CN104503487B - 一种升降平台的测量控制系统及测量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种升降平台的测量控制系统及测量控制方法，该系统包括升降平台底盘控制器和在升降平台上安装的高度传感器、重量传感器；升降平台底盘控制器内集成有三轴陀螺仪和三轴加速度模块，高度传感器、重量传感器、三轴陀螺仪和三轴加速度模块均与升降平台底盘控制器连接；三轴陀螺仪用于采集升降平台的姿态角，所述的姿态角包括滚转角、俯仰角和偏航角；高度传感器用于检测升降平台的高度值，该升降平台的测量控制系统及测量控制方法能自动识别升降平台是处于快速/慢速/爬坡/下坡/正常/侧翻等的哪种状态，自动采用不同的控制方法对不同的状态进行控制，从而达到对升降平台的智能控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种升降平台的测量控制系统及测量控制方法。
背景技术
小型升降平台处于复杂的环境中,需对不同环境，不同工况进行可靠控制。现有技术中没有对升降平台处于快速/慢速/爬坡/下坡/正常/侧翻等进行识别的系统和方法。
为了能对升降平台在不同的状态和速度下进行智能控制，有必要设计一种系统及方法，能识别升降平台处于何种状态，并对不同的状态进行识别，采取不同的控制手段实现对设备的有效可靠控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种升降平台的测量控制系统及测量控制方法，该升降平台的测量控制系统及测量控制方法能自动识别升降平台是处于快速/慢速/爬坡/下坡/正常/侧翻等的哪种状态，自动采用不同的控制方法对不同的状态进行控制，从而达到对升降平台的智能控制。
发明的技术解决方案如下：
一种升降平台的测量控制系统，包括升降平台底盘控制器和在升降平台上安装的高度传感器、重量传感器；升降平台底盘控制器内集成有三轴陀螺仪和三轴加速度模块，高度传感器、重量传感器、三轴陀螺仪和三轴加速度模块均与升降平台底盘控制器连接；
三轴加速度模块用于采集升降平台在空间坐标系内X,Y和Z方向的加速度；
三轴陀螺仪用于采集升降平台的姿态角，所述的姿态角包括滚转角、俯仰角和偏航角；
高度传感器用于检测升降平台的高度值，并由升降平台底盘控制器依据高度值的变化量确定升降平台当前的运行状态：上升、下降或停驻；
所述的升降平台的测量控制系统还包括与升降平台底盘控制器相连的驱动系统；升降平台底盘控制器通过驱动系统控制升降平台的运行状态(包括上升、下降、加速、减速等，为现有成熟技术)。
升降平台底盘控制器依据姿态角、高度传感器和重量传感器采集的数据判断升降平台处于哪一种当前状态；
1)当偏航角＝0°，升降台处于正常状态；
2)当滚转角＝0°，0°<俯仰角<3°，偏航角>0°，15<az<20，W＝0时，升降台处于空载爬坡状态；
3)当滚转角＝0°，3°>俯仰角>0°，偏航角>0°，10<az<15，W>200Kg时，升降台处于负载爬坡状态；
4)当滚转角＝0°，-3°<俯仰角<0°，偏航角<0°，20<az<50，W＝0时，升降台处于空载下坡状态；
5)当滚转角＝0°，-3°<俯仰角<0°，偏航角<0°，50<az<100，W>200Kg，升降台处于负载下坡状态；
6)当|滚转角|>1.5°，偏航角＝0°，升降台处于拐弯状态；
7)当滚转角＝0°，俯仰角＝0°，偏航角＝0°，升降台处于正常升状态；
8)当滚转角＝0°，2°<|俯仰角|<3°，且升降平台处于上升状态，且高度值大于零时，升降台处于非水平升状态；
9)当|俯仰角|>3°或|滚转角|>1.5°时，升降台处于倾斜状态；
表中W表示重量传感器采集的数据，对应升降平台的实际载重量；
az是加速度模块z方向的加速度，有az＝Az/32768*16g；g为重力加速度，取值9.8m/s2，32768是15位数据的满值，16代表加速度的量程；
所采集的数据与状态的对应关系如上表所示。
当前状态与控制方式的对应关系如下表所示：
1)当升降台处于正常状态时，采用正常模式进行控制，按曲线A控制启动和停止；
2)当升降台处于空载爬坡状态时，采用阀先动作，电机后动作的方式进行控制，按曲线B控制启动和停止；
3)当升降台处于负载爬坡时，采用电机动作,阀后动作的方式进行控制，按曲线C控制启动和停止；
4)当升降台处于空载下坡时，采用电机动作,阀后动作的方式进行控制，按曲线D控制启动和停止；
5)当升降台处于负载下坡时，采用电机动作,阀后动作的方式进行控制，按曲线E控制启动和停止；
6)当升降台处于非水平上升状态时，限制升的高度，控制升降台以30-40m/h的速度上升；
7)当升降台处于倾斜状态时，限制升和行走动作，行走动作包括前进、后退、左转和右转；
8)当升降台处于拐弯状态时，采用先开阀，再开电机的方式进行控制，按照曲线F控制启动和停止；
9)当升降台处于正常升状态时，按照正常模式的方式进行控制；升降平台底盘控制器识别出当前状态后；依据当前状态并基于上表对应的控制方式对升降平台实施控制；
电机用于驱动整个升降平台升降和行走；[阀为电磁阀，为多个，分别控制前进、后退、左转、右转、升、降。电机动作，带动液压泵工作。阀打开进行换向，实现前进、后退、左转、右转、升、降动作。由电机驱动器和电机(液压泵)以及相关发明控制升降平台各种运动状态为现有成熟技术。
升降平台控制系统中采用电机驱动器1204M【该驱动器由科蒂斯仪器公司(CURTISINSTRUMENTS,INC.)生产】驱动直流电机从而驱动升降平台动作；电机驱动器1204M的输入电压信号为0-5V；
曲线设置的依据：依据升降平台行走时，启动及停止时制动距离的长短和人感觉舒适状况。制定相关的曲线。保证使用时平台运行顺畅，且安全可靠。
曲线A-F对应的函数如下：
曲线A说明：初始点A1的电压为1.2V，再以k1的斜率上升2.5V,此时对应A2点，从A2点再以k2的斜率上升到4.8V，此时到达A3点，再维持T1时间到达A4点；再以k2的斜率下降直到电压为0，此时为A5点；0.5<k1<2；1.5<k2<5.5；【k1优选1.3，k2优选4.6】；
曲线B说明：
初始点B1的电压为3V，再以k3的斜率上升到达3.5V，此时为B2点，从B2点再以k4的斜率上升到4.8V，此时对应B3点，再维持T2时间达到B4点；再以k5的斜率从B4点下降直到电压为2.5V，此时对应B5，再以斜率k6下降到0，此时对应B6点；0.5<k3<2；0.5<k4<2.5；1.5<k5<5.5，1.5<k6<3【k3、k4、k5和k6的优选值分别为1，1.3、4.6和2】；
曲线C说明：起始点C1的电压为4V，以k7的斜率上升到4.8V到达C2点；维持T3时间到达C3点，从C3点以k8斜率下降到0，到达C4点；0.5<k7<3，1.5<k8<5.5【k7优选值为1；k8优选值为4；】
曲线D说明：初始电压为1.2V，此时对应D1点，以k1斜率上升直到电压为4V，此时对应D2点，保持电压T4时间到达D3点，电压再直接跳变到0，到达D4点；0.5<k1<2【k1优选取值1.3】
曲线E说明：
起始点E1电压为1.2V，以k1斜率上升直到电压为3.5V，此时对应E2点，保持电压T5时间到达E3点，电压再直接跳变到0，到达E4点；0.5<k1<2【k1优选取值1.3】
曲线F说明：起始点F1电压为1.2V，以k1斜率上升直到电压为4V，此时对应F2点，保持电压T6时间到达F3点，再按k1斜率下降到0，到达F4点；0.5<k1<2【k1优选取值1.3】
说明：这的斜率无正负之分，斜率为k表示每秒中电压变化量为k，曲线A-F对应附图中的6条曲线。
说明维持的时间长度T1-T6根据手柄输出的停止信号来确定，即手柄输出停止信号为t_end时刻，则电压维持到到该时刻。
不同的电压控制电机输出不同的转速，从而决定平台运动状态的速度。采用的是直流电机。电机驱动器1204M采用大功率MOSFET电路，驱动电机转动。通过调节电压调节PWM输出的占空比，从而实现无级调速。0V输出0％的占空比，输出0V电压。5V输出100％的占空比，输出24V电压，进而(通过必要的其他电路)驱动电机转动。
k1～k8分别取值为1.3、4.6、1，1.3、4.6、2、1和4。
一种升降平台的测量控制方法，采用前述的升降平台的测量控制系统实施对各状态数据的测量和对升降平台进行控制。
采用集成的三轴陀螺仪+三轴加速度模块来检测升降平台转动的角速度和运动的加速度。
升降平台底盘控制器，对不同的角速度和加速度进行分析，同时结合升降平台中的高度传感器及重量传感器，识别升降平台处于何种状态下，从而采取不同的控制手段进行控制。
加速度计算公式：
ax＝Ax/32768*16g(g为重力加速度，取9.8m/s2)【32768是15位数据的满值和16代表加速度的量程，ax是加速度模块X方向的加速度】
ay＝Ay/32768*16g(g为重力加速度，可取9.8m/s2)，32768是15位数据的满值，16代表加速度的量程，ay是加速度模块y方向的加速度。
az＝Az/32768*16g(g为重力加速度，可取9.8m/s2)，32768是15位数据的满值，16代表加速度的量程，az是加速度模块z方向的加速度。
滚转角(x轴)＝Roll/32768*180(°)roll是三轴陀螺仪输出的X方向的角度，32768是15位数据的满值，180是角度的量程
俯仰角(y轴)＝Pitch/32768*180(°)pitch是三轴陀螺仪输出的Y方向的角度，32768是15位数据的满值，180是角度的量程。
偏航角(z轴)＝Yaw/32768*180(°)yaw是三轴陀螺仪输出的Z方向的角度,32768是15位数据的满值，180是角度的量程。
再通过升降平台上安装的高度传感器，重量传感器。结合当前行驶状态识别升降平台处于何种状态。x、y、z为东北天坐标系，左为x轴,向前为y轴,向上为z轴。成右手系坐标
偏航角定义为升降平台的法线(垂直与升降平台的直线)与竖直线的夹角；
俯仰角为升降平台相对于水平面的夹角；
滚转角为升降平台本身相对法线转过的角度。
如图3，对本发明的整体架构说明如下：
1)所述的三轴陀螺仪+加速度模块，主要实现三轴角速度和加速度的检测。把数据传送给微处理器和标准动作模块(可以简称为微处理器，即升降平台底盘控制器)，与微处理器和标准动作模块相连。
2)所述的升降平台微处理器和标准动作模块，主要将各种输入信号进行分析，从而识别升降平台处于何种状态。通过对不同状态进行不同的控制，输出信号控制升降平台的动作。与其它模块相连。
3)所述的人机界面模块，显示工况的当前状态、故障和报警信息。与微处理器和标准动作模块相连。
4)所述的通讯模块，便于远程监控整车的工作状态，实现远程调试、维护、定位等功能。与微处理器和标准动作模块相连，进行通讯。
5)所述的BMS管理模块。主要监测电池状态，检测电池是否处于过充，过放，电池水放干的现象。与微处理器和标准动作模块相连。BMS:BATTERY MANAGEMENT SYSTEM电池管理系统
6)所述的电源模块，对系统提供电源。与微处理器和标准动作模块相连。
有益效果：
本发明的升降平台的测量控制系统及测量控制方法，基于陀螺仪、高度传感器和重量传感器获取平台当前的相关参数，再通过相关参数基于条件判断判断平台处于何种工作状态，再依据具体的控制曲线对平台的启动和停止进行有针对性的控制，实现升降平台的检测和控制一体化和自动化，相比现有技术具有积极有益的技术效果。
附图说明
图1为升降平台的测量控制系统中的数据采集示意图；
图2为6种控制器曲线示意图(图a-f分别对应曲线A-F)
图3为升降平台的测量控制系统的总体框图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1-3，一种升降平台的测量控制系统，包括升降平台底盘控制器和在升降平台上安装的高度传感器、重量传感器；升降平台底盘控制器内集成有三轴陀螺仪和三轴加速度模块，高度传感器、重量传感器、三轴陀螺仪和三轴加速度模块均与升降平台底盘控制器连接；
三轴加速度模块用于采集升降平台在空间坐标系内X,Y和Z方向的加速度；
三轴陀螺仪用于采集升降平台的姿态角，所述的姿态角包括滚转角、俯仰角和偏航角；
高度传感器用于检测升降平台的高度值，并由升降平台底盘控制器依据高度值的变化量确定升降平台当前的运行状态：上升、下降或停驻；
所述的升降平台的测量控制系统还包括与升降平台底盘控制器相连的驱动系统；升降平台底盘控制器通过驱动系统控制升降平台的运行状态(包括上升、下降、加速、减速等，为现有成熟技术)。
升降平台底盘控制器依据姿态角、高度传感器和重量传感器采集的数据判断升降平台处于哪一种当前状态；
1)当偏航角＝0°，升降台处于正常状态；
2)当滚转角＝0°，0°<俯仰角<3°，偏航角>0°，15<az<20，W＝0时，升降台处于空载爬坡状态；
3)当滚转角＝0°，3°>俯仰角>0°，偏航角>0°，10<az<15，W>200Kg时，升降台处于负载爬坡状态；
4)当滚转角＝0°，-3°<俯仰角<0°，偏航角<0°，20<az<50，W＝0时，升降台处于空载下坡状态；
5)当滚转角＝0°，-3°<俯仰角<0°，偏航角<0°，50<az<100，W>200Kg，升降台处于负载下坡状态；
6)当|滚转角|>1.5°，偏航角＝0°，升降台处于拐弯状态；
7)当滚转角＝0°，俯仰角＝0°，偏航角＝0°，升降台处于正常升状态；
8)当滚转角＝0°，2°<|俯仰角|<3°，且升降平台处于上升状态，且高度值大于零时，升降台处于非水平升状态；
9)当|俯仰角|>3°或|滚转角|>1.5°时，升降台处于倾斜状态；
az是加速度模块z方向的加速度，有az＝Az/32768*16g；g为重力加速度，取值9.8m/s2，32768是15位数据的满值，16代表加速度的量程；
所采集的数据与状态的对应关系如上表所示。
当前状态与控制方式的对应关系如下表所示：
1)当升降台处于正常状态时，采用正常模式进行控制，按曲线A控制启动和停止；
2)当升降台处于空载爬坡状态时，采用阀先动作，电机后动作的方式进行控制，按曲线B控制启动和停止；
3)当升降台处于负载爬坡时，采用电机动作,阀后动作的方式进行控制，按曲线C控制启动和停止；
4)当升降台处于空载下坡时，采用电机动作,阀后动作的方式进行控制，按曲线D控制启动和停止；
5)当升降台处于负载下坡时，采用电机动作,阀后动作的方式进行控制，按曲线E控制启动和停止；
6)当升降台处于非水平上升状态时，限制升的高度，控制升降台以30-40m/h的速度上升；
7)当升降台处于倾斜状态时，限制升和行走动作，行走动作包括前进、后退、左转和右转；
8)当升降台处于拐弯状态时，采用先开阀，再开电机的方式进行控制，按照曲线F控制启动和停止；
9)当升降台处于正常升状态时，按照正常模式的方式进行控制；
升降平台底盘控制器识别出当前状态后；依据当前状态并基于上表对应的控制方式对升降平台实施控制；
电机用于驱动整个升降平台升降和行走；[阀为电磁阀，为多个，分别控制前进、后退、左转、右转、升、降。【电机动作，带动液压泵工作。阀打开进行换向，实现前进、后退、左转、右转、升、降动作。】
升降平台控制系统中采用电机驱动器1204M【该驱动器由科蒂斯仪器公司(CURTISINSTRUMENTS,INC.)生产】驱动直流电机从而驱动升降平台动作；电机驱动器1204M的输入电压信号为0-5V；
曲线设置的依据：依据升降平台行走时，启动及停止时制动距离的长短和人感觉舒适状况。制定相关的曲线。保证使用时平台运行顺畅，且安全可靠。
曲线A-F对应的函数如下：
曲线A说明：初始点A1的电压为1.2V，再以k1的斜率上升2.5V,此时对应A2点，从A2点再以k2的斜率上升到4.8V，此时到达A3点，再维持T1时间到达A4点；再以k2的斜率下降直到电压为0，此时为A5点；0.5<k1<2；1.5<k2<5.5；【k1优选1.3，k2优选4.6】；
曲线B说明：
初始点B1的电压为3V，再以k3的斜率上升到达3.5V，此时为B2点，从B2点再以k4的斜率上升到4.8V，此时对应B3点，再维持T2时间达到B4点；再以k5的斜率从B4点下降直到电压为2.5V，此时对应B5，再以斜率k6下降到0，此时对应B6点；0.5<k3<2；0.5<k4<2.5；1.5<k5<5.5，1.5<k6<3【k3、k4、k5和k6的优选值分别为1，1.3、4.6和2】；
曲线C说明：起始点C1的电压为4V，以k7的斜率上升到4.8V到达C2点；维持T3时间到达C3点，从C3点以k8斜率下降到0，到达C4点；0.5<k7<3，1.5<k8<5.5【k7优选值为1；k8优选值为4；】
曲线D说明：初始电压为1.2V，此时对应D1点，以k1斜率上升直到电压为4V，此时对应D2点，保持电压T4时间到达D3点，电压再直接跳变到0，到达D4点；0.5<k1<2【k1优选取值1.3】
曲线E说明：
起始点E1电压为1.2V，以k1斜率上升直到电压为3.5V，此时对应E2点，保持电压T5时间到达E3点，电压再直接跳变到0，到达E4点；0.5<k1<2【k1优选取值1.3】
曲线F说明：起始点F1电压为1.2V，以k1斜率上升直到电压为4V，此时对应F2点，保持电压T6时间到达F3点，再按k1斜率下降到0，到达F4点；0.5<k1<2【k1优选取值1.3】
说明：这的斜率无正负之分，斜率为k表示每秒中电压变化量为k，曲线A-F对应附图中的6条曲线。
说明维持的时间长度T1-T6根据手柄输出的停止信号来确定，即手柄输出停止信号为t_end时刻，则电压维持到到该时刻。
不同的电压控制电机输出不同的转速，从而决定平台运动状态的速度。采用的是直流电机。电机驱动器1204M采用大功率MOSFET电路，驱动电机转动。通过调节电压调节PWM输出的占空比，从而实现无级调速。0V输出0％的占空比，输出0V电压。5V输出100％的占空比，输出24V电压，进而(通过必要的其他电路)驱动电机转动。
k1～k8分别取值为1.3、4.6、1，1.3、4.6、2、1和4。
一种升降平台的测量控制方法，采用前述的升降平台的测量控制系统实施对各状态数据的测量和对升降平台进行控制。
Claims (2)
1.一种升降平台的测量控制系统，其特征在于，包括升降平台底盘控制器和在升降平台上安装的高度传感器、重量传感器；升降平台底盘控制器内集成有三轴陀螺仪和三轴加速度模块，高度传感器、重量传感器、三轴陀螺仪和三轴加速度模块均与升降平台底盘控制器连接；
三轴加速度模块用于采集升降平台在空间坐标系内X,Y和Z方向的加速度；
三轴陀螺仪用于采集升降平台的姿态角，所述的姿态角包括滚转角、俯仰角和偏航角；高度传感器用于检测升降平台的高度值，并由升降平台底盘控制器依据高度值的变化量确定升降平台当前的运行状态：上升、下降或停驻；
所述的升降平台的测量控制系统还包括与升降平台底盘控制器相连的驱动系统；升降平台底盘控制器通过驱动系统控制升降平台的运行状态；
升降平台底盘控制器依据姿态角、高度传感器和重量传感器采集的数据判断升降平台处于哪一种当前状态；
1)当偏航角＝0°，升降台处于正常状态；
2)当滚转角＝0°，0°<俯仰角<3°，偏航角>0°，15<az<20，W＝0时，升降台处于空载爬坡状态；
3)当滚转角＝0°，3°>俯仰角>0°，偏航角>0°，10<az<15，W>200Kg时，升降台处于负载爬坡状态；
4)当滚转角＝0°，-3°<俯仰角<0°，偏航角<0°，20<az<50，W＝0时，升降台处于空载下坡状态；
5)当滚转角＝0°，-3°<俯仰角<0°，偏航角<0°，50<az<100，W>200Kg，升降台处于负载下坡状态；
6)当|滚转角|>1.5°，偏航角＝0°，升降台处于拐弯状态；
7)当滚转角＝0°，俯仰角＝0°，偏航角＝0°，升降台处于正常升状态；
8)当滚转角＝0°，2°<|俯仰角|<3°，且升降平台处于上升状态，且高度值大于零时，升降台处于非水平升状态；
9)当|俯仰角|>3°或|滚转角|>1.5°时，升降台处于倾斜状态；
其中，W表示重量传感器采集的数据，对应升降平台的实际载重量；
az是加速度模块z方向的加速度，有az＝Az/32768*16g；g为重力加速度，取值9.8m/s2，32768是15位数据的满值，16代表加速度的量程；Az表示加速度模块输出的z方向加速度十六进制测量值；
升降平台底盘控制器识别出当前状态后，依据当前状态并基于以下描述对应的控制方式对升降平台实施控制：
1)当升降台处于正常状态时，采用正常模式进行控制，按曲线A控制启动和停止；
2)当升降台处于空载爬坡状态时，采用阀先动作，电机后动作的方式进行控制，按曲线B控制启动和停止；
3)当升降台处于负载爬坡时，采用电机动作,阀后动作的方式进行控制，按曲线C控制启动和停止；
4)当升降台处于空载下坡时，采用电机动作,阀后动作的方式进行控制，按曲线D控制启动和停止；
5)当升降台处于负载下坡时，采用电机动作,阀后动作的方式进行控制，按曲线E控制启动和停止；
6)当升降台处于非水平升状态时，限制升的高度，控制升降台以30-40m/h的速度上升；
7)当升降台处于倾斜状态时，限制升和行走动作，行走动作包括前进、后退、左转和右转；
8)当升降台处于拐弯状态时，采用先开阀，再开电机的方式进行控制，按照曲线F控制启动和停止；
9)当升降台处于正常升状态时，按照正常模式的方式进行控制；
电机用于驱动整个升降平台升降和行走；
升降平台控制系统中采用电机驱动器1204M驱动直流电机从而驱动升降平台动作；电机驱动器1204M的输入电压信号为0-5V；
曲线A-F对应的函数如下：
曲线A说明：初始点A1的电压为1.2V，再以k1的斜率上升2.5V,此时对应A2点，从A2点再以k2的斜率上升到4.8V，此时到达A3点，再维持T1时间到达A4点；再以k2的斜率下降直到电压为0，此时为A5点；0.5<k1<2；1.5<k2<5.5；
曲线B说明：
初始点B1的电压为3V，再以k3的斜率上升到达3.5V，此时为B2点，从B2点再以k4的斜率上升到4.8V，此时对应B3点，再维持T2时间达到B4点；再以k5的斜率从B4点下降直到电压为2.5V，此时对应B5，再以斜率k6下降到0，此时对应B6点；0.5<k3<2；0.5<k4<2.5；1.5<k5<5.5，1.5<k6<3；
曲线C说明：起始点C1的电压为4V，以k7的斜率上升到4.8V到达C2点；维持T3时间到达C3点，从C3点以k8斜率下降到0，到达C4点；0.5<k7<3，1.5<k8<5.5；
曲线D说明：初始电压为1.2V，此时对应D1点，以k1斜率上升直到电压为4V，此时对应D2点，保持电压T4时间到达D3点，电压再直接跳变到0，到达D4点；0.5<k1<2；
曲线E说明：
起始点E1电压为1.2V，以k1斜率上升直到电压为3.5V，此时对应E2点，保持电压T5时间到达E3点，电压再直接跳变到0，到达E4点；0.5<k1<2；
曲线F说明：起始点F1电压为1.2V，以k1斜率上升直到电压为4V，此时对应F2点，保持电压T6时间到达F3点，再按k1斜率下降到0，到达F4点；0.5<k1<2。
2.根据权利要求1所述的升降平台的测量控制系统，其特征在于，k1～k8分别取值为1.3、4.6、1，1.3、4.6、2、1和4。
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