CN110422762B - 一种利用行车抓渣的抓斗防摇控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用行车抓渣的抓斗防摇控制方法，包括：1)、构建抓渣系统；2)、通过防摇摆功能模块的输入端输入小车的最大运行速度值V_max和小车的加速度a；防摇摆功能模块对根据上述参数进行运算后将结果传输给变频器，变频器控制第一电机使小车运行至目标物正上方时小车速度为0，抓斗的摆动也为0。设置防摇摆功能模块后，只需要通过防摇摆功能模块的输入端输入小车的最大运行速度值V_max和小车的加速度a；保证小车从0速启动运行到目标物正上方时速度又降为0，同时在小车匀速运动过程中，抓斗的摆动为0，即达到抓斗防摆的效果。采用防摇摆功能模块，不用实时测量抓斗的摆动角度，操作简单，效率高，且防摇摆效果好。

Description

一种利用行车抓渣的抓斗防摇控制方法

技术领域

本发明属于起重机防摇摆技术领域，具体涉及一种利用行车抓渣的抓斗防摇控制方法。

背景技术

行车在运行过程中，由于钢丝绳的柔性特性，在行车大车和小车停止运行的过程中，抓斗会不可避免的发生摇晃，有经验的操作司机会根据经验提前判断摇晃的方向，适当调整大车或小车的速度来消除摆动，但无法完全避免摆动。

在抓渣行车的运行过程中，大车、小车的自动定位及定位精度起着极为关键的作用。在行车最后的定位过程中，吊钩或抓斗不可避免的会出现摇晃，在自动运行中，当抓斗摇晃时，可能会出现碰到冲渣池边缘继而发生抓斗旋转钢丝绳缠绕的情况，因此必须保证大小车自动定位完成后抓斗基本保持不动。在前期没有防摇的场合，为了达到这个目的，通常的做法是在定位过程中，以较低的速度启动，慢慢增加速度，快接近目标位置时尽可能提前减到一个较小的速度，以该速度运行一段时间保证抓斗不发生摇晃，在定位完成以后加上一定的延迟时间让抓斗稳定，继而再进行下一步操作。该种方式明显的问题就是效率太低且效果很差，不同位置定位时需要等待的时间各不相同，出现的摇摆程度也各不相同，因此很难确定可进行下一步操作的具体指标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用行车抓渣的抓斗防摇控制方法，解决现有技术中抓渣行车在最后的定位过程中，抓斗出现摇晃，会碰到冲渣池边缘继而发生抓斗旋转钢丝绳缠绕等情况的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

一种利用行车抓渣的抓斗防摇控制方法，包括如下步骤：

1)、构建抓渣系统，所述抓渣系统包括大车、小车、控制器、变频器、驱动小车运行的第一电机、设置在小车上的卷筒、驱动卷筒的第二电机、以及位于冲渣池上方的摄像头；所述控制器内集成有防摇摆功能模块，防摇摆功能模块的输出端通过控制器连接变频器，变频器通过导线连接第一电机；卷筒上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的下端连接有抓斗，卷筒上安装有用于检测抓斗高度的绝对值编码器；第一电机、第二电机、变频器、绝对值编码器均与控制器电连接；

2)、通过防摇摆功能模块的输入端输入小车的最大运行速度值V_max和小车的加速度a；将待抓取的水渣记为目标物，控制器根据绝对值编码器的检测信息计算出抓斗到小车的距离l，控制器获取小车启动点到目标物的水平距离S_D；防摇摆功能模块对根据上述参数进行运算后将运算结果传输给变频器，变频器根据运算结果控制第一电机，使小车运行至目标物正上方，该过程分为如下七个阶段：

第一阶段：防摇摆功能模块控制小车从静止开始以加速度a匀加速运动，至小车速度为V_max/2，运行时间为t₁，在此阶段抓斗发生摆动；

第二阶段：防摇摆功能模块控制小车以V_max/2匀速移动，运行至t₂时间点；

第三阶段：防摇摆功能模块控制小车以加速度a继续匀加速移动至小车的速度为V_max，运行至t₃时间点，在此阶段抓斗发生摆动；

第四阶段：防摇摆功能模块控制小车以V_max匀速移动，运行至t₄时间点，在此阶段抓斗的摆动为0；

第五阶段：防摇摆功能模块控制小车以加速度-a匀减速移动，至小车速度为V_max/2，运行至t₅时间点，在此阶段抓斗发生摆动；

第六阶段：防摇摆功能模块控制小车以V_max/2匀速移动，运行至t₆时间点；

第七阶段：防摇摆功能模块控制小车以加速度-a继续匀减速移动，至小车速度0，运行至t₇时间点，此时小车和抓斗均位于目标物的正上方，且抓斗的摆动为0。

设置防摇摆功能模块后，只需要通过防摇摆功能模块的输入端输入小车的最大运行速度值V_max和小车的加速度a；保证小车从0速启动运行到目标物正上方时速度又降为0，同时在小车匀速运动过程中，抓斗的摆动为0，且当小车移动至目标物正上方时小车速度为0，抓斗的摆动也为0，即达到抓斗防摆的效果，避免了在最后的定位过程中抓斗碰到冲渣池边缘继而发生抓斗旋转钢丝绳缠绕的情况。采用防摇摆功能模块，不用实时测量抓斗的摆动角度，操作简单，效率高，且防摇摆效果好。

进一步改进，所述步骤2)中，控制器获取小车启动点到目标物的水平距离S_D的过程如下：

2.1)、将防止目标物的冲渣池划分为k×j个抓取单元，多个抓取单元构成k行j列抓取单元矩阵，每个抓取单元中心点的坐标记为(r，t)，并将上述参数储存在控制器中，其中，k、j、r、t均为整数，且r∈[0，k]，t∈[0，j]；

2.2)、采用摄像头拍摄冲渣池，并将拍摄的图片传送给控制器，控制器根据图片中目标物的位置并结合2.1)中k行j列抓取单元矩阵中各个抓取单元中心点的坐标，得出目标物实际坐标(x、y)，根据目标物的实际坐标(x、y)计算出小车启动点到目标物的水平距离S_D。

通过设置摄像头，以及将冲渣池划分为k×j个抓取单元，摄像头的安装位置已知，即摄像头到冲渣池的高端H已知，通过图片上冲渣池的尺寸和冲渣池实际尺寸，根据比例关系能够精确计算出小车启动点到目标物的水平距离S_D，提高控制精度。

进一步改进，设定在抓斗的摆动过程不考虑大车运动，且小车在行走的过程中，起升钢丝绳的长度保持不变，即抓斗到小车的距离始终为l，只考虑小车及抓斗的运动情况，可将抓斗的摆动过程简化为单摆模型；则

t₁＝v_max/2a； (1)

t₃＝t₁+t₂； (3)

其中，g为重力加速度，由(1)-(3)和已知的V_max、a，可以得出t₁、t₂、t₃，进而计算出当小车运行至t₃时刻，小车从启动开始沿轨道运行至速度为V_max时产生的位移为S₁，则

S_D＝2 S₁₊S₂； (4)

其中，S₂为小车在第四阶段的位移，则得出第四阶段小车以V_max匀速移动的时间：

同时，由于第五阶段、第七阶段为减速阶段与第三阶段、第一阶段相反，则

t₅＝t₄+t₁； (6)

t₆＝t₄+t₂； (7)

t₇＝t₆+t₁； (8)

由上述(1)-(7)计算出t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆和t₇，并将计算结果传输给变频器，变频器根据7个阶段的时间节点控制第一电机的转动。

根据上述关系式可知，在已知V_max、a和S_D的情况下，控制器可自动计算出t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆和t₇，进而控制第一电机在7个不同阶段的转速，保证小车移动至目标物正上方时小车速度为0，抓斗的摆动也为0，即达到抓斗防摆的目的。

进一步改进，所述抓渣系统还包括格雷母线定位系统，格雷母线定位系统包括沿小车运行轨道铺设的格雷母线和安装在小车上的感应天线，格雷母线和感应天线与控制器以无线或有线形成进行通讯。

进一步改进，在小车移动过程中，格雷母线定位系统时检测小车的位置S，并将检测信号发送给控制器，得出小车的实际位移S_r；同时控制器根据小车的运行速度和运行时间能够实时计算出小车的位移，记为计算位移S_c；

当格雷母线定位系统检测到小车的实际位移S_r＝S₁₊S₂时，控制器控制小车进入第五阶段，开始以加速度-a匀减速移动，至小车速度为V_max/2。

因为将抓斗的摆动过程简化为单摆模型为理想状况，认为抓斗的摆动过程钢丝绳的长度保持不变，不考虑摩擦能耗等。但在实际情况中抓斗钢丝绳的长度会发生略微变化，摆动过程中空气的阻力会影响摆动参数。因此通过设置格雷母线定位系统，对防摆动控制过程进行修正，因为小车以V_max匀速移动的阶段，抓斗的摆动为0，而在减速过程中小车必然会产生摆动，且要求当小车移动至目标物正上方时小车速度为0，抓斗的摆动也为0，因此必须精确计算小车开始减速的时刻。

采用防摇技术和格雷母线定位系统相结合的技术，可以完美解决单独采用防摇技术或定位技术带来的困扰。在格雷母线定位系统启动过程中，防摇介入控制，在小车进入减速阶段后接近目标物时，防摇功能可保证抓斗不发生摇晃，最终精确定位。防摇功能会根据目前的状态，在小车速度低于一定值的时候(该值可设定)的时候自动关闭防摇模块，由定位系统在低速完成定位，该种方案可高效完成定位工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、设置防摇摆功能模块后，只需要通过防摇摆功能模块的输入端输入小车的最大运行速度值V_max和小车的加速度a；保证小车从0速启动运行到目标物正上方时速度又降为0，同时在小车匀速运动过程中，抓斗的摆动为0，且当小车移动至目标物正上方时小车速度为0，抓斗的摆动也为0，即达到抓斗防摆的效果，避免了在最后的定位过程中抓斗碰到冲渣池边缘继而发生抓斗旋转钢丝绳缠绕的情况。采用防摇摆功能模块，不用实时测量抓斗的摆动角度，操作简单，效率高，且防摇摆效果好。

2、通过设置格雷母线定位系统，对防摆动控制过程进行修正，精确计算小车开始减速的时刻，提高防止抓斗摇摆的控制精度和效果。

附图说明

图1为本发明中抓斗摆动的示意图。

图2为防摇摆功能模块控制小车运行的速度-时间(v-t)函数图。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种利用行车抓渣的抓斗防摇控制方法，包括如下步骤：

1)、构建抓渣系统，所述抓渣系统包括大车3、小车1、控制器、变频器、驱动小车运行的第一电机、设置在小车上的卷筒、驱动卷筒的第二电机、以及位于冲渣池上方的摄像头；所述控制器内集成有防摇摆功能模块，防摇摆功能模块的输出端通过控制器连接变频器，变频器通过导线连接第一电机；卷筒上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的下端连接有抓斗2，卷筒上安装有用于检测抓斗高度的绝对值编码器；第一电机、第二电机、变频器、绝对值编码器均与控制器电连接；

2)、通过防摇摆功能模块的输入端输入小车的最大运行速度值V_max和小车的加速度a；将待抓取的水渣记为目标物，控制器根据绝对值编码器的检测信息计算出抓斗到小车的距离l，控制器获取小车启动点到目标物的水平距离S_D；防摇摆功能模块对根据上述参数进行运算后将运算结果传输给变频器，变频器根据运算结果控制第一电机，使小车运行至目标物正上方，该过程分为如下七个阶段，如图2所示：

第一阶段：防摇摆功能模块控制小车从静止开始以加速度a匀加速运动，至小车速度为V_max/2，运行时间为t₁，在此阶段抓斗发生摆动，如图1所示；

第二阶段：防摇摆功能模块控制小车以V_max/2匀速移动，运行至t₂时间点；

第三阶段：防摇摆功能模块控制小车以加速度a继续匀加速移动至小车的速度为V_max，运行至t₃时间点，在此阶段抓斗发生摆动；

第四阶段：防摇摆功能模块控制小车以V_max匀速移动，运行至t₄时间点，在此阶段抓斗的摆动为0；

第五阶段：防摇摆功能模块控制小车以加速度-a匀减速移动，至小车速度为V_max/2，运行至t₅时间点，在此阶段抓斗发生摆动；

第六阶段：防摇摆功能模块控制小车以V_max/2匀速移动，运行至t₆时间点；

第七阶段：防摇摆功能模块控制小车以加速度-a继续匀减速移动，至小车速度0，运行至t₇时间点，此时小车和抓斗均位于目标物的正上方，且抓斗的摆动为0。

设置防摇摆功能模块后，只需要通过防摇摆功能模块的输入端输入小车的最大运行速度值V_max和小车的加速度a；保证小车从0速启动运行到目标物正上方时速度又降为0，同时在小车匀速运动过程中，抓斗的摆动为0，且当小车移动至目标物正上方时小车速度为0，抓斗的摆动也为0，即达到抓斗防摆的效果，避免了在最后的定位过程中抓斗碰到冲渣池边缘继而发生抓斗旋转钢丝绳缠绕的情况。采用防摇摆功能模块，不用实时测量抓斗的摆动角度，操作简单，效率高，且防摇摆效果好。

在本实施例中，所述步骤2)中，控制器获取小车启动点到目标物的水平距离S_D的过程如下：

2.1)、将防止目标物的冲渣池划分为k×j个抓取单元，多个抓取单元构成k行j列抓取单元矩阵，每个抓取单元中心点的坐标记为(r，t)，并将上述参数储存在控制器中，其中，k、j、r、t均为整数，且r∈[0，k]，t∈[0，j]；

2.2)、采用摄像头拍摄冲渣池，并将拍摄的图片传送给控制器，控制器根据图片中目标物的位置并结合2.1)中k行j列抓取单元矩阵中各个抓取单元中心点的坐标，得出目标物实际坐标(x、y)，根据目标物的实际坐标(x、y)计算出小车启动点到目标物的水平距离S_D。

通过设置摄像头，以及将冲渣池划分为k×j个抓取单元，摄像头的安装位置已知，即摄像头到冲渣池的高端H已知，通过图片上冲渣池的尺寸和冲渣池实际尺寸，根据比例关系能够精确计算出小车启动点到目标物的水平距离S_D，提高控制精度。

在本实施例中，设定在抓斗的摆动过程不考虑大车运动，且小车在行走的过程中，起升钢丝绳的长度保持不变，即抓斗到小车的距离始终为l，只考虑小车及抓斗的运动情况，可将抓斗的摆动过程简化为单摆模型；则

t₁＝v_max/2a； (1)

t₃＝t₁+t₂； (3)

其中，g为重力加速度，由(1)-(3)和已知的V_max、a，可以得出t₁、t₂、t₃，进而计算出当小车运行至t₃时刻，小车从启动开始沿轨道运行至速度为V_max时产生的位移为S₁，则

S_D＝2 S₁₊S₂； (4)

其中，S₂为小车在第四阶段的位移，则得出第四阶段小车以V_max匀速移动的时间：

同时，由于第五阶段、第七阶段为减速阶段与第三阶段、第一阶段相反，则

t₅＝t₄+t₁； (6)

t₆＝t₄+t₂； (7)

t₇＝t₆+t₁； (8)

由上述(1)-(7)计算出t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆和t₇，并将计算结果传输给变频器，变频器根据7个阶段的时间节点控制第一电机的转动。

根据上述关系式可知，在已知V_max、a和S_D的情况下，控制器可自动计算出t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆和t₇，进而控制第一电机在7个不同阶段的转速，保证小车移动至目标物正上方时小车速度为0，抓斗的摆动也为0，即达到抓斗防摆的目的。

在本实施例中，所述抓渣系统还包括格雷母线定位系统，格雷母线定位系统包括沿小车运行轨道铺设的格雷母线和安装在小车上的感应天线，格雷母线和感应天线与控制器以无线或有线形成进行通讯。

在本实施例中，在小车移动过程中，格雷母线定位系统时检测小车的位置S，并将检测信号发送给控制器，得出小车的实际位移S_r；同时控制器根据小车的运行速度和运行时间能够实时计算出小车的位移，记为计算位移S_c。

当格雷母线定位系统检测到小车的实际位移S_r＝S₁₊S₂时，控制器控制小车进入第五阶段，开始以加速度-a匀减速移动，至小车速度为V_max/2。

因为将抓斗的摆动过程简化为单摆模型为理想状况，认为抓斗的摆动过程钢丝绳的长度保持不变，不考虑摩擦能耗等。但在实际情况中抓斗钢丝绳的长度会发生略微变化，摆动过程中空气的阻力会影响摆动参数。因此通过设置格雷母线定位系统，对防摆动控制过程进行修正，因为小车以Vmax匀速移动的阶段，抓斗的摆动为0，而在减速过程中小车必然会产生摆动，且要求当小车移动至目标物正上方时小车速度为0，抓斗的摆动也为0，因此必须精确计算小车开始减速的时刻。

本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (2)

1.一种利用行车抓渣的抓斗防摇控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、构建抓渣系统，所述抓渣系统包括大车、小车、控制器、变频器、驱动小车运行的第一电机、设置在小车上的卷筒、驱动卷筒的第二电机、以及位于冲渣池上方的摄像头；所述控制器内集成有防摇摆功能模块，防摇摆功能模块的输出端通过控制器连接变频器，变频器通过导线连接第一电机；卷筒上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的下端连接有抓斗，卷筒上安装有用于检测抓斗高度的绝对值编码器；第一电机、第二电机、变频器、绝对值编码器均与控制器电连接；

2)、通过防摇摆功能模块的输入端输入小车的最大运行速度值V_max和小车的加速度a；将待抓取的水渣记为目标物，控制器根据绝对值编码器的检测信息计算出抓斗到小车的距离l，控制器获取小车启动点到目标物的水平距离S_D；防摇摆功能模块对根据上述参数进行运算后将运算结果传输给变频器，变频器根据运算结果控制第一电机，使小车运行至目标物正上方，该过程分为如下七个阶段：

第一阶段：防摇摆功能模块控制小车从静止开始以加速度a匀加速运动，至小车速度为V_max/2，运行时间为t₁，在此阶段抓斗发生摆动；

第二阶段：防摇摆功能模块控制小车以V_max/2匀速移动，运行至t₂时间点；

第三阶段：防摇摆功能模块控制小车以加速度a继续匀加速移动至小车的速度为V_max，运行至t₃时间点，在此阶段抓斗发生摆动；

第四阶段：防摇摆功能模块控制小车以V_max匀速移动，运行至t₄时间点，在此阶段抓斗的摆动为0；

第五阶段：防摇摆功能模块控制小车以加速度-a匀减速移动，至小车速度为V_max/2，运行至t₅时间点，在此阶段抓斗发生摆动；

第六阶段：防摇摆功能模块控制小车以V_max/2匀速移动，运行至t₆时间点；

第七阶段：防摇摆功能模块控制小车以加速度-a继续匀减速移动，至小车速度0，运行至t₇时间点，此时小车和抓斗均位于目标物的正上方，且抓斗的摆动为0；

控制器获取小车启动点到目标物的水平距离S_D的过程如下：

2.1)、将放置目标物的冲渣池划分为k×j个抓取单元，多个抓取单元构成k行j列抓取单元矩阵，每个抓取单元中心点的坐标记为(r，t)，并将上述参数储存在控制器中，其中，k、j、r、t均为整数，且r∈[0，k]，t∈[0，j]；

2.2)、采用摄像头拍摄冲渣池，并将拍摄的图片传送给控制器，控制器根据图片中目标物的位置并结合2.1)中k行j列抓取单元矩阵中各个抓取单元中心点的坐标，得出目标物实际坐标(x、y)，根据目标物的实际坐标(x、y)计算出小车启动点到目标物的水平距离S_D；

所述抓渣系统还包括格雷母线定位系统，格雷母线定位系统包括沿小车运行轨道铺设的格雷母线和安装在小车上的感应天线，格雷母线和感应天线与控制器以无线或有线形成进行通讯；

在小车移动过程中，格雷母线定位系统实时检测小车的位置S，并将检测信号发送给控制器，得出小车的实际位移S_r；同时控制器根据小车的运行速度和运行时间能够实时计算出小车的位移，记为计算位移S_c；

当格雷母线定位系统检测到小车的实际位移S_r＝S₁₊S₂时，控制器控制小车进入第五阶段，开始以加速度-a匀减速移动，至小车速度为V_max/2。

2.根据权利要求1所述的利用行车抓渣的抓斗防摇控制方法，其特征在于，设定在抓斗的摆动过程不考虑大车运动，且小车在行走的过程中，起升钢丝绳的长度保持不变，即抓斗到小车的距离始终为l，只考虑小车及抓斗的运动情况，可将抓斗的摆动过程简化为单摆模型；则

t₁＝v_max/2a； (1)

t₃＝t₁+t₂； (3)

其中，g为重力加速度，由(1)-(3)和已知的V_max、a，可以得出t₁、t₂、t₃，进而计算出当小车运行至t₃时刻，小车从启动开始沿轨道运行至速度为V_max时产生的位移为S₁，则

S_D＝2S₁+S₂； (4)

其中，S₂为小车在第四阶段的位移，则得出第四阶段小车以V_max匀速移动的时间：

同时，由于第五阶段、第七阶段为减速阶段与第三阶段、第一阶段相反，则

t₅＝t₄+t₁； (6)

t₆＝t₄+t₂； (7)

t₇＝t₆+t₁； (8)

由上述(1)-(7)计算出t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆和t₇，并将计算结果传输给变频器，变频器根据7个阶段的时间节点控制第一电机的转动。

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