CN114261892A - 一种智能无人行车控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能无人行车控制系统和方法，系统包括控制器，上位机对控制器下发指令，控制器与三维激光雷达、激光测距仪、同轴多圈旋转编码器、三维激光扫描仪、电动机连接，使得大车和小车分别基于大车格雷母线和小车格雷母线运动。本发明从大小车精确定位、吊具起升精确定位、行走防摇控制进行优化和控制，整体实用、新颖、易于实施、可靠性高；有效解决型材、棒材或盘圆等成品的无人化吊装、堆垛堆放等作业问题。

Description

一种智能无人行车控制系统和方法

技术领域

本申请涉及钢铁厂型材、棒材或盘圆吊装、码堆无人驾驶行车领域，具体是一种智能无人行车控制系统和方法。

背景技术

智能起重机就是把一些智能技术应用于起重机，使起重机具有自动识别周围环境能力，模拟人的操作，自动起吊运送物料。它是一种“起重机器人”，是人工智能技术与基础自动化及无线通讯等技术结合并在起重机上应用的产物。使其具有起重操作工的眼睛和大脑，能自动完成运输物料任务，是智能起重机需要研究的内容和方向。

现有技术中，对于行车的控制往往只是单方面的进行，难以全方位的考虑位置关系，并进行有效的精确控制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种智能无人行车控制系统和方法，解决无人驾驶行车系统如何精确控制行车执行型材、棒材或盘圆码吊装、码堆作业，并在行走过程中消除吊具惯性摆动的问题。

本发明的技术方案具体如下：

一种智能无人行车控制系统，包括控制器，上位机对控制器下发指令，控制器与三维激光雷达、激光测距仪、同轴多圈旋转编码器、三维激光扫描仪、电动机连接，使得大车和小车分别基于大车格雷母线和小车格雷母线运动，对行车进行如下控制：

根据采集的传感数据，计算得出行车大车方向、小车方向、起升高度绝对位置信息，同轴多圈旋转编码器设于起升滚筒处，复核上述传感器得出的距离信息，校正偏差或视为故障传送至控制器；

控制吊具行走模式如下：

不同状态下，采用不同的行走速度曲线，从起点至终点分为加速区、匀速区、分段减速区；

行车从静止到最大行走速度采用快速提速模式，加速区约占总行程的10%；达到最大行走速度后行车匀速行走，匀速区约占总行程的60%；逼近目标点时行车开始分段减速，首先大幅减速至最大行走速度的30%，然后根据剩余行程同比例减慢行走速度，最终实现到达目标点时，趋于静止状态。

进一步地，控制器还精确定位吊具高度，光测距仪设于小车正下方，反光板设于吊具平面，控制器根据反馈信息，计算激光返回时间来得出吊具起升高度，通过旋转滚筒上的旋转编码器，复核比对位置信息，将检测位置信号传送至控制器进行处理。

进一步地，系统还包括陀螺仪，控制器通过陀螺仪测量吊具摆动幅度，根据所测幅度时间双闭环控制，外环为位置环，内环为摆幅环。

进一步地，控制器根据位置信息、摆幅信息计算剩余行程，根据上述信息，通过变频器对电动机进行控制，变频器接收电动机的旋转编码器的反馈。

本发明还涉及的智能无人行车控制方法，包括如下过程：

根据采集的传感数据，计算得出行车大车方向、小车方向、起升高度绝对位置信息，同轴多圈旋转编码器设于起升滚筒处，复核上述传感器得出的距离信息，校正偏差或视为故障传送至控制器；

控制吊具行走模式如下：

不同状态下，采用不同的行走速度曲线，从起点至终点分为加速区、匀速区、分段减速区；

行车从静止到最大行走速度采用快速提速模式，加速区约占总行程的10%；达到最大行走速度后行车匀速行走，匀速区约占总行程的60%；逼近目标点时行车开始分段减速，首先大幅减速至最大行走速度的30%，然后根据剩余行程同比例减慢行走速度，最终实现到达目标点时，趋于静止状态。

进一步地，控制器精确定位吊具高度，根据反馈信息，计算激光返回时间来得出吊具起升高度，通过旋转滚筒上的旋转编码器，复核比对位置信息，将检测位置信号传送至控制器进行处理。

进一步地，控制器通过陀螺仪测量吊具摆动幅度，根据所测幅度时间双闭环控制，外环为位置环，内环为摆幅环。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

本发明从大小车精确定位、吊具起升精确定位、行走防摇控制进行优化和控制，整体实用、新颖、易于实施、可靠性高；有效解决型材、棒材或盘圆等成品的无人化吊装、堆垛堆放等作业问题。

附图说明

图1是本发明的系统对行车精确定位的结构示意图；

图2是本发明的行车防摇行走速度曲线示意图；

图3是本发明的控制器根据位置信息、摆幅信息进行控制的过程。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外定义，本申请实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

如图1所示，本实施例的智能无人行车控制系统，包括控制器，上位机对控制器下发指令，控制器与三维激光雷达、激光测距仪、同轴多圈旋转编码器、三维激光扫描仪、电动机连接，使得大车和小车分别基于大车格雷母线和小车格雷母线运动，对行车进行如下控制：

根据采集的传感数据，计算得出行车大车方向、小车方向、起升高度绝对位置信息，同轴多圈旋转编码器设于起升滚筒处，复核上述传感器得出的距离信息，校正偏差或视为故障传送至控制器。

控制吊具行走模式如下：

不同状态下，采用不同的行走速度曲线，从起点至终点分为加速区、匀速区、分段减速区；

行车从静止到最大行走速度采用快速提速模式，加速区约占总行程的10%；达到最大行走速度后行车匀速行走，匀速区约占总行程的60%；逼近目标点时行车开始分段减速，首先大幅减速至最大行走速度的30%，然后根据剩余行程同比例减慢行走速度，最终实现到达目标点时，趋于静止状态。

本实施例是基于三个设备层级实现，包括执行层、控制层、监控层实现。

执行层是整个控制系统的底层设备，主要由三维激光扫描仪、交直流电动机、格雷母线、编码器、激光测距仪等组成。控制层是整个系统的控制核心，主要由可编程逻辑控制器、变频器、网络通讯设备等组成。监控层用于显示及处理系统状态，主要由操作终端、上位计算机等组成。控制层与执行层通过profibus总线通讯；监控层与执行层通过profinet网络通讯，因行车为移动设备，行车与地面通讯采用工业无线Ap。

行车精确定位按以下进行：

经由可编程逻辑控制器处理解析格雷母线编码、激光测距仪等传感器信息，计算得出行车大车方向（简称X轴）、小车方向（简称Y轴）、起升高度（简称Z轴）绝对位置信息，为避免因环境原因导致的测量偏差，一般在大车、小车及起升滚筒处安装同轴多圈旋转编码器，用于复核上述主要传感器得出的距离信息，如存在偏差则执行校正程序或视为故障转由人工处理。

行走防摇摆按以下进行：

根据现场工艺条件，行车存在多种行走模式，吊具也分为重载和轻载两种不同状态，不同状态下，行车采用不同的行走速度曲线。

如图2所示，从点A至点B大致分为三个区间。1、加速区；2、匀速区；3、分段减速区。

为提高作业效率，行车从静止到最大行走速度采用快速提速模式，加速区约占总行程的10%；达到最大行走速度后行车匀速行走，匀速区约占总行程的60%；逼近目标点时行车开始分段减速，首先大幅减速至最大行走速度的30%，然后根据剩余行程同比例减慢行走速度，最终实现到达目标点时，吊具趋于静止状态。行车行走采用变频器驱动交流电动机实现，并在交流电动机后方安装同轴编码器，用于变频器速度闭环控制，提高调速精确性。

本实施例在无人驾驶行车上安装PLC控制器、格雷母线系统、激光测距仪、旋转编码器、变频器、交流电动机等设备，并通过profibusDP总线及profinet网络通讯，建立执行层、控制层、监控层三层通讯。

如图3所示，控制器根据位置信息、摆幅信息计算剩余行程，根据上述信息，通过变频器对电动机进行控制，变频器接收电动机的旋转编码器的反馈。根据剩余行程，控制器实时计算吊具摆幅及电机对应行走速度，并同步控制变频器动态调节输出，变频器通过电机编码器反馈回的信号比对控制器设定的速度，保证给定速度与实际行走速度一致。以实现行走时被吊物摆幅最小，达到目标位置时被吊物趋于静止。

本实施例的控制方法，基于无人驾驶行车系统的各类传感器及可编程控制器实现，包括如下内容：

1、大小车精确定位

大小车位置检测采用格雷母线定位技术实现，通过安装在行车一侧的刻度标尺实现行车沿母线平行移动时的位置信号检测，并于大车、小车行走轮上安装同轴旋转编码器，用于复核比对位置信息，两者的检测位置信号最终传送至PLC进行处理。

2、吊具起升精确定位

吊具起升位置检测采用激光测距仪技术实现，将光测距仪安装于小车正下方，并于吊具平面安装反光板，通过计算激光返回时间来得出吊具起升高度，并于旋转滚筒安装旋转编码器，用于复核比对位置信息，两者的检测位置信号最终传送至PLC进行处理。

3、行走防摇控制

根据现场工艺条件，行车存在多种行走模式，吊具也分为重载和轻载两种不同状态，不同状态下，行车采用不同的行走速度曲线，区别仅在于减速区长短。

从点A至点B大致分为三个区间。1、加速区；2、匀速区；3、分段减速区。为提高作业效率，行车从静止到最大行走速度采用快速提速模式，加速区约占总行程的10%；达到最大行走速度后行车匀速行走，匀速区约占总行程的60%；逼近目标点时行车开始分段减速，首先大幅减速至最大行走速度的30%，然后根据剩余行程同比例减慢行走速度，且通过在吊具安装陀螺仪实现测量吊具摆动幅度，根据所测幅度时间双闭环控制，外环为位置环，内环为摆幅环，最终实现到达目标点时，吊具趋于静止状态。

行车行走采用变频器驱动交流电动机实现，在交流电动机后方安装同轴编码器，用于变频器速度闭环控制，提高调速精确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能无人行车控制系统，其特征在于：包括控制器，上位机对控制器下发指令，控制器与三维激光雷达、激光测距仪、同轴多圈旋转编码器、三维激光扫描仪、电动机连接，使得大车和小车分别基于大车格雷母线和小车格雷母线运动，对行车进行如下控制：

根据采集的传感数据，计算得出行车大车方向、小车方向、起升高度绝对位置信息，同轴多圈旋转编码器设于起升滚筒处，复核上述传感器得出的距离信息，校正偏差或视为故障传送至控制器；

控制吊具行走模式如下：

不同状态下，采用不同的行走速度曲线，从起点至终点分为加速区、匀速区、分段减速区；

行车从静止到最大行走速度采用快速提速模式，加速区约占总行程的10%；达到最大行走速度后行车匀速行走，匀速区约占总行程的60%；逼近目标点时行车开始分段减速，首先大幅减速至最大行走速度的30%，然后根据剩余行程同比例减慢行走速度，最终实现到达目标点时，趋于静止状态。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：控制器还精确定位吊具高度，光测距仪设于小车正下方，反光板设于吊具平面，控制器根据反馈信息，计算激光返回时间来得出吊具起升高度，通过旋转滚筒上的旋转编码器，复核比对位置信息，将检测位置信号传送至控制器进行处理。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：系统还包括陀螺仪，控制器通过陀螺仪测量吊具摆动幅度，根据所测幅度时间双闭环控制，外环为位置环，内环为摆幅环。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：控制器根据位置信息、摆幅信息计算剩余行程，根据上述信息，通过变频器对电动机进行控制，变频器接收电动机的旋转编码器的反馈。

5.一种智能无人行车控制方法，其特征在于：包括如下过程：

根据采集的传感数据，计算得出行车大车方向、小车方向、起升高度绝对位置信息，同轴多圈旋转编码器设于起升滚筒处，复核上述传感器得出的距离信息，校正偏差或视为故障传送至控制器；

控制吊具行走模式如下：

不同状态下，采用不同的行走速度曲线，从起点至终点分为加速区、匀速区、分段减速区；

行车从静止到最大行走速度采用快速提速模式，加速区约占总行程的10%；达到最大行走速度后行车匀速行走，匀速区约占总行程的60%；逼近目标点时行车开始分段减速，首先大幅减速至最大行走速度的30%，然后根据剩余行程同比例减慢行走速度，最终实现到达目标点时，趋于静止状态。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：控制器精确定位吊具高度，根据反馈信息，计算激光返回时间来得出吊具起升高度，通过旋转滚筒上的旋转编码器，复核比对位置信息，将检测位置信号传送至控制器进行处理。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：控制器通过陀螺仪测量吊具摆动幅度，根据所测幅度时间双闭环控制，外环为位置环，内环为摆幅环。

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