本發(fā)明涉及工程機械，尤其涉及一種起重機吊鉤目標(biāo)運動軌跡控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著經(jīng)濟建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展，起重機越來越多的被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)建設(shè)、交通運輸?shù)戎T多行業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)貨物轉(zhuǎn)運與智能裝配等工作，為國家提供高端裝備工程支持。同時在信息產(chǎn)業(yè)化與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速崛起過程中，起重機的智能化、集約化與精確化必然成為當(dāng)下起重裝備的發(fā)展趨勢。對起重機提出了高效率、高準(zhǔn)確性，高安全性的要求。

2、在自動化控制技術(shù)與機器人控制技術(shù)的迅猛發(fā)展過程中，安全穩(wěn)定的高度自動化設(shè)備，能夠更好地代替機械的人力勞動，降低生產(chǎn)成本。若考慮機器人技術(shù)的靈活性與自動化技術(shù)的高效性相融合，并推廣到履帶起重機系統(tǒng)上，就能夠更多地替代技術(shù)工人的經(jīng)驗操作，不斷降低人為因素帶來的誤差，提高運轉(zhuǎn)效率與穩(wěn)定性。自動化的起重機系統(tǒng)通過軌跡規(guī)劃能夠使吊鉤按照預(yù)定的位置自動匹配合適的加速度，避免由于下落加速度過大造成操作者緊急踩腳踏板引起吊鉤制動沖擊現(xiàn)象，同時降低了人員操作的勞動強度，有效提升整體執(zhí)行效率；并且自動起重機能夠較好地抑制負(fù)載剎車沖擊，降低事故發(fā)生風(fēng)險，并能夠滿足起重機在大多數(shù)危險環(huán)境中正常執(zhí)行任務(wù)，開拓了作業(yè)范圍。

3、目前在履帶式起重機操作過程中主要依賴人工實踐經(jīng)驗，即操作人員通過日常操作和經(jīng)驗積累，對設(shè)備的性能狀況以及運行環(huán)境逐漸地熟悉了解，不斷的試驗與修正，最后實現(xiàn)吊鉤負(fù)載的平穩(wěn)下落，此方法需要操作工人長期地摸索與實踐，而且施工環(huán)境的復(fù)雜性有時是人為無法預(yù)知和及時應(yīng)對的，特別是在惡劣天氣和危險環(huán)境中工作，需要同時滿足人身安全和下落速度，這對操作人員的要求更加苛刻，提高了履帶起重機的實用難度。并且在實際過程中發(fā)現(xiàn)操作履帶起重機吊鉤卷揚時出現(xiàn)卷揚速度不受踏板控制，造成超正常速度下滑現(xiàn)象，不能使吊鉤按照預(yù)定速度勻速平穩(wěn)下降，下滑速度超過了最大工作速度且呈自由加速的狀態(tài)。例如在操作手柄控制卷揚吊載起升或下落時出現(xiàn)了吊載的快速下降，通過松腳踏板進行自由落鉤時出現(xiàn)了吊鉤的快速下降并且不能停止，若緊急踩腳踏板，動作不能停止，造成制動器及馬達損壞導(dǎo)致操作失誤，嚴(yán)重的話甚至造成鋼絲繩或者臂架斷裂產(chǎn)生災(zāi)難性后果。因此找到一種合適的自由落鉤剎車可控和平穩(wěn)性的控制方法就成了當(dāng)務(wù)之急，有效的規(guī)劃吊鉤下落的運動軌跡對提高整機工作效率和安全性具有重要意義。

4、經(jīng)過大量的調(diào)研研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)：公開號為cn102040160a提出了一種平滑過渡軌跡的軌跡跟蹤控制方法，并在履帶起重機試驗平臺上獲得較好的實驗結(jié)果，但多次的迭代優(yōu)化控制參數(shù)較為繁瑣，隨后再次深入研究，在三段式加速度軌跡相平面基礎(chǔ)上規(guī)劃履帶吊的吊鉤加速度過渡軌跡，但設(shè)計好的加速度軌跡在實驗過程中不太平滑，容易給吊鉤帶來較大的沖擊，嚴(yán)重的情況下發(fā)生吊鉤打滑剎不住現(xiàn)象，極大地影響了施工安全。但是由于平滑過渡軌跡規(guī)劃是一種基于加速度運動控制的一種方式，能夠直接反映履帶起重機的位移變化、速度和加速度極限，實現(xiàn)自由落鉤系統(tǒng)吊鉤的勻速下落。該方法中沒有針對所涉及好的加速度軌跡應(yīng)用到工程實踐，由于控制參數(shù)的復(fù)雜性，在不同剎車階段加速度軌跡曲線不連續(xù)，沒有在節(jié)點處進行過渡，再加上沒有考慮到在不同負(fù)載下加速度參數(shù)與制動力大小的匹配關(guān)系，在制動的瞬間還是伴隨著制動沖擊的存在。

5、公開號為cn116281600a針對橋式起重機吊鉤定位以及擺動抑制提出了軌跡規(guī)劃方法及系統(tǒng)，通過獲取臺車、橋架位移長度，并結(jié)合吊鉤和負(fù)載的擺角，構(gòu)建橋式起重機系統(tǒng)動力學(xué)模型，最后根據(jù)模型的結(jié)果得到對臺車、橋架運動和吊鉤的軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)橋式起重機的定位與擺動抑制控制。根據(jù)臺架以及橋架位移確定運行軌跡，在此過程中近乎勻速運動，并實現(xiàn)吊鉤消擺，此方法雖然很適應(yīng)橋式起重機的姿態(tài)，但顯然不適合履帶式起重機自由落鉤工況。

6、公開號為cn117819393a提出了一種用于檢測起重機吊鉤姿態(tài)的方法及其控制器，通過獲取起重機當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)下的工況數(shù)據(jù)，計算出各支腿反力，獲取起重機各支腿機構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)下的實際支腿反力，確定當(dāng)前起重機的吊鉤姿態(tài)。公開號為cn112850495b提出了一種考慮狀態(tài)約束的回轉(zhuǎn)型起重機軌跡規(guī)劃方法及系統(tǒng)，包括建立起重機動力學(xué)模型，根據(jù)吊臂俯仰運動角、吊鉤擺動和負(fù)載擺動之間的非線性耦合關(guān)系，確定消除擺角加速度軌跡，實現(xiàn)對起重機的精確定位，但這兩個技術(shù)方案只是確認(rèn)了起重機的姿態(tài)，均沒有提供控制負(fù)載在自由下落時的制動方案。

7、公開號為cn115258950a提出了一種起重機自由落鉤系統(tǒng)柔性制動控制方法，在現(xiàn)有技術(shù)文獻中主要設(shè)計速度控制器對制動系統(tǒng)中離合腔和制動腔的壓力進行控制，該方法通過設(shè)置不同的制動檔位來實現(xiàn)不同吊重負(fù)載的速度控制，在起重機自由落鉤工況獲取電控腳踏板的踏板角度區(qū)間值并根據(jù)獲取到的踏板角度劃分三段，操作手通過控制踏板角度，控制比例減壓閥的輸出壓力，實現(xiàn)起重機的自由落鉤柔性制動。此方法雖然一定程度上有效減輕了負(fù)載下落的制動沖擊，提高了自由落鉤系統(tǒng)的響應(yīng)能力，但在制動過程中吊鉤的運動狀態(tài)把握的不是很好，吊鉤在運動過程中速度不穩(wěn)定，沒有對吊鉤運動軌跡和速度進行設(shè)計規(guī)劃。

8、綜上所述，目前履帶起重機在自由落鉤制動過程中依然存在很多關(guān)鍵問題，諸如吊鉤下落過程中制動產(chǎn)生制動沖擊導(dǎo)致制動頓挫輸出不平順；采取制動措施后鋼絲繩在負(fù)載的作用下持續(xù)帶動卷筒旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致吊鉤偏離目標(biāo)位置；履帶起重機吊鉤卷揚時出現(xiàn)卷揚速度不受踏板控制，造成超正常速度下滑現(xiàn)象，不能使吊鉤按照預(yù)定速度勻速平穩(wěn)下降，下滑速度超過了最大工作速度且呈自由加速的狀態(tài)等等。雖然現(xiàn)在起重機技術(shù)已經(jīng)趨于完善，廣泛應(yīng)用于我們的生活中，但是在工程實踐中仍然不能滿足現(xiàn)場需求，因此迫切需要找到良好的解決方法來提高目前起重機性能問題，提高起重機制動控制效果。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種起重機吊鉤目標(biāo)運動軌跡控制系統(tǒng)及其控制方法。本發(fā)明主要利用壓力控制系統(tǒng)、卷揚系統(tǒng)、動力源系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，結(jié)合控制方法，能夠在履帶起重機做自由落鉤工況時，進行速度軌跡路徑規(guī)劃與預(yù)防性實時控制，使得吊鉤吊重不同重量負(fù)載能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)制動以及卷筒有效制動，以提高履帶起重機的目標(biāo)運動軌跡進行規(guī)劃的實用性。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、一種起重機吊鉤目標(biāo)運動軌跡控制系統(tǒng)，包括：壓力控制系統(tǒng)、卷揚系統(tǒng)、動力源系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，其中：

4、所述壓力控制系統(tǒng)，一端連接卷揚系統(tǒng)，另一端連接油泵和液壓油箱，用于監(jiān)測離合器狀態(tài)，控制卷揚離合器的卷揚速度，實時反饋壓力數(shù)據(jù)；

5、所述卷揚系統(tǒng)，一端連接壓力控制系統(tǒng)，另一端連接動力源系統(tǒng)，用于根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)和控制吊鉤的運動軌跡及升降速度；

6、所述動力源系統(tǒng)，連接卷揚系統(tǒng)，用于為起重機吊鉤的運轉(zhuǎn)提供動力；

7、所述傳感系統(tǒng)，通過信號傳輸線路連接控制器，用于檢測吊鉤運行過程中的壓力、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并傳送至控制器進行分析。

8、進一步地，所述壓力控制系統(tǒng)包括：溢流閥、電比例減壓閥、動力加速電磁換向閥、離合器制動腔電磁換向閥、離合器離合腔電磁換向閥，其中：

9、所述溢流閥一端連接油泵，另一端通過液壓管路連接液壓油箱，用于控制油泵輸入到離合器離合腔的壓力為恒壓；所述電比例減壓閥一端連接油泵，另一端連接離合器制動腔電磁換向閥，所述電比例減壓閥用于控制離合器制動腔的壓力；所述離合器制動腔電磁換向閥通過液壓管路連接離合器制動腔；所述離合器離合腔電磁換向閥連接離合器離合腔。

10、進一步地，所述卷揚系統(tǒng)包括：離合器制動腔、離合器離合腔、減速機卷筒、力限器和制動器，其中：

11、所述卷揚離合器包括離合器制動腔和離合器離合腔，所述卷揚離合器與減速機卷筒同軸連接，所述減速機卷筒上纏繞有鋼絲繩，鋼絲繩末端連接吊鉤；所述鋼絲繩上設(shè)置有力限器，用于測量鋼絲繩受到的拉力，并將數(shù)據(jù)傳送至控制器；所述制動器設(shè)置在減速機卷筒的中心軸上。

12、進一步地，所述動力源系統(tǒng)包括：液壓馬達、保護回路平衡閥、液壓馬達回路電磁換向閥和動力源變量泵，其中：

13、所述液壓馬達與減速機卷筒同軸連接，用于提供吊鉤上提動力；所述保護回路平衡閥一端連接液壓馬達，另一端連接液壓馬達回路電磁換向閥，所述動力源變量泵連接液壓馬達回路電磁換向閥。

14、進一步地，所述傳感系統(tǒng)包括：離合器制動腔壓力傳感器、離合器離合腔壓力傳感器、電比例減壓閥閥前壓力傳感器、電比例減壓閥閥后壓力傳感器和卷筒轉(zhuǎn)速傳感器，其中：

15、所述離合器制動腔壓力傳感器設(shè)置在離合器制動腔電磁換向閥和離合器制動腔之間，用于監(jiān)測離合器制動腔的壓力變化情況；所述離合器離合腔壓力傳感器設(shè)置在離合器離合腔電磁換向閥和離合器離合腔之間，用于監(jiān)測離合器離合腔的壓力變化情況；所述電比例減壓閥閥前壓力傳感器設(shè)置在油泵與電比例減壓閥之間，用于監(jiān)測減壓前的壓力大??；所述電比例減壓閥閥后壓力傳感器設(shè)置在電比例減壓閥與離合器制動腔電磁換向閥之間，用于監(jiān)測減壓后的壓力大??；所述卷筒轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)置在減速機卷筒上，用于監(jiān)測減速機卷筒的轉(zhuǎn)速。

16、本發(fā)明還包括一種起重機吊鉤目標(biāo)運動軌跡控制系統(tǒng)的控制方法，具體步驟包括：

17、起重機進行自由落鉤時，力限器采集鋼絲繩受到的壓力，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至控制器并轉(zhuǎn)化為當(dāng)前負(fù)載的重量值；

18、根據(jù)當(dāng)前負(fù)載的重量值，匹配預(yù)設(shè)的剎車速度軌跡，并由控制器輸出速度匹配信號，起重機吊鉤目標(biāo)運動軌跡控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的剎車速度軌跡進行剎車制動；

19、通過動力加速電磁換向閥進行換向，改變電控踏板角度，控制電比例減壓閥的輸出壓力，使電比例減壓閥閥后壓力傳感器監(jiān)測的壓力大小與離合器制動腔壓力傳感器監(jiān)測的壓力大小相等，通過控制離合器制動腔和離合器離合腔的壓力差控制離合器摩擦片的結(jié)合與分離，負(fù)載開始自由落鉤；

20、卷筒轉(zhuǎn)速傳感器實時監(jiān)測減速機卷筒的轉(zhuǎn)速大小，通過液壓馬達以負(fù)載下放方向轉(zhuǎn)動，通過制動器進行制動，使負(fù)載根據(jù)預(yù)設(shè)的剎車速度軌跡運動，實現(xiàn)起重機吊鉤的自動落鉤制動。

21、進一步地，所述預(yù)設(shè)的剎車速度軌跡在三段式速度軌跡曲線中引入平滑過渡函數(shù)，計算吊鉤制動過程中的軌跡方程；

22、起重機自由落鉤工況下的負(fù)載為0～t1噸時，吊鉤進行動力加速過程中設(shè)計的目標(biāo)運動速度規(guī)劃曲線為：

23、

24、其中，j表示下落過程中吊鉤加速度單位時間的變化值，t表示吊鉤動力加速過程中踏板制動開啟時間，0＜t＜t1表示下落的第一階段，t1＜t＜t2表示下落的第二階段，t2＜t＜t3表示下落的第三階段，acc0表示吊鉤初始時刻或位置的加速度值，vel0表示吊鉤初始時刻或位置的速度值，pos0表示吊鉤初始時刻或位置的位移值，，表示第一階段加速度值，表示第一階段吊鉤速度值，表示第一階段位移值，表示第二階段加速度值，表示第二階段吊鉤速度值，表示第二階段位移值，表示第二階段加速度值，表示第三階段吊鉤速度值，表示第三階段位移值；

25、起重機自由落鉤工況下的負(fù)載為t1～t2噸時，吊鉤進行動力加速過程中設(shè)計的目標(biāo)運動速度規(guī)劃曲線為：

26、

27、其中，表示第一階段加速度值，表示第一階段吊鉤速度值，表示第一階段位移值，表示第二階段加速度值，表示第二階段吊鉤速度值，表示第二階段位移值，表示中第二階段加速度值，表示第三階段吊鉤速度值，表示第三階段位移值；

28、起重機自由落鉤工況下的負(fù)載為t2～t3噸時，吊鉤進行動力加速過程中設(shè)計的目標(biāo)運動速度規(guī)劃曲線為：

29、

30、

31、其中，表示第一階段加速度值，為第一階段吊鉤速度值，表示第一階段位移值，表示第二階段加速度值，表示第二階段吊鉤速度值，表示第二階段位移值，表示第二階段加速度值，表示第三階段吊鉤速度值，表示第三階段位移值；

32、起重機自由落鉤工況下的負(fù)載為t3～t4噸時，吊鉤進行動力加速過程中設(shè)計的目標(biāo)運動速度規(guī)劃曲線為：

33、

34、

35、其中，表示第一階段加速度值，表示第一階段吊鉤速度值，表示第一階段位移值，表示第二階段加速度值，表示第二階段吊鉤速度值，表示第二階段位移值，表示第二階段加速度值，表示第三階段吊鉤速度值，表示第三階段位移值；

36、起重機自由落鉤工況下的負(fù)載大于t4噸時，吊鉤進行動力加速過程中設(shè)計的目標(biāo)運動速度規(guī)劃曲線為：

37、

38、其中，表示第一階段加速度值，表示第一階段吊鉤速度值，表示第一階段位移值，表示第二階段加速度值，表示第二階段吊鉤速度值，表示第二階段位移值，表示第二階段加速度值，表示第三階段吊鉤速度值，表示第三階段位移值。

39、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

40、本發(fā)明提供的起重機吊鉤目標(biāo)運動軌跡控制系統(tǒng)及其控制方法，能夠精準(zhǔn)獲取起重機吊鉤初始時刻的關(guān)鍵物理量，如位移、速度和加速度，并以此為基礎(chǔ)進行準(zhǔn)確的吊鉤運動軌跡規(guī)劃，大大提高了軌跡規(guī)劃的可靠性和準(zhǔn)確性，其次通過確定吊鉤目標(biāo)運動軌跡的最終狀態(tài)參數(shù)，使整個運動過程更加可控和可預(yù)測。這意味著可以提前預(yù)估并避免可能出現(xiàn)的問題，保障施工的順利進行。本發(fā)明還綜合考慮了吊鉤初始和終止?fàn)顟B(tài)的相關(guān)參數(shù)，最大程度滿足卷揚剎車制動要求，實現(xiàn)了履帶起重機吊鉤運動軌跡的平穩(wěn)性，這有效地減少了因急停或速度突變帶來的沖擊，降低了設(shè)備的損耗和故障風(fēng)險。

41、本發(fā)明提供的起重機吊鉤目標(biāo)運動軌跡控制系統(tǒng)及其控制方法，規(guī)劃了吊重不同負(fù)載下吊鉤運動的位移、速度、加速度軌跡曲線，不同于原有在初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)都是靜止?fàn)顟B(tài)下才可以對吊鉤運動軌跡進行規(guī)劃，而是可以在吊鉤進行自由落鉤工況下任意狀態(tài)對吊鉤和鋼絲繩的運動軌跡進行規(guī)劃，使得吊鉤吊重不同重量負(fù)載能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)制動以及卷筒有效制動，更大限度地使吊鉤在工作過程中被控制在安全范圍內(nèi)，并允許吊鉤下落運動速度剎車可控，且履帶起重機吊鉤下落過程中能夠?qū)崿F(xiàn)剎車平穩(wěn)制動，以提高履帶起重機的目標(biāo)運動軌跡進行規(guī)劃的實用性。

42、基于上述理由本發(fā)明可在工程機械技術(shù)領(lǐng)域廣泛推廣。