集成的重型機械智能臂架控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】一種集成的重型機械智能臂架控制系統(tǒng)及控制方法。包括：臂架、傳感檢測模塊、分析控制模塊和執(zhí)行單元。其特征在于所述控制系統(tǒng)由機械臂架、檢測裝置、分析控制模塊和執(zhí)行機構(gòu)組成，三軸MEMS加速度計、三軸MEMS陀螺儀與GPS組成的IMU與信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路連接，信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路與校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路、數(shù)字控制電路連接，臂架的位置檢測由IMU獲得，傳感檢測模塊將臂架的位置、姿態(tài)信息通過CAN總線傳遞給分析控制模塊，分析控制模塊通過CAN總線傳遞給執(zhí)行單元。本發(fā)明的優(yōu)點是預(yù)先通過仿真軟件將臂架在不同姿態(tài)下的頻率值制成數(shù)據(jù)庫，內(nèi)嵌到車載控制系統(tǒng)中，使臂架姿態(tài)查詢及調(diào)整能實時、高效、快速。
【專利說明】集成的重型機械智能臂架控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種重型工程機械設(shè)備，特別涉及一種集成的重型機械智能臂架控制系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]重型工程機械中很多都帶有臂架式結(jié)構(gòu)，例如廣泛使用的混凝土泵車、各種車載式起重機，分別帶有回轉(zhuǎn)臂和伸縮臂。混凝土泵車作業(yè)半徑大，施工時臂架的姿態(tài)多變，如何控制臂架的振動以提高安全性和施工精度是關(guān)鍵的問題。
[0003]混凝土泵車是一種典型的多體系統(tǒng)，帶有多個臂架。主要通過控制器控制液壓閥，通過液壓馬達、液壓缸等執(zhí)行機構(gòu)組合實現(xiàn)每節(jié)臂架的位置變化，從而實現(xiàn)整個臂架系統(tǒng)的位姿變化。然而在以往的混凝土泵車控制系統(tǒng)中事先沒有預(yù)測到當(dāng)泵車的臂架末端到達需要澆注的位置時，無法獲取混凝土泵車此時的動態(tài)特性，包括固有頻率和模態(tài)等。導(dǎo)致泵車施工時受載后產(chǎn)生共振，影響安全和施工精度的事情屢有發(fā)生。
[0004]不恰當(dāng)?shù)谋奂茏藨B(tài)對施工質(zhì)量和臂架壽命都有不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種集成的重型機械智能臂架控制系統(tǒng)及控制方法。
[0006]本發(fā)明包括:臂架、傳感檢測模塊、分析控制模塊和執(zhí)行單元，傳感檢測模塊由溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器、三軸MEMS (微機械)加速度計、三軸MEMS(微機械)陀螺儀、GPS(全球定位系統(tǒng))、慣性測量單元(以下簡稱IMU Inertial MeasurementUnit的縮寫)組成，分析控制模塊由信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路、校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路、SPI接口電路、CAN控制器、數(shù)字控制電路、自檢測電路、報警電路、電源管理器組成，分析控制模塊配備有車載微型計算機，執(zhí)行單元由液壓馬達、液壓閥組成，其特征在于所述控制系統(tǒng)由機械臂架、檢測裝置、分析控制模塊和執(zhí)行機構(gòu)組成，三軸MEMS加速度計、三軸MEMS陀螺儀和GPS的慣性測量單元與信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路連接，信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路與校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路、數(shù)字控制電路連接，三軸MEMS陀螺儀和三軸MEMS加速度計又通過自檢測電路與數(shù)字控制電路相連接，臂架的位置檢測由IMU中的GPS直接定位與三軸MEMS加速度傳感器積分電路相結(jié)合獲得，GPS的定位數(shù)據(jù)和加速度計積分結(jié)果相互對比和校準(zhǔn)，校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路與SPI接口電路、CAN控制器、報警電路連接，傳感檢測模塊將臂架的位置、姿態(tài)信息通過CAN總線傳遞給分析控制模塊，分析控制模塊通過CAN總線傳遞給執(zhí)行單元，電源管理器向分析控制模塊供電。
[0007]所述分析控制模塊對各個傳感器的測量信號進行處理和控制，各個傳感器的測量信號通過信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路、校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路的處理后，被送入到SPI接口電路和CAN控制器。
[0008]所述MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀集成的IMU安裝在每節(jié)臂架的端點，液位傳感器和壓力傳感器安裝在液壓缸上，用于測量液壓油的高度和壓力。
[0009]本發(fā)明的控制方法，包含下列步驟:
[0010]步驟一:建立臂架系統(tǒng)的坐標(biāo)系，將需要控制的臂架在水平方向上的投影設(shè)為X軸，水平面上與其相垂直的方向設(shè)置為Y軸，豎直方向設(shè)置為Z軸。
[0011]步驟二:檢測臂架工作時的位置，在臂架上面布置測點，由集成GPS、MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀的IMU得到臂架上面測點的坐標(biāo)、位移和轉(zhuǎn)角，從而確定臂架位置以及姿態(tài)。
[0012]步驟三:臂架的工作情況分析與位姿調(diào)整，將測得的各個臂架的姿態(tài)角通過CAN總線傳輸給分析控制模塊，分析模塊通過車載計算機計算出該姿態(tài)下的臂架系統(tǒng)頻率，然后與所受載荷頻率對比，當(dāng)處在危險頻率時分析控制模塊做出判斷，通過CAN總線將調(diào)整指令傳送給執(zhí)行機構(gòu)，通過壓力傳感器和液位傳感器準(zhǔn)確的控制液壓缸的伸縮，以調(diào)整到安全的姿態(tài)，避免臂架產(chǎn)生共振，消除安全隱患以及對施工精度的影響。
[0013]所述的步驟三中的臂架系統(tǒng)頻率由多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS預(yù)先計算好臂架不同姿態(tài)角下的固有頻率，將其編制成各個臂的姿態(tài)角頻率庫，內(nèi)嵌于分析控制模塊配備的車載微型計算機存儲單元中，提供快速預(yù)判和調(diào)整的依據(jù)。
[0014]所述的步驟三中臂架姿態(tài)角數(shù)據(jù)由傳感檢測模塊測量，經(jīng)與數(shù)據(jù)庫中已存的對應(yīng)頻率進行查詢對比，采用插值方法得到臂架系統(tǒng)頻率。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點是預(yù)先通過仿真軟件將臂架在不同姿態(tài)下的頻率值制成數(shù)據(jù)庫，內(nèi)嵌到車載控制系統(tǒng)中，使臂架姿態(tài)查詢及調(diào)整能實時、高效，快速。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1本發(fā)明的智能臂架控制系統(tǒng)的框圖；
[0017]圖2帶有MEMS加速度傳感器和陀螺儀的IMU安裝簡圖；
[0018]圖中:I溫度傳感器、2壓力傳感器、3流量傳感器、4液位傳感器、5三軸MEMS加速度計、6三軸MEMS陀螺儀、7GPS、8MU、9傳感檢測模塊、10信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路、11校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路、12SPI接口電路、13CAN控制器、14數(shù)字控制電路、15自檢測電路、16報警電路、17電源管理器、18分析控制模塊、19液壓馬達、20液壓閥、21執(zhí)行單元、22回轉(zhuǎn)臺、23液壓缸一、24液壓缸二、25液壓缸三、26液壓缸四、27臂架一、28臂架二、29臂架三、30臂架四、31MU、32MU、33MU、34MU。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的實施例:
[0020]本實施例為帶有四節(jié)臂架的混凝土泵車，四節(jié)臂架控制系統(tǒng)的系統(tǒng)的框圖如圖1所示，其中傳感檢測模塊9由溫度傳感器1、壓力傳感器2、流量傳感器3、液位傳感器4、三軸MEMS加速度計5、三軸MEMS陀螺儀6、GPS 7、MU 8組成。分析控制模塊18由信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路10、校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路11、SPI接口電路12、CAN控制器13、數(shù)字控制電路14、自檢測電路15、報警電路16、電源管理器17組成。分析控制模塊18配備有車載微型計算機。執(zhí)行單元21由液壓馬達19、液壓閥20組成。
[0021 ] 本實施例的所有的三軸MEMS加速度計5、三軸MEMS陀螺儀6、GPS7、經(jīng)IMU8與信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路10連接，信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路10與校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路11、數(shù)字控制電路11連接，三軸MEMS陀螺儀6和三軸MEMS加速度計5又通過自檢測電路15與數(shù)字控制電路14相連接。
[0022]參見圖2，四節(jié)臂架的混凝土泵車的臂架一 27安裝在回轉(zhuǎn)臺22上，液壓缸一 23、液壓缸二 24、液壓缸三25、液壓缸四26依次安裝在臂架一 27、臂架二 28、臂架三29、臂架四30上。IMU 31、MU 32、MU 33、MU 34分別安裝在每節(jié)臂架的端點。也就是將集成在IMU 31, IMU 32, IMU 33, IMU 34上的三軸MEMS加速度計、三軸MEMS陀螺儀、GPS安裝在臂架一 27、臂架二 28、臂架三29、臂架四30的末端上。所述液壓缸一 23、液壓缸二 24、液壓缸三25、液壓缸四26控制整個臂架系統(tǒng)的運作?；剞D(zhuǎn)臺22控制整個臂架系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動。
[0023]臂架一 27、臂架二 28、臂架三29、臂架四30的位置檢測由IMU 31、IMU 32、IMU33、MU 34中的GPS直接定位與三軸MEMS加速度傳感器積分電路相結(jié)合獲得，可以相互對比和校準(zhǔn)，校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路11與SPI接口電路12、CAN控制器13、報警電路16連接。傳感檢測模塊9將臂架一 27、臂架二 28、臂架三29、臂架四30的位置、姿態(tài)信息通過CAN總線傳遞給分析控制模塊18，分析控制模塊18通過CAN總線傳遞給執(zhí)行單元21，電源管理器17與數(shù)字控制電路14、SPI接口電路12和CAN控制器13相連接。信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路10對傳感檢測模塊9的各個傳感器的測量信號進行處理，各傳感器的測量信號通過信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路10、校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路11的處理后，被送入到SPI接口電路12和CAN控制器13。
[0024]三軸MEMS陀螺儀6和三軸MEMS加速度計5又通過自檢測電路15與數(shù)字控制電路14相連接，信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路10直接與數(shù)字控制電路14相連接，校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路11通過報警電路16與數(shù)字控制電路14相連接。
[0025]本實施例的控制方法，包含下列步驟:
[0026]步驟一:建立臂架一 27、臂架二 28、臂架三29、臂架四30系統(tǒng)的坐標(biāo)系，將需要控制的臂架在水平方向上的投影設(shè)為X軸，水平面上與其相垂直的方向設(shè)置為Y軸，豎直方向設(shè)置為Z軸。
[0027]步驟二:檢測臂架工作時的位置，在臂架上面布置IMU 31、IMU 32、IMU 33、IMU34測點，由集成GPS、MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀的IMU得到臂架上面測點的坐標(biāo)、位移和轉(zhuǎn)角，從而確定臂架位置以及姿態(tài)。
[0028]步驟三:臂架一 27、臂架二 28、臂架三29、臂架四30的工作情況分析與位姿調(diào)整，將測得的各個臂架的姿態(tài)角通過CAN總線傳輸給分析控制模塊18，分析控制模塊18通過車載計算機計算出該姿態(tài)下的臂架系統(tǒng)頻率，然后與所受載荷頻率對比，當(dāng)處在危險頻率時分析控制模塊18做出判斷，通過CAN總線將調(diào)整指令傳送給執(zhí)行單元21，通過壓力傳感器和液位傳感器準(zhǔn)確的控制液壓缸的伸縮，以調(diào)整到安全的姿態(tài)，避免臂架產(chǎn)生共振，消除安全隱患以及對施工精度的影響。
[0029]在控制方法的步驟三中的臂架系統(tǒng)頻率由多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS預(yù)先計算好臂架不同姿態(tài)角下的固有頻率，將其編制成各個臂的姿態(tài)角頻率庫，內(nèi)嵌于分析控制模塊中，提供快速預(yù)判和調(diào)整的依據(jù)。
[0030]本實施例的混凝土泵車臂架系統(tǒng)中的姿態(tài)角一頻率數(shù)據(jù)庫表(部分)如下表:
【權(quán)利要求】
1.一種集成的重型機械智能臂架控制系統(tǒng)，包括:臂架、傳感檢測模塊、分析控制模塊和執(zhí)行單元，傳感檢測模塊由溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器、三軸MEMS加速度計、三軸MEMS陀螺儀、GPS、慣性測量單元組成，分析控制模塊由信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路、校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路、SPI接口電路、CAN控制器、數(shù)字控制電路、自檢測電路、報警電路、電源管理器組成，分析控制模塊配備有車載微型計算機，執(zhí)行單元由液壓馬達、液壓閥組成，其特征在于所述控制系統(tǒng)由機械臂架、檢測裝置、分析控制模塊和執(zhí)行機構(gòu)組成，集成三軸MEMS加速度計、三軸MEMS陀螺儀和GPS的慣性測量單元與信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路連接，信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路與校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路、數(shù)字控制電路連接，三軸MEMS陀螺儀和三軸MEMS加速度計又通過自檢測電路與數(shù)字控制電路相連接，臂架的位置檢測由慣性測量單元中的GPS直接定位與三軸MEMS加速度傳感器積分電路相結(jié)合獲得，GPS的定位數(shù)據(jù)和加速度計積分結(jié)果相互對比和校準(zhǔn)，校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路與SPI接口電路、CAN控制器、報警電路連接，傳感檢測模塊將臂架的位置、姿態(tài)信息通過CAN總線傳遞給分析控制模塊，分析控制模塊通過CAN總線傳遞給執(zhí)行單元，電源管理器向分析控制模塊供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成的重型機械智能臂架控制系統(tǒng)及其控制方法，其特征在于所述分析控制模塊對各個傳感器的測量信號進行處理和控制，各個傳感器的測量信號通過信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路、校準(zhǔn)與數(shù)字處理電路的處理后，被送入到SPI接口電路和CAN控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成的重型機械智能臂架控制系統(tǒng)及其控制方法，其特征在于所述MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀集成的慣性測量單元安裝在每節(jié)臂架的端點，液位傳感器和壓力傳感器安裝在液壓缸上，用于測量液壓油的高度和壓力。
4.如權(quán)利要求1的集成的重型機械智能臂架控制系統(tǒng)控制方法，包含下列步驟: 步驟一:建立臂架系統(tǒng)的坐標(biāo)系，將需要控制的臂架在水平方向上的投影設(shè)為X軸，水平面上與其相垂直的方向設(shè)置為Y軸，豎直方向設(shè)置為Z軸。 步驟二:檢測臂架工作時的位置，在臂架上面布置測點，由集成GPS、MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀的IMU得到臂架上面測點的坐標(biāo)、位移和轉(zhuǎn)角，從而確定臂架位置以及姿態(tài)。 步驟三:臂架的工作情況分析與位姿調(diào)整，將測得的各個臂架的姿態(tài)角通過CAN總線傳輸給分析控制模塊，分析模塊通過車載計算機計算出該姿態(tài)下的臂架系統(tǒng)頻率，然后與所受載荷頻率對比，當(dāng)處在危險頻率時分析控制模塊做出判斷，通過CAN總線將調(diào)整指令傳送給執(zhí)行機構(gòu)，通過壓力傳感器和液位傳感器準(zhǔn)確的控制液壓缸的伸縮，以調(diào)整到安全的姿態(tài)，避免臂架產(chǎn)生共振，消除安全隱患以及對施工精度的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述控制方法所述的步驟三中的臂架系統(tǒng)頻率由多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS預(yù)先計算好臂架不同姿態(tài)角下的固有頻率，將其編制成各個臂的姿態(tài)角頻率庫，內(nèi)嵌于分析控制模塊配備的計算機存儲單元中。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述控制方法所述的步驟三中臂架姿態(tài)角數(shù)據(jù)由傳感檢測模塊測量，經(jīng)與數(shù)據(jù)庫中已存的對應(yīng)頻率進行查詢對比，采用插值方法得到臂架系統(tǒng)頻率。
【文檔編號】G05B19/418GK103792896SQ201210434726
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月2日
【發(fā)明者】劉勝, 張生志, 王小平 申請人:劉勝