CN117945268A - 一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法、存储介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法、存储介质及设备，根据门座起重机运动的起点和终点将运动过程修改为改进的S型曲线：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段；根据门座起重机上象鼻梁到吊物的长度估计摆动周期，根据摆动周期调整减加速段和减减速段的时间；在匀速段的每一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值，进行加减速控制，直至进入加减速段。与已有的防摆控制算法相比，可以实现更优的消摆控制，增强门座起重机的稳定性和安全性。本发明的控制方法简单，易于工程实用，抗干扰性强，具有十分广阔的工程应用前景。

Description

一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方 法、存储介质及设备

技术领域

本发明涉及起重机控制技术领域，具体地，涉及一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法、存储介质及设备。

背景技术

门座起重机是一种常用的起重设备，由于起重机操作过程中存在惯性和力的作用，当起吊的物体不平衡或者移动速度不一致时，容易引起摆动，这会影响到操作的安全性和效率。

为了解决这一问题，目前已经有一些防摆控制算法被提出，主要分为两大类：第一类是轨迹跟踪策略包括离线运动规划和输入整形方法，这类方法主要从轨迹规划的方式对象鼻梁的运动轨迹进行规划，通过控制实现对轨迹的精确跟踪，从而实现防摆控制；第二类是镇定控制策略，从经典控制、现代控制和智能控制等方面分别展开，具体方法包括PID控制、最优控制、滑模控制、反步控制和无源控制等，先对系统进行建模，然后根据测量的结果进行控制，实现摆动的抑制。

然而上述方法在门机控制的实际应用中存在以下不足：现有的门座起重机防摆控制技术在应对复杂工况时存在局限性，例如，当起吊物体体积庞大或者形状复杂时，摆动问题会更加复杂，防摆控制的难度也会增加；此外，在风力较大、地面不平坦或者起重机本身存在机械故障的情况下，防摆控制技术往往无法完全解决摆动问题，需要人工干预或采取其他措施来确保操作的安全性。特别是第一类方法，对运动过程中的干扰基本无能为力。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法、存储介质及设备，以减少门座起重机工作过程中的晃动和摆动。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法，具体包括如下步骤：

根据门座起重机运动的起点和终点将运动过程进行轨迹规划，得到改进的S型曲线：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段；

根据门座起重机上象鼻梁到吊物的长度估计摆动周期，根据摆动周期调整减加速段和减减速段的时间；

在匀速段的每一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值，进行加减速控制，直至进入加减速段。

进一步地，所述摆动周期的估计过程为：

其中，T表示摆动周期，l表示门座起重机上象鼻梁到吊物的长度，g表示重力加速度。

进一步地，所述门座起重机运动分为旋转运动和变幅运动。

进一步地，当门座起重机运动为变幅运动时，所述改进的S型曲线的加速度表示为：

其中，a(t_i)表示改进的S型曲线在第i个运动阶段的时刻t_i下的加速度，T₁表示加加速段的总时间，T₂表示匀加速段的总时间，T₃表示减加速段的总时间，T₃＝T/4，T₄表示匀速段的总时间，T₅表示加减速段的总时间，T₆表示匀减速段的总时间，T₇表示减减速段的总时间，T₇＝T/4；J₁、J₂、J₃均为加加速度，满足J₁T₁＝J₂T₃＝A、J₁T₅＝J₃T₇＝D，A为最大加速度，D为最大减加速度。

进一步地，在匀速段的每一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值，进行加减速控制的具体过程为：

A、在匀速段吊物前进方向的一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值θ，在吊物前进方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行加速度的匀减速运动，运动时间为T/4，之后门座起重机的象鼻梁保持匀速运动到吊物摆动前进方向反方向最大摆角处；

B、通过匀减速运动调整后，实时检测调整后吊物前进方向反方向的一个摆动周期内吊物的最大摆角值θ'，在前进方向反方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行加速度的匀加速运动，运动时间为T/4，之后门座起重机的象鼻梁保持匀速运动到吊物摆动前进方向最大摆角处；

C、重复步骤A-B，直至吊物进入加减速段。

进一步地，当门座起重机运动为旋转运动时，所述改进的S型曲线的加速度为角加速度，表示为：

其中，α(t_i)表示改进的S型曲线在第i个运动阶段的时刻t_i下的角加速度，T₁表示加加速段的总时间，T₂表示匀加速段的总时间，T₃表示减加速段的总时间，T₃＝T/4，T₄表示匀速段的总时间，T₅表示加减速段的总时间，T₆表示匀减速段的总时间，T₇表示减减速段的总时间，T₇＝T/4；J₁、J₂、J₃均为加加速度，满足J₁T₁＝J₂T₃＝A、J₁T₅＝J₃T₇＝D，A为最大加速度，D为最大减速度；s表示吊物到旋转中心的距离。

进一步地，在匀速段的每一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值，进行加减速控制的具体过程为：

i、在匀速段吊物前进方向的一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值θ，在吊物前进方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行角加速度的匀减速运动，运动时间为T/4，之后象鼻梁保持匀速运动，直到吊物摆动到前进方向反方向最大摆角处；

ii、通过匀减速运动调整后，实时检测调整后吊物前进方向反方向的一个摆动周期内吊物的最大摆角值θ'，在前进方向反方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行角加速度的匀加速运动，运动时间为T/4，之后象鼻梁保持匀速运动，直到吊物摆动到吊物前进方向最大摆角处；

iii、重复步骤i-ii，直至吊物进入加减速段。

进一步地，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行所述的基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法。

进一步地，本发明还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现所述的基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法采用改进的S型曲线进行轨迹规划，根据摆动周期调整减加速段和减减速段的时间，尽可能减少吊物的摆动幅度；在匀速段根据实时检测吊物的最大摆角值，将匀速段进行加减速控制来进行消摆，从而在每个摆动周期内进行实时消摆，响应速度更快，与已有的防摆控制算法相比，可以实现更优的消摆控制，增强门座起重机的稳定性和安全性。本发明的控制方法简单，易于工程实用，抗干扰性强，具有十分广阔的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法的流程图；

图2为本发明中改进的S型曲线的示意图；

图3为均速段融合加减速控制的运行过程曲线图；

图4为均速段加减速控制摆动过程示意图，其中，图4中的(a)为吊物前进方向最大摆角处的示意图，图4中的(b)为吊物前进方向反方向摆角为0的示意图，图4中的(c)为吊物前进方向反方向最大摆角处示意图，图4中的(d)为吊物前进方向摆角为0的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地解释说明。

如图1为本发明基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法的流程图，该门座起重机防摆控制方法具体包括如下步骤：

一般根据门座起重机的旋转和变幅运动的起点和终点把运动过程看作S型曲线，分为三个阶段：加速段、中间段和减速段。在加速阶段，象鼻梁点从初始状态运动到最大允许的速度(变幅运动速度和旋转速度)；中间段为象鼻梁点到达最大允许速度后到减速段开始之前的运动阶段；减速段为象鼻梁点从减速开始到速度为零的运动阶段。如图2，本发明根据门座起重机运动的起点和终点将运动过程进行轨迹规划，得到改进的S型曲线：加加速段T1、匀加速段T2、减加速段T3、匀速段T4、加减速段T5、匀减速段T6和减减速段T7，改进的S型曲线的T1、T2和T3段启动门座起重机，使得门座起重机运行到最大速度状态；在到达减速点后，按改进的S型曲线的T5、T6和T7段减速到0。

在加速段和减速段，常规的轨迹规划只是规划了象鼻梁点平滑运动来影响吊物的摆动，没有直接对吊物的摆动进行分析。本发明中考虑加减速对吊物摆角的影响，在改进的S型曲线的减加速段T3和减减速段T7进行改进，采用改进的S型曲线加减速法进行轨迹规划，尽可能减少的摆动幅度。由于在匀加速段T2和匀减速段T6，吊物偏离垂直位置有一定的偏角，根据门座起重机上象鼻梁到吊物的长度估计摆动周期并根据摆动周期调整减加速段T3和减减速段T7的时间T3＝T7＝T/4，其中，T表示摆动周期，l表示门座起重机上象鼻梁到吊物的长度，g表示重力加速度。

当门座起重机运动为变幅运动时，改进的S型曲线的加速度表示为：

其中，a(t_i)表示改进的S型曲线在第i个运动阶段的时刻t_i下的加速度，T₁表示加加速段的总时间，T₂表示匀加速段的总时间，T₃表示减加速段的总时间，T₃＝T/4，T₄表示匀速段的总时间，T₅表示加减速段的总时间，T₆表示匀减速段的总时间，T₇表示减减速段的总时间，T₇＝T/4；J₁、J₂、J₃均为加加速度，满足J₁T₁＝J₂T₃＝A、J₁T₅＝J₃T₇＝D，A为最大加速度，D为最大减加速度。

一般J₁为常值，可确定则在减加速段T3，吊物从偏离垂直位置逐渐回到垂直状态，相对于吊物的摆动周期，减加速段的时间非常短，可把吊物的运动近似为一个单摆运动，因此在改进型的S曲线中考虑减加速段的时间为单摆运动的四分之一周期，即当吊物下摆到最低点时，象鼻梁点的运动速度也到达最大值，从而尽可能减少到达匀速段T4时吊物的摆动。同理，在减减速段T7，可确定/>则在减减速段T7，吊物从偏离垂直位置逐渐回到垂直状态，相对于吊物的摆动周期，减减速段的时间非常短，可把吊物的运动近似为一个单摆运动，因此在改进型的S曲线中考虑减减速段的时间为单摆运动的四分之一周期，即当吊物下摆到最低点时，象鼻梁点的运动速度到达0值，从而尽可能减少门座起重机停止时吊物的摆动。

对每个阶段的加速度积分得到速度：

其中，v(t_i)表示改进的S型曲线在第i个运动阶段的时刻t_i下的速度，v_s表示起始速度，v₁表示加加速段T1的结束速度，v₂表示匀加速段T2的结束速度，v₃表示减加速段T3的结束速度，v₄表示匀速段T4的结束速度，v₅表示加减速段T5的结束速度，v₆表示匀减速段T6的结束速度。

对每个阶段的速度积分得到位移：

其中，s(t_i)表示改进的S型曲线在第i个运动阶段的时刻t_i下的位移，s₀表示初始位移，s₁表示加加速段T1的总位移，s₂表示匀加速段T2的总位移，s₃表示减加速段T3的总位移，s₄表示匀速段T4的总位移，s₅表示加减速段T5的总位移，s₆表示匀减速段T6的总位移。

本发明使用改进型的S型曲线对门座起重机的末端路径进行规划，得到一条平滑的轨迹，在保证象鼻梁运行轨迹平稳的同时，通过控制减加速段T3和减减速段T7的时间尽可能的消减吊物的摆动。

同理，当门座起重机运动为旋转运动时，改进的S型曲线的加速度为角加速度，表示为：

其中，α(t_i)表示改进的S型曲线在第i个运动阶段的时刻t_i下的角加速度，T₁表示加加速段的总时间，T₂表示匀加速段的总时间，T₃表示减加速段的总时间，T₃＝T/4，T₄表示匀速段的总时间，T₅表示加减速段的总时间，T₆表示匀减速段的总时间，T₇表示减减速段的总时间，T₇＝T/4；J₁、J₂、J₃均为加加速度，满足J₁T₁＝J₂T₃＝A、J₁T₅＝J₃T₇＝D，A为最大加速度，D为最大减速度；s表示吊物到旋转中心的距离。

在匀速段的每一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值，进行加减速控制来进行消摆，直至进入加减速段；具体地，如图3，当门座起重机运动为变幅运动时，进行加减速控制的具体过程为：

A、如图4中的(a)，在匀速段吊物前进方向的一个摆动周期内通过陀螺仪实时检测吊物的最大摆角值θ，在吊物前进方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行加速度的匀减速运动，运动时间为T/4，之后，如图4中的(b)，门机象鼻梁保持匀速运动，门座起重机的象鼻梁保持匀速运动到吊物摆动前进方向反方向最大摆角处；

B、如图4中的(c)，通过匀减速运动调整后，通过陀螺仪实时检测调整后吊物前进方向反方向的一个摆动周期内吊物的最大摆角值θ'，在前进方向反方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行加速度的匀加速运动，运动时间为T/4，之后，如图4中的(d)，门座起重机的象鼻梁保持匀速运动到吊物摆动前进方向最大摆角处；

C、重复步骤A-B，直至吊物进入加减速段。本发明的匀速段在吊物的每个摆动周期内进行T/4的匀加速和匀减速运动，从而抑制吊物的摆动，从而对运动过程中的实时扰动产生的摆动具有较好的抑制作用，响应速度更快，同时，增能够强门座起重机的稳定性和安全性。

本发明中加减速控制过程的原理为：

以吊物匀速运动的动坐标系为参考坐标系，则吊物的摆动在此坐标系内可看成为一个能量守恒系统，吊物在最前端的状态如图4中的(a)所示，在最前端的动能为0，相对于最底端的势能为mgl(1-cosθ)；在最底端速度为v，动能为势能为0，则根据能量守恒定理：

可得：

此速度方向和参考坐标系的运动方向相反，如果此时象鼻梁点A的速度和吊物的速度相同，则可消除吊物的摆动，吊物到最底端的时间为T/4，故可令象鼻梁点A在此T/4的加速度为：

同理，吊物在最后端的状态如图4中的(c)所示，吊物到最底端的T/4周期内的加速度为：

同理，当门座起重机运动为旋转运动时，通过加减角加速度进行加减速控制的具体过程为：

i、在匀速段吊物前进方向的一个摆动周期内通过陀螺仪实时检测吊物的最大摆角值θ，在吊物前进方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行角加速度的匀减速运动，运动时间为T/4，之后象鼻梁保持匀速运动，直到吊物摆动到前进方向反方向最大摆角处；

ii、通过匀减速运动调整后，通过陀螺仪实时检测调整后吊物前进方向反方向的一个摆动周期内吊物的最大摆角值θ'，在前进方向反方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行角加速度的匀加速运动，运动时间为T/4，之后象鼻梁保持匀速运动，直到吊物摆动到吊物前进方向最大摆角处；

iii、重复步骤i-ii，直至吊物进入加减速段。本发明的匀速段在吊物的每个摆动周期内进行T/4的匀加速和匀减速运动，从而抑制吊物的摆动，从而对运动过程中的实时扰动产生的摆动具有较好的抑制作用，响应速度更快，同时，增能够强门座起重机的稳定性和安全性。

在本发明的一个技术方案中，还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行所述的基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法。

在本发明的一个技术方案中，还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现所述的基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法。

在本申请所公开的实施例中，计算机存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用的程序。计算机存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。计算机存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本申请所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

根据门座起重机运动的起点和终点将运动过程进行轨迹规划，得到改进的S型曲线：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段；

根据门座起重机上象鼻梁到吊物的长度估计摆动周期，根据摆动周期调整减加速段和减减速段的时间；

在匀速段的每一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值，进行加减速控制，直至进入加减速段。

2.根据权利要求1所述的一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法，其特征在于，所述摆动周期的估计过程为：

其中，T表示摆动周期，l表示门座起重机上象鼻梁到吊物的长度，g表示重力加速度。

3.根据权利要求2所述的一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法，其特征在于，所述门座起重机运动分为旋转运动和变幅运动。

4.根据权利要求3所述的一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法，其特征在于，当门座起重机运动为变幅运动时，所述改进的S型曲线的加速度表示为：

其中，a(t_i)表示改进的S型曲线在第i个运动阶段的时刻t_i下的加速度，T₁表示加加速段的总时间，T₂表示匀加速段的总时间，T₃表示减加速段的总时间，T₃＝T/4，T₄表示匀速段的总时间，T₅表示加减速段的总时间，T₆表示匀减速段的总时间，T₇表示减减速段的总时间，T₇＝T/4；J₁、J₂、J₃均为加加速度，满足J₁T₁＝J₂T₃＝A、J₁T₅＝J₃T₇＝D，A为最大加速度，D为最大减加速度。

5.根据权利要求4所述的一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法，其特征在于，在匀速段的每一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值，进行加减速控制的具体过程为：

A、在匀速段吊物前进方向的一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值θ，在吊物前进方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行加速度的匀减速运动，运动时间为T/4，之后门座起重机的象鼻梁保持匀速运动到吊物摆动前进方向反方向最大摆角处；

B、通过匀减速运动调整后，实时检测调整后吊物前进方向反方向的一个摆动周期内吊物的最大摆角值θ'，在前进方向反方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行加速度的匀加速运动，运动时间为T/4，之后门座起重机的象鼻梁保持匀速运动到吊物摆动前进方向最大摆角处；

C、重复步骤A-B，直至吊物进入加减速段。

6.根据权利要求3所述的一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法，其特征在于，当门座起重机运动为旋转运动时，所述改进的S型曲线的加速度为角加速度，表示为：

其中，α(t_i)表示改进的S型曲线在第i个运动阶段的时刻t_i下的角加速度，T₁表示加加速段的总时间，T₂表示匀加速段的总时间，T₃表示减加速段的总时间，T₃＝T/4，T₄表示匀速段的总时间，T₅表示加减速段的总时间，T₆表示匀减速段的总时间，T₇表示减减速段的总时间，T₇＝T/4；J₁、J₂、J₃均为加加速度，满足J₁T₁＝J₂T₃＝A、J₁T₅＝J₃T₇＝D，A为最大加速度，D为最大减速度；s表示吊物到旋转中心的距离。

7.根据权利要求6所述的一种基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法，其特征在于，在匀速段的每一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值，进行加减速控制的具体过程为：

i、在匀速段吊物前进方向的一个摆动周期内实时检测吊物的最大摆角值θ，在吊物前进方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行角加速度的匀减速运动，运动时间为T/4，之后象鼻梁保持匀速运动，直到吊物摆动到前进方向反方向最大摆角处；

ii、通过匀减速运动调整后，实时检测调整后吊物前进方向反方向的一个摆动周期内吊物的最大摆角值θ'，在前进方向反方向最大摆角处，门座起重机的象鼻梁进行角加速度的匀加速运动，运动时间为T/4，之后象鼻梁保持匀速运动，直到吊物摆动到吊物前进方向最大摆角处；

iii、重复步骤i-ii，直至吊物进入加减速段。

8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序使计算机执行如权利要求1-7任一项所述的基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现如权利要求1-7任一项所述的基于轨迹规划和加减速控制的门座起重机防摆控制方法。