姿态测量***，其包含三轴陀螺仪测量单元、三轴加速度计，三轴电子罗盘，通过内嵌的低功耗处理器(对应姿态确定单元和温度补偿模块)得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。本实施例中，温度补偿模块，用于在姿态确定单元生成采样值的过程中对检测数据进行温度补偿，以得到经过温度补偿后的当前姿态对应的采样值。姿态确定单元利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据(对应采样值)。
本实施例中，三轴陀螺仪测量单元检测的是手柄旋转的角速度，通过积分就可以得到对应的角度值，计算公式如下：
θk＝(ωk-ωbias_k)dt+θk-1， (1)
公式(1)中：θk为当前时刻的角度值；θk-1为前一时刻的角度值；ωk为陀螺仪测量当前时刻的角速度；ωbias_k为当前时刻角速度的偏移量；dt为积分时间，即角度计算的采样周期。
三轴加速度计测量3个轴的加速度分量，本实施例利用三角函数关系解算角度姿态：
Figure BDA0001303436680000041
公式(2)中，Ax、Ay、Az分别是X、Y、Z这3个轴的加速度分量；γ为Z轴与重力加速度的夹角；ρ为俯仰角；φ为翻滚角。
三轴电子罗盘测量的是3个轴的磁感应强度，由于X、Y两轴的磁感应强度合成后总指向地磁北极，因此，可通过测量敏感轴与地磁北极的夹角来实现航向角的检测。三轴电子罗盘在水平位置且无外加磁场干扰时，航向角可通过如下三角函数关系计算：
Figure BDA0001303436680000042
公式(3)中，Hx和Hy分别为X轴和Y轴输出的磁感应强度数据。
当电子罗盘不在水平位置的时候，可通过倾斜补偿方法，减小航向角检测的误差。倾斜补偿公式为：
Figure BDA0001303436680000043
公式(4)中；Mx、My、Mz：分别为电子罗盘输出的3个轴数据；ρ和φ分别为借助三轴加速度计检测的俯仰角和翻滚角。利用补偿后的磁感应强度H’x、H’y和公式(3)可以计算补偿的航向角。
本实施例中，电子式姿态传感器21生成的采样值包括：手柄11当前姿态对应的俯仰角ρ、翻滚角φ及航向角α，其中，俯仰角ρ对应X轴与地面的角度、翻滚角φ对应Y轴与地面的角度，航向角α对应绕Z轴旋转的角度。
本实施例中，处理器3包括姿态判定模块，用于根据接收的手柄11当前姿态对应的采样值与预先设定的阈值模型比较，以生成用于判定主令控制器1生成的主令信号的第二信号。本实施例中，当主令控制器1的手柄11朝一个方向动作时，电子式姿态传感器21的相应维度对应的采样值将发生变化，通过该变化值判断手柄动作方向；当手柄在该方向做档位的切换时，相应维度采样值的变化范围不一值，通过变化范围的大小从而判断出手柄的档位位置。参见图3，当主令控制器向左侧进行指令动作时，电子式姿态传感器将会检测到X轴和Y轴方向的数据变化，对应的是X轴方式数值增大，Y轴方向数值变小，Z轴方向数值不变，假设当前左侧动作为1档指令，继续左倾一定幅度后为2档指令，则X轴和Y轴数值的变化幅度将增大(参见图5)，当其变化幅度超过设定阈值时，则判定生成与2挡指令对应的第二信号。此处仅为举例示意，本领域技术人员可以理解，根据主令控制器的档位设置类型，可以设定对应的阈值模型。
本实施例主令控制器动作姿态检测装置的原理框图参照图2，其中，电源5给各部分元件供电，电子式姿态传感器21获取生成手柄当前姿态对应的采样值，并将采样值经处理器3处理生成第二信号后，由通信模块4按照协议格式打包成通信数据并经通讯芯片传递至电子辅助***，以供后续分析及应用。本实施例通信模块4可以为有线通信模块4或者无线通信模块4，如采用串口通信模块或者采用3G/4G/WIFI等无线移动通信模块。
在另一实施例中，测量装置2采用机械结构，为组合式限位开关。具体地，将多个限位开关安装在手柄四周，并与手柄保持一定的距离，当手柄往一个方向动作时，手柄触及相应方向的限位开关使其触点闭合，与限位开关后级的处理器3相连接的获取开关信号后即可做出手柄动作方向的判断，此方法结构简单，可靠性高。
根据本发明的另一方面，还提供一种电控***，包括上述实施例的主令控制器动作姿态检测装置，检测装置经通信模块4连接电子辅助***，以将其检测生成的第二信号传递给电子辅助***。本实施例电子辅助***为设于本地的处理终端或者设于远程端的处理终端，以对主令控制器的操作过程进行显示或者对其主令信号进行记录以供后续分析及应用。
从以上的描述可以得知，本实施例通过采用该检测装置实现对手柄动作姿态的实时检测，并将检测后生成的与主令信号对应的第二信号传递给电子辅助***，为设备智能化监测及运行可靠性的提升提供了有力的保障，且本发明不需要介入电控***原有主令控制回路，安装方便，成本低，维护便利，具有极大的推广应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种主令控制器动作姿态检测装置，其特征在于，包括用于检测主令控制器(1)上手柄(11)的动作姿态的测量装置(2)及与所述测量装置(2)相连用于接收所述测量装置(2)检测的第一信号并生成与主令信号对应的第二信号的处理器(3)，所述处理器(3)连接用于将所述第二信号传递给电子辅助***的通信模块(4)；
所述测量装置(2)为设于所述手柄(11)上用于检测所述手柄(11)的动作姿态的电子式姿态传感器或者设于所述手柄(11)的四周用于检测所述手柄(11)是否位移至设定位置状态的组合式限位开关；
所述电子式姿态传感器包括用于检测所述手柄(11)旋转的角速度的三轴陀螺仪测量单元、用于检测所述手柄(11)对应的加速度的三轴加速度计及用于检测所述手柄(11)对应的磁感应强度的三轴电子罗盘；
所述电子式姿态传感器还包括姿态确定单元，用于接收所述三轴陀螺仪测量单元、所述三轴加速度计及所述三轴电子罗盘的检测数据并生成所述手柄(11)当前姿态对应的采样值；
所述三轴陀螺仪测量单元检测的是手柄旋转的角速度，通过积分就可以得到对应的角度值，计算公式如下：
θk＝(ωk-ωbias_k)dt+θk-1， (1)
公式(1)中：θk为当前时刻的角度值，θk-1为前一时刻的角度值，ωk为陀螺仪测量当前时刻的角速度，ωbias_k为当前时刻角速度的偏移量，dt为积分时间，即角度计算的采样周期；
所述三轴加速度计测量3个轴的加速度分量，利用三角函数关系解算角度姿态：
Figure FDA0002319115410000011
公式(2)中，Ax、Ay、Az分别是X、Y、Z这3个轴的加速度分量；γ为Z轴与重力加速度的夹角；ρ为俯仰角；φ为翻滚角；
所述三轴电子罗盘测量的是3个轴的磁感应强度，通过测量敏感轴与地磁北极的夹角来实现航向角的检测，三轴电子罗盘在水平位置且无外加磁场干扰时，航向角可通过如下三角函数关系计算：
Figure FDA0002319115410000021
公式(3)中，Hx和Hy分别为X轴和Y轴输出的磁感应强度数据；
当电子罗盘不在水平位置时，可通过倾斜补偿方法，减小航向角检测的误差，倾斜补偿公式为：
Figure FDA0002319115410000022
公式(4)中，Mx、My、Mz分别为电子罗盘输出的3个轴数据，ρ和φ分别为借助三轴加速度计检测的俯仰角和翻滚角，利用补偿后的磁感应强度H’x、H’y和公式(3)可以计算补偿的航向角。
2.根据权利要求1所述的主令控制器动作姿态检测装置，其特征在于，
所述电子式姿态传感器还包括温度补偿模块，用于在所述姿态确定单元生成所述采样值的过程中对所述检测数据进行温度补偿，以得到经过温度补偿后的当前姿态对应的采样值。
3.根据权利要求1或2所述的主令控制器动作姿态检测装置，其特征在于，
所述处理器(3)包括姿态判定模块，用于根据接收的所述手柄(11)当前姿态对应的采样值与预先设定的阈值模型比较，以生成用于判定所述主令控制器(1)生成的主令信号的第二信号。
4.根据权利要求1所述的主令控制器动作姿态检测装置，其特征在于，
所述测量装置(2)为组合式限位开关时，所述处理器(3)包括开关信号判断模块，用于根据接收的开关信号，生成用于判定所述主令控制器(1)生成的主令信号的第二信号。
5.根据权利要求1所述的主令控制器动作姿态检测装置，其特征在于，
所述通信模块(4)为有线通信模块(4)或者无线通信模块(4)。
6.一种电控***，其特征在于，包括如权利要求1至5任一所述的主令控制器动作姿态检测装置，所述检测装置经通信模块(4)连接电子辅助***，以将其检测生成的第二信号传递给所述电子辅助***。
7.根据权利要求6所述的电控***，其特征在于，
所述电子辅助***为设于本地的处理终端或者设于远程端的处理终端。
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