CN117111538B - 用于储气罐卸车过程的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自适应控制系统技术领域，尤其涉及一种用于储气罐卸车过程的控制系统，包括卸车模块，用以执行吊放动作以将储气罐移动至放置位置；检测模块，用以采集所述储气罐的吊放参数；平衡模块，用以稳定储气罐的姿态，包括气体平衡单元和流体平衡单元；中控模块，设有用于控制所述平衡模块的偏移调节策略和惯性修正策略；通过中控模块对储气罐吊放过程中的储气罐姿态进行自适应调节，通过在储气罐上安装平衡模块对储气罐姿态进行调整，在保障卸车安全性的同时，有效提高了卸车精准性。

Description

用于储气罐卸车过程的控制系统

技术领域

本发明涉及自适应控制系统技术领域，尤其涉及一种用于储气罐卸车过程的控制系统。

背景技术

储气罐卸车的风险因素很多，现有的储气罐卸车技术大多是指将储气罐内的流体通过一系列方法转移至储气罐中，但将储气罐布设在预设的安装位置这一过程也存在很多风险因素，故对储气罐整体层面的转移卸车的有效监测和控制也是至关重要的。

中国专利授权公告号：CN109963608B公开了一种基于位姿检测的液压卸车机控制方法及系统，首先获取侧面图像、正面图像、位移变换数据和倾角数据，然后得到液压翻板两侧的倾斜角度、正面不平衡角度和最终升举高度，最后通过自学习算法，在预设的液压卸车机控制策略库中匹配相应的控制策略，实现液压卸车机的控制；本发明通过液压翻板两侧的侧面图像、正面图像、位移变换数据和倾角数据，时监测倾斜角度、正面不平衡角度和升举高度等位姿数据，并根据位姿数据，通过自学习算法，在预设的液压卸车机控制策略库中匹配相应的控制策略，实现液压卸车机的控制，避免了卸车机作业过程中因两侧不平衡导致的倾倒等问题。

随着技术发展，如上述的卸车系统，通过对图像和姿态等数据的分析，已经能够有效的防止卸车物品倾倒，但其缺少对放置过程和落点的精准控制，对于大多数需卸车的物品，其放置的位置的精准性是十分重要的。

可见，现有技术中缺少对储气罐整体卸车过程的精准控制进而导致吊放卸车过程中精准性较低。

发明内容

为此，本发明提供一种用于储气罐卸车过程的控制系统，用以克服现有技术中缺少对储气罐整体卸车过程的精准控制进而导致吊放卸车过程中精准性较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种用于储气罐卸车过程的控制系统，其用以对储气罐吊放卸车的过程进行控制，包括：

卸车模块，其用以执行吊放动作并将储气罐移动至放置位置；

检测模块，其分别与所述卸车模块和所述储气罐连接，用以采集所述储气罐的吊放参数；

平衡模块，其与所述储气罐连接，用以稳定储气罐的姿态，包括气体平衡单元和流体平衡单元；

中控模块，其分别与所述卸车模块、所述检测模块和所述平衡模块连接，设有用于控制所述平衡模块的偏移调节策略和惯性修正策略。

进一步地，所述中控模块建立随吊放动作移动的空间坐标系并监测所述储气罐的偏移。

进一步地，所述中控模块在执行所述吊放动作前将所述储气罐的表面对应的若干坐标设置为稳态坐标。

进一步地，所述中控模块在执行所述吊放动作时，根据储气罐的状态将吊放动作划分为起升阶段、悬置阶段和回落阶段。

进一步地，所述中控模块将所述起升阶段划分为分析阶段和调节阶段；

其中，所述分析阶段为储气罐完全脱离对应平面前的阶段，所述调节阶段为所述起升阶段内除分析阶段外的剩余阶段。

进一步地，所述中控模块在所述分析阶段根据稳态坐标确定坐标变化信息，并根据坐标变化信息确定所述调节阶段中所述平衡模块的工作参数。

进一步地，所述中控模块在所述调节阶段下，控制所述平衡模块对所述储气罐的姿态进行调节。

进一步地，所述中控模块在所述调节阶段根据所述储气罐内的流体状态确定所述气体平衡单元的工作状态。

进一步地，所述中控模块根据所述悬置阶段和所述起升阶段各自的稳定性特征值确定在所述回落阶段所述卸车模块的吊放模式和吊放速度。

进一步地，所述中控模块在进入回落阶段前对所述储气罐的落点进行分析并通过所述平衡模块调节所述储气罐的姿态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过中控模块对储气罐吊放过程中的储气罐姿态进行自适应调节，通过在储气罐上安装平衡模块对储气罐姿态进行调整，在保障卸车安全性的同时，有效提高了卸车精准性。

进一步地，本发明中控模块建立随所述吊放动作进行移动的空间坐标系并监测所述储气罐的偏移，通过移动的空间坐标系能够对吊放过程中若干状态的评价标准进行统一，有效提高了卸车精准性。

进一步地，本发明中控模块设置稳态坐标，通过当前坐标与稳态坐标的对比能够对储罐的偏移进行精准的分析，进一步提高了卸车精准性。

进一步地，本发明中控模块将吊放动作划分为若干阶段，各个阶段的物理特征不同，通过划分阶段和针对性控制，进一步提高了卸车精准性。

进一步地，本发明中控模块根据所述悬置阶段和所述起升阶段各自的稳定性特征值确定在所述回落阶段所述卸车模块的吊放模式和吊放速度，回落阶段的风险最大，通过前两个阶段的数据对回落阶段的吊放进行调整，进一步提高了卸车精准性。

进一步地，中控模块在进入所述回落阶段前对所述储气罐的落点进行分析并通过所述平衡模块调节所述储气罐的姿态，保证了储气罐的布设精度，进一步提高了卸车精准性。

附图说明

图1为本发明用于储气罐卸车过程的控制系统的结构框图；

图2为本发明实施例平衡模块安装示意图；

图3为本发明实施例储气罐吊放示意图；

图4为本发明实施例储气罐截面示意图；

图5为本发明实施例空间坐标系示意图；

图中：1，导液管保护壳；2，左平衡环；3，右平衡环；4，储气罐；5，喷气阀；6，导液管。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其为本发明用于储气罐卸车过程的控制系统的结构框图，用于储气罐卸车过程的控制系统包括：

卸车模块，其用以执行吊放动作并将储气罐移动至放置位置；

检测模块，其分别与卸车模块和储气罐连接，用以采集储气罐的吊放参数；

平衡模块，其与储气罐连接，用以稳定储气罐的姿态，包括气体平衡单元和流体平衡单元；

中控模块，其分别与卸车模块、检测模块和平衡模块连接，设有用于控制平衡模块的偏移调节策略和惯性修正策略。

其中，偏移调节策略包括在检测到储气罐吊放坐标偏移时控制平衡模块对储气罐姿态进行修正，惯性修正策略包括控制平衡模块对执行偏移调节策略时储气罐的惯性进行抵消以稳定储气罐的姿态，吊放参数包括位置信息和流体状态。通过中控模块对储气罐吊放过程中的储气罐姿态进行自适应调节，通过在储气罐上安装平衡模块对储气罐姿态进行调整，在保障卸车安全性的同时，有效提高了卸车精准性。

在实施中，卸车模块为能实现吊放动作且能够与中控模块进行数据传输的任一装置，其设备型号根据储气罐的结构确定。

可选的，卸车模块为吊车式起重机，对应的储气罐为LNG储气罐，应该理解的是，本发明控制系统用于对卧式储气罐的吊放卸车进行控制。

可选的，中控模块为单片机，其通过蓝牙、局域网等无线连接方式进行数据传输以对各模块进行控制。

具体而言，检测模块包括姿态检测单元、内腔检测单元和吊放检测单元；

姿态检测单元用以检测储气罐表面的图像和位置信息，内腔检测单元用以检测储气罐内部的流体状态，吊放检测单元用以检测吊装绳索的拉应力。

可选的，姿态检测单元为若干深度相机或若干位移传感器，内腔检测单元为红外测试仪，吊放检测单元为安装在吊放绳索上的拉力传感器或通过计算机视觉进行受力识别的深度相机。

具体而言，平衡模块由布设在储气罐两端的力臂最大位置的平衡环和联通平衡环的导液管组成，平衡环上设有若干喷气方向可调的喷气阀，平衡环内填充液氮，喷气阀将液氮气化排出以通过气体动力实现姿态稳定，通过导液管调节两端平衡环的液氮储量以对储气罐的偏移进行修正。

力臂最大位置为可安装的位置中与储气罐重心距离最远的位置。

平衡模块工作的同时内部流体气化吸热能够在实现平衡功能的同时对储气罐进行有效降温，分担储气罐的控温负担，避免储气罐过热导致的安全事故。

在实施中，液氮可以替换为其它能实现平衡模块功能且不对储气罐造成安全隐患的流体。

请参阅图2-图4所示，其分别为本发明实施例平衡模块安装示意图、本发明实施例储气罐吊放示意图和本发明实施例储气罐截面示意图，图中，储气罐4左右两侧分别安装左平衡环2和右平衡环3，导液管保护壳1内设有导液管6，平衡环上设有若干喷气阀5，且在吊放过程中导液管位于储气罐上表面。

具体而言，中控模块建立随吊放动作进行移动的空间坐标系并监测储气罐的偏移。

请参阅图5所示，其为本发明实施例空间坐标系示意图，在吊放动作前，中控模块采用右手坐标系建立空间坐标系，以处于储气罐径向且穿过储气罐重心的方向为X轴向，以X轴所在水平面上垂直且相交于X轴的直线为Y轴向，以同时垂直且相交于X轴和Y轴的直线为Z轴，且坐标系跟随储气罐重心移动，以远离对应平面的方向为Z轴正方向。

可以理解的是，上述储气罐重心指未进行吊放动作前储气罐的重心，且在吊放过程中仍以吊放动作前储气罐的重心为坐标原点，其不随储气罐重心的变化而变化。本发明中控模块建立随吊放动作进行移动的空间坐标系并监测储气罐的偏移，通过移动的空间坐标系能够对吊放过程中若干状态的评价标准进行统一，有效提高了卸车精准性。

可选的，中控模块通过以下步骤建立坐标系并通过深度相机的采集数据实时更新坐标系：

步骤S1，深度相机周期性采集储气罐外表面的点云数据，基于初始坐标系记录每个特征点的坐标(X,Y,Z)。

步骤S2，通过对比与滤波算法筛选出储气罐外形轮廓上的关键特征点。

步骤S3，利用特征点和曲面拟合技术，在三维空间内重建出虚拟储气罐的外形曲面模型。

步骤S4，同时确定模型的姿态参数，包括旋转和各方向上的偏移以及重心位置。

步骤S5，根据重心位置构建新的坐标系：

步骤S6，每获得一组新点云后，重复步骤S2-步骤S5更新虚拟模型和坐标系。

在实施中，对于单个储气罐，其利用深度相机采集数据的周期为0.2s、0.5s或1s。

具体而言，中控模块在执行吊放动作前将储气罐的表面对应的若干坐标设置为稳态坐标。本发明中控模块设置稳态坐标，通过当前坐标与稳态坐标的对比能够对储罐的偏移进行精准的分析，进一步提高了卸车精准性。

具体而言，中控模块在执行吊放动作时，根据储气罐的状态将吊放动作划分为起升阶段、悬置阶段和回落阶段。

起升阶段为储气罐上升且与对应平面的距离小于等于安全距离的阶段，悬置阶段为储气罐与对应平面的距离大于安全距离的阶段，回落阶段为储气罐下降且距离对应平面的距离小于等于安全距离的阶段。

可以理解的是，储气罐上升时，对应平面为储气罐放置时的初始平面，储气罐下降时，对应平面为储气罐目标放置位置所在平面，悬置阶段的对应平面同时包含上述两者。储气罐与对应平面的距离为储气罐任一位置与平面垂线的最短距离，安全距离为当前吊放状态下，储气罐能出现的最大偏移量对应的距离。

具体而言，中控模块将起升阶段划分为分析阶段和调节阶段；

其中，分析阶段为储气罐完全脱离对应平面前的阶段，调节阶段为起升阶段内除分析阶段外的剩余阶段。中控模块将吊放动作划分为若干阶段，各个阶段的物理特征不同，通过划分阶段和针对性控制，进一步提高了卸车精准性。

具体而言，中控模块在分析阶段根据稳态坐标确定坐标变化信息，并根据坐标变化信息确定调节阶段中平衡模块的工作参数。

坐标变化信息包括储气罐表面各坐标点在X轴和Y轴所在平面上的投影相对于对应稳态坐标在X轴和Y轴所在平面投影的偏移距离，以及各坐标点相对于稳态坐标在Z轴坐标值的变化量。

中控模块在调节阶段下，控制平衡模块对储气罐的姿态进行调节。中控模块根据坐标变化信息确定在调节阶段平衡模块的偏移调节策略；

其中，偏移调节策略包括根据最大坐标变化量确定储气罐两侧流体平衡单元各自的目标流体储量，并根据流体储量控制导液管内的控制阀传输流体以达到对应的目标流体储量；

最大坐标变化量为储气罐表面所有坐标点中Z坐标变化量最大的坐标点对应的坐标变化量，流体传输至坐标变化量为正值对应一侧的平衡环且流体的传输量与最大坐标变化量成正相关。

可以理解的是，两侧平衡环的流体储量之和为定值。

实施例1：在LNG储气罐使用起重机吊装的过程中，在LNG储气罐完全离地即分析阶段结束，调节阶段开始时，启动偏移调节策略以如下步骤对偏移进行修正；

步骤S01，最大坐标变化量分析：

中控模块判定储气罐右侧某坐标点的坐标变化量为最大坐标变化量ΔDmax，且左侧的坐标变化量为负值。

步骤S02，流体储量确定：

根据ΔDmax和两侧平衡环的流体储量之和为1.2L以及整体质量对平衡状态进行模拟，获取流体储量分配结果为左平衡环0.5L，右平衡环0.7L，根据分配结果计算流体传输量为0.1L并打开控制阀，按计算出的流体传输量将流体由左平衡环向右平衡环进行传输。

偏移调节策略还包括中控模块根据偏移距离确定是否对卸车模块进行监测；

其中，若最大偏移距离大于预设距离阈值，中控模块判定需对卸车模块进行监测，并根据最大偏移距离对监测区域进行进一步判定；

若最大偏移距离小于等于预设距离阈值，中控模块判定无需对卸车模块进行监测；

中控模块根据最大偏移距离对应坐标点确定吊放绳索上的监测区域，监测区域以储气罐上的各个吊点为起始区域向上方扩展，扩展高度与最大偏移距离成正相关。

可以理解的是，最大偏移距离为储气罐的各坐标点对应的偏移距离中的最大值。

中控模块控制吊放检测单元根据监测区域对吊放绳索的拉力进行检测，在若干吊放绳索拉力不均匀或拉力异常时报警。

中控模块在调节阶段根据储气罐内的流体状态确定气体平衡单元的工作状态。

其中，中控模块在流体稳定度小于预设稳定度阈值时启动惯性修正策略控制气体平衡单元根据流体稳定度对流体传输产生的惯性进行修正；

其中，流体稳定度与流体在起升阶段的最大流速和液面高度变化量成负相关，中控模块启动惯性修正策略向喷气阀发出开闭指令。其中，流体向右运动时，右侧平衡环上方的喷气阀和左侧平衡环下方的喷气阀开启，当流体向左运动时右侧平衡环下方的喷气阀和左侧平衡环上方的喷气阀开启，各喷气阀的喷出气体的动压能够通过喷气阀开度调节且与储气罐内部流体的流速成正相关。

实施例2：在LNG储气罐起吊过程中的调节阶段，导液管向一侧平衡环输送液氮进行姿态修正，由于液氮流动会产生惯性，需要控制气体平衡单元进行抵消。中控模块根据内腔检测单元检测的流体流速和液面高度变化量对流体稳定度进行计算：

测量储气罐中的液氮流速v和液面高度变化量ΔH。

将v和ΔH带入经验公式计算流体稳定度S，设定S=aV+bΔH+c。

计算出流体稳定度S=0.7。

中控模块的预设稳定度阈值St=0.8。

判断S＜St，则启动惯性修正策略，检测到液氮向左侧平衡环输送，控制右侧上方和左侧下方的喷气阀打开，根据液氮流速v计算喷气动压P=k×v，调节两端喷气阀开度，使喷出气体动压达到P。

其中，a、b、c、k为对应的转换系数。

在悬置阶段下，中控模块在检测到储气罐偏移时控制各喷气阀对储气罐的姿态进行实时调整；

其中，中控模块根据偏移姿态分析修正动力和修正方向，并根据修正动力和修正方向选择需开启的喷气阀和对应的喷气动压，以实现储气罐的姿态调整。

具体而言，中控模块根据悬置阶段和起升阶段各自的稳定性特征值确定在回落阶段卸车模块的吊放模式和吊放速度。中控模块进入回落阶段前计算起升阶段和悬置阶段的稳定性特征值，并根据稳定性特征值确定回落阶段的吊放模式；

稳定性特征值K根据式（1）确定，

（1），

其中，V1为对应阶段内储气罐处于稳定坐标构成的区域外的空间的体积之和，V2为对应阶段的任一时刻储气罐处于稳定坐标构成的区域外的最大体积。

中控模块根据储气罐质量设置起升阶段稳定性阈值Ka和悬置阶段稳定性阈值Kb，Ka＞Kb，且Ka和Kb与储气罐质量成负相关。

中控模块在起升阶段的稳定性特征值K1≥Ka，悬置阶段的稳定性特征值K2≥Kb时判定气体平衡单元和流体平衡单元均不工作，卸车模块以标准速度控制储气罐回落；

中控模块在起升阶段的稳定性特征值K1＜Ka，悬置阶段的稳定性特征值K2≥Kb，或，起升阶段的稳定性特征值K1≥Ka，悬置阶段的稳定性特征值K2＜Kb时在储气罐一边与放置平面相交时将处于另一侧上方的气体平衡单元开启，开启后卸车模块以第一速度控制储气罐回落，

中控模块在起升阶段的稳定性特征值K1＜Ka，悬置阶段的稳定性特征值K2＜Kb时在储气罐一角与放置平面接触时将处于另一侧上方的气体平衡单元开启，同时控制将导液管内的控制阀开启将流体传输至该接触的一角对应的一侧，开启后卸车模块以第二速度控制储气罐回落。

第一速度和第二速度与K1和K2成正相关且小于标准速度，第一速度小于第二速度。可以理解的是，回落阶段的风险最大，当稳定性特别低时先控制储气罐一角与平面接触再将流体流向接触角的一侧这样另一端受力减小接触端更为稳定，减少位置偏移，在一角接触的情况下以一个较低的速度回落能够使布设位置更为精准，先落一边同理，可以理解的是，对于需吊放的储气罐，储气罐的底端是有图3所示的承接结构的，在回落过程中必然存在一个角先落，然后一个边，最后整个面的过程，通过前两个阶段的数据对回落阶段的吊放进行调整，进一步提高了卸车精准性。

具体而言，中控模块在进入回落阶段前对储气罐的落点进行分析并通过平衡模块调节储气罐的姿态。

中控模块将储气罐坐标投影至放置平面，并通过平衡模块调整储气罐姿态，直至中控模块与放置平面上的标准区域重合；

其中，标准区域根据储气罐开始下落后且进入回落阶段前的坐标投影确定，通过对回落位置的精准控制保证了储气罐的布设精度，进一步提高了卸车精准性。

可以理解的是，坐标投影的确定包括：将单个储气罐坐标的Z轴坐标值改为0，且其余轴向坐标不变，在所有坐标进行以上更改后形成的范围即为坐标投影。

可选的，中控模块确定储气罐开始下落后且进入回落阶段前的所有坐标投影的总覆盖范围，以总覆盖范围构成图形的几何中心为基准点，以储气罐放置后的坐标投影为标准图形，将标准图形的几何中心设置在基准点，并根据吊放过程的目标布设位置划定标准图形的设置方向，标准图形几何中心与基准点重合且处于设置方向时对应的区域即为标准区域。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种用于储气罐卸车过程的控制系统，其特征在于，其用于对储气罐吊放卸车的过程进行自适应控制包括：

卸车模块，其用以执行吊放动作并将储气罐移动至放置位置；

检测模块，其分别与所述卸车模块和所述储气罐连接，用以采集所述储气罐的吊放参数；

平衡模块，其与所述储气罐连接，用以稳定储气罐的姿态，包括气体平衡单元和流体平衡单元；

中控模块，其分别与所述卸车模块、所述检测模块和所述平衡模块连接，设有用于控制所述平衡模块的偏移调节策略和惯性修正策略；

其中，所述偏移调节策略包括在检测到储气罐吊放坐标偏移时控制平衡模块对储气罐姿态进行修正，所述惯性修正策略包括控制所述平衡模块对执行偏移调节策略时储气罐的惯性进行抵消以稳定储气罐的姿态，所述吊放参数包括位置信息和流体状态。

2.根据权利要求1所述的用于储气罐卸车过程的控制系统，其特征在于，

所述中控模块建立随所述吊放动作进行移动的空间坐标系并监测所述储气罐的偏移。

3.根据权利要求2所述的用于储气罐卸车过程的控制系统，其特征在于，所述中控模块在执行所述吊放动作前将所述储气罐的表面对应的若干坐标设置为稳态坐标。

4.根据权利要求2或3所述的用于储气罐卸车过程的控制系统，其特征在于，所述中控模块在执行所述吊放动作时，根据储气罐的状态将吊放动作划分为起升阶段、悬置阶段和回落阶段。

5.根据权利要求4所述的用于储气罐卸车过程的控制系统，其特征在于，所述中控模块将所述起升阶段划分为分析阶段和调节阶段；

其中，所述分析阶段为储气罐完全脱离对应平面前的阶段，所述调节阶段为所述起升阶段内除分析阶段外的剩余阶段。

6.根据权利要求5所述的用于储气罐卸车过程的控制系统，其特征在于，所述中控模块在所述分析阶段根据稳态坐标确定坐标变化信息，并根据坐标变化信息确定所述调节阶段中所述平衡模块的工作参数。

7.根据权利要求5或6任一项所述的用于储气罐卸车过程的控制系统，其特征在于，所述中控模块在所述调节阶段下，控制所述平衡模块对所述储气罐的姿态进行调节。

8.根据权利要求7所述的用于储气罐卸车过程的控制系统，其特征在于，所述中控模块在所述调节阶段根据所述储气罐内的流体状态确定所述气体平衡单元的工作状态。

9.根据权利要求8所述的用于储气罐卸车过程的控制系统，其特征在于，所述中控模块根据所述悬置阶段和所述起升阶段各自的稳定性特征值确定在所述回落阶段所述卸车模块的吊放模式和吊放速度。

10.根据权利要求9所述的用于储气罐卸车过程的控制系统，其特征在于，所述中控模块在进入所述回落阶段前对所述储气罐的落点进行分析并通过所述平衡模块调节所述储气罐的姿态。