混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置及方法

2023-08-03 03:25:36 3

專利名稱：混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置及方法
技術領域：
本發明涉及混凝土泵車控制領域，具體涉及的是一種混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置及方法。
背景技術：
混凝土泵車由於其靈活、方便、高效等特點已成為建築行業的重要工具，國內基礎設施建設的持續發展為泵車提供了更大的市場空間，同時也對泵車的各項功能提出了更高的要求。臂架系統是混凝土泵車的重要組成部分，能否保證其快速、平穩、準確地伸展到澆注位置，在很大程度上影響了混凝土泵車工作的效率和精準性，因此臂架系統的自動化、智能化改造日趨成為泵車控制領域的熱點問題。由於臂架系統是一組複雜的多自由度冗餘結構，到目前為止，對混凝土泵車臂架的控制多半停留在手動方式上，即操作人員通過控制每一節臂的運動，使臂架末端運動到要求的位置，這種方式繁重且效率低，而且在實際澆注中容易產生偏差。所謂臂架系統的自動化、智能化改造是指只需指定混凝土澆築末端位置，在計算機控制下就能實現多節臂協調動作，使臂架按設定程序連續或直接到達澆築末端預定位置。混凝土泵車臂架系統的自動化、智能化改造任重道遠，涉及到軌跡規劃、軌跡跟蹤、運動控制算法，甚至是泵車臂架和執行機構的建模等問題。而這些模型和算法的驗證如果直接在實際使用的泵車上進行，不僅安裝困難、費用高、周期長，而且還存在很大的危險性。因此，迫切需要開發出一種智能臂架系統的仿真實驗裝置和方法，利用計算機仿真等技術，模擬對象的運動學和動力學特徵，保證控制器接口與實際泵車一致即可。

發明內容
技術問題針對現有技術上存在的不足，本發明目的是在於提供一種結構清晰、可提供模型和算法驗證、與實際泵車接口一致的混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置及方法。技術方案為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現本發明包括手持遙控器、路徑規劃器、運動控制器和對象模擬器；所述手持遙控器與路徑規劃器之間通過無線方式實現指令的發送與狀態信息的接收；路徑規劃器通過總線 (例如CAN總線)與運動控制器和對象模擬器相連接；運動控制器與對象模擬器之間採用電氣連接。所述路徑規劃器帶有無線收發模塊，接收手持遙控器發來的啟動/熄火、急停、手動/自動切換、臂架的迴轉和升降、快速/慢速、鎖臂等控制指令，同時也將各節臂架的角度和速度、正反泵、排量、油溫等信息發送到手持遙控器上顯示。所述路徑規劃器、運動控制器和對象模擬器分別帶有總線接口，並掛接在同一總線上。根據制定的相關通信協議，所述路徑規劃器通過總線接收來自對象模擬器的各節臂架角度或加速度信息。所述路徑規劃器通過總線發送給運動控制器各節臂架的實時控制量。所述運動控制器為工程機械專用邏輯控制器，可輸出PWM信號直接驅動後續執行機構。所述對象模擬器實現對混凝土泵車執行機構、運動學模型、動力學模型和各節臂架檢測裝置的仿真，能夠受控於所述運動控制器輸出的PWM信號，計算獲得各節臂架角度或加速度值。所述混凝土泵車智能臂架系統的實驗方法，包括以下幾個步驟(A)操作者通過所述手持遙控器將臂架末端所要到達的位置(自動模式)或各節臂架所要到達的角度(手動模式)發送給所述路徑規劃器；(B)所述路徑規劃器比較收到的臂架目標位置與臂架當前位置，如果兩者一致，轉到步驟(E)，否則計算給出最優路徑，並將控制輸出量通過CAN總線發送給所述運動控制器；(C)所述運動控制器根據所述路徑規劃器的要求，改變佔空比來調節相應的PWM 信號量，以驅動各節臂架的伸縮運動，使末端到達目標位置，同時所述運動控制器還要做到對各節臂架移動位置和速度的安全保護，防止運動過程中的意外；(D)所述對象模擬器接收所述運動控制器的PWM信號，模擬混凝土泵車的執行器、 臂架系統和傳感器，通過軟體計算獲得各節臂架的當前位置，並通過CAN接口反饋給所述路徑規劃器，跳回步驟(B)；(E)結束採用這種實驗裝置和方法，能夠大大加快臂架系統智能化過程，降低實驗費用，減少潛在危險，當某種控制算法通過驗證可行後，可直接應用到實際混凝土泵車中。所述總線可以採用CAN等工控領域的常見總線形式。有益效果1、針對混凝土泵車智能臂架系統的關鍵部位進行合理劃分，組成實驗裝置的四部分結構清晰、分工明確，提高了系統可靠性，同時也方便了故障排查和功能擴展；2、利用計算機仿真等技術，模擬混凝土泵車的對象特徵，實現對各類臂架模型及其智能控制算法的驗證，減少了實際臂架系統實驗中的不確定性、危險性、費用高和周期長等問題；3、實驗裝置中的控制器接口與實際泵車一致，當某種控制算法通過驗證後，可直接應用到實際混凝土泵車，加速了臂架系統的智能化進程。


圖1為本發明的仿真實驗裝置的結構框圖；圖2為本發明具體實施例中路徑規劃流程圖；圖3為本發明具體實施例中運動控制流程圖；圖4為本發明的對象模擬器結構圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
來詳細說明本發明。為使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體實施方式
，進一步闡述本發明。參見圖1，本發明包括手持遙控器101、路徑規劃器102、運動控制器103和對象模擬器104。其中，手持遙控器101用於泵車運動指令的無線發送和當前狀態的顯示，以滿足現代化遠程操作的需求。在本實施例中，手持遙控器101主要由控制板、按鍵板、液晶屏和無線收發模塊組成。發送的指令包括啟動/熄火、急停、手動/自動切換、臂架的迴轉和升降、快速/慢速、鎖臂等；顯示的參數包括各節臂架的角度和速度、正反泵、排量、油溫等。路徑規劃器102接收來自手持遙控器101的數據，計算出最優路徑，並將實時控制量發送給運動控制器103來執行。實際系統中的路徑規劃器102可以用小型工控機或專用嵌入式控制器來實現，針對研究對象的差異性，即不同型號混凝土泵車的結構差異，路徑規劃器102可以靈活地設計和修改路徑規划算法。在本實施例中，模擬對象為混凝土泵車五節臂架系統，是由迴轉、大臂、二臂、三臂、四臂、五臂和軟管等部分組成的串聯開鏈機構，路徑規划算法分為手動算法和自動算法。手動算法為現有技術，在此不作贅述。自動算法為通過運動學逆變換，將混凝土泵車末端的運動分配到各個機械臂的運動，從而使臂架按設定程序到達預定位置。求解逆解時可以採用改進的牛頓迭代算法、鎖臂算法、遺傳算法等幾種算法。參見圖2，具體實施例中對泵車臂架路徑規劃的最優原則是臂架關節運動小，變量連續，能量最省，即大臂儘量保持不動各個臂的變化角度量最小。對於混凝土泵車而言， 其三個臂的運動可實現其末端的空間運動(轉臺實現空間轉動，其它兩節臂實現平面運動)，計算流程開始於步驟201，結束於步驟214 步驟201:開始；步驟202 將無線收發器接收到的臂架末端目標位置與臂架當前位置進行比較；步驟203 判斷是否需要空間轉動，如果是，進入步驟204，如果不需要空間轉動， 轉到步驟205 ；步驟204 根據計算結果，轉臺旋轉相應的角度；步驟205 判斷是否需要鎖臂，如果是，轉到步驟208，如果沒有鎖臂要求，直接進入步驟206 ；步驟206 儘量使大臂不動，先嘗試四臂、五臂動，判斷能否實現其運動，即有滿足條件的解存在，如果是，轉到步驟210，如果無滿足條件的解，進入步驟207 ；步驟207 依次嘗試三五臂動，二五臂動，三四臂動，二四臂動，二三臂動，一五臂動，一四臂動，一三臂動，一二臂動，直到有滿足條件的解，停止計算；步驟208 將大臂、二臂或轉盤按要求進行鎖臂處理，位置固定；步驟209 其他節臂按照非鎖臂時的算法，從四五節臂開始依次計算，直到有滿足條件的解，停止計算；步驟210:求運動逆解；步驟211 得出各臂對應的角度滿足各臂的角度範圍；步驟212 在滿足條件的解中，根據最優原則，獲得最優解；
步驟213 路徑規劃器102將計算所得的各臂控制量發送到CAN總線上，以便運動控制器103接收處理；步驟214 該流程結束。運動控制器103接收路徑規劃器102通過CAN總線發送來的路徑規劃信息，插補輸出PWM信號給執行機構，並且負責臂架運動的安全保護。具體實施例中，採用可靠性高、 抗幹擾能力強的工程機械專用邏輯控制器PLC作為臂架系統的運動控制器，具有以下幾方面的要求⑴高速高效的指令執行能力；⑵自帶PWM輸出功能；⑶自帶CAN通信模塊； (4)具備抗震抗電子幹擾的功能，適應複雜的工作環境，並且體積適宜。參見圖3，運動控制器103的處理流程開始於步驟301，結束於步驟306 步驟301:開始；步驟302 利用CAN接收函數，接收來自路徑規劃器102的數據；步驟303 按照規定協議，對接收到的CAN數據進行協議解析，得到臂架運動規劃角度；步驟304 進行控制量安全性處理，即在控制周期內，對臂架需要轉過的角度加以限制，防止臂架的運動出現過大震蕩或者轉動速度太快；步驟305 算法處理，將得到的角度數據轉化為PWM的佔空比，並採用插補的方式， 縮短控制量的輸出周期；步驟306 輸出相應的PWM信號，轉到步驟302，繼續執行接收到的指令。本發明圖2至圖3過程均可以用現有技術中的編程方法實現，在此不作進一步限制。參見圖4，對象模擬器104主要實現三部分機構的仿真與建模執行器401，臂架系統402和傳感器403。採用計算機仿真技術，利用對象模擬器104取代真實泵車的執行、臂架和傳感機構，完成對路徑規劃器102和運動控制器103設計算法的驗證和比較。在本實施例中，執行器401模擬混凝土泵車的液壓缸系統，能夠受控於運動控制器103發送來的各節臂PWM信號，並將其轉化成液壓缸行程。臂架系統402模擬各節臂的運動，利用泵車的液壓缸行程和臂架關節角之間的關係，推導出各節臂架的當前位置，並以三維圖形和參數列表兩種方式顯示，清楚、直觀地仿真各節臂架角度的變化過程。傳感器403模擬安裝在臂架系統上的角度傳感器，帶有CAN接口，將臂架關節角度值按規定的通信協議發送到CAN總線上，反饋給路徑規劃器102使用。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置，其特徵在於，包括手持遙控器 (101)、路徑規劃器(102)、運動控制器(103)和對象模擬器(104)；所述手持遙控器(101) 與路徑規劃器(10 之間通過無線方式實現指令的發送與狀態信息的發送/接收；路徑規劃器(10 通過現場總線與運動控制器(103)以及對象模擬器(104)連接通信；運動控制器(10 與對象模擬器(104)之間採用電氣連接。
2.根據權利要求1所述的混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置，其特徵在於，所述路徑規劃器(10 帶有無線收發模塊，接收手持遙控器(101)發來的控制指令；同時也將各節臂架的信息發送到手持遙控器(101)上顯示。
3.根據權利要求1所述的混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置，其特徵在於，所述路徑規劃器(102)、運動控制器(10 和對象模擬器(104)分別帶有總線接口，並連接在同一現場總線上。
4.根據權利要求1所述的混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置，其特徵在於，所述運動控制器(103)為PLC，輸出PWM信號直接驅動後續執行機構。
5.根據權利要求1所述的混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置，其特徵在於，所述對象模擬器(104)實現對混凝土泵車執行機構、運動學模型、動力學模型和各節臂架檢測裝置的仿真，能夠受控於所述運動控制器(10 輸出的PWM信號，通過對所述模型的計算而獲得各節臂架角度或加速度值。
6.根據權利要求2所述的混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置，其特徵在於，所述路徑規劃器(10 接收手持遙控器(101)發來的控制指令包括啟動/熄火、急停、手動/自動切換、臂架的迴轉和升降、快速/慢速和鎖臂；所述各節臂架的信息包括角度和速度、正反泵、排量和油溫。
7.—種權利要求1 6任一所述裝置的實驗方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟(A)操作者通過手持遙控器(101)將臂架末端所要到達的位置即自動模式，或各節臂架所要到達的角度即手動模式發送給路徑規劃器(102)；(B)所述路徑規劃器(102)比較收到的臂架目標位置與臂架當前位置；如果兩者一致， 轉到步驟(E)；如果兩者不一致，則計算給出最優路徑，然後將控制輸出量通過總線發送給運動控制器(103)；(C)所述運動控制器(10 根據所述路徑規劃器(10 的要求，改變佔空比來調節相應的PWM信號量，以驅動各節臂架的伸縮運動，使末端到達目標位置；(D)所述對象模擬器(104)接收所述運動控制器(10 的PWM信號，模擬混凝土泵車臂架動作，並通過總線接口反饋動作信息給所述路徑規劃器(102)，跳回步驟(B)；(E)結束。
8.根據權利要求7所述的的實驗方法，其特徵在於，所述步驟(B)中，最優路徑的計算方法是，針對不同型號混凝土泵車的結構差異，選擇路徑中，臂架關節運動小，變量連續，能量最省，即大臂儘量保持不動，各節臂的變化角度量最小的路徑。
9.根據權利要求7所述的的實驗方法，其特徵在於，所述步驟(C)中，所述運動控制器 (103)對各節臂架移動位置和速度的安全保護在控制周期內，對臂架需要轉過的角度加以限制，使其滿足各臂的角度範圍。
10.根據權利要求7所述的的實驗方法，其特徵在於，所述對象模擬器(104)模擬真實泵車的執行、臂架和傳感機構；對象模擬器(104)包括執行器001)、臂架系統402)和傳感器 403)；執行器(401)模擬混凝土泵車的液壓缸系統，受控於運動控制器(10 發送來的各節臂PWM信號，並將其轉化成液壓缸行程；臂架系統(402)模擬各節臂的運動，利用泵車的液壓缸行程和臂架關節角之間的關係，推導出各節臂架的當前位置，並以三維圖形和參數列表兩種方式顯示；傳感器(403)模擬安裝在臂架系統上的角度傳感器，帶有總線接口，將臂架關節角度值發送到總線上，反饋給路徑規劃器(102)。
全文摘要
一種混凝土泵車智能臂架系統的仿真實驗裝置及方法，包括手持遙控器、路徑規劃器、運動控制器和對象模擬器；手持遙控器與路徑規劃器之間通過無線方式實現指令的發送與狀態信息的接收；路徑規劃器將控制輸出量發送給運動控制器，運動控制器將其轉換成相應的信號驅動對象模擬器；對象模擬器完成對混凝土泵車執行機構、運動學模型、動力學模型和各節臂架檢測裝置的仿真，並將結果反饋給路徑規劃器。本發明將混凝土泵車智能臂架系統的關鍵部位進行合理劃分，採用計算機仿真等技術，實現對各類臂架模型及其智能控制算法的驗證，為泵車智能臂架系統的改進提供了理論依據和技術支持，減少了實際臂架系統實驗中的不確定性、危險性、費用高和周期長等問題。
文檔編號G05B17/02GK102354120SQ20111014167
公開日2012年2月15日 申請日期2011年5月27日 優先權日2011年5月27日
發明者於榮, 仰燕蘭, 葉樺, 孫曉潔 申請人:東南大學