CN102354120A - 混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置及方法，包括手持遥控器、路径规划器、运动控制器和对象模拟器；手持遥控器与路径规划器之间通过无线方式实现指令的发送与状态信息的接收；路径规划器将控制输出量发送给运动控制器，运动控制器将其转换成相应的信号驱动对象模拟器；对象模拟器完成对混凝土泵车执行机构、运动学模型、动力学模型和各节臂架检测装置的仿真，并将结果反馈给路径规划器。本发明将混凝土泵车智能臂架系统的关键部位进行合理划分，采用计算机仿真等技术，实现对各类臂架模型及其智能控制算法的验证，为泵车智能臂架系统的改进提供了理论依据和技术支持，减少了实际臂架系统实验中的不确定性、危险性、费用高和周期长等问题。

Description

混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置及方法

技术领域

本发明涉及混凝土泵车控制领域，具体涉及的是一种混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置及方法。

背景技术

混凝土泵车由于其灵活、方便、高效等特点已成为建筑行业的重要工具，国内基础设施建设的持续发展为泵车提供了更大的市场空间，同时也对泵车的各项功能提出了更高的要求。臂架系统是混凝土泵车的重要组成部分，能否保证其快速、平稳、准确地伸展到浇注位置，在很大程度上影响了混凝土泵车工作的效率和精准性，因此臂架系统的自动化、智能化改造日趋成为泵车控制领域的热点问题。

由于臂架系统是一组复杂的多自由度冗余结构，到目前为止，对混凝土泵车臂架的控制多半停留在手动方式上，即操作人员通过控制每一节臂的运动，使臂架末端运动到要求的位置，这种方式繁重且效率低，而且在实际浇注中容易产生偏差。所谓臂架系统的自动化、智能化改造是指只需指定混凝土浇筑末端位置，在计算机控制下就能实现多节臂协调动作，使臂架按设定程序连续或直接到达浇筑末端预定位置。

混凝土泵车臂架系统的自动化、智能化改造任重道远，涉及到轨迹规划、轨迹跟踪、运动控制算法，甚至是泵车臂架和执行机构的建模等问题。而这些模型和算法的验证如果直接在实际使用的泵车上进行，不仅安装困难、费用高、周期长，而且还存在很大的危险性。因此，迫切需要开发出一种智能臂架系统的仿真实验装置和方法，利用计算机仿真等技术，模拟对象的运动学和动力学特征，保证控制器接口与实际泵车一致即可。

发明内容

技术问题：针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种结构清晰、可提供模型和算法验证、与实际泵车接口一致的混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置及方法。

技术方案：为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明包括手持遥控器、路径规划器、运动控制器和对象模拟器；所述手持遥控器与路径规划器之间通过无线方式实现指令的发送与状态信息的接收；路径规划器通过总线(例如CAN总线)与运动控制器和对象模拟器相连接；运动控制器与对象模拟器之间采用电气连接。

所述路径规划器带有无线收发模块，接收手持遥控器发来的启动/熄火、急停、手动/自动切换、臂架的回转和升降、快速/慢速、锁臂等控制指令，同时也将各节臂架的角度和速度、正反泵、排量、油温等信息发送到手持遥控器上显示。

所述路径规划器、运动控制器和对象模拟器分别带有总线接口，并挂接在同一总线上。

根据制定的相关通信协议，所述路径规划器通过总线接收来自对象模拟器的各节臂架角度或加速度信息。

所述路径规划器通过总线发送给运动控制器各节臂架的实时控制量。

所述运动控制器为工程机械专用逻辑控制器，可输出PWM信号直接驱动后续执行机构。

所述对象模拟器实现对混凝土泵车执行机构、运动学模型、动力学模型和各节臂架检测装置的仿真，能够受控于所述运动控制器输出的PWM信号，计算获得各节臂架角度或加速度值。

所述混凝土泵车智能臂架系统的实验方法，包括以下几个步骤：

(A)操作者通过所述手持遥控器将臂架末端所要到达的位置(自动模式)或各节臂架所要到达的角度(手动模式)发送给所述路径规划器；

(B)所述路径规划器比较收到的臂架目标位置与臂架当前位置，如果两者一致，转到步骤(E)，否则计算给出最优路径，并将控制输出量通过CAN总线发送给所述运动控制器；

(C)所述运动控制器根据所述路径规划器的要求，改变占空比来调节相应的PWM信号量，以驱动各节臂架的伸缩运动，使末端到达目标位置，同时所述运动控制器还要做到对各节臂架移动位置和速度的安全保护，防止运动过程中的意外；

(D)所述对象模拟器接收所述运动控制器的PWM信号，模拟混凝土泵车的执行器、臂架系统和传感器，通过软件计算获得各节臂架的当前位置，并通过CAN接口反馈给所述路径规划器，跳回步骤(B)；

(E)结束

采用这种实验装置和方法，能够大大加快臂架系统智能化过程，降低实验费用，减少潜在危险，当某种控制算法通过验证可行后，可直接应用到实际混凝土泵车中。

所述总线可以采用CAN等工控领域的常见总线形式。

有益效果：

1、针对混凝土泵车智能臂架系统的关键部位进行合理划分，组成实验装置的四部分结构清晰、分工明确，提高了系统可靠性，同时也方便了故障排查和功能扩展；

2、利用计算机仿真等技术，模拟混凝土泵车的对象特征，实现对各类臂架模型及其智能控制算法的验证，减少了实际臂架系统实验中的不确定性、危险性、费用高和周期长等问题；

3、实验装置中的控制器接口与实际泵车一致，当某种控制算法通过验证后，可直接应用到实际混凝土泵车，加速了臂架系统的智能化进程。

附图说明

图1为本发明的仿真实验装置的结构框图；

图2为本发明具体实施例中路径规划流程图；

图3为本发明具体实施例中运动控制流程图；

图4为本发明的对象模拟器结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明包括手持遥控器101、路径规划器102、运动控制器103和对象模拟器104。

其中，手持遥控器101用于泵车运动指令的无线发送和当前状态的显示，以满足现代化远程操作的需求。在本实施例中，手持遥控器101主要由控制板、按键板、液晶屏和无线收发模块组成。发送的指令包括：启动/熄火、急停、手动/自动切换、臂架的回转和升降、快速/慢速、锁臂等；显示的参数包括：各节臂架的角度和速度、正反泵、排量、油温等。

路径规划器102接收来自手持遥控器101的数据，计算出最优路径，并将实时控制量发送给运动控制器103来执行。实际系统中的路径规划器102可以用小型工控机或专用嵌入式控制器来实现，针对研究对象的差异性，即不同型号混凝土泵车的结构差异，路径规划器102可以灵活地设计和修改路径规划算法。在本实施例中，模拟对象为混凝土泵车五节臂架系统，是由回转、大臂、二臂、三臂、四臂、五臂和软管等部分组成的串联开链机构，路径规划算法分为手动算法和自动算法。手动算法为现有技术，在此不作赘述。自动算法为通过运动学逆变换，将混凝土泵车末端的运动分配到各个机械臂的运动，从而使臂架按设定程序到达预定位置。求解逆解时可以采用改进的牛顿迭代算法、锁臂算法、遗传算法等几种算法。

参见图2，具体实施例中对泵车臂架路径规划的最优原则是：臂架关节运动小，变量连续，能量最省，即大臂尽量保持不动各个臂的变化角度量最小。对于混凝土泵车而言，其三个臂的运动可实现其末端的空间运动(转台实现空间转动，其它两节臂实现平面运动)，计算流程开始于步骤201，结束于步骤214：

步骤201：开始；

步骤202：将无线收发器接收到的臂架末端目标位置与臂架当前位置进行比较；

步骤203：判断是否需要空间转动，如果是，进入步骤204，如果不需要空间转动，转到步骤205；

步骤204：根据计算结果，转台旋转相应的角度；

步骤205：判断是否需要锁臂，如果是，转到步骤208，如果没有锁臂要求，直接进入步骤206；

步骤206：尽量使大臂不动，先尝试四臂、五臂动，判断能否实现其运动，即有满足条件的解存在，如果是，转到步骤210，如果无满足条件的解，进入步骤207；

步骤207：依次尝试三五臂动，二五臂动，三四臂动，二四臂动，二三臂动，一五臂动，一四臂动，一三臂动，一二臂动，直到有满足条件的解，停止计算；

步骤208：将大臂、二臂或转盘按要求进行锁臂处理，位置固定；

步骤209：其他节臂按照非锁臂时的算法，从四五节臂开始依次计算，直到有满足条件的解，停止计算；

步骤210：求运动逆解；

步骤211：得出各臂对应的角度满足各臂的角度范围；

步骤212：在满足条件的解中，根据最优原则，获得最优解；

步骤213：路径规划器102将计算所得的各臂控制量发送到CAN总线上，以便运动控制器103接收处理；

步骤214：该流程结束。

运动控制器103接收路径规划器102通过CAN总线发送来的路径规划信息，插补输出PWM信号给执行机构，并且负责臂架运动的安全保护。具体实施例中，采用可靠性高、抗干扰能力强的工程机械专用逻辑控制器PLC作为臂架系统的运动控制器，具有以下几方面的要求：(1)高速高效的指令执行能力；(2)自带PWM输出功能；(3)自带CAN通信模块；(4)具备抗震抗电子干扰的功能，适应复杂的工作环境，并且体积适宜。

参见图3，运动控制器103的处理流程开始于步骤301，结束于步骤306：

步骤301：开始；

步骤302：利用CAN接收函数，接收来自路径规划器102的数据；

步骤303：按照规定协议，对接收到的CAN数据进行协议解析，得到臂架运动规划角度；

步骤304：进行控制量安全性处理，即在控制周期内，对臂架需要转过的角度加以限制，防止臂架的运动出现过大震荡或者转动速度太快；

步骤305：算法处理，将得到的角度数据转化为PWM的占空比，并采用插补的方式，缩短控制量的输出周期；

步骤306：输出相应的PWM信号，转到步骤302，继续执行接收到的指令。

本发明图2至图3过程均可以用现有技术中的编程方法实现，在此不作进一步限制。

参见图4，对象模拟器104主要实现三部分机构的仿真与建模：执行器401，臂架系统402和传感器403。采用计算机仿真技术，利用对象模拟器104取代真实泵车的执行、臂架和传感机构，完成对路径规划器102和运动控制器103设计算法的验证和比较。在本实施例中，执行器401模拟混凝土泵车的液压缸系统，能够受控于运动控制器103发送来的各节臂PWM信号，并将其转化成液压缸行程。臂架系统402模拟各节臂的运动，利用泵车的液压缸行程和臂架关节角之间的关系，推导出各节臂架的当前位置，并以三维图形和参数列表两种方式显示，清楚、直观地仿真各节臂架角度的变化过程。传感器403模拟安装在臂架系统上的角度传感器，带有CAN接口，将臂架关节角度值按规定的通信协议发送到CAN总线上，反馈给路径规划器102使用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置，其特征在于，包括手持遥控器(101)、路径规划器(102)、运动控制器(103)和对象模拟器(104)；所述手持遥控器(101)与路径规划器(102)之间通过无线方式实现指令的发送与状态信息的发送/接收；路径规划器(102)通过现场总线与运动控制器(103)以及对象模拟器(104)连接通信；运动控制器(103)与对象模拟器(104)之间采用电气连接。

2.根据权利要求1所述的混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置，其特征在于，所述路径规划器(102)带有无线收发模块，接收手持遥控器(101)发来的控制指令；同时也将各节臂架的信息发送到手持遥控器(101)上显示。

3.根据权利要求1所述的混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置，其特征在于，所述路径规划器(102)、运动控制器(103)和对象模拟器(104)分别带有总线接口，并连接在同一现场总线上。

4.根据权利要求1所述的混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置，其特征在于，所述运动控制器(103)为PLC，输出PWM信号直接驱动后续执行机构。

5.根据权利要求1所述的混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置，其特征在于，所述对象模拟器(104)实现对混凝土泵车执行机构、运动学模型、动力学模型和各节臂架检测装置的仿真，能够受控于所述运动控制器(103)输出的PWM信号，通过对所述模型的计算而获得各节臂架角度或加速度值。

6.根据权利要求2所述的混凝土泵车智能臂架系统的仿真实验装置， 其特征在于，

所述路径规划器(102)接收手持遥控器(101)发来的控制指令包括：启动/熄火、急停、手动/自动切换、臂架的回转和升降、快速/慢速和锁臂；

所述各节臂架的信息包括：角度和速度、正反泵、排量和油温。

7.一种权利要求1～6任一所述装置的实验方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

(A)操作者通过手持遥控器(101)将臂架末端所要到达的位置即自动模式，或各节臂架所要到达的角度即手动模式发送给路径规划器(102)；

(B)所述路径规划器(102)比较收到的臂架目标位置与臂架当前位置；如果两者一致，转到步骤(E)；如果两者不一致，则计算给出最优路径，然后将控制输出量通过总线发送给运动控制器(103)；

(C)所述运动控制器(103)根据所述路径规划器(102)的要求，改变占空比来调节相应的PWM信号量，以驱动各节臂架的伸缩运动，使末端到达目标位置；

(D)所述对象模拟器(104)接收所述运动控制器(103)的PWM信号，模拟混凝土泵车臂架动作，并通过总线接口反馈动作信息给所述路径规划器(102)，跳回步骤(B)；

(E)结束。

8.根据权利要求7所述的的实验方法，其特征在于，所述步骤(B)中，最优路径的计算方法是，针对不同型号混凝土泵车的结构差异，选择路径中，臂架关节运动小，变量连续，能量最省，即大臂尽量保持不动，各节臂的变化角度量最小的路径。

9.根据权利要求7所述的的实验方法，其特征在于，所述步骤(C)中，所述运动控制器(103)对各节臂架移动位置和速度的安全保护：在 控制周期内，对臂架需要转过的角度加以限制，使其满足各臂的角度范围。

10.根据权利要求7所述的的实验方法，其特征在于，所述对象模拟器(104)模拟真实泵车的执行、臂架和传感机构；对象模拟器(104)包括执行器(401)、臂架系统402)和传感器403)；

执行器(401)模拟混凝土泵车的液压缸系统，受控于运动控制器(103)发送来的各节臂PWM信号，并将其转化成液压缸行程；

臂架系统(402)模拟各节臂的运动，利用泵车的液压缸行程和臂架关节角之间的关系，推导出各节臂架的当前位置，并以三维图形和参数列表两种方式显示；

传感器(403)模拟安装在臂架系统上的角度传感器，带有总线接口，将臂架关节角度值发送到总线上，反馈给路径规划器(102)。 

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