CN102897696B - 举高消防车臂架控制系统及控制方法,举高消防车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程机械领域，公开了一种举高消防车臂架控制系统及控制方法，还公开了装设有该臂架控制系统的举高消防车。本发明所提供的臂架控制系统包括：人机交互装置、控制器、检测装置、操作装置及执行机构。控制器根据预先设定的臂架目标位置参数，以及检测装置所检测到的臂架实时状态的长度参数和角度参数规划臂架末端的运动轨迹，接收到操作装置发出的一键式启动命令后，控制执行机构进行相应动作，将臂架末端迅速调整到工作点位置。采用该种臂架控制系统，操作人员只需发出臂架运动的启动命令，控制器便控制执行机构完成臂架的全部动作，而无需分别控制每节臂架单独动作，大大提高了工作效率。

Description

举高消防车臂架控制系统及控制方法,举高消防车

技术领域

本发明涉及一种举高消防车臂架控制技术领域，特别涉及一种举高消防车臂架控制系统及使用该控制系统的举高消防车；本发明还涉及一种举高消防车臂架控制方法。

背景技术

目前，高层建筑的消防及救援问题已经日益突显，举高消防车臂架的高度也在迅速提升，一般举高消防车臂架的控制方式为转台或平台操作台电控手柄控制，每个手柄不同方向分别对应每节臂架的单独动作。大于50米的举高消防车由于操作视野有限，对消防员的操作要求很高。

随着智能化水平的发展，在某些国外的消防车上，已开始应用臂架的智能操作系统。当消防车展开支腿准备展开臂架时，只需按住操作台上的展臂按钮开关，臂架就能自动从收车状态展开至工作状态，此时，主臂展开至最大角度，工作平台处于接近地面的位置。采用这样的举高消防车臂架智能操作系统，能更快速和便捷地展开臂架，但将臂架末端延伸到着火点的位置仍需要操作人员利用电控手柄分别控制每节臂架单独动作才能实现，对操作人员的技能要求较高，工作效率不高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种举高消防车臂架控制系统及装设有该控制系统的举高消防车；本发明还提供一种举高消防车臂架控制方法。

一方面，本发明提供一种举高消防车臂架控制系统，其中，所述举高消防车包括至少一节伸缩臂及铰接在所述伸缩臂末端的至少一节铰接臂；所述臂架控制系统包括：

人机交互装置，用于设定臂架末端的目标位置参数；

检测装置，用于检测臂架的伸缩臂实时长度参数及角度参数，铰接臂及转台的实时角度参数，并将检测到的实时状态参数输出到控制器；

操作装置，用于发送所述臂架运动的启动命令；

控制器，用于根据所述人机交互装置提供的所述臂架末端的目标位置参数以及所述检测装置检测到的所述臂架的实时状态的长度参数及角度参数得到所述执行机构的操作参数，当接收到操作装置发出的启动命令时，控制所述执行机构动作；

执行机构，与所述控制器连接，用于根据所述控制器的指令控制所述臂架末端运动到所述人机交互装置设定的目标位置。

进一步地，所述操作装置为开关装置，所述开关装置打开时，控制所述臂架开始运动，所述开关装置在所述臂架末端运动到设定目标位置时关闭复位。

进一步地，所述控制器包括：数据处理单元，用于根据所述检测装置检测到的所述每节臂架的长度参数及角度参数计算所述臂架末端的实时位置参数并输出到所述人机交互装置；

运动规划单元，用于根据所述人机交互装置传输的所述臂架末端的目标位置参数及所述数据处理单元传输的所述臂架末端的实时位置参数，生成所述臂架末端的运动轨迹参数；

流量控制单元，用于根据所述运动规划单元输出的运动轨迹参数，计算所述臂架及所述转台运动所需流量参数。

信号输出单元，用于接受所述流量控制单元输出的流量参数并转换成电信号输出到所述执行机构。

进一步地，所述检测装置包括：长度检测装置，用于检测所述臂架中每节臂架的长度参数；角度检测装置，用于检测所述臂架中每节臂架的角度参数以及转台的旋转角度参数。

进一步地，所述执行机构包括：电磁阀；驱动所述每节臂架运动的液压油缸以及驱动所述转台旋转的马达；所述电磁阀根据所述信号输出单元发出的电信号控制所述液压油缸和马达运动。

本发明所提供的举高消防车臂架控制系统，首先在人机交互装置中设定臂架末端的目标位置参数，通过检测装置检测臂架的实时状态信息，控制器根据臂架末端位置参数和臂架的实时位置参数计算得到臂架末端的运动参数，当接收到操作装置发出的启动命令时，控制器控制执行机构动作，将臂架末端运动到预先设定的目标位置。采用该臂架控制系统，只需向操作装置发出启动命令，执行机构便能够将臂架末端准确调整到目标位置，而不需要分别控制每节臂架单独动作才能实现，对操作人员的技能要求不高，且大大提高了工作效率。

另一方面，本发明还提供一种装设有该臂架控制系统的举高消防车。该举高消防车具有所述臂架控制系统具有的所有优点和技术效果，此处不再赘述。

再一方面，本发明还提供一种举高消防车臂架控制方法，所述举高消防车包括臂架及与臂架连接的执行机构，所述臂架包括至少一节伸缩臂及铰接在所述伸缩臂上的至少一节铰接臂，其特征在于，所述方法包括：

S1：设定臂架末端的目标位置参数；

S2：检测臂架的伸缩臂实时长度参数及角度参数，铰接臂及转台的实时角度参数；

S3：根据臂架末端的目标位置参数以及检测到的所述臂架的实时状态参数得到所述执行机构的操作参数；

S4：发送所述臂架运动的启动命令；

S5：控制所述执行机构根据所述操作参数运行，使所述臂架末端运动到预设的目标位置。

进一步地，S5具体包括：S51：调整所述臂架为起式状态；S52：建立所述臂架运动优化方程并求得目标长度值及目标角度值；S53：控制臂架末端（21）运动到目标位置。

进一步地，S53具体包括：控制所述转台运动到目标角度位置；控制各节臂架运动到目标长度位置。

进一步地，控制所述臂架(2)运动的启动命令为一键式触发命令。

本发明所提供的举高消防车臂架控制方法，只需发送臂架运动的一键式触发命令，便可控制臂架末端延伸到预先设定的目标位置，而无需通过分别控制每节臂架单独运动的方式，对操作人员的技能要求不高，且大大提高了工作效率。

附图说明

构成本发明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为本发明所提供的举高消防车臂架控制系统的原理框图；

图2为本发明所提供的举高消防车臂架控制系统的结构示意图；

图3为本发明所提供的举高消防车臂架控制方法的流程图；

图4为本发明具体实施例中举高消防车结构示意图；

图5为图4中臂架各节臂的长度及角度关系示意图。

附图标记说明：

2—臂架              3—转台

11—人机交互装置     12—检测装置      13—操作装置

14—控制器           15—执行机构      21—臂架末端

141—数据处理单元    142—运动规划单元

143—流量控制单元    144—信号输出单元

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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。

本发明的基本思想在于：为解决举高消防车臂架末端延伸到工作点需要操作人员利用电控手柄分别控制每节臂架单独动作才能实现，工作效率比较低的问题，本发明提出一种举高消防车臂架控制系统及控制方法，该臂架控制系统中，控制器14根据预先设定的臂架目标位置参数及检测装置12所检测到的臂架实时状态的长度参数和角度参数计算臂架的运动轨迹，操作装置13发出臂架运动的启动命令后，控制器14控制执行机构15进行相应动作，将臂架末端21迅速延伸到工作点位置。采用该种臂架控制系统，操作人员只需发出臂架2运动的启动命令，控制器14便控制执行机构15完成臂架2的全部动作，而无需分别控制每节臂架单独动作，大大提高了工作效率。

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步详细说明：

如图1所示，本发明所提供的臂架控制系统包括：人机交互装置11，用于设定臂架末端21的目标位置参数；检测装置12，用于检测臂架的伸缩臂实时长度参数及角度参数，铰接臂及转台的实时角度参数，并将检测到的实时状态参数输出到控制器；操作装置13，其输出端与控制器14连接，用于发送所述臂架2运动的启动命令；控制器14，用于根据所述人机交互装置11提供的所述臂架末端21的目标位置参数以及所述检测装置12检测到的所述臂架2的实时状态的长度参数和角度参数得到所述臂架末端21的运动参数，当接收到操作装置13发出的启动命令时，控制所述执行机构15动作；执行机构15，与所述控制器14连接，用于根据所述控制器14的指令控制所述臂架末端21运动到所述人机交互装置11设定的目标位置。当然，在本发明所提供的控制系统中，操作装置13可以和人机交互装置11的功能可以集成为一体，如在人机交互装置11上设置操作按钮，此时，人机交互装置11就兼具了操作装置13的功能。此外，操作装置13、人机交互装置11也可以为控制器14的一部分，即将三者的功能集成为一体。当然，人机交互装置11、操作装置13也可以为举高消防车原有显示设备、操作设备上一部分。

优选的，操作装置13为开关装置，打开开关装置，臂架2开始运动，臂架末端21运动到设定目标位置时，开关装置关闭复位。开关装置可以为按钮开关、拨动开关、遥控开关或其他具有开合、关闭功能的装置。本发明采用开关装置发送臂架2运动的启动命令，只需一键式操作，即可控制臂架末端21运动到目标位置，操作简单，效率高。

优选的，控制器14包括：数据处理单元141，用于根据检测装置12检测到的长度参数及角度参数计算臂架末端21的实时位置参数并输出到人机交互装置11；运动规划单元142，用于根据人机交互装置11传输的臂架末端21的目标位置参数及数据处理单元142传输的臂架末端21的实时位置参数，生成臂架末端21的运动轨迹参数；流量控制单元143，用于根据运动规划单元142输出的运动轨迹参数，计算臂架2及转台3运动所需流量参数；信号输出单元144，用于接受流量控制单元143输出的流量参数并转换成电信号输出到执行机构5。

优选的，检测装置12包括：长度检测装置，用于检测臂架2中每节臂架的长度参数；角度检测装置，用于检测臂架2中每节臂架的角度参数以及转台3的旋转角度参数。

优选的，执行机构15包括：电磁阀；驱动每节臂架运动的液压油缸以及驱动转台3旋转的马达；电磁阀根据信号输出单元144发出的电信号控制液压油缸和马达运动。

如图2所示，根据着火点的位置，确定举高消防车展臂后工作平台的目标点位置，即臂架末端21的目标位置，并在人机交互装置11中设置目标参数，具体包括：转台3的角度、臂架末端21的离地高度及倾斜度。人机交互装置11设定的臂架末端21的目标位置参数通过CAN总线与控制器14中的数据处理单元141进行信息交互。检测装置12中的长度传感器检测每节臂架的长度，角度传感器检测每节臂架的角度及转台3偏离臂架收拢放倒时中位的旋转角度，并将测量值发送给数据处理单元141。数据处理单元141计算出臂架末端21的实时位置参数发送给人机交互装置11进行显示，同时传输给运动规划单元142，运动规划单元建立臂架2运动的优化方程：

L₁cosθ₁+L₂cosθ₂+L₃cosθ₃=X

L₁sinθ₁+L₂sinθ₂+L₃sinθ₃=Y

其中，L1为第一节臂的长度（即第一节臂与转台铰接点到第一节臂与第二节臂铰接点的距离）；L2为第二节臂的长度，在举高消防车中，第一节臂为伸缩臂，因此L1为变量，第二节臂为伸缩臂或非伸缩臂，L2为变量或常量；L3第三节臂的长度（即第二节臂与第三节臂铰接点到第三节臂与工作平台铰接点的距离），为定值；θ₁为第一节臂的水平角度，控制臂架末端21运动到目标位置之前先将臂架2调整为起式姿态，第一节臂与水平面的夹角为80度到90度之间的一个角度，为定值，；θ₂为第二节臂的水平角度，为变量；θ₃为第三节臂的水平角度，为变量；X为横坐标，Y为纵坐标，如图5所示。该方程是一个最优问题，其约束条件为：L1的值最小，L2的值最小（当第二节臂为伸缩臂时），θ₂和θ₃的值最小。运动规划单元142根据方程最小解得到第一节臂的目标长度，第二节臂的目标长度及角度，第三节臂的目标角度。并将上述目标参数值输出到流量控制单元143。上述优化方程以具有三节臂架的举高消防车为例，当然，如果具有四节臂、五节臂或更多节臂，运动规划单元可以采用同样的方式建立优化方程，并能求得各节臂架的运动的目标长度和角度。因此，本发明提供的臂架控制系统和方法同样适用于具有三节以上臂架的举高消防车。流量控制单元143计算求得每节臂架运动需求的流量，根据系统能提供的最大流量合理的分配每节臂架的运动，当系统总流量不能满足每节臂架的动作需求，则重新进行流量分配，同比例的减小每节臂架的流量供给，使实际的总需求流量与系统能提供的最大流量相匹配。如需转台3进行旋转动作，则优先满足转台3所需求的流量。信号输出单元144根据各节臂架的流量及方向转化为输出给执行机构15中电比例阀的PWM信号，控制电比例阀开口大小来实现对流量的调节，从而实现对液压油缸的控制。通过运动规划单元142对臂架2及转台3的运动轨迹进行优化，能得到臂架末端21运动到预先设定的目标位置的最优路径，提高了臂架控制的精度和效率，同时控制器14和人机交互装置11进行信息交互，能随时观察臂架的实时位置信息，臂架控制的可视化程度也得到很大的提高。

另一方面，本发明提供了一种举高消防车，装设有上述任一技术方案所述的臂架控制系统，该举高消防车具有所述臂架控制系统所有的优点和技术效果，此处不再赘述。

再一方面，本发明提供一种举高消防车臂架控制方法，其中举高消防车包括臂架2及与臂架2连接的执行机构15，臂架2包括至少一节伸缩臂及铰接在伸缩臂上的至少一节铰接臂；方法包括：S1：设定臂架末端21的目标位置参数；S2：检测臂架2的伸缩臂实时长度参数，铰接臂及转台的实时角度参数；S3：根据臂架末端21的目标位置参数以及检测到的臂架2的实时状态参数得到执行机构15的操作参数；S4：发送臂架2运动的启动命令；S5：控制执行机构15根据操作参数运行，使臂架末端21运动到预设的目标位置。

如图3所示，臂架末端21运动到工作点的具体步骤如下：S201：控制器接收目标位置参数及实时状态参数，其中目标位置参数包括第一节臂的长度，第二节臂的长度和角度，第三节臂的角度，转台的角度，实时状态参数包括第一节臂的长度和角度，第二节臂的长度和角度，第三节臂的角度，转台的角度；S202：根据实时状态参数判断臂架2当前是否处于起式状态，如图4所示，即第一节臂接近竖直状态，其与水平面的夹角处于80度至90度之间，此时救援人员可以登上工作平台；否，则进入S203：调整臂架2处于起式状态；是，则进入S204：根据目标状态参数及实时状态参数建立臂架2运动的优化方程，优化的约束条件是L1的值最小，L2的值最小（当第二节臂为伸缩臂时），θ₂和θ₃的值最小，以保证臂架末端21运动幅度最小即能到达目标位置；S205：根据优化方程求得各节臂架的目标长度值及转台角度值；S206：根据上一步求得的目标角度值以及实时角度值判断转台是否处于目标位置；否，则进入S207：调整执行结构15中的电磁阀，驱动回转马达动作，将转台3调整到目标位置；当转台3处于目标位置时，则进入下一步S208：确定各节臂架需求流量，求得总需求流量；S209：判断总需求流量是否超过系统提供流量；当总需求流量超过系统提供流量，则进入S210：重新对流量进行分配，按比例减小每节臂架的流量；当总需求流量未超过系统所提供的流量时，则进入S210：控制电比例阀，驱动油缸动作，将臂架末端21延伸到目标位置。

优选的，控制臂架2运动的启动命令为一键式触发命令，如开关式的启动命令，开关合上，臂架末端21在控制装置的控制下按照规划好的路径运动到预先设定的目标位置，而无需分别控制每节臂架分别运动。同时，还可以将该开关装置预先编制好程序，即当臂架末端21运动到目标位置后，其可以自动断开复位，当然也可以通过人工断开的方式，均在本发明的保护范围之内。

本发明所提供的举高消防车臂架控制方法，采用一键式触发命令启动，即只需发出启动命令，即可控制臂架末端21运动到目标位置，而无需分别对每节臂架进行单独控制，操作简单，工作效率大大提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种举高消防车臂架控制系统，所述举高消防车包括至少一节伸缩臂及铰接在所述伸缩臂末端的至少一节铰接臂；其特征在于，所述臂架控制系统包括：

人机交互装置(11)，用于设定臂架末端(21)的目标位置参数；

检测装置(12)，用于检测臂架(2)的伸缩臂实时长度参数及角度参数，铰接臂及转台的实时角度参数，并将检测到的实时状态参数输出到控制器(14)；

操作装置(13)，用于发送启动所述臂架(2)运动的启动命令；

控制器(14)，用于根据所述人机交互装置(11)提供的所述臂架末端(21)的目标位置参数以及所述检测装置(12)检测到的所述臂架(2)的实时状态的长度参数和角度参数得到执行机构(15)的操作参数，当接收到操作装置(13)发出的启动命令时，控制所述执行机构(15)动作；

执行机构(15)，与所述控制器(14)连接，用于根据所述控制器(14)的指令控制所述臂架末端(21)运动到所述人机交互装置(11)设定的目标位置。

2.根据权利要求1所述的举高消防车臂架控制系统，其特征在于，所述操作装置(13)为开关装置，所述开关装置打开时，控制所述臂架(2)开始运动，所述开关装置在所述臂架末端(21)运动到设定目标位置时关闭复位。

3.根据权利要求1或2所述的举高消防车臂架控制系统，其特征在于，所述控制器(14)包括：

数据处理单元(141)，用于根据所述检测装置(12)检测到的长度参数及角度参数计算所述臂架末端(21)的实时位置参数并输出到所述人机交互装置(11)；

运动规划单元(142)，用于根据所述人机交互装置(11)传输的所述臂架末端(21)的目标位置参数及所述数据处理单元(141)传输的所述臂架末端(21)的实时位置参数，生成所述臂架末端(21)的运动轨迹参数；

流量控制单元(143)，用于根据所述运动规划单元(142)输出的运动轨迹参数，计算所述臂架(2)及所述转台(3)运动所需流量参数；

信号输出单元(144)，用于接受所述流量控制单元(143)输出的流量参数并转换成电信号输出到所述执行机构(15)。

4.根据权利要求3所述的举高消防车臂架控制系统，其特征在于，所述检测装置(12)包括：长度检测装置，用于检测所述臂架(2)中每节臂架的长度参数；角度检测装置，用于检测所述臂架(2)中每节臂架的角度参数以及转台(3)的旋转角度参数。

5.根据权利要求4所述的举高消防车臂架控制系统，其特征在于，所述执行机构(15)包括：电磁阀；驱动所述每节臂架运动的液压油缸以及驱动所述转台(3)旋转的马达；所述电磁阀根据所述信号输出单元(144)发出的电信号控制所述液压油缸和马达运动。

6.一种举高消防车，其特征在于，采用权利要求1—5任一项所述的臂架控制系统。

7.一种举高消防车的臂架控制方法，所述举高消防车包括臂架(2)及与所述臂架(2)连接的执行机构(15)，所述臂架(2)包括至少一节伸缩臂及铰接在所述伸缩臂上的至少一节铰接臂，其特征在于，所述方法包括：

S1：设定臂架末端(21)的目标位置参数；

S2：检测臂架(2)的伸缩臂实时长度参数及角度参数，铰接臂及转台的实时角度参数；

S3：根据臂架末端(21)的目标位置参数以及检测到的所述臂架(2)的实时状态参数得到所述执行机构(15)的操作参数；

S4：发送所述臂架(2)运动的启动命令；

S5：控制所述执行机构(15)根据所述操作参数运行，使所述臂架末端(21)运动到预设的目标位置。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，S5具体包括：

S51：调整所述臂架(2)为起式状态；

S52：建立所述臂架(2)运动优化方程并求得目标长度值及目标角度值；

S53：控制臂架末端(21)运动到目标位置。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，S53具体包括：

控制所述转台(3)运动到目标角度位置；

控制各节臂架运动到目标长度位置。

10.根据权利要求7—9任一项所述的控制方法，其特征在于，所述臂架(2)运动的启动命令为一键式触发命令。