CN103792896A

CN103792896A - 集成的重型机械智能臂架控制系统及控制方法

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Publication number: CN103792896A
Application number: CN201210434726.7A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 张生志; 王小平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-05-14

Abstract

一种集成的重型机械智能臂架控制系统及控制方法。包括：臂架、传感检测模块、分析控制模块和执行单元。其特征在于所述控制系统由机械臂架、检测装置、分析控制模块和执行机构组成，三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪与GPS组成的IMU与信号调理与转换电路连接，信号调理与转换电路与校准与数字处理电路、数字控制电路连接，臂架的位置检测由IMU获得，传感检测模块将臂架的位置、姿态信息通过CAN总线传递给分析控制模块，分析控制模块通过CAN总线传递给执行单元。本发明的优点是预先通过仿真软件将臂架在不同姿态下的频率值制成数据库，内嵌到车载控制系统中，使臂架姿态查询及调整能实时、高效、快速。

Description

集成的重型机械智能臂架控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种重型工程机械设备,特别涉及一种集成的重型机械智能臂架控制系统及控制方法。

背景技术

重型工程机械中很多都带有臂架式结构，例如广泛使用的混凝土泵车、各种车载式起重机，分别带有回转臂和伸缩臂。混凝土泵车作业半径大，施工时臂架的姿态多变，如何控制臂架的振动以提高安全性和施工精度是关键的问题。

混凝土泵车是一种典型的多体系统，带有多个臂架。主要通过控制器控制液压阀，通过液压马达、液压缸等执行机构组合实现每节臂架的位置变化，从而实现整个臂架系统的位姿变化。然而在以往的混凝土泵车控制系统中事先没有预测到当泵车的臂架末端到达需要浇注的位置时，无法获取混凝土泵车此时的动态特性，包括固有频率和模态等。导致泵车施工时受载后产生共振，影响安全和施工精度的事情屡有发生。

不恰当的臂架姿态对施工质量和臂架寿命都有不利影响。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷,提供一种集成的重型机械智能臂架控制系统及控制方法。

本发明包括:臂架、传感检测模块、分析控制模块和执行单元,传感检测模块由温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、三轴MEMS（微机械）加速度计、三轴MEMS（微机械）陀螺仪、GPS（全球定位系统）、惯性测量单元(以下简称IMU Inertial Measurement Unit的缩写)组成，分析控制模块由信号调理与转换电路、校准与数字处理电路、SPI接口电路、CAN控制器、数字控制电路、自检测电路、报警电路、电源管理器组成，分析控制模块配备有车载微型计算机，执行单元由液压马达、液压阀组成，其特征在于所述控制系统由机械臂架、检测装置、分析控制模块和执行机构组成，三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和GPS的惯性测量单元与信号调理与转换电路连接，信号调理与转换电路与校准与数字处理电路、数字控制电路连接，三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计又通过自检测电路与数字控制电路相连接，臂架的位置检测由IMU中的GPS直接定位与三轴MEMS加速度传感器积分电路相结合获得，GPS的定位数据和加速度计积分结果相互对比和校准，校准与数字处理电路与SPI接口电路、CAN控制器、报警电路连接，传感检测模块将臂架的位置、姿态信息通过CAN总线传递给分析控制模块，分析控制模块通过CAN总线传递给执行单元，电源管理器向分析控制模块供电。

所述分析控制模块对各个传感器的测量信号进行处理和控制，各个传感器的测量信号通过信号调理与转换电路、校准与数字处理电路的处理后，被送入到SPI接口电路和CAN控制器。

所述MEMS加速度传感器和MEMS陀螺仪集成的IMU安装在每节臂架的端点，液位传感器和压力传感器安装在液压缸上，用于测量液压油的高度和压力。

本发明的控制方法，包含下列步骤：

步骤一：建立臂架系统的坐标系，将需要控制的臂架在水平方向上的投影设为X轴，水平面上与其相垂直的方向设置为Y轴，竖直方向设置为Z轴。

步骤二：检测臂架工作时的位置，在臂架上面布置测点，由集成GPS、MEMS加速度传感器和MEMS陀螺仪的IMU得到臂架上面测点的坐标、位移和转角，从而确定臂架位置以及姿态。

步骤三：臂架的工作情况分析与位姿调整，将测得的各个臂架的姿态角通过CAN总线传输给分析控制模块，分析模块通过车载计算机计算出该姿态下的臂架系统频率，然后与所受载荷频率对比，当处在危险频率时分析控制模块做出判断，通过CAN总线将调整指令传送给执行机构，通过压力传感器和液位传感器准确的控制液压缸的伸缩，以调整到安全的姿态，避免臂架产生共振，消除安全隐患以及对施工精度的影响。

所述的步骤三中的臂架系统频率由多体动力学仿真软件ADAMS预先计算好臂架不同姿态角下的固有频率，将其编制成各个臂的姿态角频率库，内嵌于分析控制模块配备的车载微型计算机存储单元中，提供快速预判和调整的依据。

所述的步骤三中臂架姿态角数据由传感检测模块测量，经与数据库中已存的对应频率进行查询对比，采用插值方法得到臂架系统频率。

本发明的优点是预先通过仿真软件将臂架在不同姿态下的频率值制成数据库，内嵌到车载控制系统中，使臂架姿态查询及调整能实时、高效，快速。

附图说明

图1本发明的智能臂架控制系统的框图；

图2带有MEMS加速度传感器和陀螺仪的IMU安装简图；

图中：1温度传感器、2压力传感器、3流量传感器、4液位传感器、5三轴MEMS加速度计、6三轴MEMS陀螺仪、7GPS、8IMU、9传感检测模块、10信号调理与转换电路、11校准与数字处理电路、12SPI接口电路、13CAN控制器、14数字控制电路、15自检测电路、16报警电路、17电源管理器、18分析控制模块、19液压马达、20液压阀、21执行单元、22回转台、23液压缸一、24液压缸二、25液压缸三、26液压缸四、27臂架一、28臂架二、29臂架三、30臂架四、31IMU、32IMU、33IMU、34IMU。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

本实施例为带有四节臂架的混凝土泵车，四节臂架控制系统的系统的框图如图1所示，其中传感检测模块9由温度传感器1、压力传感器2、流量传感器3、液位传感器4、三轴MEMS加速度计5、三轴MEMS陀螺仪6、GPS 7、IMU 8组成。分析控制模块18由信号调理与转换电路10、校准与数字处理电路11、SPI接口电路12、CAN控制器13、数字控制电路14、自检测电路15、报警电路16、电源管理器17组成。分析控制模块18配备有车载微型计算机。执行单元21由液压马达19、液压阀20组成。

本实施例的所有的三轴MEMS加速度计5、三轴MEMS陀螺仪6、GPS7、经IMU8与信号调理与转换电路10连接，信号调理与转换电路10与校准与数字处理电路11、数字控制电路11连接，三轴MEMS陀螺仪6和三轴MEMS加速度计5又通过自检测电路15与数字控制电路14相连接。

参见图2，四节臂架的混凝土泵车的臂架一27安装在回转台22上，液压缸一23、液压缸二24、液压缸三25、液压缸四26依次安装在臂架一27、臂架二28、臂架三29、臂架四30上。IMU 31、IMU 32、IMU 33、IMU 34分别安装在每节臂架的端点。也就是将集成在IMU 31、IMU 32、IMU 33、IMU 34上的三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪、GPS安装在臂架一27、臂架二28、臂架三29、臂架四30的末端上。所述液压缸一23、液压缸二24、液压缸三25、液压缸四26控制整个臂架系统的运作。回转台22控制整个臂架系统的旋转运动。

臂架一27、臂架二28、臂架三29、臂架四30的位置检测由IMU 31、IMU 32、IMU 33、IMU 34中的GPS直接定位与三轴MEMS加速度传感器积分电路相结合获得，可以相互对比和校准，校准与数字处理电路11与SPI接口电路12、CAN控制器13、报警电路16连接。传感检测模块9将臂架一27、臂架二28、臂架三29、臂架四30的位置、姿态信息通过CAN总线传递给分析控制模块18，分析控制模块18通过CAN总线传递给执行单元21，电源管理器17与数字控制电路14、SPI接口电路12和CAN控制器13相连接。信号调理与转换电路10对传感检测模块9的各个传感器的测量信号进行处理，各传感器的测量信号通过信号调理与转换电路10、校准与数字处理电路11的处理后，被送入到SPI接口电路12和CAN控制器13。

三轴MEMS陀螺仪6和三轴MEMS加速度计5又通过自检测电路15与数字控制电路14相连接，信号调理与转换电路10直接与数字控制电路14相连接，校准与数字处理电路11通过报警电路16与数字控制电路14相连接。

本实施例的控制方法，包含下列步骤：

步骤一：建立臂架一27、臂架二28、臂架三29、臂架四30系统的坐标系，将需要控制的臂架在水平方向上的投影设为X轴，水平面上与其相垂直的方向设置为Y轴，竖直方向设置为Z轴。

步骤二：检测臂架工作时的位置，在臂架上面布置IMU 31、IMU 32、IMU 33、IMU 34测点，由集成GPS、MEMS加速度传感器和MEMS陀螺仪的IMU得到臂架上面测点的坐标、位移和转角，从而确定臂架位置以及姿态。

步骤三：臂架一27、臂架二28、臂架三29、臂架四30的工作情况分析与位姿调整，将测得的各个臂架的姿态角通过CAN总线传输给分析控制模块18，分析控制模块18通过车载计算机计算出该姿态下的臂架系统频率，然后与所受载荷频率对比，当处在危险频率时分析控制模块18做出判断，通过CAN总线将调整指令传送给执行单元21，通过压力传感器和液位传感器准确的控制液压缸的伸缩，以调整到安全的姿态，避免臂架产生共振，消除安全隐患以及对施工精度的影响。

在控制方法的步骤三中的臂架系统频率由多体动力学仿真软件ADAMS预先计算好臂架不同姿态角下的固有频率，将其编制成各个臂的姿态角频率库，内嵌于分析控制模块中，提供快速预判和调整的依据。

本实施例的混凝土泵车臂架系统中的姿态角—频率数据库表（部分）如下表：

在控制方法的步骤三中臂架姿态角数据由传感检测模块测量，经与数据库中已存的对应频率进行查询对比，采用插值方法得到臂架系统频率。本实施例应用仿真分析的结果，将其制定成数据库存储在中，提供快速预判和调整的依据。

当本实施例实施过程中，液压缸的运动打开整个臂架，使其处在某一姿态。此时安装在臂架末端的IMU可以测得臂架的转角与测点的坐标，输入给分析控制模块18的车载计算机，并与数据库中的存储数据进行计算对比，如威胁到臂架的安全，则控制系统及时作出反映，传输到执行单元21中的液压马达19和液压阀20，调整臂架一27、臂架二28、臂架三29、臂架四30的姿态，使臂架避免发生共振引起安全事故和影响施工精度和臂架使用寿命。

Claims

1.一种集成的重型机械智能臂架控制系统,包括:臂架、传感检测模块、分析控制模块和执行单元,传感检测模块由温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪、GPS、惯性测量单元组成，分析控制模块由信号调理与转换电路、校准与数字处理电路、SPI接口电路、CAN控制器、数字控制电路、自检测电路、报警电路、电源管理器组成，分析控制模块配备有车载微型计算机，执行单元由液压马达、液压阀组成，其特征在于所述控制系统由机械臂架、检测装置、分析控制模块和执行机构组成，集成三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和GPS的惯性测量单元与信号调理与转换电路连接，信号调理与转换电路与校准与数字处理电路、数字控制电路连接，三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计又通过自检测电路与数字控制电路相连接，臂架的位置检测由惯性测量单元中的GPS直接定位与三轴MEMS加速度传感器积分电路相结合获得，GPS的定位数据和加速度计积分结果相互对比和校准，校准与数字处理电路与SPI接口电路、CAN控制器、报警电路连接，传感检测模块将臂架的位置、姿态信息通过CAN总线传递给分析控制模块，分析控制模块通过CAN总线传递给执行单元，电源管理器向分析控制模块供电。

2.根据权利要求1所述的集成的重型机械智能臂架控制系统及其控制方法，其特征在于所述分析控制模块对各个传感器的测量信号进行处理和控制，各个传感器的测量信号通过信号调理与转换电路、校准与数字处理电路的处理后，被送入到SPI接口电路和CAN控制器。

3.根据权利要求1所述的集成的重型机械智能臂架控制系统及其控制方法，其特征在于所述MEMS加速度传感器和MEMS陀螺仪集成的惯性测量单元安装在每节臂架的端点，液位传感器和压力传感器安装在液压缸上，用于测量液压油的高度和压力。

4.如权利要求1的集成的重型机械智能臂架控制系统控制方法，包含下列步骤：

5.根据权利要求4所述控制方法所述的步骤三中的臂架系统频率由多体动力学仿真软件ADAMS预先计算好臂架不同姿态角下的固有频率，将其编制成各个臂的姿态角频率库，内嵌于分析控制模块配备的计算机存储单元中。

6.根据权利要求4所述控制方法所述的步骤三中臂架姿态角数据由传感检测模块测量，经与数据库中已存的对应频率进行查询对比，采用插值方法得到臂架系统频率。