CN113775179A - 混凝土泵车3d打印控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土泵车3D打印控制方法及系统，所述方法包括：步骤1、建立空间坐标系，获取混凝土泵车支撑臂架的节点和末端的初始坐标；步骤2、在控制模块中输入臂架末端拟移动的位移；步骤3、所述控制模块将上述位移量分解为多个位移分量；步骤4、所述控制模块将所述位移分量依次发送至驱动模块，所述驱动模块实时驱动所述泵车支撑臂架的各节点完成对应的位移。所述系统包括主控模块、角度传感器、驱动模块、编码器、加速度传感器。本发明的有益效果在于：控制精度高、运动平稳、自动规划路径、自动避障。

Description

混凝土泵车3D打印控制方法及系统

技术领域

本发明涉及混凝土泵车控制技术领域，具体涉及一种混凝土泵车3D打印控制方法及系统。

背景技术

混凝土泵车是利用压力将混凝土沿管道连续输送的机械，由泵体和输送管组成，泵体装在汽车底盘上，泵车上装备可屈折的支撑臂架，该支撑臂架分为多节，相邻两节之间通过节点可折叠连接，输送管安装在支撑臂架上。

由于混凝土泵车支撑臂架长度值比较大，加上实际工作环境较为复杂，因此难以得到精确的控制。公开号为CN112900878A的中国专利文献公开了一种混凝土泵车臂架控制系统、方法及混凝土泵车，其中，臂架包括多节臂，相邻臂在同一竖直面内可转动地连接，臂架控制系统包括：多个变幅驱动部件，变幅驱动部件设在相邻两节臂之间；多个倾角检测部件，一一对应地安装于多节臂的始端，被配置为检测所在臂振动时始端在三个正交方向上的加速度和角速度：回转角度检测部件，被配置为检测臂架在水平而内的回转角度；和控制器，被配置为根据多个倾角检测部件和回转角度检测部件的检测值得出多节臂的姿态，以获得多节臂各自相对于目标位置的变形偏移量，并根据变形偏移量使对应的变幅驱动部件动作调节臂的位置，从而使臂架保持在日标位置。但是，采用上述控制方法获得臂架的空间姿态为了保持臂架在静态时的稳定性，在混凝土浇筑过程中臂架产生振动时可以及时得到修正，保证出料口位置准确，但是臂架除了静态浇筑过程外还有动态移动的过程，上述控制方法对臂架的动态运动过程尚无法实现精确控制。

发明内容

本发明提供一种混凝土泵车3D打印控制方法及系统，以解决现有的混凝土泵车无法对臂架的运动过程进行精准控制的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种混凝土泵车3D打印控制方法，包括：

步骤1、建立空间坐标系，获取混凝土泵车支撑臂架的节点和末端的初始坐标；

步骤2、在控制模块中输入臂架末端拟移动的位移信号；

步骤3、所述控制模块将上述位移量信号分解为多个位移分量；

步骤4、所述控制模块将所述位移分量依次发送至各臂架的驱动模块，所述驱动模块实时驱动所述泵车支撑臂架的各节点完成对应的位移。

进一步的，所述泵车支撑臂架移动时对其进行抖动抑制，包括以下步骤：

S1、在所述支撑臂架的节点上设置加速度检测模块；

S2、所述加速度检测模块测量所述节点的加速度矢量；

S3、所述控制模块获取所述加速度矢量，判断所述节点的抖动方向并生成抖动抑制信号；

S4、所述控制模块将所述抖动抑制信号发送至所述驱动模块以抑制所述节点的抖动。

进一步的，所述步骤2中，输入的位移量由出料口运动量或遥控器输入量或控制终端提供，所述控制终端能够输入所述混凝土泵车的支撑臂架的浇筑路径，在所述步骤3中，所述位移分量为毫米级。

进一步的，所述步骤4中，所述支撑臂架移动时，若检测到障碍物，则重新规划出新的路径进行浇筑，当其它位置浇筑完成后，重新检测障碍物是否离开，如果离开，则重新浇筑障碍物所在区域，如果未离开，则停止运行。

进一步的，所述步骤4中，当所述混凝土泵车在第一位移点浇筑混凝土达到预设厚度值时，返回步骤2控制所述支撑臂架向下个位置点移动。

本发明的第二方面，提供一种混凝土泵车3D打印控制系统，包括主控模块、角度传感器、驱动模块、编码器，所述主控模块的输入端和所述角度传感器电连接，所述主控模块的输出端和所述驱动模块电连接，所述驱动模块用于控制所述混凝土泵车的支撑臂架节点处的动力机构，所述动力机构上设有所述编码器，所述编码器和所述主控模块对应连接。

进一步的，所述混凝土泵车的支撑臂架的各节支臂末端设有加速度传感器，所述加速度传感器和所述主控模块的输入端对应连接。

进一步的，所述主控模块连接有姿态传感器，所述姿态传感器安装于所述混凝土泵车的出料口处。

进一步的，所述混凝土泵车的出料口上设有用于检测混凝土浇筑厚度的测距模块，所述混凝土泵车上设置有激光雷达。

进一步的，所述主控模块的输入端连接有控制终端，所述控制终端内部设有图纸输入单元、路径设置单元、参数设置单元、终端位置标签，所述支撑臂架末端的出料口上设置有和所述终端位置标签对应的前端位置标签。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

1.本发明通过将出料口的位移量分解为多个毫米级的位移分量，每一个分量的偏移量可忽略不计，臂架依次完成每一个分量的位移后到达指定位置，因此，在此过程中，臂架的移动轨迹可视为平稳的直线。

2.本发明臂架在移动的过程中采用编码器作为反馈元件，通过角度传感器和臂长可计算出臂架的位置坐标，通过编码器获得液压杆的伸长量从而计算臂架的偏移量，因为编码器是固定在支臂的转动轴上的，相较于角度传感器来讲，设备的抖动和形变对于编码器几乎是没有影响的，确保运动精确控制。

3.本发明在每节支臂的末端设置加速度传感器，判断泵车臂架运动过程中的抖动情况并及时修正，保证运动过程平稳。

4.本发明出料口设置测距模块，测量浇筑的混凝土的厚度，达到预设值以后能够控制臂架自动移动至下一个浇筑点，提高自动化控制程度。

5.本发明在泵车上安装激光雷达，扫描臂架运动路径上的障碍物，防止碰撞。

6.本发明控制终端可输入设计图纸以及控制参数，通过位置标签能够判断以出料口为参考点的当前控制终端所处的位置和方向，无论控制器的方向和泵车臂架的方向是否一致都能实现有效控制。

附图说明

图1为本发明混凝土泵车3D打印控制系统的结构示意图。

图2为本发明混凝土泵车支撑臂架的结构示意图。

图3为本发明混凝土泵车支撑臂架的液压杆示意图。

图4为本发明运动控制过程的流程图。

图中，支臂1，编码器2，角度传感器3，基座4，加速度传感器5，位置标签6，液压杆7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：一种混凝土泵车3D打印控制系统，参见图1至图3，包括主控板、角度传感器、驱动板、编码器、遥控接收器、跟随传感器，其中，角度传感器3固定在泵车支臂1上，保证角度传感器3与支臂1水平，角度传感器3通过485总线或CAN总线连接到主控板上，主控板实时读取当前每个支臂1的角度信息，并通过计算得到每个支臂1要运行到的下一点位置所对应的角度值。主控板将该角度的偏移量发送给对应的驱动板，驱动板根据当前要移动的偏移量驱动液压杆7进行动作调节出料口的纵向位移，而横向位移则通过基座4的转动进行控制。当支臂1的移动量到达上述偏移量时，停止当前运行，等待下次运行的参数传递过来。在支臂1的转动轴上安装编码器2，支臂1旋转时编码器2跟随动作，使用编码器2测量支臂1的移动量。因为设备运行后，臂架处于抖动状态并且支臂较长，也容易产生形变，导致角度传感器3的测量值偏差大，所以为了对运动精度控制，采用编码器测量支臂1的移动量而用角度传感器3测量静态时支臂1的倾角，编码器固定在支臂1的转动轴上，设备的抖动和形变对编码器2几乎是没有影响的。

在混凝土泵车的支撑臂架的各节支臂1末端安装加速度传感器5，通过加速度传感器读取到当前加速度值，根据当前加速值的大小来判断当前抖动的程度，加速度越大，表明当前抖动越严重，根据当前加速度的轴的值，对抖动方向进行判断，当得到抖动程度和抖动方向后，驱动液压杆7进行相应微调，使其与自身抖动进行相互抵消，从而对泵车进行抖动抑制。

混凝土泵车的出料口增加一组超声波测距模块，实时扫描当前泵车出料口与地面的位置信息，当测量模块的距离增量等于浇筑厚度时，开始向下个位置点移动。具体的，泵车出料口移动到新的位置时，此时测距模块测出的距离为参考值，当浇筑过一段时间后，测距模块测量的出距离与参考值进行相减，可以得到当前厚度，该厚度达到预设值时控制臂架自动移动至下一个浇筑点。

在泵车上增加激光雷达，实时扫描当前工作环境的物体位置，当设备支臂移动时，实时检测障碍物，如果检测出障碍物，重新规划出新的路径，防止在运行时碰到障碍物，当其它位置浇筑完成后，重新扫描一下障碍物是否离开之前的位置，如果离开，则重新将该区域进行浇筑，否则停止运行，等待人工处理。

本系统可通过控制终端进行操作，将当前施工环境图纸导入到控制终端里，根据当前图纸自动解析出来当前图纸的尺寸数据。施工环境确定后，标注出当前泵车出料口对应于施工图纸中的位置，位置确定后，再进行其它参数的设置，如浇筑厚度，浇筑范围等进行设置。设置完成后，主控板会根据浇筑区域生成臂架移动的路径，点击启动按钮设备开始进行浇筑作业。此时设备控制终端会动画显示出设备要运行的轨迹和已运行过的轨迹，方便了解设备下面要进行的工作。

上述控制终端也可作为遥控器进行使用，在控制终端里放入2个标签模块，并将泵车的出料口处也放置上2 个位置标签6，通过将泵车出料口上的2 个位置标签6获取的出料口的位置信息传输到控制终端上，通过控制终端中的一个标签模块可以计算出以出料口为参考点的当前控制终端所处的位置，根据控制终端中的另一个标签模块可以确定当前人所站立的方向，根据当前控制终端所处的位置和方向，可以实现设备参考于人所站的方向的左右和前后移动，而普通遥控器只能站在对应于设备的一个方向进行操作，如果站在其它方向那么设备的移动方向和人所对应的方向就出现混乱。或者，也可以通过姿态传感器控制泵车出料口的运动，将姿态传感器放置在出料口的软管上，当工人推动软管时，软管产生相应位移，在软管上的姿态传感器会检测到位移的方向，根据位移的方向，控制泵车支臂进行相应的移动。也可以将姿态传感器放置在其它位置，如放置在人的身体上，通过人体的动作，泵车也会进行相应位置的移动。或者将姿态传感器安装在控制终端控制泵车在同一高度下进行移动，如姿态传感器向左倾斜那么泵车的出料口就向左移动，如果姿态传感器向前倾斜那么泵车的出料口就向前移动，移动时高度保持不变。

实施例2：一种混凝土泵车3D打印控制方法，参见图4，包括以下步骤：

步骤1、建立空间坐标系，利用支臂节点上的角度传感器获取混凝土泵车支撑臂架的节点以及末端的初始位置坐标和倾斜角度；

步骤2、通过控制终端或者姿态传感器等方式向主控板中输入臂架末端出料口拟移动的位移；

步骤3、主控板将上述位移量分解为多个位移分量，每一个位移分量在对应的节点上分别分配次分量，每一个分量需足够小使得移动过程中的偏移量基本不变；

步骤4、主控板将上述位移分量依次发送至驱动板实时驱动泵车支撑臂架的各节点完成对应的位移。

上述步骤3中，每个位移分量设置为毫米级，在一个毫米范围内，将该位移分量分配给各个节点，每个节点的偏移量可以任选但其总和等于一毫米，此时臂架末端的出料口在一毫米的范围内从初始位置移动至总位移方向的下一位置，然后返回步骤1测量倾角，以此类推直至臂架将所有的位移量都走完，由于每个位移分量控制在一毫米的范围内，因此臂架在运动的过程中路径偏差也在一毫米内，保证臂架运动的平稳。

在臂架运动的过程中会产生抖动，因此在每节支臂的末端安装加速度传器，产生相应的加速度曲线，通过提取该加速度曲线与移动速度的关系我们可以得到一个移动速度与加速度对应的关系函数，当以指定速度移动时，如果当前理论计算出的加速度值和理论值相差较大，说明设备处于抖动状态。此时，如果设备向上移动，而抖动此时向下，则设备对应提速向上移动，如果此时抖动方向向上，那我们设备降速或停止向上移动，这样就可以实现运动时的抖动补偿，而如果设备处于静态浇筑混凝土时，直接根据加速度传感器的状态，进行相应的抖动补偿。

在支撑臂架移动时，若检测到障碍物，则重新规划出新的路径进行浇筑，当其它位置浇筑完成后，重新检测障碍物是否离开，如果离开，则重新浇筑障碍物所在区域，如果未离开，则停止运行。在出料口设置超声波测距模块，检测浇筑的混凝土厚度，当混凝土厚度达到预设值时，自动向下个位置点移动。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种混凝土泵车3D打印控制方法，其特征在于，包括： 步骤1、建立空间坐标系，获取混凝土泵车支撑臂架的节点和末端的初始坐标； 步骤2、在控制模块中输入臂架末端拟移动的位移信号； 步骤3、所述控制模块将上述位移量信号分解为多个位移分量； 步骤4、所述控制模块将所述位移分量依次发送至各臂架的驱动模块，所述驱动模块实时驱动所述泵车支撑臂架的各节点完成对应的位移。

2.根据权利要求1所述的混凝土泵车3D打印控制方法，其特征在于，所述泵车支撑臂架移动时对其进行抖动抑制，包括以下步骤： S1、在所述支撑臂架的节点上设置加速度检测模块； S2、所述加速度检测模块测量所述节点的加速度矢量； S3、所述控制模块获取所述加速度矢量，判断所述节点的抖动方向并换算成相应大小的抖动抑制信号； S4、所述控制模块将所述抖动抑制信号发送至所述驱动模块以抑制所述节点的抖动。

3.根据权利要求1所述的混凝土泵车3D打印控制方法，其特征在于，所述步骤2中，输入的位移信号由出料口位移量或遥控器的输入信号或控制终端的输入信号提供，所述控制终端能够输入所述混凝土泵车的支撑臂架末端的移动路径，在所述步骤3中，所述位移分量为毫米级。

4.根据权利要求1所述的混凝土泵车3D打印控制方法，其特征在于，所述步骤4中，所述支撑臂架移动时，若检测到障碍物，则重新规划出新的路径进行浇筑，当其它位置浇筑完成后，重新检测障碍物是否离开，如果离开，则重新浇筑障碍物所在区域，如果未离开，则停止运行。

5.根据权利要求1所述的混凝土泵车3D打印控制方法，其特征在于，所述步骤4中，当所述混凝土泵车在第一位移点浇筑混凝土达到预设厚度值时，返回步骤2控制所述支撑臂架向下个位置点移动。

6.一种混凝土泵车3D打印控制系统，其特征在于，包括主控模块、角度传感器、加速度传感器、驱动模块、编码器，所述主控模块的输入端和所述角度传感器电连接，所述主控模块的输出端和所述驱动模块电连接，所述驱动模块用于控制所述混凝土泵车的支撑臂架节点处的动力机构，所述动力机构上设有所述编码器，所述编码器和所述驱动模块对应连接。

7.根据权利要求6所述的混凝土泵车3D打印控制系统，其特征在于，所述混凝土泵车的支撑臂架的各节支臂末端设有加速度传感器，所述加速度传感器和所述主控模块的输入端对应连接。

8.根据权利要求6所述的混凝土泵车3D打印控制系统，其特征在于，所述主控模块连接有姿态传感器，所述姿态传感器安装于所述混凝土泵车的出料口处。

9.根据权利要求6所述的混凝土泵车3D打印控制系统，其特征在于，所述混凝土泵车的出料口上设有用于检测混凝土浇筑厚度的测距模块，所述混凝土泵车上设置有激光雷达。

10.根据权利要求6所述的混凝土泵车3D打印控制系统，其特征在于，所述主控模块的输入端连接有控制终端，所述控制终端内部设有图纸输入单元、路径设置单元、参数设置单元、终端位置标签，所述支撑臂架末端的出料口上设置有和所述终端位置标签对应的前端位置标签。

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