CN103663304A - 一种臂架防碰撞控制设备、方法、系统及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种臂架防碰撞控制设备、方法、系统及工程机械。该控制设备包括：接收装置，用于接收臂架末端距离障碍物距离S、臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i；计算装置，用于根据θ、L、以及i计算臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀、油缸伸缩速度的变化率a₁、以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀，并根据V₀以及a₀计算出臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀；以及控制装置，用于在臂架末端距离障碍物距离S与S₀相等时控制油缸以a₁减速，直至臂架末端距离障碍物距离S符合预设的条件。本发明能够实时检测臂架末端运动速度和距离障碍物的距离，控制臂架末端靠近障碍物的加速度，实现控制臂架末端快速平稳地靠近障碍物。

Description

一种臂架防碰撞控制设备、方法、系统及工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种臂架防碰撞控制设备、方法、系统及工程机械。

背景技术

在需要高空作业的工程机械中配置有臂架，例如云台。如图1示出了一种配置有臂架的工程机械，其具有臂架13，臂架13的臂架末端12上设置有距离传感器11，在臂架13的下部设置有用于支撑臂架13的油缸14。为了安全起见，臂架不能与障碍物碰撞，但为了便于操作，希望尽可能地靠近障碍物。为了保证作业安全，在现有技术中，通过设定安全阈值，在传感器检测到臂架末端距离障碍物达到安全距离时，切断驱动臂架运动的液压系统动作，锁定臂架的进一步运动，防止发生碰撞。但是由于，驱动臂架的液压系统存在滞后性，反应相对慢，并且臂架还存在一定的惯性，从而导致臂架可能越过安全距离。如果为了避免此情况发生而增加安全距离的阈值，则会造成作业效率和有效作业半径下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种臂架防碰撞控制设备、方法、系统及工程机械，防止在作业过程中臂架与障碍物发生碰撞。

为了实现上述目的，本发明提供一种臂架防碰撞控制设备，该控制设备包括：接收装置，用于接收臂架末端距离障碍物距离S、臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i；计算装置，用于根据臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i计算臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀、油缸伸缩速度的变化率a₁、以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀，并根据臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀计算出臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀；以及控制装置，用于在臂架末端距离障碍物距离S与臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀相等时控制油缸以油缸伸缩速度的变化率a₁减速，直至臂架末端距离障碍物距离S符合预设的条件。

相应地，本发明提供了一种臂架防碰撞控制方法，该控制方法包括：接收臂架末端距离障碍物距离S、臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i；根据臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i计算臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀、油缸伸缩速度的变化率a₁、以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀，并根据臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀计算出臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀；以及在臂架末端距离障碍物距离S与臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀相等时控制油缸以油缸伸缩速度的变化率a₁减速，直至臂架末端距离障碍物距离S符合预设的条件。

相应地，本发明提供了一种臂架防碰撞控制系统，该控制系统包括：距离检测装置，用于检测臂架末端距离障碍物距离S；角度检测装置，用于检测臂架角度θ；长度检测装置，用于检测臂架长度L；电流检测装置，用于检测比例阀电流i；以及所述的控制设备。

相应地，本发明提供了一种工程机械，该工程机械包括所述的控制系统。

本发明能够实时检测臂架末端运动速度和距离障碍物的距离，控制臂架末端靠近障碍物的加速度，实现控制臂架末端快速平稳地靠近障碍物。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是配置有臂架的工程机械示意图；

图2是本发明提供的臂架防碰撞控制设备示意图；

图3是本发明提供的臂架防碰撞控制方法流程图；

图4是本发明提供的臂架防碰撞控制系统示意图；

图5是本发明提供的工程机械示意图。

附图标记说明

11  距离传感器            12  臂架末端

13  臂架                  14  油缸

15  长度感器              16  角度传感器

100 接收装置              200 计算装置

300 控制装置              400 距离检测装置

500 角度检测装置          600 长度检测装置

700 电流检测装置

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中存在的臂架可能发生碰撞的问题，本发明提供了一种臂架防碰撞控制设备。如图2所示，该控制设备包括：接收装置100，用于接收臂架末端距离障碍物距离S、臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i；计算装置200，用于根据臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i计算臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀、油缸伸缩速度的变化率a₁、以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀；以及控制装置300，用于根据臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀计算出臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀，并在臂架末端距离障碍物距离S与臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀相等时控制油缸以油缸伸缩速度的变化率a₁减速，直至臂架末端距离障碍物距离S符合预设的条件。本发明中，主要是通过先计算出臂架末端与障碍物之间的安全距离，并通过控制油缸在该安全距离进行减速运动，在臂架末端运行该安全距离后，正好速度等于0，从而使臂架末端紧贴障碍物停止。

优选地，所述预设的条件为S=0。当然，此条件仅作为示例而非限制，对于预设条件而言，也可以设定可以允许的误差，例如1-2mm的误差，落入该误差范围内，可以认为已经符合了预设的条件。

优选地，臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀=L×ω，臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀=L×a_ω，油缸伸缩速度的变化率a₁通过对所述比例阀电流i和流量Q进行多项式拟合并对所述比例阀电流i求导数得到，ω为臂架绕根部铰点旋转角速度，a_ω为臂架绕根部铰点旋转角速度的变化率，所述a_ω通过对所述臂架绕根部铰点旋转角速度ω、所述比例阀电流i和所述臂架角度θ进行多项式曲面进行拟合并利用所述臂架绕根部铰点旋转角速度ω对所述比例阀电流i求偏导数得到。

实际上，在整个臂架末端运动的过程中，最主要就是控制油缸比例阀流量Q，可以通过比例阀电流i来控制比例阀阀芯的开度实现对该流量Q的控制。

根据现有技术，比例阀阀芯开度流量公式如下：

$Q=k\×A\×\sqrt{\mathrm{\ΔP}};$

其中ΔP为比例阀进出口压降，A为比例阀阀芯开度，k为常数。由于大部分比例阀进行了压力补偿，因此ΔP实际为一常数。因此，电比例阀开度与流量关系可以为：

Q∝A。

由于比例阀电流i与比例阀阀芯开度A为确定关系，从而电比例阀电流i与流量Q也为确定关系。根据电比例阀这一特性，通过事先测量标定比例阀电流i-流量Q的密集数据点，对密集数据点进行多项式曲线拟合，得到电流i-流量Q的如下公式：

Q＝f(i)

同时，由于油缸伸缩速度V₁与流量Q为比例关系，比例系数即为油缸作用面积的倒数，记为k₁，可以建立油缸速度V₁及其变化率a₁与比例阀电流i的确定关系，其中a₁是对油缸速度V₁求导获得，而油缸速度V₁是电流i的函数，因此a₁最终是对电流i求导获得，公式如下：

$\begin{array}{c}{V}_1=k_1\×Q\\ =k_1\×f\left(i\right)\end{array};\begin{array}{c}{a}_1={V_1}^{\′}\\ =k_1\×f^{\′}\left(i\right)\end{array}$

由于臂架与油缸之间的结构确定，因此臂架角速度及其变化率ω、a_ω与油缸速度及其变化率V₁、a₁之间存在着对应的关系，进而与比例阀电流i之间也存在对应关系。在此，鉴于臂架与油缸是复杂的三角结构，为了减少计算的复杂性，一般通过事先测量标定得到臂架绕根部铰点旋转角速度ω与比例阀电流i、臂架角度θ的密集数据点，对密集数据点进行多项式曲面拟合，得到如下公式：

$\mathrm{\ω}=f_1(i,\mathrm{\θ});\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{\ω}}={\mathrm{\ω}}^{\′}\\ ={f_1}^{\′}(i,\mathrm{\θ})\end{array}$

其中，a_ω是对臂架旋转角速度ω求导获得，而臂架旋转角速度ω是电流i的函数，因此a_ω最终是对电流i求偏导获得；臂架角度θ通过角度测量装置实时测量获得。

同时，臂架末端靠近障碍物的速度及其变化率V₀、a₀与臂架角速度及其变化率ω、a_ω关系如下：

$\begin{array}{c}{V}_0=L\×\mathrm{\ω}\\ =L\×f_1(i,\mathrm{\θ})\end{array};\begin{array}{c}{a}_0={V_0}^{\′}\\ =L\×{\mathrm{\ω}}^{\′}\\ =L\×a_{\mathrm{\ω}}\\ =L\×{f_1}^{\′}(i,\mathrm{\θ})\end{array}.$

通过以上的公式，可以计算出当前臂架角度θ、电流i对应的臂架末端靠近障碍物的速度及其变化率V₀、a₀，从而可以根据下式计算出臂架末端距障碍物的距离：

$S_0=\frac{1}{2}\×a_0\×t^2,$ 其中 $t=\frac{V_0}{a_0}.$

为了快速使臂架末端停止运动，a₀可以取最大值a_0max。

因此，只要通过距离传感器11得到臂架末端与障碍物的距离，就可以通过该距离与S₀相同时进行减速，从而使得臂架末端停止运动时，正好停留在障碍物处。

相应地，本发明提供了一种臂架防碰撞控制方法。如图3所示，该控制方法包括：接收臂架末端距离障碍物距离S、臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i（步骤301）；根据臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i计算臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀、油缸伸缩速度的变化率a₁、以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀，并根据臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀计算出臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀（步骤302）；判定在臂架末端距离障碍物距离S是否小于或等于臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀（步骤303），如果是，则通过调节比例阀电流i，控制油缸以油缸伸缩速度的变化率a₁减速（步骤304），否则继续执行步骤301；在减速以后，还要判定臂架末端距离障碍物距离S是否符合预设的条件，如果符合条件，例如臂架末端距离障碍物距离S等于0，则结束整个控制流程，否则继续执行减速运动直至符合预设的条件。

此外，本发明还提供了一种臂架防碰撞控制系统。如图4所示，该控制系统包括：距离检测装置400，用于检测臂架末端距离障碍物距离S；角度检测装置500，用于检测臂架角度θ；长度检测装置600，用于检测臂架长度L；电流检测装置700，用于电流比例阀电流i；以及所述的控制设备。

相应地，本发明还提供了一种工程机械，该工程机械包括所述的控制系统。如图5所示，本发明所提供的工程机械安装了距离检测装置400（例如距离传感器11），角度检测装置500（例如角度传感器16），长度检测装置600（例如长度传感器15）等等。该工程机械上还可以安装电流检测装置700，但图5中没有显示。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种臂架防碰撞控制设备，其特征在于，该控制设备包括：

接收装置，用于接收臂架末端距离障碍物距离S、臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i；

计算装置，用于根据臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i计算臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀、油缸伸缩速度的变化率a₁、以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀，并根据臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀计算出臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀；以及

控制装置，用于在臂架末端距离障碍物距离S与臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀相等时控制油缸以油缸伸缩速度的变化率a₁减速，直至臂架末端距离障碍物距离S符合预设的条件。

2.根据权利要求1所述的控制设备，其特征在于，所述预设的条件为S=0。

3.根据权利要求1所述的控制设备，其特征在于，臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀=L×ω，臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀=L×a_ω，油缸伸缩速度的变化率a₁通过对所述比例阀电流i和流量Q进行多项式拟合并对所述比例阀电流i求导数得到，ω为臂架绕根部铰点旋转角速度，a_ω为臂架绕根部铰点旋转角速度的变化率，所述a_ω通过对所述臂架绕根部铰点旋转角速度ω、所述比例阀电流i和所述臂架角度θ进行多项式曲面进行拟合并利用所述臂架绕根部铰点旋转角速度ω对所述比例阀电流i求偏导数得到。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的控制设备，其特征在于，臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀=1/2×a₀×t²，t=V₀/a₀。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的控制设备，其特征在于，臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀=1/2×a_0max×t²，t=V₀/a_0max，a_0max为末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀的最大值。

6.一种臂架防碰撞控制方法，其特征在于，该控制方法包括：

接收臂架末端距离障碍物距离S、臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i；

根据臂架角度θ、臂架长度L、以及比例阀电流i计算臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀、油缸伸缩速度的变化率a₁、以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀，并根据臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀以及臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀计算出臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀；以及

在臂架末端距离障碍物距离S与臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀相等时控制油缸以油缸伸缩速度的变化率a₁减速，直至臂架末端距离障碍物距离S符合预设的条件。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述预设的条件为S=0。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，臂架末端靠近障碍物的运动速度V₀=L×ω，臂架末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀=L×a_ω，油缸伸缩速度的变化率a₁通过对所述比例阀电流i和流量Q进行多项式拟合并对所述比例阀电流i求导数得到，ω为臂架绕根部铰点旋转角速度，a_ω为臂架绕根部铰点旋转角速度的变化率，所述a_ω通过对所述臂架绕根部铰点旋转角速度ω、所述比例阀电流i和所述臂架角度θ进行多项式曲面进行拟合并利用所述臂架绕根部铰点旋转角速度ω对所述比例阀电流i求偏导数得到。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的控制方法，其特征在于，臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀=1/2×a₀×t²，t=V₀/a₀。

10.根据权利要求6-8任意一项所述的控制方法，其特征在于，臂架末端靠近障碍物的安全距离S₀=1/2×a_0max×t²，t=V₀/a_0max，a_0max为末端靠近障碍物的运动速度的变化率a₀的最大值。

11.一种臂架防碰撞控制系统，其特征在于，该控制系统包括：

距离检测装置，用于检测臂架末端距离障碍物距离S；

角度检测装置，用于检测臂架角度θ；

长度检测装置，用于检测臂架长度L；

电流检测装置，用于检测比例阀电流i；以及

根据权利要求1-5任意一项所述的控制设备。

12.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包括根据权利要求11所述的控制系统。

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