集软硬件于一体的岸桥司机驾驶技术评估系统及评估方法

摘要

本发明公开了一种集合软硬件于一体的岸桥司机驾驶技术评估系统，包括主控模块、姿态传感器模块、倾角传感器模块、无线通信模块、显示模块、驾驶技术评估系统。主控模块与姿态传感器模块、倾角传感器模块通过TTL串口连接，主控模块与无线通信模块通过TTL串口连接，硬件测量系统部分,包括主控模块、姿态传感器模块、倾角传感器模块、无线通信模块,通过无线网络与司机室显示系统部分,包括无线通信模块、显示模块,进行通信。本发明能够准确的评估岸桥司机的驾驶技术，并能对岸桥司机的驾驶习惯和行为提出合理建议，方便岸桥司机提高自身的驾驶技术。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种集软硬件于一体的岸桥司机驾驶技术评估系统，能够用于评估岸桥司机驾驶技术的优劣并提出改善其驾驶技术建议。

背景技术：

现在的港口作业工作量大，岸桥能否安全高效的工作直接影响着港口作业的效率，而岸桥驾驶员的操作水平残次不齐，在操作轨道小车时，速度过快/过猛的启动或刹车将会使集装箱发生摇晃，并有可能碰撞到其他机械设备、在起吊过程中，对箱没有准确定位时，可能会导致集装箱掉落，严重时会损坏港口机械或造成人员安全事故，且如果驾驶员操作不熟练，运输一个集装箱时间周期过长将会影响生产效率，拖慢港口工作进程。目前仍然没有一种成熟可行的设备系统能够对岸桥司机的驾驶技术进行合理评估，而本发明能够通过监测岸桥吊具的运行状态来客观反应岸桥司机的驾驶水平，并给出良好的建议来帮助岸桥司机更安全，更高效的操作岸桥作业。

发明内容：

本发明包括主控模块、姿态传感器模块、倾角传感器模块、无线通信模块、显示模块、驾驶技术评估系统。主控模块作为系统的核心处理单元，包括微处理器，复位电路，电源指示电路，晶振电路，电压转换电路，IO接口电路。姿态传感器模块用来获取吊具的三轴加速度数据；倾角传感器模块用来获取吊具的两轴倾角数据。主控模块与姿态传感器模块、倾角传感器模块通过TTL串口连接，主控模块与无线通信模块通过TTL串口连接，硬件测量系统部分，包括主控模块、姿态传感器模块、倾角传感器模块、无线通信模块，通过无线网络与司机室显示系统部分，包括无线通信模块、显示模块，进行通信。硬件测量系统部分安装在岸桥的吊具上、司机室显示系统部分安装在司机室，司机室的无线通信模块发送启动指令给硬件测量系统部分，硬件测量系统部分开始工作，传感器模块测量吊具的X轴、Y轴、Z轴加速度的运动数据和绕X轴、绕Z轴倾角的运动数据，然后分析出小车、大车的运动数据，主控模块根据运动数据匹配对应的评价标准，分析司机的驾驶技术水平，并通过无线通信模块将评估结果发送给显示模块，并给出帮助司机改善驾驶技术的建议。

附图说明：

图1是本系统中各功能模块的关系图；

图2是本系统建立的坐标系示意图；

图3是本系统的评估流程图；

图4是本系统的主控模块微处理器电路图。

附图标记如下：1-倾角传感器模块；2-主控模块；3-姿态传感器模块；4-无线通信模块；5-显示模块；6-复位电路；7-电源指示电路；8-晶振电路；9-电压转换电路；10-微处理器；11-IO接口电路；12-TTL串口；13-TTL串口；14-TTL串口。

具体实施方案：

如图1所示本发明的功能模块包括倾角传感器模块1、主控模块2、姿态传感器模块3、无线通信模块4、显示模块5，主控模块2作为系统的核心处理单元，姿态传感器模块3用来获取吊具的三轴加速度数据；倾角传感器模块1用来获取吊具的两轴倾角数据，无线通信模块4用来进行主控模块2和显示模块5之间的无线网络通信，显示模块5用来显示评估结果。

考虑到性价比，本发明选用的主控模块2中的微处理器单元，拥有3个TTL串行通信接口，及强大的数据处理能力，可以保证本发明的各项功能。如图4所示，主控模块2包括微处理器10，复位电路6，电源指示电路7，晶振电路8，电压转换电路9，IO接口电路11，主控模块2与姿态传感器模块3通过TTL串口12连接、倾角传感器模块1通过TTL串口13连接，主控模块2与无线通信模块4通过TTL串口14连接。

将本发明的硬件测量系统部分，包括主控模块2、姿态传感器模块3、倾角传感器模块1、无线通信模块4安装在港口岸桥的吊具上，硬件测量系统部分的传感器模块安装方向根据如图2所示坐标系确定，司机室显示系统部分包括无线通信模块4、显示模块5安装在司机室，司机通过显示模块5发送启动指令和岸桥载荷情况给硬件测量系统部分，硬件测量系统部分进入数据采样环节，然后硬件测量系统部分通过姿态传感器模块3和倾角传感器模块1来获取吊具的运动状态数据，传感器每秒采样50组数据。主控模块2将数据进行软件平滑滤波，分析出岸桥的运动状态。

如图3所示，本系统的具体评估过程：

步骤一：建立如图2所示坐标系。X轴对应小车运行方向，Y轴对应吊具起升方向，Z轴对应大车运行方向。

步骤二：对X,Y,Z轴的加速度信号数值大小，吊具加减速时间及吊具绕X轴,Z轴的倾角信号数值大小进行分析，判断。每当X轴、Y轴经过两次减速阶段及倾角传感器经过两次波动阶段就对司机驾驶技术进行打分。

X轴,Y轴,Z轴上的加速度范围和时间范围及绕X轴,Z轴的倾角范围对应不同的驾驶习惯和行为，可以将岸桥司机驾驶习惯和行为评估划分为以下五个环节：

步骤21：小车驾驶习惯和行为评估

通常，小车运行的调速方式是基速下的调压调速，只与给定电压有关，而与额定值以下的负载大小无关。特别是从机构角度看，垂直载荷引起的滚动摩擦阻力矩与风阻力矩和水平惯性力矩相比，占很少一部分。因此，岸桥小车带载与不带载运行速度是基本相同的。当有X轴上加速度小于-0.8(m/s²)时，司机在驾驶小车运行时存在急刹车行为，当有X轴上加速度大于0.8(m/s²)时，司机在驾驶小车运行时存在急启动行为，当有X轴上加速度小于0且大于-0.5(m/s²)时，司机习惯以慢速刹车，当X轴上加速度大与0且小于0.5(m/s²)时，司机习惯以慢速启动，可以加大启动/刹车力度。当小车加/减速时间小于4.5s时，小车加/减速时间过短，容易发生事故。当小车加/减速时间大于8s时，小车加/减速时间过长，影响工作效率。

表1小车驾驶行为评估表

步骤22：吊具升降驾驶习惯和行为评估

Y轴上加速度范围和时间范围对应行为如表格所示，不同的地方是吊具要分空载/负载情况。

当吊具空载，有Y轴上加速度小于-1.2(m/s²)时，司机在驾驶吊具时存在急刹车行为，当有Y轴上加速度大于1.2(m/s²)时，司机在驾驶吊具时存在急启动行为，当有Y轴上加速度小于0且大于-0.6(m/s²)时，司机习惯以慢速刹车，当Y轴上有加速度大于0且小于0.6(m/s²)时，司机习惯以慢速启动，可以加大启动/刹车力度，当吊具加/减速时间小于2.5s时，吊具加/减速时间过短，容易发生事故。当吊具加/减速时间大于4s时，吊具加速时间过长，影响工作效率。

当吊具负载，有Y轴上加速度小于-0.8(m/s²)时，司机在驾驶吊具时存在急刹车行为，当有Y轴上加速度大于0.8(m/s²)时，司机在驾驶吊具时存在急启动行为，当有Y轴上加速度小于0且大于-0.5(m/s²)时，司机习惯以慢速刹车，当Y轴上有加速度大于0且小于0.5(m/s²)时，司机习惯以慢速启动，可以加大启动/刹车力度。当吊具加/减速时间小于1.25s时，吊具加/减速时间过短，容易发生事故。当吊具加/减速时间大于2s时，吊具加/减速时间过长，影响工作效率。

表2空载时吊具升降驾驶行为评估表

表3负载时吊具升降驾驶行为评估表

步骤23：吊具起吊驾驶行为评估

吊具在装载集装箱时，其左右倾角即绕X轴偏转角度应小于±1.5°否，前后倾角即绕Z轴偏转角度应小于±3°，当吊具的左右倾角和前后倾角角速度大于0.1°/s时，则吊具处于定位对箱阶段，且其角速度最大不得超过1°/s，否则可能会发生安全事故。当吊具倾角速度小于0.1°/s时，吊具已完成定位对箱。检测吊具两次相邻的倾角速度小于0.1°/s的阶段的相对角度偏差，超过0.2°时，则吊具对箱时可能没有准确定位。检测吊具倾角速度大于0.1°/s的阶段的持续时间，超过10s则会影响工作效率。

表4吊具起吊驾驶行为评估表

步骤24：大车驾驶行为评估

由于大车运行机构是非工作性机构，故大车运行速度一般为45～50m/min，个别用户要求达60m/min。与小车运行类似，大车运行功率主要是克服风阻力和起/制动惯性阻力，由岸桥整机重量引起的滚动摩擦阻力只占大车运行总阻力的25％～30％，而起升载荷引起的大车运行阻力只占大车运行总阻力的1.5％～2％，所占比例非常小。因此，大车运行速度在满载和空载时是同一个速度。

大车运行加速度不宜过大，启动时间一般推荐为6～10s，最快不得小于5s。当有Z轴上加速度小于-0.15(m/s²)时，司机在驾驶大车运行时存在急刹车行为，当Z轴上加速度大于0.15(m/s²)时，司机在驾驶大车运行时存在急启动行为，当大车上加/减速时间小于5s时，大车加/减速时间过短，容易发生事故，当大车加/减速时间大于10s时，大车加/减速时间过长，影响工作效率。

表5大车驾驶行为评估表

步骤25：总体工作效率评估

统计司机完成一个工作周期所花费的时间(一个工作周期对应X轴、Y轴经过两次减速阶段及倾角传感器经过两次波动阶段)即运输了一个集装箱所花费的时间，对司机的工作效率进行打分，低于75s是优秀，在75s到90s之间是良好，在90s到105s之间是普通，超过105s则是不及格，应提升自身驾驶技术水平。

表6总体工作效率评估表

步骤三：根据上述流程图和表格，一个工作周期的所有驾驶环节，小车驾驶习惯和行为，吊具升降驾驶习惯和行为，吊具起吊驾驶行为，大车驾驶行为，总体工作效率五个环节。对岸桥小车司机的五个驾驶环节进行打分评估，再通过无线通信模块4将评估结果发送给显示模块5，并清空主控模块2中的数据，显示模块5标识评估结果，同时给出与不良驾驶习惯和行为匹配的建议。

本系统有以下有益效果：

(1)针对岸桥这一特殊交通运输工具，发明了一套集软硬件于一体司机驾驶技术评估系统，能够根据岸桥的运动状态评价司机的驾驶技术。

(2)系统对驾驶的整个工作环节进行细化分类，并给出每个环节具体的量化参数，主控单元根据测量数据匹配相应的评估标准，并给出评估结果。此外，系统能够对司机的不良驾驶习惯和行为提出改进建议，快速提升司机的驾驶水平。

(3)系统还能对司机在吊箱过程中的野蛮操作，发出声光报警提示，提醒司机规范操作行为，保证运行安全。

(4)硬件测量部分对各功能模块进行集成，系统功耗低，测量精度高；整体结构简单、体积较小便于安装和维护。传感测量部分采用数字信号传输方式，具有良好的抗干扰性。

(5)硬件测量系统部分能与司机室显示系统部分进行无线通信，实时获取岸桥的运动状态，避免过多传输线缆的铺设。