上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法
阅读说明：本技术 上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法 (Automatic control method for maintaining attitude of automobile crane chassis in loading operation ) 是由 张帆 杨文韬 刘爱冰 刚宪约 吴振华 武际兴 王慧恒 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法,包括以下步骤：首先,测试并获取各支腿的等效刚度,根据各支腿载荷计算起重机质心坐标位置和吊重质量,进而建立汽车起重机及吊重整体的质心坐标参数化模型与支腿补偿作动量模型；然后,计算并判断执行吊重起升离地引起平台侧倾需要的的支腿补偿作动；最后,识别驾驶员指令,预算并构建支腿补偿作动量矩阵,同步控制上装作业和支腿补偿作动,直至姿态保持控制结束。该方法通过上装作业和支腿补偿同步控制,有效的保持了汽车起重机作业过程中姿态实时稳定,无滞后和超调问题,彻底消除了平台倾覆风险；实现了姿态保持自动控制,保障了驾驶员人身安全,提高了工作效率。(The invention discloses an automatic control method for maintaining the posture of an automobile crane chassis in loading operation, which comprises the following steps: firstly, testing and obtaining equivalent stiffness of each support leg, calculating the coordinate position of the mass center of the crane and the mass of the hoisting weight according to the load of each support leg, and further establishing a mass center coordinate parameterized model of the automobile crane and the whole hoisting weight and a support leg compensation action amount model; then, calculating and judging the supporting leg compensation action required by the side inclination of the platform caused by lifting of the hoisting weight; and finally, recognizing a driver instruction, budgeting and constructing a support leg compensation actuation quantity matrix, and synchronously controlling the loading operation and the support leg compensation actuation until the attitude keeping control is finished. The method effectively keeps the real-time stability of the attitude of the truck crane in the operation process through the synchronous control of the loading operation and the supporting leg compensation, has no problems of lag and overshoot, and thoroughly eliminates the risk of platform overturning; the automatic control of the posture is realized, the personal safety of a driver is guaranteed, and the working efficiency is improved.)
技术领域
本发明属于姿态控制领域，具体涉及一种上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法。
背景技术
汽车起重机在作业前虽然已经借助多支腿支撑结构进行了水平姿态调整，以提高上装平台的刚度和稳定性，但是在作业中却缺乏有效的手段去保持作业平台的稳定姿态。工程作业中事故的发生，大都是因为设备在工作中稳定性被破坏，作业前调整好的水平姿态已经不能支持作业平台保持平衡。要使作业平台在工作时也能保持水平姿态，就需要对作业平台进行时变工况下的姿态保持控制，这对调平技术提出了新的、更高的要求。
目前，CN201911224336.5的中国专利公开了一种起重机工作装置作业姿态自动调整控制方法及系统，其方法是利用臂架角度传感器或臂架油缸长度传感器去测量设备姿态初值，计算与理想状态下设备姿态的差值，生成控制信号去实时调整所述起重机工作装置的姿态。
可以发现，目前该领域的技术人员都是通过优化结构或利用先进测量与控制设备来监测平台姿态进而补偿控制达到平台姿态控制的目的。而实际上，结构优化并不能真正解决因质心偏移而引发的问题，利用辅助设备的姿态控制也是在平台已经发生姿态倾斜后进行的补偿控制，存在滞后和超调问题，有很多的局限性与不可控性，不能从根本上提高平台稳定性，避免倾覆事故的发生。
发明内容
鉴于上述不足，本发明提供上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法，该策略充分考虑了上装作业中设备质心偏移引起底盘姿态改变的本质，基于超前计算出质心偏移可能引起的底盘姿态变化特征，同步控制上装作业和各支腿作动补偿，有效地解决了起重机在作业过程中因质心偏移而引发底盘姿态破坏甚至造成起重机倾覆的问题。
本发明实施例提供了上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法，变幅缸驱动起重臂等角速度升降，回转机构驱动起重臂等角速度回转，各级起重臂受伸缩机构驱动等速伸缩；各级起重臂的有效长度相同，质量分布均匀，高一级起重臂重叠、内置于次一级起重臂内；第二级起重臂与第一级起重臂间安装有测量第二级起重臂伸出长度的位移传感器，回转机构安装有测量起重臂相对底盘纵向对称面回转角度的转角传感器，变幅缸安装有测量其伸出长度并等效计算起重臂变幅角度的位移传感器；四条支腿上端垂直且等高度的插入底盘上外伸横梁的安装孔内，下端支撑在地面上，每条支腿结构尺寸、最大作动行程完全相同，每条支腿上安装有测量支腿垂向载荷的力传感器和测量支腿作动量的位移传感器；回转机构的几何中心位于四条支腿确定的矩形的中心位置；回转机构中心位置安装有二维倾角传感器测量底盘相对水平面的二维倾角；初始状态下四条支腿将底盘支撑至轮胎悬空、几何水平状态，各支腿承受均匀载荷，起重臂已运行到吊重处，完成了吊重的挂装但尚未进行离地起升，包括以下步骤：
步骤1，测量各支腿等效刚度，具体为：驱动1条支腿伸长一个垂向位移，再缩短回原始长度，期间除该支腿外的其他支腿不动，由支腿上的位移传感器和力传感器测量该支腿伸长至所述垂向位移时支腿的载荷增量；将所述载荷增量除以所述垂向位移，得到该支腿的等效刚度；采用同样过程，测量其他3条支腿的等效刚度；按支腿编号，将各支腿的等效刚度分别记为ki，i＝1～4。
步骤2，计算汽车起重机总重及质心坐标位置，具体为：由力传感器测量所述初始状态下各支腿的垂向载荷，记为Fi，i＝1～4；以回转机构上表面的几何中心为坐标原点建立坐标系，沿底盘的纵、横、垂向分别为坐标系的x、y、z轴，各支腿的纵、横向坐标记为(xi，yi)，力矩和倾角的正方向根据右手螺旋定则判定；汽车起重机总重记为G，根据测量的各支腿垂向载荷，以及汽车起重机绕x、y轴的力矩平衡和沿z轴的力平衡，计算汽车起重机总重及其质心的纵、横向坐标(xmc,ymc)为
步骤3，计算吊重质量，具体为：驱动变幅缸作动将吊重起升至离地，再次测量各支腿的垂向载荷，计算汽车起重机和吊重的总重G′，进而计算吊重的质量M。
步骤4，建立汽车起重机及吊重整体的质心坐标参数化模型，具体为：根据汽车起重机在所述初始状态下的参数，即完成吊重挂装后各级起重臂的初始伸出长度、初始回转角度、初始变幅角度，汽车起重机固有的变幅、回转、伸缩速度，以及汽车起重机各结构的质量和尺寸特征建立汽车起重机及吊重整体的质心坐标(x′mc,y′mc)参数化模型
式中，mi为第i级起重臂的质量，i＝1～n，n为起重臂级数，la为起重臂长度，为完成吊重挂装起重臂的初始变幅角度，以仰角为正，ωb为起重臂变幅角速度，以令起重臂升高为正，tb为变幅作动时间，lj为起重臂转轴到原点的水平距离，mb为配重的质量，lb为配重到原点的水平距离，l0为完成吊重挂装各级起重臂的初始伸出长度，vs为起重臂伸缩速度，以令起重臂伸长为正，ts为起重臂伸缩作动时间，ψ0为完成吊重挂装起重臂的初始回转角度，ωh为起重臂回转角速度，以绕z轴逆时针旋转为正，th为回转作动时间，mt为底盘质量，xt为底盘质心的x轴坐标，yt为底盘质心的y轴坐标。
步骤5，建立上装作业引起平台侧倾时，各支腿恢复平台至水平状态需要的补偿作动量模型，具体为：根据所述各支腿等效刚度ki，所述初始状态下各支腿的垂向载荷Fi，汽车起重机及吊重整体的重量及质心坐标(x′mc,y′mc)，根据静力学平衡关系建立各支腿的补偿作动量模型
式中，b为四条支腿的纵向跨距，L为四条支腿的横向跨距，Δz1～Δz4分别为质心由(xmc,ymc)移动至(x′mc,y′mc)时保持底盘水平状态所需的四条支腿的补偿作动量，其值的正负分别对应了支腿的升高和降低作动；
步骤6，利用二维倾角传感器分别测量吊重起升离地后底盘绕x、y轴的倾斜角度；根据公式βxi-αyi计算调平所需的各支腿补偿作动量，其中，α、β分别为当前状态下底盘绕x、y轴的倾斜角度。
步骤7，执行吊重起升对应的支腿补偿，具体为：设定底盘的侧倾阈值εθ，分别计算底盘绕x、y轴的倾斜角度的绝对值；若两个倾斜角度的绝对值均小于侧倾阈值εθ，则不执行吊重起升对应的支腿补偿，直接执行步骤8，否则控制支腿按照所述各支腿补偿作动量的绝对值的比例关系进行同步作动，直至执行完补偿作动量。
步骤8，识别驾驶员指令，预算支腿补偿作动数据，具体为：监测并识别驾驶员操纵上装的变幅、回转和伸缩指令，控制上装不执行指令所对应的作动；设定单位时间间隔，根据公式(2)，预算m个单位时间间隔内对应驾驶员指令的汽车起重机及吊重整体质心位置坐标；将所述m个单位时间间隔内的质心位置坐标分别代入公式(3)计算m个单位时间间隔内各支腿的补偿作动量；将第1个单位时间间隔的补偿作动量直接放入一个m×4维的矩阵的第一行，将第p个单位时间间隔，p≥2，以后的补偿作动量数据分别减去前一个单位时间间隔的补偿作动量数据并依次放入m×4维的矩阵的第p行，构成m×4维的支腿补偿作动量矩阵；设定执行次数k为0。
步骤9，执行单位时间间隔的上装作动和支腿补偿作动，具体为：将执行次数k加1，根据驾驶员操纵上装的变幅、回转、伸缩指令，驱动变幅缸、回转机构和伸缩机构执行一个单位时间间隔的上装变幅、回转、伸缩动作，并同步按照所述补偿作动量矩阵中的第k行数据执行支腿补偿作动。
步骤10，利用二维倾角传感器分别测量底盘绕x、y轴的倾斜角度，计算二者绝对值；若两个倾斜角度的绝对值均小于侧倾阈值εθ，执行步骤11，否则，手动调整支腿将底盘调整至几何水平状态，且各支腿承受均匀载荷，重新执行步骤1，并缩短设定的单位时间间隔，然后跳转至执行步骤8。
步骤11，监测并识别驾驶员操纵上装的变幅、回转、伸缩指令以及下放吊重指令，具体为：
若所述驾驶员操纵上装的变幅、回转和伸缩指令持续，则执行步骤9；
若所述驾驶员操纵上装的变幅、回转和伸缩指令改变或m个单位时间间隔的上装作动和支腿补偿作动执行完成，则执行步骤8；
若驾驶员操纵下放吊重指令，则由各支腿上的力传感器测量垂向载荷，当总垂直载荷由汽车起重机和吊重的总重G′恢复至汽车起重机总重G时，利用二维倾角传感器测量底盘绕x、y轴的倾斜角度，计算二者的绝对值；
若两个绝对值均小于侧倾阈值εθ，则不执行支腿补偿，执行步骤12，否则，根据公式βxi-αyi计算调平所需的各支腿补偿作动量，控制支腿按照所述各支腿补偿作动量的绝对值的比例关系进行同步作动，直至执行完补偿作动量，执行步骤12；
若驾驶员指令停止，则执行步骤12。
步骤12，停止上装作动以及支腿补偿作动，由各支腿上的力传感器测量垂向载荷，若总垂直载荷仍为汽车起重机和吊重的总重G′，则执行步骤8；若总垂直载荷降低为汽车起重机总重G，则实时测量并计算总垂直载荷，直至新的吊重起升离地，读取此时起重臂的变幅角度作为所述的初始变幅角度伸出长度作为所述的初始伸出长度l0，回转角度作为所述的初始回转角度ψ0，代入公式(2)，进而执行步骤8。
步骤13，驾驶员强制关闭姿态保持自动控制或关闭汽车起重机总电源，姿态保持控制结束。
进一步地，步骤1所述特定垂向位移，其范围为支腿的最大作动行程的1％～5％。
进一步地，步骤7所述的侧倾阈值εθ，其范围为0.2°～0.5°。
进一步地，步骤8所述的m，其范围为2～10；所述的单位时间间隔，其范围为1秒～5秒。
本发明的技术构思是：针对汽车起重机在调平完成后的上装作业过程中由于质心发生变化引起姿态改变，甚至可能导致倾覆事故这一工程问题，首先，测试并获取各支腿的等效刚度，根据各支腿载荷计算起重机质心坐标位置和吊重质量，进而建立汽车起重机及吊重整体的质心坐标参数化模型与支腿补偿作动量模型。然后，计算并判断执行吊重起升离地引起平台侧倾需要的各支腿补偿作动。最后，识别驾驶员指令，预算并构建支腿补偿作动量矩阵，同步控制上装作业和支腿补偿作动，直至姿态保持控制结束，以达到汽车起重机上装作业全过程底盘姿态稳定保持的效果。
本发明的有益效果如下：
1.该方法提供的计算模型能够预算汽车起重机上装作业时的质心变化坐标，在汽车起重机执行上装作业的同时进行支腿补偿作动，有效的保持了汽车起重机作业过程中姿态的实时稳定，无PID控制存在的滞后和超调问题，彻底消除了平台倾覆风险。
2.该方法提供了多个子循环判断策略，保证了方法的安全性与完整性，保障了汽车起重机在姿态调整过程中不会出现因为策略判断错误而引发的工程风险。
3.整个姿态保持过程都是自动进行，不需要人为干涉，保障了工作人员的人身安全，提高了汽车起重机的工作效率。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法的流程图；
图2为本发明上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法提供的初始状态下的汽车起重机结构特征示意图；
图3为本发明上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法提供的底盘结构特征示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法，解决了现有技术下汽车起重机不能在上装作业过程中实时维持姿态稳定的缺陷。本发明上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法使用如图2所示的汽车起重机结构特征，并为了简洁描述，将底盘4等效为如图3所示的一个平面，变幅缸1驱动起重臂2等角速度升降，回转机构3驱动起重臂2等角速度回转，各级起重臂2受伸缩机构驱动等速伸缩；各级起重臂2的有效长度相同，质量分布均匀，高一级起重臂重叠、内置于次一级起重臂内；第二级起重臂与第一级起重臂间安装有测量第二级起重臂伸出长度的位移传感器，回转机构3安装有测量起重臂2相对底盘4纵向对称面回转角度的转角传感器，变幅缸1安装有测量其伸出长度并等效计算起重臂2变幅角度的位移传感器；支腿9，按顺序编号为L1～L4，其上端垂直且等高度的插入底盘4上外伸横梁的安装孔内，下端支撑在地面上，每条支腿9的结构尺寸、最大作动行程完全相同，每条支腿9上安装有测量支腿9垂向载荷的力传感器5和测量支腿9作动量的位移传感器6，各力传感器5和位移传感器6完全相同；回转机构3的几何中心位于四条支腿9确定的矩形的中心位置；回转机构3中心位置安装有二维倾角传感器7，测量底盘4相对水平面的二维倾角；初始状态下四条支腿9将底盘4支撑至轮胎悬空、几何水平状态，各支腿9承受均匀载荷，起重臂2已运行到吊重8处，完成了吊重8的挂装但尚未进行离地起升。
本发明上装作业中汽车起重机底盘的姿态保持自动控制方法，其控制流程如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1，测量各支腿9的等效刚度，具体为：驱动1条支腿9伸长一个垂向位移，再缩短回原始长度，期间除该支腿9外的其他支腿9不动，由支腿9上的位移传感器6和力传感器5测量支腿9伸长至特定垂向位移时支腿9的载荷增量；将所述载荷增量除以所述垂向位移，得到该支腿9的等效刚度；采用同样过程，测量其他3条支腿9的等效刚度；按支腿9编号，将等效刚度分别记为ki，i＝1～4；
在本实施例中，所述特定垂向位移，其范围为支腿9的最大作动行程的1％～5％。
步骤2，计算汽车起重机总重及质心坐标位置，具体为：由力传感器5测量所述初始状态下各支腿9的垂向载荷，记为Fi，i＝1～4；如图2所示，以回转机构3上表面的几何中心为坐标原点建立坐标系，沿底盘4的纵、横、垂向分别为坐标系的x、y、z轴，各支腿9的纵、横向坐标记为(xi，yi)，力矩和倾角的正方向根据右手螺旋定则判定；汽车起重机总重记为G，根据测量的各支腿9垂向载荷，以及汽车起重机绕x、y轴的力矩平衡和沿z轴的力平衡，计算汽车起重机总重及其质心的纵、横向坐标(xmc,ymc)为
步骤3，计算吊重质量，具体为：驱动变幅缸1作动将吊重8起升至离地，再次使用力传感器5测量各支腿9的垂向载荷，计算汽车起重机和吊重8的总重G′，进而计算吊重8的质量M。
步骤4，建立汽车起重机及吊重整体的质心坐标参数化模型，具体为：根据汽车起重机在所述初始状态下的参数，即完成吊重挂装后各级起重臂2的初始伸出长度、初始回转角度、初始变幅角度，汽车起重机固有的变幅、回转、伸缩速度，以及汽车起重机各结构的质量和尺寸特征建立汽车起重机及吊重8整体的质心坐标(x′mc,y′mc)参数化模型
式中，mi为第i级起重臂2的质量，i＝1～n，n为起重臂2的级数，la为起重臂2的长度，为完成吊重8挂装起重臂2的初始变幅角度，由变幅缸上的所述位移传感器测得，ωb为起重臂2变幅角速度，以起重臂2升高为正，tb为变幅作动时间，lj为起重臂2转轴到原点的水平距离，mb为配重10的质量，lb为配重10到原点的水平距离，l0为完成吊重8挂装各级起重臂2的初始伸出长度，由所述第二级起重臂与第一级起重臂间安装的位移传感器测得，vs为起重臂2伸缩速度，以伸长为正，ts为起重臂2伸缩时间，ψ0为完成吊重8挂装起重臂2的初始回转角度，由回转机构3上的所述转角传感器测得，ωh为起重臂2回转角速度，th为回转作动时间，mt为底盘质量，xt为底盘质心的x轴坐标，yt为底盘质心y轴坐标，所述的底盘为合并前驾驶室、回转机构不动部分和底盘的整体，所述配重为合并后驾驶室、回转机构可动部分和后置配重块的整体。
步骤5，根据所述各支腿9等效刚度ki，所述初始状态下各支腿9的垂向载荷Fi，汽车起重机及吊重8整体的重量及质心坐标(x′mc,y′mc)，根据静力学平衡关系建立各支腿9的补偿作动量模型
式中，b为四条支腿9的纵向跨距，L为四条支腿9的横向跨距，Δz1～Δz4分别为质心由(xmc,ymc)移动至(x′mc,y′mc)时保持底盘4水平状态所需的四条支腿9的补偿作动量，其值的正负分别对应了支腿的升高和降低作动。
步骤6，利用二维倾角传感器7分别测量吊重8起升离地后底盘4绕x、y轴的倾斜角度；根据公式βxi-αyi计算调平所需的各支腿9的补偿作动量，其中，α、β分别为当前状态下底盘4绕x、y轴的倾斜角度。
步骤7，执行吊重8起升对应的支腿9的补偿作动，具体为：设定底盘4的侧倾阈值εθ，分别计算底盘4绕x、y轴的倾斜角度的绝对值；若两个倾斜角度的绝对值均小于侧倾阈值εθ，则不执行吊重8起升对应的支腿9的补偿作动，直接执行步骤8，否则控制支腿9按照所述各支腿补偿作动量的绝对值的比例关系进行同步作动，直至执行完补偿作动量；
在本实施例中，所述侧倾阈值εθ，其范围为0.2°～0.5°。
步骤8，识别驾驶员指令，预算支腿9的补偿作动数据，具体为：监测并识别驾驶员操纵上装的变幅、回转和伸缩指令，控制上装不执行指令所对应的作动；设定单位时间间隔，根据步骤4所述的汽车起重机及吊重8整体的质心坐标(x′mc,y′mc)参数化模型，预算m个单位时间间隔内对应驾驶员指令的汽车起重机及吊重8的整体质心位置坐标；将所述m个单位时间间隔内的质心位置坐标分别代入步骤5所述的补偿作动量模型，计算m个单位时间间隔内各支腿9的补偿作动量；将第1个单位时间间隔的补偿作动量直接放入一个m×4维的矩阵的第一行，将第p个单位时间间隔，p≥2，以后的补偿作动量数据分别减去前一个单位时间间隔的补偿作动量数据并依次放入m×4维的矩阵的第p行，构成m×4维的支腿9的补偿作动量矩阵；设定执行次数k为0；
在本实施例中，所述的m，其范围为2～10；所述的单位时间间隔，其范围为1秒～5秒。
步骤9，执行单位时间间隔的上装作动和支腿9的补偿作动，具体为：将执行次数k加1，根据驾驶员操纵上装的变幅、回转、伸缩指令，驱动变幅缸1、回转机构3和伸缩机构执行一个单位时间间隔的上装变幅、回转、伸缩动作，并同步按照所述补偿作动量矩阵中的数据执行一个单位时间间隔的支腿9的补偿作动。
步骤10，利用二维倾角传感器7分别测量底盘4绕x、y轴的倾斜角度，计算二者绝对值；若两个倾斜角度的绝对值均小于侧倾阈值εθ，执行步骤11，否则，手动调整支腿9将底盘4调整至几何水平状态，且各支腿9承受均匀载荷，重新执行步骤1，缩短设定的单位时间间隔并跳转至执行步骤8。
步骤11，监测并识别驾驶员操纵上装的变幅、回转、伸缩指令以及下放吊重指令，具体为：
若所述驾驶员操纵上装的变幅、回转和伸缩指令持续，则执行步骤9；若所述驾驶员操纵上装的变幅、回转和伸缩指令改变或m个单位时间间隔的上装作动和支腿补偿作动执行完成，则执行步骤8；
若驾驶员操纵下放吊重指令，则由各支腿上的力传感器测量垂向载荷，当总垂直载荷由汽车起重机和吊重的总重G′恢复至汽车起重机总重G时，利用二维倾角传感器测量底盘绕x、y轴的倾斜角度，计算二者的绝对值；若两个绝对值均小于侧倾阈值εθ，则不执行支腿补偿，执行步骤12，否则，根据公式βxi-αyi计算调平所需的各支腿补偿作动量，控制支腿按照所述各支腿补偿作动量的绝对值的比例关系进行同步作动，直至执行完补偿作动量，执行步骤12；
若驾驶员指令停止，则执行步骤12；
步骤12，停止上装作动以及支腿补偿作动，由各支腿上的力传感器测量垂向载荷，若总垂直载荷仍为汽车起重机和吊重的总重G′，则执行步骤8；若总垂直载荷降低为汽车起重机总重G，则实时测量并计算总垂直载荷，直至新的吊重起升离地，读取此时起重臂的变幅角度作为所述的初始变幅角度伸出长度作为所述的初始伸出长度l0，回转角度作为所述的初始回转角度ψ0，代入公式(2)，进而执行步骤8；
步骤13，驾驶员强制关闭姿态保持自动控制或关闭汽车起重机总电源，姿态保持控制结束。
最后应说明的是，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
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