CN110498341B - 起重设备安全性控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种起重设备安全性控制方法及其系统，属于工程机械设备技术领域。所述方法包括：获取具有起重设备的空间特征和/或受力特征的当前测量参数，再通过所述当前测量参数和所述起重设备的已知结构参数，计算获得具有所述起重设备的力矩特征和回转特征的当前控制参数，其中，所述当前测量参数和所述当前控制参数存在映射关系；根据所述当前测量参数和所述当前控制参数确定当前工况，并分别限定所述当前测量参数和所述当前控制参数在所述当前工况下的安全裕度，再根据所述当前工况和所述安全裕度，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数，确定并进行所述起重设备的执行动作控制。本发明能提供起重设备的吊装安全保障。

Description

起重设备安全性控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及工程机械设备技术领域，具体地涉及一种用于起重设备安全性控制的方法、一种用于起重设备安全性控制的系统、一种用于起重设备安全性控制的装置、一种工程机械和一种计算机可读存储介质。

背景技术

起重机在吊装工作时，起重机的吊臂需要承受位于前端的重物重力，且起吊的重物位置都位于起重机的四条支腿支撑点所围成的空间范围之外。所以起吊重物的重量和幅度对起重机安全性有很大的影响，首先，在由强度决定的起重机工况中，重量或幅度增大有可能超过起重机吊臂的承受能力，导致起重机吊臂折断；其次，再由稳定性决定的工况中，重量或幅度增大导致倾翻力矩超过起重机的稳定力矩，则起重机就会倾翻。

由于起吊重量和起吊幅度过大可能产生严重后果，在起重机起吊作业中，操作者必须确保起重机的起吊重量不会超过一定的数值，该数值称为起重机的额定工作载荷，在不同的幅度、不同配重、不同支腿伸缩方式情况下对应着不同的额定起重量，从而就形成了起重机的起重量力矩表(图1)，在实际吊装过程中，起重机通过力矩限制器采集到的主臂角度、臂长、钢丝绳拉力、倍率等数值计算出当前工况下的载荷和幅值来与额定起重量力矩表进行比对，然后一般到达95％的额定载荷状态下进行危险动作锁死。

从上述现有技术中，其采用的吊重测试方法为一种间接方法，该方法采用理论计算公式，利用直接测量的起重机工作状态值来计算起重机的吊重、工作幅度，在实际应用中，需要对力矩限制器进行标定来保证力矩限制器的可靠性，由于起重机的工况数量多，力矩限制器无法对所有工况都进行标定，一般都是选用个别典型工况进行标定，然后对其它点进行拟合标定，从而使最后获得的吊重和幅度不够准确(图2)。

此外，即使标定了众多的工况，对于某些具体起吊事件，也无法提供安全性保障；例如，各类起吊事件中，存在支腿处支力点塌陷或吊装过程中存在陡增的吊物重量(从水下起吊重物时，出水过程存在陡增吊物重量)，很可能会造成吊臂被永久性破坏或起重设备倾翻。

由于起重机的工况种类很多(配重形式，支腿伸出形式)，采用现有技术，操作者操作时需要向起重机输入工况参数，这种操作方式虽然简单，但是需要人为干预，影响了起重机操作的智能化水平，且可能出现误输入从而造成事故。

由于臂架变形是非线性，且车架、支腿的变形及等因素，力矩限制器相对于在大幅度下由整机稳定性条件所决定工况的控制能力并不理想，在起重力矩未达到100％时，汽车也会存在整车失稳的可能性，现有技术有通过传感器获取支腿上支撑油缸的压力来测算支腿的作用力，根据该力传感器的检测值与预定阈值比较，判断工程机械是否可能倾翻，由于起重机的失稳是一个瞬态的过程，所以在实际上需要预留一定足够的安全裕度来保证整车的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种起重设备安全性控制方法及其系统，其旨在解决现有技术标定的工况无法适配现实吊装工况，例如缺失或错误安全裕度，而容易导致工程事故等技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种用于起重设备安全性控制的方法，该方法包括：

S1)获取具有起重设备的空间特征和/或受力特征的当前测量参数，再通过所述当前测量参数和所述起重设备的已知结构参数，计算获得具有所述起重设备的力矩特征和回转特征的当前控制参数，其中，所述当前测量参数和所述当前控制参数存在映射关系；

S2)根据所述当前测量参数和所述当前控制参数确定当前工况，并分别限定所述当前测量参数和所述当前控制参数在所述当前工况下的安全裕度，再根据所述当前工况和所述安全裕度，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数，确定并进行所述起重设备的执行动作控制。

具体的，步骤S1)中获取具有起重设备的空间特征的当前测量参数，包括以下至少一项操作：

确定参考位置和所述参考位置的空间坐标，对起重设备的吊臂臂端和转台中心进行定位测量，获取所述吊臂臂端和转台中心的空间坐标；

测量起重设备的吊臂臂长。

具体的，步骤S1)中获取具有起重设备的受力特征的当前测量参数，包括以下至少一项操作：

测量起重设备的吊物重量；

检测起重设备的配重重量；

检测起重设备的支腿支反力。

具体的，步骤S1)中计算获得具有所述起重设备的力矩特征的当前控制参数，包括：计算获得所述起重设备当前的幅度、当前的重心位置和当前的额定起重量，其中，

在计算过程中，先通过计算获得所述起重设备的吊臂当前的挠度，再通过所述当前的挠度修正幅度的计算过程，获得当前的幅度；

步骤S1)中计算获得具有所述起重设备的回转特征的当前控制参数，包括：计算获得所述起重设备当前的回转角度。

具体的，步骤S2)中根据所述当前测量参数和所述当前控制参数确定当前工况，包括：

根据所述当前测量参数和所述当前控制参数，更新或确定所述起重设备的起重量力矩表，再查询更新或确定后的起重量力矩表确定当前工况，其中，根据具体情况，例如吊装时或吊装过程中；吊装时，更新过程，可以根据所述当前测量参数和所述当前控制参数，查看是否各个参数已经超过起重量力矩表内对应的额定参数，若已经超过，则应该考虑增加起重设备的配重或者甚至更换起重设备，以满足具体吊物和吊物所在场景的要求；吊装时，更新过程，起重量力矩表还可以设计为具有用于描述当前测量参数的数表(列或维度)和用于描述当前控制参数的数表(列或维度)，一方面可以方便数据按对应关系进行存储，另一方面也可以方便直接根据对应关系调用实现当前起重设备的各个参数的显示；在吊装过程中，一般情况下，起重量力矩表中额定参数可以保持不变，但若设有当前控制参数的数表和/或当前测量参数的数表，也可以视为存在起重力矩表的更新过程；

所述更新或确定后的起重量力矩表具有属于强度类工况的参数集合或属于稳定性类工况的参数集合，

所述强度类工况用于度量所述参数集合接近所述起重设备的吊臂受力极限参数集合程度且用于确定与所述当前测量参数或所述当前控制参数对应的第一额定参数集合，

所述稳定性类工况用于度量所述参数集合接近所述起重设备的失稳临界参数集合程度且用于确定与所述当前测量参数或所述当前控制参数对应的第二额定参数集合，所述强度类工况或所述稳定性类工况通过对所述参数集合内参数进行分类计算后获得。

具体的，步骤S2)中根据所述当前工况和所述安全裕度，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数，确定并进行所述起重设备的执行动作控制，包括：

根据所述当前工况，将所述第一额定参数集合或所述第二额定参数集合内额定参数作为当前额定参数，选择地将所述当前测量参数或所述当前控制参数与所述当前额定参数进行比较，并通过比较结果确定当前安全余量；

根据所述安全裕度和所述当前安全余量相对所述当前额定参数的比例的差，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数的映射关系、或者确定不同的当前控制参数的映射关系并结合所述不同的当前控制参数的映射关系，确定所述起重设备的执行动作控制的程度，并进行执行动作控制。

具体的，步骤S2)中在根据所述安全裕度和所述当前安全余量相对所述当前额定参数的比例的差之后且在确定所述起重设备的执行动作控制的程度之前，还包括：

根据所述当前工况和/或所述差(可以根据具体情况，例如吊装时或吊装过程中，灵活地设定为吊装时根据所述当前工况、吊装过程中根据所述当前工况和所述差或者吊装过程中根据所述差)，确定所述起重设备的执行动作控制的类型；

根据所述起重设备的执行动作控制的类型，选择所述当前测量参数和所述当前控制参数的映射关系为用于所述起重设备的执行动作控制的映射关系，或者，

确定不同的当前控制参数的映射关系，选择所述不同的当前控制参数的映射关系为用于所述起重设备的执行动作控制的映射关系。

具体的，步骤S2)中根据所述当前测量参数和所述当前控制参数确定当前工况，还包括：

根据所述当前工况，可以结合第一额定参数集合或第二额定参数集合，确定在所述当前控制参数固定时与所述当前测量参数对应的当前额定参数或确定在所述当前测量参数固定时与所述当前控制参数对应的当前额定参数，再将所述当前额定参数增加至所述当前工况。

具体的，步骤S2)中根据所述当前工况和所述安全裕度，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数，确定并进行所述起重设备的执行动作控制，包括：

根据所述当前工况，选择地将所述当前测量参数或所述当前控制参数与所述当前额定参数进行比较，并通过比较结果确定当前安全余量；

根据所述安全裕度和所述当前安全余量相对所述当前额定参数的比例的差，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数的映射关系，确定所述起重设备的执行动作控制的类型和程度，并进行执行动作控制；

在执行动作控制完成后，跳转至步骤S1)。

具体的，步骤S2)中的执行动作控制包括：所述起重设备的执行动作保持、执行动作减速或执行动作中止。

本发明实施例提供一种用于起重设备安全性控制的系统，该系统包括：

控制器，用于接收由传感器组采集的起重设备的空间特征和/或受力特征的测量信号，其中，

所述测量信号具有当前测量参数信息，

所述当前测量参数信息包括：所述起重设备的空间坐标信息、吊臂臂长信息、吊物重量信息、配重重量信息和支腿支反力信息；

所述控制器被配置为具有预设运算规则和所述起重设备的已知结构参数信息，所述控制器用于按所述预设运算规则利用所述已知结构参数信息和所述当前测量参数信息计算获得具有所述起重设备的力矩特征和回转特征的当前控制参数信息，其中，

所述当前控制参数信息包括：所述起重设备的当前的幅度信息、当前的回转角度信息、当前的重心位置信息、当前的额度起重量信息和当前的安全裕度信息；

所述控制器还被配置为具有预设安全规则，所述控制器还用于根据所述预设安全规则利用所述当前测量参数信息和所述当前控制参数信息生成当前控制信号，其中，

所述当前控制信号被配置为用于进行所述起重设备的执行动作控制。

另一方面，本发明实施例提供一种用于起重设备安全性控制的装置，该系统包括：

至少一个控制器；

存储器，与所述至少一个控制器连接；

其中，所述存储器存储有能被所述至少一个控制器执行的指令，所述至少一个控制器通过执行所述存储器存储的指令实现前述的方法。

再一方面，本发明实施例提供一种工程机械，该工程机械被配置为具有前述的装置。

又一方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行前述的方法。

对应上述内容，本发明能用于起吊时进行且用于吊装过程中，充分结合(反映起重设备的空间特征和/或受力特征的)当前测量参数和(反映所述起重设备的力矩特征和回转特征的)当前控制参数判断当前工况，能够对应于参数决定的当前工况限定当前的安全裕度，例如强度或稳定性安全裕度，现有技术一般提供固定的安全裕度，然而对于工况中存在参数陡增时，该安全裕度又没有对应于工况随之进行重新限定，那么起重设备将很可能会发生吊臂折断或整体倾翻，具体例如现有控制系统设置起重设备的安全裕度为5％，对应水下至水上的吊装过程，水下时虽然该起重设备能够胜任吊装作业，但在被吊物从开始出水至完全离开水面过程中，存在陡增的起吊重量，陡增后的起吊重量可以瞬间耗尽所有安全裕度(因为安全裕度太小，起吊作用力陡增后，一定的起吊速度会引起惯性作用力冲击，但又不可能一开始将安全裕度设定很大，很大的安全裕度会限制起吊能力的发挥)且甚至可能让起重设备过载荷，从而造成吊臂折断或整车倾翻，因此现有控制系统所设置安全裕度将无法满足保障该起重设备的安全，而本发明由于在吊装过程中一直检测当前参数，更新安全裕度，例如不断地、逐步地限定为10％、11％或更大，一方面保证充分利用起吊能力，另一方面，完全能够应对陡增的、瞬态增加的起吊重量(接近安全裕度边界时也会通过停止起吊等执行动作控制保证起重设备的安全)；

本发明提供了起重设备的空间特征和受力特征测量的优选方式，考虑在实际应用角度上，利用可行的、较少的、便于高精度采集的测量参数获取控制参数；

本发明提供了起重设备的力矩特征和回转特征计算参数，考虑在实际应用角度上，利用必要的测量参数获取此处的控制参数，能突出体现当前起重设备的间接参数，同时，本发明充分考虑了吊装时吊臂可能存在的挠度，利用挠度修正了幅度的计算过程(因为挠度会导致真实的幅度与仅使用吊装时空间坐标计算的幅度存在差异)，并提高了安全控制策略的具体实施的工况切实性和准确性；

本发明通过确定突出的当前工况，例如强度类或稳定性类，能够为起重设备找到合适的额定参数和安全裕度提供基础；

本发明通过当前各类参数、当前安全余量和映射关系，确定如何调整和控制起重设备的执行动作，执行动作可以是定幅起吊、定载变幅或带载回转等动作。

本发明实施例的其它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实施例的进一步理解，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实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1为传统起重量力矩表的示意图；

图2为传统控制系统的主要架构示意图；

图3为本发明实施例的控制系统的主要架构示意图；

图4为本发明实施例的起重设备的GPS测量单元安装位置示意图；

图5为本发明实施例的幅度与变幅油缸长度关系中各个参数对应于起重设备上具体位置示意图；

图6为本发明实施例的重心位置计算时各个参数对应于起重设备上具体位置示意图；

图7为本发明实施例的稳定性计算时各个参数对应于起重设备上具体位置示意图；

图8为本发明实施例的稳定性计算时车架参数对应于起重设备上具体位置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例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实施例，并不用于限制本发明实施例。

实施例1

本发明实施例提供用于起重设备安全性控制的方法，该方法包括：

S1)获取具有起重设备的空间特征和/或受力特征的当前测量参数，再通过所述当前测量参数和所述起重设备的已知结构参数，计算获得具有所述起重设备的力矩特征和回转特征的当前控制参数，其中，所述当前测量参数和所述当前控制参数存在映射关系；

S2)根据所述当前测量参数和所述当前控制参数确定当前工况，并分别限定所述当前测量参数和所述当前控制参数在所述当前工况下的安全裕度，再根据所述当前工况和所述安全裕度，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数，确定并进行所述起重设备的执行动作控制。

具体的，如图3，在起重机吊装时通过称重吊钩获取起吊重量；通过安装于臂端、转台中心和车头的GPS测量单元获取三个位置点进行位置测量并获取空间坐标位置；利用长度传感器或伸缩机构编码器获取吊臂臂长；利用含有检测单元的配重提升油缸获取配重重量；利用含有检测单元的支腿支撑油缸获取各个支腿的支反力；然后利用运算控制器将传感器直接测量的参数与已知的结构参数进行运算，计算出起重机此刻的幅度、回转角度、重心位置、对应的额定起重量、强度或稳定性安全裕度等参数，通过计算出的参数进行吊装过程的执行动作控制，其执行动作控制包括对应于当前的执行动作的起吊控制、变幅控制和回转控制，起吊控制通过控制称重吊钩的起吊重量与对应额定起重量之间的差值进行控制，变幅控制通过计算出吊装时变幅油缸伸缩长度与幅度之间的函数关系进行控制，并显示变幅油缸可伸缩安全余量的大小；回转控制通过计算出吊装时整车重心位置或支腿支反力与回转角度之间的函数关系进行控制，并计算出在当前状态下可进行回转的区域及当前回转角度到极限回转角度的安全余量。

在吊装时，如图4，通过位于臂端、转台中心和车头中心的GPS测量单元获取这三点的空间位置(表1)，然后通过运算控制器得到当前状态下的吊载幅度H，转台的回转角度a1。

表1幅度和回转角度计算时的各个参数介绍及示意

可以存在如下的计算规则或映射关系：

在吊装过程中，如图5，通过计算出来的幅度H、测量得到的臂架伸缩长度l1及已知的回转中心到尾部铰点投影距离h′等结构参数(表2)，推导出变幅油缸伸缩长度与幅度之间的函数关系。

表2幅度与变幅油缸长度关系计算中的各个参数介绍及示意

可以存在如下计算规则或映射关系：

ΔH＝l1*sin(a2)-(z1-z2-zh3)

H＝l1*cos(a2)-h'+ΔH

在吊装过程中，如图6，通过位于支腿支撑油缸上的测力传感器可以测算出此时每一个支腿上的支反力(表3)，利用现有的计算公式(见表3后)，能获取起重机在吊装过程中，整车的重心所在的位置。

表3吊装过程中整车的重心位置计算中的各个参数介绍及示意

序号	参数名称	参数代码	备注(参数来源)
				1	右前支腿支反力	f1	支腿支撑油缸上的传感器测量
2	右后支腿支反力	f2	支腿支撑油缸上的传感器测量
				3	左前支腿支反力	f3	支腿支撑油缸上的传感器测量
4	左后支腿支反力	f4	支腿支撑油缸上的传感器测量
				5	两侧支腿到回转垂直中心线距离	S1	结构参数(吊装前系统判定)
6	后侧支腿到回转水平中心线距离	S2	结构参数(吊装前系统判定)
				7	前侧支腿到回转水平中心线距离	S3	结构参数(吊装前系统判定)
8	重心位置的x轴上坐标值	x0	利用现有公式计算获取
				9	重心位置的y轴上坐标值	y0	利用现有公式计算获取

可以存在以下计算规则或映射关系：

在吊装过程中，如图7和图8，通过前面计算得到的回转角度a1、吊臂相对水平面的夹角a2、称重吊钩测量得到的重物重量G1、配重提升油缸测量得到配重重量G3及已知的车架重量G4、吊臂重量G2等结构参数(表4)，能获取实时重心坐标与各个参数之间的关系。

表4稳定性状态计算的各个参数介绍及示意

可以存在以下计算规则或映射关系：

G＝G1+G2+G3+G4+G5

(前面计算得到)

在实际吊装工况中，分为由强度决定或由稳定性决定两部分，对于由强度决定，主要考核臂架强度；对于由稳定性决定，主要考核整车稳定性，其区别方法是在配重重量、车架重量、支腿伸缩方式、转台重量、吊载位置、吊臂重量和伸缩方式一定的情况下，在某一幅度下进行重物吊载时，随着起吊重物重量增加，若起重机整机倾翻破坏先于强度破坏，则该点的工况是由稳定性决定，若起重机强度破坏先于整机倾翻破坏，则该点的工况是由强度决定，可以通过理论计算(例如加权函数计算等)和有限元分析的方法的工况进行区分，也可以用支持向量机方法或分类器等进行区分，将所有工况汇集到一起就形成了起重量力矩表，表中既包含由强度决定的工况(强度类工况)，也包含由稳定性决定的工况(稳定性类工况)。

在起重量力矩表上由强度决定的工况，主要分两种类型来研究，第一个为定幅起吊，第二个为定载变幅：

1.对于定幅起吊，其要求是控制起吊重物的重量不超过该幅度下的额定载荷，具体控制策略如下：

a.检测支腿伸缩方式(见后文整车稳定性控制策略叙述)、获取配重重量确定该状态下所使用的起重量力矩表；

b.利用运算控制器(运算控制器，可以包括：控制器和运算器，以及与控制器连接的存储介质)将GPS获取的空间位置进行计算，得到此时的幅度H；

c.将计算出来的幅度H和称重吊钩获取的重物重量G1与已确定的起重量力矩表进行对比，判断在幅度H下的额定起重量与此时重物重量G1的大小关系，若称重吊钩获得的重物G1远小于额定起重量的90％，起重机继续起吊；若重物重量G1接近额定起重量90％，放慢起升速度进行起吊；若重物重量G1超过额定起重量的95％且接近额定起重量，可通过变幅油缸伸缩使幅度H变小，使重物重量G1一直在变换后幅度H下额定起重量之内；若变换幅度H也不能控制重物重量G1在额定起重量之内，则下放吊钩停止吊装工作，解决了传统的力矩限制器计算出来的吊载载荷及幅度与实际吊载载荷及幅度误差较大，在保证安全性前提下，促使实际吊载载荷和幅度与额定吊载载荷和幅度相差较大，从而导致起重机的吊载能力利用不够的弊端。

2.对于定载变幅，其要求是起吊重物的实际幅度不超过起吊重物重量所对应的额定幅度，具体控制策略如下：

a.检测支腿伸缩方式(见后文整车稳定性控制策略叙述)、获取配重重量确定该状态下所使用的起重量力矩表；

b.根据称重吊钩得到的吊载重物重量G1，依据所确定使用的起重量力矩表，获得该吊载重量下对应的额定幅度；

c.根据推导出来的变幅油缸的伸缩长度与幅度之间的函数关系式，计算出吊臂变幅到额定幅度时伸缩油缸还需要伸缩的长度；

e.根据实际幅度变幅到额定幅度变幅油缸还可伸缩变化的范围，实现对幅度的精确控制，比如，当变幅油缸还需缩回较大长度(例如50cm)，实际幅度才能到达额定幅度时，此时变幅油缸的伸缩速度可以以快速伸缩，当变幅油缸仅需缩回较小长度(例如10cm)就能到达额定幅度时，此时变幅油缸的运行速度变为慢速，直至达到额定幅度后将变幅油缸向下变幅的动作锁死，从而实现在到达额定幅度时不会产生过大的惯性冲击。解决了传统方法在部分幅度区间，变幅油缸伸缩变化很小，也会引起幅度值变化达到1～2米，造成难以实现精确控制，而不得不通过降低安全阀值来保证安全性。

在起重量力矩表上由稳定性决定的工况，主要从三种类型来进行研究，第一为定幅起吊，第二为定载变幅，第三为带载回转(此时不进行变幅操作)。

1.对于定幅起吊，其要求时控制起吊重物的重量不超过该幅度要求下额定载荷要求，具体控制策略分为两种实现形式：

第一种实现形式与由强度决定的定幅度的起吊过程中，起吊重物的重量不超过该幅度要求下额定载荷要求的控制原理一致；

第二种实现形式是通过支腿的支反力进行控制，具体控制策略是：

a.检测支腿伸缩方式(见后文整车稳定性控制策略叙述)、获取配重重量确定该状态下所使用的起重量力矩表；

b.根据检测获取的臂架伸缩长度获取吊臂重心距吊臂尾部端点距离；

c.利用运算控制器将GPS获取的空间位置进行计算，得到此时的幅度H、变幅角度a2、回转角度a1，并判断此起吊工况是否由稳定性决定，若不是按第一种实现形式进行控制，若是执行后续指令控制；

d.根据变幅角度、吊臂重心距吊臂尾部端点距离计算吊臂重心距回转中心的水平位置；

e.根据支腿支反力f1、f2、f3、f4与重物重量G1之间的函数关系式进行吊载控制，以每条支腿的支反力大于等于0为依据，可以计算出该幅度H下的最大吊载重量，若称重吊钩获得的重物重量G1远小于最大吊载重量的90％，起重机继续起吊；若重物重量G1接近最大吊载重量的90％，放慢起升速度进行起吊；若重物重量G1超过最大吊载重量的95％且接近最大吊载重量，可通过变幅油缸伸缩使幅度H变小，使重物重量G1一直在变换后幅度H后的最大吊载重量之内；否则下放吊钩停止吊装工作，解决了传统的力矩限制器计算出来的吊载载荷及幅度与实际吊载载荷及幅度误差较大，在保证安全性前提下，促使实际吊载载荷和幅度与额定吊载载荷和幅度相差较大，从而导致起重机的吊载能力利用不够的弊端。

2.对于定载变幅，其要求是起吊重物的实际幅度不超过起吊重物重量G1所对应的额定幅度，其控制策略分为两种实现形式：

第一种实现形式与由强度决定的在变幅过程中，起吊重物的实际幅度不超过起吊重物重量所对应的额定幅度的控制原理一致；

第二种实现形式是通过支腿的支反力进行控制，具体控制策略是：

a.检测支腿伸缩方式(见后文整车稳定性控制策略叙述)、获取配重重量确定该状态下所使用的起重量力矩表；

b.根据检测获取的臂架伸缩长度获取吊臂重心距吊臂尾部端点距离；

c.利用运算控制器将GPS获取的空间位置进行计算，得到此时的幅度H、变幅角度a2、回转角度a1，并判断此起吊工况是否由稳定性决定，若不是按第一种实现形式进行控制，若是执行后续指令控制；

e.根据称重吊钩得到的吊载重物重量G1，利用支腿支反力f1、f2、f3、f4与重物重量G1之间的函数关系式，迭代计算出吊载重物重量G1下满足稳定性工况下的最大幅度H’，当实际幅度与迭代计算出来的最大幅度H’相差较大时(>5m)可快速向下变幅，实际幅度与迭代计算出来的最大幅度H’相差较小时(<5m,>1m)调整为缓慢向下变幅，当实际幅度接近迭代出来的最大幅度H’时(<1m)龟速(示例地，可以取为执行动作全速的1％，也可以根据具体情况取为其他值)向下变幅，直至达到最大幅度H’停止变幅，解决了传统的力矩限制器计算出来的吊载载荷及幅度与实际吊载载荷及幅度误差较大，在保证安全性前提下，促使实际吊载载荷和幅度与额定吊载载荷和幅度相差较大，从而导致起重机的吊载能力利用不够的弊端。

3.对于带载回转的稳定性控制分为两种实现形式：

第一种实现形式是根据支腿支撑油缸测量得到的支反力进行整车稳定性控制，其控制策略如下：

a.检测支腿伸缩方式(见第二种整车稳定性控制策略叙述)、获取配重重量确定该状态下所使用的起重量力矩表；

b.根据检测获取的臂架伸缩长度获取吊臂重心距吊臂尾部端点距离；

c.利用运算控制器将GPS获取的空间位置进行计算，得到此时的幅度H、变幅角度a2、回转角度a1，并判断此吊载工况是否由稳定性决定，若不是可自由回转，若是执行后续指令控制；

d.根据变幅角度、吊臂重心距吊臂尾部端点距离计算吊臂重心距回转中心的水平位置；

e.根据支腿支反力f1、f2、f3、f4与回转角度a1之间的函数关系式进行回转控制，以每条支腿的支反力大于等于0为依据，可以计算出该吊载重量G1和吊载幅度H下，允许回转的角度区间，若回转角度区间为360°则随意回转，若回转区间小于360°，则计算出当前回转角度在回转区间的位置，若当前回转角度距回转区间极限位置的角度(即安全余量角)较大时(>10°)可快速回转；若当前回转角度距回转区间极限的角度较小时(<10°,>5°)慢速回转；若当前回转角度距回转区间极限的角度小于限定值时(<5°)进入龟速回转，在接近处停止回转。在实际过程中为保证安全性，实际回转的极限位置应与理论计算的极限位置有一定安全余量(3°左右)，以避免回转冲击惯性造成突然的整车倾翻，解决了起重机在回转过程中，无法确定准确的可回转区域而导致突然失稳情况的出现。

第二种实现形式是根据计算确定的回转角度与整车重心位置之间的函数关系进行整车稳定性控制，其控制策略如下：

a.在工作臂长空载条件下，测量支腿的支反力，并确定支腿的伸缩方式，确定方法，由于支腿在不同伸缩方式(半伸、全伸)下s1、s2、s3参数不同，在不同的参数条件下可以求出不同的f1、f2、f3、f4，与实际测量结果对比，就可以确定支腿的伸缩方式了，根据检测获取的臂架伸缩长度获取吊臂重心距吊臂尾部端点距离；

b.检测配重重量，根据第一步确定的支腿伸缩方式，确定所使用的起重量力矩表；

c.根据GPS测量单元获取的数据，通过运算控制器进行计算，得到此时的幅度、变幅角度、吊臂重心位置、回转角度，并判断此吊载工况是否由稳定性决定，若不是可自由回转，若是执行后续指令控制；

d.根据回转角度与整车重心坐标的函数关系进行控制，以回转角度为因变量进行迭代计算，计算在不同的回转角度下，整车的重心位置是否在限定的区域内(整车的重心限定区域可以通过已有的公式计算出来，是由整车的结构参数确定的)，若在全方位回转时整车的重心位置始终落在限定区域内，则随意回转；否则，若存在整车重心位置落在限定区域外，则将重心坐标落在限定区域外对应的回转角度进行限定，若实时回转角度距回转角度限定区域极限位置的角度(即安全余量角)较大时(>10°)可快速回转；若实时回转角度距回转角度限定区域极限位置的角度较小时(<10°,>5°)慢速回转；当实时回转角度距回转角度限定区域极限位置的角度小于界限值时(<5°)进入龟速回转，在接近限定区域处停止回转，在实际过程中为保证安全性实际限制回转区域比理论计算限制回转区域范围左右界限预留一定安全角度(3°左右)，以避免回转冲击惯性造成突然的整车倾翻，解决了起重机在回转过程中，无法确定准确的可回转区域而导致突然失稳情况的出现。

对于回转过程中的稳定性控制，在实际操作过程中，可以采用上述两种策略进行双限制策略控制，取在实际过程中回转角度安全余量更趋于安全的策略(距回转角度限定区域安全余量角小的策略)进行控制。

现有技术是采用力矩限制器来计算通过传感器获取的角度值、变幅油缸压力、臂长等参数得到此时的吊载重量和幅度，该方法属于间接测试的方法，误差除了传感器测量误差之外还有计算误差，尤其臂架的吊载变形为非线性，其计算误差随着挠度增加成非线性增大。本发明采用GPS测量单元测量臂架端部和回转中心的坐标值，通过坐标位置加减得到实际幅度，目前GPS采用RTK的方法精度可以达到2cm以下，采用本发明提供的方法，测量的吊载幅度绝对误差可以控制在5cm以内。本发明直接利用称重吊钩获取所吊重物的重量，在吊载过程中的误差精度由称重传感器本身的精度决定，按现有工艺水平可达到0.5％。

现有技术中，由于采用的测试方法为间接方法，需要对各个工况点进行标定来保证力矩限制器的可靠性，由于起重机的工况数量多，在实际使用中需要花费大量的时间来进行标定，即使采用选点插值的方法进行标定，在保证大部分工况点处于比较高精度的状态下，其标定时间至少需要花费1周以上。本发明采用直接测量的方法，不需要对工况点进行标定，只需要对测量仪器本身状态进行测试标定，花费时间不超过1天。

采用现有技术需要对力矩限制器进行标定，为了减少标定时间，普遍采用点工况标定的方法，然后通过数值拟合来覆盖其它工况点的方法，这样力矩限制上的幅度和载荷易产生拟合误差，其实际拟合计算误差可达到10％；本发明采用直接测量的方法获取幅度和载荷，避免了拟合误差的产生，提高了幅度和吊载重量的精度。

现有技术中配重的重量需要手动输入到控制系统中，若操作者在输入时发生手误，极易酿成事故，且每次配重变化后都需要重新输入，其操作相对繁琐；本发明通过使用含有检测单元的配重提升油缸精确获取配重重量，避免手动输入产生错误，并提高了产品操作的便利性。

现有技术对支腿的伸缩形式(半伸、全伸)的确定方式是人为的判断，并输入到控制系统中；本发明通过获取的配重重量，GPS测量得到的幅度和转角，称重吊钩测量得到的载荷，以半伸或全伸的模式自动计算出每个支腿的支反力，并与测量的支腿支反力进行比对，判定支腿的伸缩形式是半伸还是全伸。

现有技术在进行变幅控制时，是通过采集实时幅度值与当前载荷下的额定幅度值进行比较，由于变幅油缸的长度变化与幅度的变化在不同的变幅角度阶段的线性关系不一致，现有技术为了避免由于运动上的惯性，而导致工作幅度超过额定幅度酿成事故，在选择切断动作的安全阀值上往往趋于保守。本发明通过获得的GPS数据和角度数据进行理论推导，明确了变幅油缸的长度变化与工作幅度变化之间的函数关系，从而可以通过控制变幅油缸的伸缩长度来精确控制工作幅度变化，对于变幅油缸伸缩长度所剩下伸缩安全量的大小，采用不同策略控制变幅油缸伸缩的速度，避免了在额定幅度附近惯性动作的产生，从而使安全阀值的选择可以进一步提高。

起重机的整车稳定性分为侧方稳定性和后方稳定性，在由稳定性决定的工况中二者在相同吊装载荷下所对应的额定幅度不一致，现有技术在吊装重物实现大范围回转动作时，无法实时判定整车稳定性状态，可能会导致在回转过程中出现整车突然失稳事故的产生。本发明通过采用获得的回转角度与吊装过程中重心所在位置的函数关系或采用获得的回转角度与吊装过程中支腿支反力的函数关系计算出当前吊载幅度和吊载载荷下的可回转角度区间，结合计算出来的实时回转角度来确定可回转角度的安全余量(极限回转角度与实时回转角度之间的角度差值)，从而避免了起重机在吊装过程中进行回转动作时，出现整车突然失稳事故的产生。

整车的稳定性与支腿的伸缩方式和配重重量有关，现有技术在吊装过程中，需先向控制系统输入配重重量、支腿伸缩形式，然后系统会自动选择所对应的起重量力矩表对吊装过程进行控制，若操作者输入有误，会导致采用的起重量力矩表不匹配，从而可能导致事故发生。本发明通过含有检测单元的配重提升油缸、含有检测单元的支腿支撑油缸及其它智能测试元件通过计算，自动确定支腿的伸缩方式和获取配重重量，避免了由于配重重量、支腿伸缩方式输入失误而造成整车失稳状况的发生。

本实施例具有如下效果：

采用GPS测量单元获取臂架头部与转台中心的位置坐标(利用RTK差分形式)，然后通过坐标值计算得到吊装过程中的工作幅度，解决了现有技术采用对间接测量数据进行复杂运算，而获得的幅度值与实际幅度值存在较大误差的情况出现，提高了幅度值获取的精度；

采用称重吊钩获取吊装过程中的吊装载荷，解决了现有技术采用对间接测量数据进行复杂运算，而获得的吊载重量与实际吊载重量存在较大误差的情况出现，提高了吊载重量获取的精度；

采用GPS测量单元和称重吊钩直接获取工作幅度和吊载重量，简化了现有技术需要依据起重量力矩表进行采点标定，来修正力矩限制器中幅度值和吊载重量与间接测量参数之间误差的操作过程；

采用推导出的变幅油缸伸缩长度与工作幅度变化之间的函数关系进行变幅控制，实现了对额定幅度附近处的吊装过程中精确控制，避免了现有技术在额定幅度附近处不得不通过提高安全阀值的来减小冲击惯性，而导致起重机运行效率低和起重能力利用不充分的问题；

采用含有检测单元的配重提升油缸获取配重重量，避免了人为失误输入控制系统配重重量错误，而导致事故产生事件的发生；

采用还有检测单元的支腿支撑油缸获取支反力，自动判断支腿的伸缩状态，避免了人为失误输入错误，而导致事故产生事件的发生；

采用推导出的回转角度与吊装时的整车重心函数关机进行回转过程中的稳定性精确控制，提出了回转安全余量角的概念，避免了起重机在吊装过程中进行回转动作时，出现整车突然失稳事故产生；

采用支腿支反力与回转角度之间函数关系，对回转过程中的稳定性进行精确控制，避免了起重机在吊装过程中进行回转动作时，出现整车突然失稳事故产生。

实施例2

一种用于起重设备安全性控制的系统，该系统包括：

控制器，用于接收由传感器组采集的起重设备的空间特征和/或受力特征的测量信号，其中，

所述测量信号具有当前测量参数信息，

所述当前测量参数信息包括：所述起重设备的空间坐标信息、吊臂臂长信息、吊物重量信息、配重重量信息和支腿支反力信息；

所述控制器被配置为具有预设运算规则和所述起重设备的已知结构参数信息，所述控制器用于按所述预设运算规则利用所述已知结构参数信息和所述当前测量参数信息计算获得具有所述起重设备的力矩特征和回转特征的当前控制参数信息，其中，

所述当前控制参数信息包括：所述起重设备的当前的幅度信息、当前的回转角度信息、当前的重心位置信息、当前的额度起重量信息和当前的安全裕度信息；

所述控制器还被配置为具有预设安全规则，所述控制器还用于根据所述预设安全规则利用所述当前测量参数信息和所述当前控制参数信息生成当前控制信号，其中，

所述当前控制信号被配置为用于进行所述起重设备的执行动作控制。

传感器组可以设置在起重设备各个位置；例如，传感器组包括：

称重传感器，安装于吊钩，用于获取起吊重量或吊物重量；

多个GPS测量单元，分别安装于起重设备吊臂臂端、转台中心和车头，用于获取三个位置点相对位置并获取空间坐标位置；

长度传感器或伸缩机构编码器，用于获取吊臂臂长；

第一检测单元，安装于配重提升油缸，用于获取配重重量；

第二检测单元，安装于支腿支撑油缸，用于获取各个支腿的支反力；

预设安全规则可以用于执行动作控制，执行动作控制包括起吊控制、变幅控制和回转控制；

起吊控制，起吊控制通过控制称重吊钩的起吊重量与对应额定起重量之间的差值进行控制，变幅控制通过计算出吊装时变幅油缸伸缩长度与幅度之间的函数关系进行控制，并显示(例如控制器连接有显示设备)变幅油缸可伸缩安全余量的大小(以便起重设备操作者查看)，回转控制通过计算出吊装时整车重心位置或支腿支反力与回转角度之间的函数关系进行控制，并计算出在当前状态下可进行回转的区域及当前回转角度到极限回转角度的安全余量。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例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实施例的保护范围。

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，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例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实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (13)

1.一种用于起重设备安全性控制的方法，其特征在于，该方法包括：

S1）获取具有起重设备的空间特征和/或受力特征的当前测量参数，再通过所述当前测量参数和所述起重设备的已知结构参数，计算获得具有所述起重设备的力矩特征和回转特征的当前控制参数，其中，所述当前测量参数和所述当前控制参数存在映射关系；

S2）根据所述当前测量参数和所述当前控制参数确定当前工况，并分别限定所述当前测量参数和所述当前控制参数在所述当前工况下的安全裕度，再根据所述当前工况和所述安全裕度，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数，确定并进行所述起重设备的执行动作控制；

其中，步骤S2）中根据所述当前测量参数和所述当前控制参数确定当前工况，包括：

根据所述当前测量参数和所述当前控制参数，更新或确定所述起重设备的起重量力矩表，再查询更新或确定后的起重量力矩表确定当前工况，其中，

所述更新或确定后的起重量力矩表具有属于强度类工况的参数集合或属于稳定性类工况的参数集合，

所述强度类工况用于度量所述参数集合接近所述起重设备的吊臂受力极限参数集合程度且用于确定与所述当前测量参数或所述当前控制参数对应的第一额定参数集合，

所述稳定性类工况用于度量所述参数集合接近所述起重设备的失稳临界参数集合程度且用于确定与所述当前测量参数或所述当前控制参数对应的第二额定参数集合。

2.根据权利要求1所述的用于起重设备安全性控制的方法，其特征在于，步骤S1）中获取具有起重设备的空间特征的当前测量参数，包括以下至少一项操作：

确定参考位置和所述参考位置的空间坐标，对起重设备的吊臂臂端和转台中心进行定位测量，获取所述吊臂臂端和转台中心的空间坐标；

测量起重设备的吊臂臂长。

3.根据权利要求1所述的用于起重设备安全性控制的方法，其特征在于，步骤S1）中获取具有起重设备的受力特征的当前测量参数，包括以下至少一项操作：

测量起重设备的吊物重量；

检测起重设备的配重重量；

检测起重设备的支腿支反力。

4.根据权利要求1所述的用于起重设备安全性控制的方法，其特征在于，

步骤S1）中计算获得具有所述起重设备的力矩特征的当前控制参数，包括：计算获得所述起重设备当前的幅度、当前的重心位置和当前的额定起重量，其中，

在计算过程中，先通过计算获得所述起重设备的吊臂当前的挠度，再通过所述当前的挠度修正幅度的计算过程，获得当前的幅度；

步骤S1）中计算获得具有所述起重设备的回转特征的当前控制参数，包括：计算获得所述起重设备当前的回转角度。

5.根据权利要求1所述的用于起重设备安全性控制的方法，其特征在于，步骤S2）中根据所述当前工况和所述安全裕度，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数，确定并进行所述起重设备的执行动作控制，包括：

根据所述当前工况，将所述第一额定参数集合或所述第二额定参数集合内额定参数作为当前额定参数，选择地将所述当前测量参数或所述当前控制参数与所述当前额定参数进行比较，并通过比较结果确定当前安全余量；

根据所述安全裕度和所述当前安全余量相对所述当前额定参数的比例的差，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数的映射关系、或者确定不同的当前控制参数的映射关系并结合不同的当前控制参数的映射关系，确定所述起重设备的执行动作控制的程度，并进行执行动作控制。

6.根据权利要求5所述的用于起重设备安全性控制的方法，其特征在于，步骤S2）中在根据所述安全裕度和所述当前安全余量相对所述当前额定参数的比例的差之后且在确定所述起重设备的执行动作控制的程度之前，还包括：

根据所述当前工况和/或所述差，确定所述起重设备的执行动作控制的类型；

根据所述起重设备的执行动作控制的类型，选择所述当前测量参数和所述当前控制参数的映射关系为用于所述起重设备的执行动作控制的映射关系，或者，

确定不同的当前控制参数的映射关系，选择不同的当前控制参数的映射关系为用于所述起重设备的执行动作控制的映射关系。

7.根据权利要求1所述的用于起重设备安全性控制的方法，其特征在于，步骤S2）中根据所述当前测量参数和所述当前控制参数确定当前工况，还包括：

根据所述当前工况，确定在所述当前控制参数固定时与所述当前测量参数对应的当前额定参数或确定在所述当前测量参数固定时与所述当前控制参数对应的当前额定参数，再将所述当前额定参数增加至所述当前工况。

8.根据权利要求7所述的用于起重设备安全性控制的方法，其特征在于，步骤S2）中根据所述当前工况和所述安全裕度，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数，确定并进行所述起重设备的执行动作控制，包括：

根据所述当前工况，选择地将所述当前测量参数或所述当前控制参数与所述当前额定参数进行比较，并通过比较结果确定当前安全余量；

根据所述安全裕度和所述当前安全余量相对所述当前额定参数的比例的差，结合所述当前测量参数和所述当前控制参数的映射关系，确定所述起重设备的执行动作控制的类型和程度，并进行执行动作控制；

在执行动作控制完成后，跳转至步骤S1）。

9.根据权利要求8所述的用于起重设备安全性控制的方法，其特征在于，步骤S2）中的执行动作控制包括：所述起重设备的执行动作保持、执行动作减速或执行动作中止。

10.一种用于起重设备安全性控制的系统，其特征在于，该系统包括：

控制器，用于接收由传感器组采集的起重设备的空间特征和/或受力特征的测量信号，其中，

所述测量信号具有当前测量参数信息；

所述控制器被配置为具有预设运算规则和所述起重设备的已知结构参数信息，所述控制器用于按所述预设运算规则利用所述已知结构参数信息和所述当前测量参数信息计算获得具有所述起重设备的力矩特征和回转特征的当前控制参数信息；

所述控制器还被配置为具有预设安全规则，所述控制器还用于根据所述预设安全规则利用所述当前测量参数信息和所述当前控制参数信息生成当前控制信号，其中，

所述控制器被配置为具有用于根据所述当前测量参数信息和所述当前控制参数信息确定当前工况，通过所述当前工况和在所述当前工况下限定的所述当前测量参数信息和所述当前控制参数信息的安全裕度，结合所述当前测量参数信息和所述当前控制参数信息，生成所述当前控制信号；

用于根据所述当前测量参数信息和所述当前控制参数信息确定当前工况，包括：

根据所述当前测量参数和所述当前控制参数，更新或确定所述起重设备的起重量力矩表，再查询更新或确定后的起重量力矩表确定当前工况，其中，

所述更新或确定后的起重量力矩表具有属于强度类工况的参数集合或属于稳定性类工况的参数集合，

所述强度类工况用于度量所述参数集合接近所述起重设备的吊臂受力极限参数集合程度且用于确定与所述当前测量参数或所述当前控制参数对应的第一额定参数集合，

所述稳定性类工况用于度量所述参数集合接近所述起重设备的失稳临界参数集合程度且用于确定与所述当前测量参数或所述当前控制参数对应的第二额定参数集合；

所述当前控制信号被配置为用于进行所述起重设备的执行动作控制。

11.一种用于起重设备安全性控制的装置，其特征在于，该装置包括：

至少一个控制器；

存储器，与所述至少一个控制器连接；

其中，所述存储器存储有能被所述至少一个控制器执行的指令，所述至少一个控制器通过执行所述存储器存储的指令实现权利要求1至9中任意一项权利要求所述的方法。

12.一种工程机械，其特征在于，该工程机械被配置为具有权利要求11所述的装置。

13.一种计算机可读存储介质，存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1至9中任意一项权利要求所述的方法。

Images