一种基于PCC控制器和无线传感器的定位系统的制作方法

一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统
技术领域
1.本技术涉及水力发电的定位装置技术领域，具体涉及一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统。


背景技术：

2.在水力发电工程中，接力器的行程测量是至关重要的一个程序，而测量接力器行程主要通过确定探头的位置来实现。目前，水力发电行业中，常规定位方法是通过配置一个传感器，来完成单维度定位。
3.具体的，参见图1，为现有技术中常规定位方法操作示意图，具体方法为：首先根据传感器1的测量范围，设置最小检测距离4和最大检测距离5，分别标定为0％和100％，然后在这个范围之内，根据插值公式，依据实时采集的模拟量进行百分比展示。常规定位方法存在以下应用特点：
4.(1)被测对象3为直线运行，在事先获取被测对象的移动范围、规律后，对测量传感器1进行匹配性安装，一般要求传感器1、钢丝绳2与被测对象3处于同一直线上且需同轴。如果传感器1或被测对象3安装出现歪斜，测量结果则会呈现出非线性变化，从而降低测量精度和准确性。
5.(2)只能对静止的被测对象实现自动定位，而无法在一个平面上移动的被测对象，或移动行为结束后的被测对象，进行位置确定，或者需要借助人工测量才能实现位置确定。具体的，当被测对象在平面内不规律移动时，需要人工介入才能获得定位信息，也可以借助第二个传感器进行测量，但第二个传感器的位置安装以及两个传感器的测量数据仍然需要人工二次处理，才能精确定位被测对象的具体位置，因此，常规定位方法无法自动完成数据的采集、计算及分析处理。
6.(3)多采用钢丝绳或短距离无线测量，安装复杂，可靠性、精度和集成度均较低，且测量数据无法实现在线监测和实时传输，也无法以画面、坐标等形象手段呈现出来。
7.近年来，为了满足现场需求，探头常常并非静止不动的，而是需要在导叶上任意移动，加上随着机械设备对高度自动化和智能化的运维需求越来越大，迫切需要对常规定位方法进行升级和集成，取代传统的人工测量方式，能够对移动中的探头进行精确定位，进而使得设备实现高度自动化。为此，亟需一种能实现自动采集及计算，且能实现实时在线测量和展示的动态定位系统。


技术实现要素：

8.为了克服现有技术的不足，本技术旨在提供一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统，该定位系统可以对在平面上移动的被测对象(探头或其他物体)进行坐标测量及定位；并能够对测量数据进行自动采集和计算，且无需依赖拉绳，测量过程和测量结果的获取无需依赖人工；还可以对处理后的数据进行画面展示，以及远距离传送给其他需要设备。
9.为了实现上述目的，本技术提供一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统，具
体包括：第一传感器、第二传感器、pcc控制器和人机界面。
10.所述第一传感器用于获取被测对象的第一采样值，并将所述第一采样值发送至所述pcc控制器，所述第一采样值为所述第一传感器与被测对象之间的距离信息。
11.所述第二传感器用于采集被测对象的第二采样值，并将所述第二采样值发送至所述pcc控制器；所述第二采样值为所述第二传感器与被测对象之间的距离信息。
12.所述pcc控制器用于根据所述第一采样值和所述第二采样值对被测对象进行精确定位，获得精确目标位置；以及将所述精确目标位置发送至所述人机界面。
13.所述人机界面用于画面展示所述精确目标位置。
14.进一步的，所述pcc控制器根据所述第一采样值和所述第二采样值对被测对象进行精确定位，获得精确目标位置的具体方法为：
15.设定被测对象的活动范围。
16.设定基准点a和基准点b，所述基准点a为所述第一传感器的安装位置，所述基准点b为所述第二传感器的安装位置。
17.获取所述基准点a和所述基准点b之间的距离，标记为c。
18.获取所述基准点a与被测对象之间的距离，标记为b；以及获取所述基准点b与被测对象之间的距离，标记为a。
19.以所述基准点a为圆心，以b为半径画圆，获得圆a。
20.以所述基准点b为圆心，以a为半径画圆，获得圆b。
21.获取所述圆a与所述圆b的交点，并将位于所述活动范围内的交点确定为精确目标位置。
22.进一步的，所述第一传感器和所述第二传感器为超声波测距传感器，所述超声波测距传感器为m18型号。
23.进一步的，所述定位系统还包括联动工装，所述联动工装与被测对象连接为一体，随被测对象同步运动，用于接收和反馈所述第一传感器和所述第二传感器发送的测距信号。
24.进一步的，所述联动工装包括金属感应面、球形关节和圆柱含体，所述金属感应面用于接收和反馈所述第一传感器和所述第二传感器发送的测距信号，所述金属感应面上附着第一强磁铁片，所述第一强磁铁片与所述球形关节的中心连接，所述球形关节按照预设比例设置于所述圆柱含体内，所述球形关节能够联动所述金属感应面做各向转动。
25.进一步的，所述圆柱含体为圆柱体，可沿轴向伸缩，所述圆柱含体的一端为空心，内含预设比例的所述球形关节；所述球形关节与所述圆柱含体位于同一轴向中心，且通过攻m4螺纹连接，用于锁止所述球形关节，防止所述金属感应面旋转。
26.进一步的，所述预设比例为60％。
27.进一步的，所述定位系统还包括与所述第一传感器和所述第二传感器匹配的定制支架，所述定制支架为两个，分别用于固定所述第一传感器和所述第二传感器。
28.进一步的，所述定制支架为l型，材质为3毫米厚的钢材，所述l型的底部设置有匹配尺寸的第二强磁铁片；所述定制支架的侧面开孔为u型槽，直径为19毫米。
29.进一步的，所述定位系统还包括电源装置，用于为所述pcc控制器、所述第一传感器、所述第二传感器和所述人机界面提供电力支撑。
30.本技术提供一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统。本技术采用pcc控制器作为定位系统的数据采集和计算单元，结合超声波无线传感器，对被测对象进行扫描，可以自动完成被测对象的坐标标定所需的数据测量、数值计算程序，并能以画面形式展现于人机界面。本技术通过配制先进的超声波无线传感器以及特制的工装，将该传感器通过通信或模拟量方式与pcc控制器进行连接，测量数据在pcc控制器内部进行存储、计算与输出，并经pcc控制器与人机界面实现通信连接，从而完成采集、计算、显示和传输功能；同时，人机界面可以对测量基准进行参数设定和量程标定。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为现有技术中常规定位方法操作示意图；
33.图2为本技术实施例提供的一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统测量及定位原理示意图；
34.图3为本技术实施例提供的超声波测距传感器测量原理示意图；
35.图4为本技术实施例提供的被测对象联动工装结构示意图；
36.图5为本技术实施例提供的定制支架结构示意图；
37.图6为本技术实施例提供的便携式定位装置示意图；
38.图7为本技术实施例提供的一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统结构示意图；
39.图8本技术实施例提供的画面展示示意图。
40.图中，1-传感器，2-钢丝绳，3-被测对象，4-最小检测距离，5-最大检测距离，6-联动工装，61-金属感应面，611-第一强磁铁片，62-球形关节，63-圆柱含体，631-螺栓孔，7-定制支架，71-第二强磁铁片，8-人机界面，9-信号采集接口，10-电源接口，11-通信接口，12-存储联机接口。
具体实施方式
41.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行完整、清楚的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
42.目前，在水力发电行业领域，对于接力器的行程测量，大都依然采用传统的定位方法来完成，而传统的定位方法简单单一，且为直线定位；不能对二维移动的被测对象准确定位，即使能定位也需要采用人工干预手段才能实现；无法自动计算二维坐标；并且，传统的定位仅仅是方法，在控制设备中仅仅作为控制反馈或数据显示，无法实时画面展示给用户。
43.因此，本技术实施例针对传统定位方法的缺陷，提供一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统，主要应用于水力发电工程中接力器的行程测量。该定位系统可以对在平面上移动的被测对象(探头或其他物体)进行坐标测量、定位，实现测量数据的自动采集和
计算，且不依赖拉绳，分析过程和结果无需人工干涉；同时，对处理后的数据可以画面展示，还可以远距离(通信方式或模出方式)传送给其他需要设备。
44.本技术实施例提供一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统，具体包括：第一传感器、第二传感器、pcc控制器和人机界面。
45.本技术实施例中，第一传感器用于获取被测对象的第一采样值，并将第一采样值发送至pcc控制器，其中，第一采样值为第一传感器与被测对象之间的实时距离信息。
46.本技术实施例中，第二传感器用于采集被测对象的第二采样值，并将第二采样值发送至pcc控制器，其中，第二采样值为第二传感器与被测对象之间的实时距离信息。
47.本技术实施例中，pcc控制器用于根据第一采样值和第二采样值对被测对象进行精确定位，获得精确目标位置；以及将获得的精确目标位置发送至人机界面。
48.具体的，pcc控制器主要包括模拟量输入模块、通讯模块和cpu模块，模拟量输入模块主要用于接收第一传感器和第二传感器发送的模拟量形式的采样信号，通讯模块用于与其他应用装置实现连接，cpu模块用于数据转换、计算、分析和传输等操作，并且实现与人机界面的通信连接。其中，本技术实施例中，pcc控制器选用贝加莱公司pcc最新x20系列，cpu型号选取cp1485或以上均可，模拟量模块选用型号为ai4622，该型号的一个模块可以接收4路模拟量信号(电流和电压可跳线选择)。
49.本技术实施例中，pcc控制器根据下述方法进行精确定位，获得精确目标位置：
50.步骤s11：设定被测对象的活动范围。
51.步骤s12：设定基准点a和基准点b，所述基准点a为所述第一传感器的安装位置，所述基准点b为所述第二传感器的安装位置。
52.步骤s13：获取所述基准点a和所述基准点b之间的距离，标记为c。
53.步骤s14：获取所述基准点a与被测对象之间的距离，标记为b；以及获取所述基准点b与被测对象之间的距离，标记为a。
54.步骤s15：以所述基准点a为圆心，以b为半径画圆，获得圆a。
55.步骤s16：以所述基准点b为圆心，以a为半径画圆，获得圆b。
56.步骤s17：获取所述圆a与所述圆b的交点，并将位于所述活动范围内的交点确定为精确目标位置。
57.具体的，参考图2，为本技术实施例提供的一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统测量及定位原理示意图，为了便于计算，在本技术实施例中，设定四方形代表被测对象(可以是探头)的活动范围，在被测对象活动范围内某一确定的边界上，设置基准点a和基准点b，两处分别安装一个超色波测距传感器，被测对象在框定的活动范围内移动。基准点a处的超色波测距传感器，通过超声检测原理，检测基准点a与被测对象之间的距离为b；基准点b处的超色波测距传感器，通过超声检测原理，检测基准点b与被测对象之间的距离为a。而基准点a和基准点b之间的距离是可知的，定义为c。然后，分别以基准点a为圆心、b为半径画圆，以基准点b为圆心、a为半径画圆。这样，两圆之间至多有j1和j2两个交点，其中，落在前述设定的活动范围(即四方形)内的交点j1，即为被测对象的精确位置点c，再经过相关计算，即可获得被测对象的精确目标位置。需要说明的是，此处的a、b和c实际上为标幺值。
58.本技术实施例中，人机界面用于画面展示所述精确目标位置。具体的，人机界面用于画面组态，其主要具备参数设置、信息显示、存储等功能。具体的，人机界面可选用mcgs品
牌的小型触摸屏，型号为tpc7062kd，该型号产品是一套以嵌入式低功耗cpu为核心的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品机身精巧，采用标准的7英寸液晶显示屏，分辨率为800
×
480，安装控件小巧，显示质量优异，并配制四线电阻式触摸屏，其分辨率达1024
×
1024。
59.本技术实施例中，所述第一传感器和所述第二传感器为超声波测距传感器，所述超声波测距传感器为m18型号。具体的，由于被测对象在不断移动，对于动态的位置确定，传统的拉绳式传感器显然已经不适用，而需选用一种无线式、集成度高、安装方便，且体积短小的传感器。为此，本技术实施例中，采用超声波测距传感器是最佳选择。具体的，参考图3，为本技术实施例提供的超声波测距传感器测量原理示意图，其中，该类型超声波测距传感器的外径为m18，标准目标板尺寸为100
×
100mm，从图3可以看出，该类型超声波测距传感器的扫描形式表现为扇形，如此可以极大地降低安装偏差引起的测量误差。更具体的，该传感器所需工作电源为24v，采用三线制接线原理，测量范围可达3m及以上，输出信号类型为4-20ma或者0-10v电流信号，环境温度为-5～50℃，外部接线方式采用5针插头式。
60.本技术实施例中，该定位系统还包括联动工装，所述联动工装与被测对象连接为一体，随被测对象同步运动，用于接收和反馈所述第一传感器和所述第二传感器发送的测距信号。
61.具体参考图4为本技术实施例提供的被测对象联动工装结构示意图，由图上可知，联动工装6主要由金属感应面61、球形关节62和圆柱含体63三部分组成，金属感应面61用于接收和反馈第一传感器和第二传感器发送的测距信号，且金属感应面61上附着有第一强磁铁片611，该第一强磁铁片611通过m4的螺栓与球形关节62的转动中心连接，球形关节62可在一定范围内做各个方向的转动，从而带动金属感应面61一起做各向转动，起到调节金属感应面61的作用；进一步的，圆柱含体63为圆柱体，具备一定的轴向伸缩性，圆柱含体63的一端为空心，内含60％体积的球形关节62，球形关节62与圆柱含体63位于同一轴向中心，且通过攻m4螺纹连接，从而利于m4的内六角螺栓作为顶丝，锁止球形关节62，进而防止金属感应面61在测距过程中随意转动，影响测量数据准确性。
62.具体的，本技术实施例要解决的是对一个移动被测对象进行定位，那么采用上述传感器直接对目标进行探测较为困难，或者定位不够准确。因此，针对该被测对象需要设计一个与此随动的工装。从图4可知，该联动工装设计了被测量的金属感应面61，具备可调节性，并带有锁止功能，其为金属材质，厚度为3mm，发黑；可转动的球形关节半径r1为15mm；圆柱含体63直径d1和长度l1均为40mm，且圆柱含体63的另一端设置有螺栓孔631，用于旋入m4内六角螺栓，其中螺栓孔内径d2设置为10mm，而本技术实施例选用螺帽外径为8mm的m4内六角螺栓，这样螺帽外径小于螺栓孔内径，从而为螺栓旋入预留了余量，便于操作，另外，m4内六角螺栓的下沉深度h为6mm。
63.本技术实施例中，定位系统还包括与第一传感器和第二传感器匹配的定制支架7，且定制支架7为两个，分别用于固定第一传感器和第二传感器。
64.具体的，为了避免由于传感器晃动或者轻微移动影响到测量结果的准确性，所以需要将传感器进行固定。本技术实施例采用m18粗的超声波测距传感器，考虑到传感器固定的可调性，以及支架的安装方便性，传感器定制支架设计如图5所示，其中图5(a)为定制支架的正视示意图，图5(b)为定制支架的侧视示意图，图5(c)为定制支架的俯视示意图。结合图5(a)-(c)可以看出，定制支架7设计为l型，材质为3毫米厚的钢材，定制支架7的l型底部
设置有与l型底部尺寸匹配的第二强磁铁片71，此处设计为磁铁，一是为了起到更好的固定作用，二是为了方便固定支架7的安装和调整，即用即装，测试完毕可取下，操作更便捷可变。
65.定制支架7的侧面开孔为u型槽，其中，l型侧端宽度w1为25mm，高度h1为70mm，厚度d1为3mm；l型底端长度l2为65mm，宽度w2为25mm，厚度d2为3mm；u型槽宽度w3为19mm，深度h2为56.5mm，其中u型槽直线部分深度h3为47mm，u型槽弧形部分半径r2为9.5mm，如此设计便于传感器的上下调节，更具有灵活性。
66.进一步的，所述定位系统还包括电源装置，用于为pcc控制器、第一传感器、第二传感器和人机界面提供电力支撑。
67.需要说明是的，为了操作更加简便，在本技术的部分实施例中，还可以将pcc控制器和集成到一个装置中，组成一个便携式装置，参见图6，为本技术实施例提供的便携式定位装置外形示意图。该装置可设计为长度为30cm，深度为20cm，高度为40cm的大小，如此设计外形小巧，便于携带。由图上可知，该便携式装置包括人机界面8，并设置有信号采集接口9、电源接口10、通信接口11和存储联机接口12，所有接口均为便于插拔的航空插头，其中信号采集接口9与外部的超声波测距传感器连接。本便携式装置对外提供rs485接口，支持标准modbus协议，可方便接入通用的数据采集器。
68.由此可知，本技术实施例具有下列特点：
69.1、本技术实施例提出了采用2个无线传感器对平面上移动的对象进行数据采集和计算，并对被测对象进行坐标确定。
70.2、数据经过pcc控制器和人机界面的处理，可以形象地对被测对象的位置进行展示，且人机界面具备参数设置、信息显示和存储等功能。
71.3、本技术实施例设计了一种可以多角度、可调节的感应金属面，结构简单，经济实用，且便于安装。
72.4、pcc控制器对外提供rs485接口、支持标准的modbus协议，可以方便接入通用的数据采集器或其他数据平台。
73.下面，将从整体上对本技术实施例提供的一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统进行简单阐述。该定位系统，主要应用于接力器的行程测量，具体包括：第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器、传感器的定制支架、pcc控制器、被测对象的联动工装、人机界面和电源装置。
74.参见图7，为本技术实施例提供的一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统结构示意图。由图上可知，该定位系统主要由pcc控制器、两个超声波传感器组成的传感器单元、人机界面、电源装置以及被测对象组成。两个超声波传感器采集被测对象(此处为探头)位置，以模拟量方式输入到pcc控制器的模拟量输入模块中，数据经过cpu模块转换和计算，与人机界面的触摸屏hmi通信联系。同时，计算后的结果数据还能以modbus485通信方式传输给其他应用系统。电源装置中的电源模块给pcc控制器、人机界面和超声波传感器提供电力支撑。
75.具体的，本技术实施例提供的一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统，采用pcc控制器的模数转化、滤波、软件语言编程等技术，实现对被测对象进行位置的测量、提取、分析、计算、传输等功能，人机界面采用mcgs公司产品，用于画面组态，主要功能为参数
设置和位置形象展示。该定位系统具体处理过程可表示为如下步骤：
76.①
对数据的采集标定。根据每个传感器的量程，在界面上进行数值标定。假定单个传感器的标定预设数据如表1所示，需要强调的是，表中数据均为假设值。
77.表1单个传感器的预设数值标定表
78.最小采样模拟量4ma最大采样模拟量20ma最小采样值码值semp_min6553最大采样值码值semp_max32767最小采样标定百分比0％最大采样标定百分比100％对应最小位置l_min20mm对应最大位置l_max2020mm
79.第一超声波测距传感器对于被测对象的测量位置y1，可用下公式计算：
[0080][0081]
式中，x1为第一超声波测距传感器的实时采样值。
[0082]
第二超声波测距传感器对于被测对象的测量位置y2，计算原理和计算方法均与y1相同，具体表示为：
[0083][0084]
式中，x2为第二超声波测距传感器的实时采样值。
[0085]
②
根据上述公式，可获知y1和y2的具体数值大小，参考图2中三角形
△
abc，ab表示两个超声波测距传感器安装位置基点，c表示被测对象探头位置，即可知道b＝y1，＝y2。这样分别以b和a为半径画圆，其交点在ab基准线之(在活动范围内的)上的即为被测对象的精准位置。
[0086]
假设以b点为视角，来描述c的位置，只需求出∠abc的大小以及a的长度即可。a的长度按照前述公式可以获知，其中∠abc的角度大小可根据下述推导过程求出：
[0087]
根据三角形角和边的数值关系式：
[0088]
b2＝a2 c
2-2ac
×
cos∠b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0089]
由公式(1)可推导出：
[0090][0091]
由公式(2)可得：
[0092][0093]
在获知角度和边长的前提下，就可以以确定的b点位置来标定和定量描述被测对象c点的坐标。
[0094]
③
画面展示。参见图8，为本技术实施例提供的画面展示示意图。根据上述方法和已求出的数据，在人机界面进行形象的位置显示。其中，圆形曲线和被测对象位置，均在界面进行脚本程序编程。
[0095]
综上所述，本技术实施例具有下述优点：
[0096]
1、将pcc和人机界面(比如mcgs触摸屏)技术首次用在移动目标的位置测量和坐标
标定上，结构紧凑、算法简单，数据精准，展示丰富。
[0097]
2、该定位系统集成了无线传感器、pcc1382模块、模拟量和通信模块，电源单元，显示单元，采集数据直接以模拟信号型式输出，同时将采集的原始数据、标幺数据以及处理后的信息，通过标准的modbus485通信远传到其他数据接入平台。
[0098]
3、pcc编程语言简单，常规数学运算，以及余弦及其反运算等，均可直接调用运算函数或指令，无需重新编程。人机界面组态简单，元件库丰富，根据画面展示需要，亦可通过其脚本编程完成简单数据关联。
[0099]
最后，还需强调的是，基于pcc控制器、mcgs和无线传感器组成的系统，对移动目标的二维定位方法，业界较少。国内现有技术中，存在通过直接拍照技术，对场景进行抓取，再逆向进行数据分析和计算，但是此种方法定位不精准。并且，本技术实施例所提供的定位系统应用范围不仅限于移动的探头，也不仅限于应用于水力发电工程中，还可以用于其他行业(矿业、船舶、汽车、航天等方面的移动目标)的定位，区别在于感应工装需结合移动对象结构特点，从而定制连接方式。
[0100]
本技术提供一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统，应用于接力器的行程测量，所述定位系统包括：第一传感器、第二传感器、pcc控制器和人机界面。
[0101]
所述第一传感器用于获取被测对象的第一采样值，并将所述第一采样值发送至所述pcc控制器，所述第一采样值为所述第一传感器与被测对象之间的距离信息。
[0102]
所述第二传感器用于采集被测对象的第二采样值，并将所述第二采样值发送至所述pcc控制器；所述第二采样值为所述第二传感器与被测对象之间的距离信息。
[0103]
所述pcc控制器用于根据所述第一采样值和所述第二采样值对被测对象进行精确定位，获得精确目标位置；以及将所述精确目标位置发送至所述人机界面。
[0104]
所述人机界面用于画面展示所述精确目标位置。
[0105]
由以上技术方案可知，本技术提供一种基于pcc控制器和无线传感器的定位系统。本技术采用pcc控制器作为定位系统的数据采集和计算单元，结合超声波无线传感器，对被测量对象进行扫描，可以自动完成被测对象的坐标标定所需的数据测量、数值计算程序，并能以画面形式展现于人机界面。本技术通过配制先进的超声波无线传感器以及特制的工装，将该传感器通过通信或模拟量方式与pcc控制器进行连接，测量数据在pcc控制器内部进行存储、计算与输出，并经pcc控制器与人机界面实现通信连接，从而完成采集、计算、显示和传输功能；同时，人机界面可以对测量基准进行参数设定和量程标定。
[0106]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本技术进行了详细说明，使本领域技术人员能够理解或实现本技术，不过这些说明并不能理解为对本技术的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本技术精神和范围的情况下，可以对本技术技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本技术的范围内。本技术的保护范围以所附权利要求为准。