CN115697042A - 控制作业机械的悬臂 - Google Patents

Abstract

在所公开的解决方案中，作业机械(1)的悬臂组件(14)通过梢部控制来控制。在梢部控制中，控制命令被发出至悬臂组件(14)的梢部、转换成用于悬臂组件(14)的各个致动器的控制命令。在所公开的解决方案中，与负载及其在悬臂组件(14)的梢部处的位置相关的变量被限定，并且与负载及其在悬臂组件(14)的梢部处的位置相关的所讨论的变量在用于致动器的控制命令中被考虑到。

Description

控制作业机械的悬臂

发明背景

本发明涉及控制作业机械的悬臂组件，并且具体地，涉及通过利用所谓的梢部控制来控制作业机械的悬臂。

控制作业机械的悬臂组件的挑战是能够根据期望在所有使用情况下快速且可靠地控制悬臂组件。

发明内容

本发明的目的是开发一种新的方法、控制系统、作业机械和计算机程序产品。根据本发明的解决方案的特征在于独立权利要求中公开的内容。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。

在所公开的解决方案中，作业机械的悬臂组件通过梢部控制来控制。在梢部控制中，控制命令被发出至悬臂组件的梢部、转换成用于悬臂组件的各个致动器的控制命令。在所公开的解决方案中，与负载及其在悬臂组件的梢部处的位置相关的变量被限定，并且与负载及其在悬臂组件的梢部处的位置相关的所讨论的变量在用于致动器的控制命令中被考虑到。利用这种解决方案，可以控制致动器在各种情况下沿着期望的路径以期望的速度非常精准地移动。即使致动器所受的力在运动期间发生变化，也可以保持精准的速度和期望的路径。不同的情况可能是由悬臂组件的梢部控制的负载的重量改变的结果或者是悬臂组件的梢部的位置改变的结果。致动器以期望的速度并沿着期望的路径移动对于悬臂组件的梢部始终按期望移动是重要的。

根据实施方式，将悬臂组件的梢部的控制命令转换成用于各个致动器的控制命令包括形成用于各个致动器的速度请求，其中，控制命令是用于致动器的控制信号的大小。在这种情况下，致动器的控制信号的大小取决于致动器的速度请求和与负载及其在悬臂组件的梢部处的位置相关的所讨论的变量。以这种方式，实现控制是简单且直接的。

根据实施方式，就致动器的控制信号的大小、致动器的速度请求和与负载及其在悬臂组件的梢部处的位置相关的变量之间的相互关系编译表，并且致动器的控制信号的大小由所讨论的表确定。形成、使用和管理表是直接且有效的。

根据实施方式，为致动器的速度与致动器的速度请求之间的差确定最大允许极限值，测量致动器的速度，将致动器的速度与致动器的速度请求进行比较，并且如果测量的速度与速度请求之间的差超过允许极限值，则对所讨论的表进行校准。这允许即使在趋于降低控制的可靠性的条件和/或设备中发生改变的情况下，也能保持精准的控制和管理。

根据实施方式，与负载及其在悬臂组件的梢部处的位置相关的所讨论的变量是悬臂组件致动器上的压力。测量压力是相对简单的，并且致动器压力与控制精度之间的相关性出人意料地好。

附图说明

现在将结合优选实施方式并参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了作业机械；

图2示出了第二作业机械；

图3是关于与梢部控制有关的液压和电气控制的图；

图4示出了根据实施方式的方法的流程图；

图5示出了根据实施方式的校准的流程图；

图6示出了表的示例，该表图示了所使用的变量之间的相互关系；以及

图7示出了图6中的表在校准时的示例。

具体实施方式

在梢部控制中，操作员利用控制装置向悬臂组件的梢部发出命令，换句话说，请求以特定的速度向特定方向移动。针对悬臂组件的每个致动器计算所需的运动速度，使得通过悬臂组件的不同致动器的共同作用，实现悬臂组件的梢部的期望的运动。

因此，在顶部控制中，通过使用利用传感器测量的悬臂位置和运动状态，操作员的用于使悬臂梢部移动的控制命令通过将控制命令分配成用以使悬臂梢部根据控制命令移动的各个悬臂的运动来实现。例如，悬臂梢部的期望运动通过利用所谓的雅可比矩阵被分配成针对不同悬臂的各部分。关于实现梢部控制，可以在以下文献参考中找到指导，例如：

Kinematic Control of Redundant Knuckle Booms,Licentiatethesis,Department of Machine Design,Royal Institute of Technology,Stockholm,2004(冗余转向悬臂的运动学控制，斯德哥尔摩皇家理工学院机械设计系学位论文，2004年)；

Kinematic Control of Redundant Knuckle Booms withAutomatic Path-Following Functions,Doctoral thesis,Department of MachineDesign,Royal Institute of Technology,Stockholm,2009(具有自动路径跟踪功能的冗余转向悬臂的运动学控制，斯德哥尔摩皇家理工学院机械设计系博士论文，2009年)；Mikkel M.Pedersen,Michael R.Hansen,Morten Ballebye:Developing a Tool PointControl Scheme for a Hydraulic Crane Using Interactive Real-time DynamicSimulation:Modelling,Identification and Control,Vol.31,No.4,2010,pp.133-143,ISSN 1890-1328(使用交互式实时动态模拟开发液压起重机的工具点控制方案：建模、识别和控制，2010年第31卷第4期，第133页至第143页，ISSN 1890至1328)。

参照图1和图2，图1和图2示出了作业机械。作业机械1可以包括移动式作业机械1，并且特别有利地包括适用于在倾斜和/或不平整的表面上移动的移动式作业机械1。这样的移动式作业机械可以是例如林业作业单元比如如图1中的转运机、如图2中的收割机、或者另一林业机械比如另一类型的适于承载负载的驱动机械、或者转运机或收割机的组合、或者另一移动式作业机械比如采矿机或挖掘机。

作业机械1可以包括一个或更多个框架部分11。悬臂组件14可以适配在至少一个框架部分11上。例如，作业机械还可以包括适于悬臂组件14的工具16。工具可以包括例如提升构件比如装载斗和/或木材处理工具比如收割机头部。林业机械可以是本体转向的，并且包括至少两个本体部分11。

根据实施方式，作业机械1还可以包括其他结构部分。例如，作业机械1可以包括适配在至少一个本体部分11上的控制舱12。作业机械1还可以包括移动装置13，该移动装置13可以包括以下各者中的至少一者：适配在轴上的车轮、适配在摆动轴上的车轮、适配在串联轴上的车轮、轨道系统或另一本身已知的使作业机械相对于其作业表面移动的装置。

悬臂组件14可以适于框架或控制舱12。舱12和/或悬臂组件14可以相对于托架以可折叠和/或可旋转的方式适配。对于本领域技术人员而言将明显的是，根据作业机械的类型，作业机械1通常包括许多附加结构和功能结构部分和实体，比如货物空间15、动力源17等。

在图1中，悬臂组件14形成为使得具有回转环的基部固定至作业机械1。回转环还具有相对于彼此轴承安装的下部环和上部环。上部环通过由液压缸操作的带齿杆的机械单元旋转。

起重机柱附接至上部环。起重机柱又具有枢转至起重机柱的提升悬臂18。提升悬臂18由提升缸19移动。

此外，变幅悬臂20枢转至提升悬臂18。变幅悬臂20由折叠缸21移动。变幅悬臂20可以具有由其自身的致动器移动的套叠伸缩延伸部。在套叠伸缩延伸部的端部处，可以放置诸如装载斗之类的工具。

就基本解决方案而言，图2的悬臂组件14对应于图1的悬臂组件14。然而，关于基部，图2的悬臂组件14与图1的结构不同。在图2的解决方案中，回转环的上部环设置有内齿部并且其通过马达旋转，该马达使齿轮抵靠内齿部旋转。

悬臂组件14还可以被描述为具有作为其连续部分的待刚性连接至作业机械的环状基部、以可旋转的方式轴承安装至环状基部的支脚部段、枢转至支脚部段的第一悬臂、枢转至第一悬臂的第二悬臂以及可能的位于第二悬臂中的套叠伸缩布置结构。另外，悬臂组件包括用以操作每个连续部分的致动器。

与悬臂组件14的每个部分相结合地适配有行进速度传感器。为了清楚起见，图1和图2仅示意性地图示了提升悬臂的行进速度传感器22和变幅悬臂的行进速度传感器23，但是有利地，如以上所提及的，存在与悬臂组件14的每个部分结合的行进速度传感器。

例如，行进速度传感器可以是位置传感器。行进速度传感器允许例如悬臂的角度和角加速度被测量。此外，行进速度传感器允许例如悬臂的位置和致动器缸的活塞的行进速度被测量。例如，利用提升悬臂的行进速度传感器22可以测量提升缸19的速度，并且利用变幅悬臂的行进速度传感器23可以测量折叠缸21的速度。例如，行进速度传感器可以包括倾斜仪和/或陀螺仪。此外，在图1的实施方式中，例如，可以存在与基部结合的磁致伸缩线性传感器作为行进速度传感器，从而提供关于转动角度的信息。同样，套叠伸缩延伸部可以具有磁致伸缩线性传感器作为行进速度传感器。在图2的实施方式中，使与基部结合的齿轮旋转的马达可以与旋转角度传感器相关联，从而提供关于转动角度的信息。

此外，悬臂组件14具有与每个致动器结合的压力传感器，从而测量致动器处的压力。为了清楚起见，图1和图2仅示意性地图示了与提升缸结合的压力传感器24以及与折叠缸结合的压力传感器25，但是有利地，如以上所提及的，存在与悬臂组件14的每个致动器结合的压力传感器。压力传感器原则上可以适于压力系统的任何地方。然而，与致动器结合的压力传感器有利地连接至给其带来压力的压力软管。测量的压力是压力系统的压力介质的压力。压力介质是适用于该目的的流体。例如，与液压致动器结合的流体可以是液压流体，并且例如，与气动致动器结合的流体可以是加压空气。

在先前的解决方案中，当悬臂组件14的梢部靠近作业机械1并且在悬臂组件14上的负载较轻时，悬臂组件14的梢部相当精确地遵循控制命令。然而，当悬臂组件14的梢部例如已经远离作业机械1并且在其上已经具有重的负载时，悬臂组件14的梢部的速度与所请求的速度不匹配。现在已经检测到，例如，在后一种情况下，提升缸上的压力大于第一种情况下的压力。在所阐述的当前解决方案中，提升缸的控制信号的大小基于压力测量而改变，即，为了建立与检测到较高压力时相同的速度请求，增加控制信号的大小。

因此，致动器上的压力取决于负载及其在悬臂组件14的梢部处的位置。这意味着，代替压力测量，本文中所描述的解决方案允许使用与负载及其在悬臂组件的梢部处的位置相关的另一变量，而不是致动器上的压力。这样的变量可以例如通过利用称重传感器测量悬臂组件14的梢部处的负载的质量并且通过确定其相对于支点的位置来确定。以这种方式，可以确定相对于期望支点的扭矩。

图3示出了梢部控制相关系统的图。该系统包括控制单元C。有利地，控制单元C是作业机械1的控制系统的一部分，但是为了清楚起见，其在本文中被描述为单独部分。

控制命令被馈送至具有控制器26的控制单元C。控制器26可以包括杆控制器、键盘、图形用户界面的指示器和/或其组合或者其他类似的控制器构件。结合控制器C，另外存在用以图示作业机械1的操作的显示器27。

此外，来自行进速度传感器22、23和压力传感器24、25的信息被馈送至控制单元C。致动器利用比例阀V1、V2、V3和V4操作。为了清楚起见，图3仅示出了致动器的提升缸18。电气控制借助于来自控制单元C的辅助控制构件C1、C2、C3和C4进行。

控制单元C将悬臂梢部的来自控制器26的控制命令转换成用于每个致动器的控制命令。控制单元C记录来自传感器的信息并向辅助控制构件提供控制信号值。控制信号可以包括例如控制电流或控制电压。在这种情况下，然后，控制信号值是例如控制电流值(通常为毫安)或控制电压值(通常为伏特)。控制信号还可以包括对阀的打开具有影响的另一变量。

图4的流程图图示了根据实施方式的方法。在框28中，向悬臂的梢部发出控制命令。在框29中，将悬臂的梢部的控制命令转换成用于每个致动器的控制命令。因此，缸速度命令、即缸速度请求被发出至每个致动器的缸。

框30描述了表的形成和存储，该表示出了缸速度请求、致动器处的压力与馈送至致动器、即馈送至预控制阀(图3中的比例阀V1至比例阀V4)的控制信号的控制信号值之间的相互关系。图6图示了这种表的示例。在图6的示例中，控制信号是控制电流。

图6具有x轴上的缸速度请求v(m/s)、y轴上的压力p(巴)以及z轴上的控制电流值I(mA)。如在图6中示出的，典型的是，速度请求v越高，控制电流值I自然越大。然而，特别值得注意的是，如果速度请求v不变，但是压力p例如增加，则控制电流值I也增加。

在框31中，测量致动器上的压力。在框32中，从在框30中形成的表中检索控制信号值，该值对应于在框29中形成的缸速度请求和在框31中测量的压力。在框33中，将该控制信号馈送至预控制阀。

根据实施方式的校准由根据图5的流程图图示出。在框34中，启用校准。例如，操作员可以在期望时启用校准。例如，如果检测到的差过大，则可以根据框36的比较向操作员给出指示，并且操作员可以在得到一个指示时对这种指示做出反应。校准也可以响应于在框36中检测到的差过大而自动地开启。校准可以实现为单独的作业阶段，或者校准可以在正常作业期间在后台中实现。

在框35中，测量实现的缸速度。在框36中，将实现的缸速度与缸速度请求进行比较，并且测量的实现速度与速度请求之间的差超过所允许的极限值，则在所讨论的操作点处对所讨论的表进行校准，因此选择YES并且在框37中更新表。如果差不超过极限值，则遵循选项NO，并且在框38中，表在这方面不被更新。

框37可以具有向框34的反馈以继续校准。例如，校准也可以在其他操作点处继续。校准也可以用于形成所讨论的表。表开始可以是二维的，即，其仅在一个压力水平处具有速度请求与控制信号值之间的关系。通过校准程序，所讨论的值然后可以在其他压力水平处形成。

控制单元C中的计算机程序产品包括计算机可读程序代码，该程序代码布置成在由处理器执行该程序代码时实现所公开的梢部控制的功能或执行这些功能的方法的步骤。控制单元C包括处理装置或处理器。控制单元C可以包括已经收集和存储信息以及正在收集和存储信息的存储器。处理装置可以适于执行本说明书中所公开的处理步骤和/或操作中的至少部分处理步骤和/或操作。在实施方式中，处理装置可以适于接收和发送信息和命令。例如，处理装置可以包括可编程逻辑和/或可编程微处理器。处理装置可以形成控制单元C或其一部分。

实施方式包括计算机程序，该计算机程序包括程序代码，当在计算机上执行时，该程序代码执行根据上述实施方式中的任一实施方式的功能。计算机程序可以包括在计算机可读存储介质中，例如包括在非易失性存储器中。

实施方式包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括根据实施方式的计算机程序，该计算机程序用于执行根据上述实施方式中的任一实施方式的功能。

在实施方式中，该设备包括构造成执行实施方式中描述的功能的处理装置。该处理装置可以用作用于执行程序代码的计算机。处理装置可以包括能够执行程序代码的至少一个处理器、存储器和程序平台。

实施方式可以实现为由计算机程序定义的计算机进程。计算机程序可以是源代码格式、目标代码格式或中间格式，并且计算机程序可以存储在存储介质上，该存储介质可以是能够存储计算机程序的任何件或设备。例如，计算机程序可以存储在计算机程序分发介质上，该计算机程序分发介质可以通过计算机或处理器读取。例如，计算机程序分发介质可以包括存储介质、计算机存储器、只读存储器(ROM)、电载波、电信信号和软件分发包。

在实施方式中，计算机程序产品可以存储在计算机可读介质上并且可以由处理器执行，并且计算机程序产品可以包括计算机可读程序代码。当程序代码在处理器中运行时，这种类型的计算机程序产品可以布置成执行上述方法中的步骤中的至少一些步骤。

在各图的示例中，致动器是液压操作的，特别地，悬臂组件的所有致动器(缸)是液压操作的。如果需要，致动器可以是例如气动或电动操作的致动器。

本领域的技术人员将发现，明显的是随着技术的进步，本发明的基本构思可以以许多不同的方式实现。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (15)

1.一种用于通过梢部控制来控制作业机械的悬臂组件的方法，所述方法包括：

向所述悬臂组件的梢部发出控制命令，

将所述悬臂组件的所述梢部的所述控制命令转换成用于所述悬臂组件的各个致动器的控制命令，

确定与负载及所述负载在所述悬臂组件的所述梢部处的位置相关的变量，以及

在用于所述致动器的所述控制命令中考虑与所述负载及所述负载在所述悬臂组件的所述梢部处的位置相关的所述变量，

在所述方法中，将所述悬臂组件的所述梢部的所述控制指令转换成用于各个致动器的控制命令包括形成用于各个致动器的速度请求，其中，所述控制命令是所述致动器的控制信号的大小，由此用于所述致动器的所述控制信号的大小取决于所述致动器的所述速度请求和与所述负载及所述负载在所述悬臂组件的所述梢部处的位置相关的所述变量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，就所述致动器的所述控制信号的大小、所述致动器的所述速度请求和与所述负载及所述负载在所述悬臂组件的所述梢部处的位置相关的所述变量之间的相互关系编译表，并且所述致动器的所述控制信号的大小由所述表确定。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，为所述致动器的速度与所述致动器的所述速度请求之间的差确定最大允许极限值，测量所述致动器的所述速度，将所述致动器的所述速度与所述致动器的所述速度请求进行比较，并且如果测量的所述速度与所述速度请求之间的差超过所述允许极限值，则对所述表进行校准。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述校准在正常作业期间执行。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述控制信号包括控制电流或控制电压。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述悬臂组件的所述致动器是液压致动器。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，与所述负载及所述负载在所述悬臂组件的所述梢部处的位置相关的所述变量是所述悬臂组件的致动器上的压力。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述作业机械是林业作业单元。

9.一种用于通过梢部控制来控制作业机械的悬臂组件的控制系统，所述控制系统包括：

控制器(26)，所述控制器(26)用于控制悬臂组件(14)的梢部，

传感器，所述传感器用于确定与负载及所述负载在所述悬臂组件(14)的所述梢部处的位置相关的变量，以及

控制单元(C)，

所述控制单元(C)适于将由所述控制器(26)发出的用于所述悬臂组件(14)的所述梢部的控制命令转换成用于所述悬臂组件(14)的各个致动器的控制命令，并且在用于所述致动器的所述控制命令中考虑与所述负载及所述负载在所述悬臂组件(14)的所述梢部处的位置相关的所述变量，并且

所述控制单元(C)适于形成各个致动器的速度请求、形成用于所述致动器的控制信号的大小作为用于所述致动器的所述控制命令并且根据所述致动器的所述速度请求和与所述负载及所述负载在所述悬臂组件的所述梢部处的位置相关的所述变量确定用于所述致动器的所述控制信号的大小。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述控制单元(C)具有形成在所述控制单元(C)中的关于所述致动器的所述控制信号的大小、所述致动器的所述速度请求和与所述负载及所述负载在所述悬臂组件(14)的所述梢部处的位置相关的所述变量之间的相互关系的表，并且所述控制单元(C)适于利用所述表来确定所述致动器的所述控制信号的大小。

11.根据权利要求10所述的控制系统，所述控制系统包括用于测量所述致动器的速度的传感器，并且所述控制单元(C)适于将所述致动器的测量的所述速度与所述致动器的所述速度请求进行比较，并且如果测量的所述速度与所述速度请求之间的差超过允许极限值，则所述控制单元适于对所述表进行校准。

12.根据权利要求9至11中的任一项所述的控制系统，其中，所述控制信号包括控制电流或控制电压。

13.根据权利要求9至12中的任一项所述的控制系统，其中，所述控制系统包括压力传感器(24、25)，所述压力传感器(24、25)用于通过测量所述悬臂组件(14)的所述致动器上的压力来确定与所述负载及所述负载在所述悬臂组件(14)的所述梢部处的位置相关的变量。

14.一种具有悬臂组件(14)的作业机械，所述悬臂组件(14)设置有梢部控制和根据权利要求9至13中的任一项所述的控制系统。

15.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品存储在计算机可读介质上并且能够由处理器执行，所述计算机程序产品包括计算机可读程序代码，所述程序代码布置成当所述程序代码在所述处理器中运行时执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法的步骤。

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