专利名称：臂架轨迹优化方法、系统及包含该系统的工程机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种臂架轨迹优化方法、系统及包含该系统的工程机械。
背景技术：
目前，国内外对臂架在运动过程的振动控制及轨迹控制的研究十分稀少。国内外高校及研究机构进行了很多针对压电智能材料应用于悬臂梁的主动控制的研究工作，其控制方式是通过压电材料的正逆压电效应对结构产生的变形进行抑制。另外，小松及国外的挖掘机公司曾对挖掘机的臂架结构的振动控制进行研究，国外著名消防车公司Magirus曾经就高空消防车臂架结构进行过轨迹控制以及简单的减振处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种臂架轨迹优化方法、系统及包含该系统的工程机械。为了实现上述目的，本发明提供一种臂架轨迹优化方法，该方法包括接收臂架的当前姿态以及目标位置，该当前姿态包括臂架的长度向量及角度向量；根据该当前姿态，确定所述臂架末端的当前位置；根据该当前位置及所述目标位置，规划所述臂架的轨迹；以及将该轨迹所涉及的姿态与预先存储的危险姿态进行比较，并在轨迹所涉及的姿态存在危险姿态时，重新规划轨迹，以使得重新规划后的轨迹不存在危险姿态。相应地，本发明还提供一种臂架轨迹优化系统，该系统包括长度传感器，用于检测所述臂架各节臂的长度，得到所述臂架的长度向量；角度传感器，用于检测所述臂架各节臂的角度，得到所述臂架的角度向量；接收装置，用于接收臂架末端的目标位置；轨迹控制器，用于执行上述臂架轨迹优化方法。相应地，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包括上述系统。通过上述技术方案，可一些危险姿态，让臂架尽量处于稳定姿态，从而提高臂架在运动过程中的稳定性。本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式
部分予以详细说明。
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式
一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中图1示出了该高空消防车伸缩折叠臂的结构示意图；图2为本发明提供的臂架控制系统的结构示意图；图3为图1所示的伸缩折叠臂的简化模型图；图4为在本发明的臂架控制系统的控制下施加至臂架的液压力与臂架的速度之间关系不意图；图5为本发明提供的臂架轨迹规划流程图6为本发明提供的臂架控制系统的另一实施方式的结构示意图；以及图7为提高臂架运动稳定性的臂架控制方法流程图。附图标记说明10长度传感器20角度传感器30速度传感器40控制器50液压系统60臂架70 形变传感器
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式
仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。由于臂架在运动过程中，臂架的刚度变化较大，因此不能用静态的结构建模方式将此系统简化成固定的动力学方程。为此，本发明提出了一种基于变姿态臂架结构动力学模型的臂架运动过程中的振动控制方案。以下以高空消防车伸缩折叠臂为例进行说明，当然本发明并不限于此，本发明可适用于任何存在振动控制需求、稳定性控制、和/或轨迹规划的臂架。图1示出了该高空消防车伸缩折叠臂的结构示意图，伸缩折叠臂是一种既可伸缩又可折叠的多节臂架，在此仅以两节折叠臂、多级伸缩臂的伸缩折叠臂作为实例对象进行说明。在下文的描述中，会涉及长度传感器，角度传感器、速度传感器、及应变传感器，需要说明的是，在传感器对外部数据进行采集的过程中，可对数据进行滤波处理。这种滤波处理的目的在于过滤掉信号中的干扰成分，例如由于颤振引起的高频振动和伸缩折叠臂的低频振动相叠加，从传感器中测量的数据中包含这两种成分，为了对所关注的低频振动进行有效的抑制，应根据具体的频率分布不同，设计滤波器将信号中包含的高频信号进行滤去，最后得到的信号主要由低频信号组成。图2为本发明提供的臂架控制系统的结构示意图。如图2所示，该系统包括:长度传感器10于检测所述臂架60臂的长度，以得到该臂架60度向量；角度传感器20于检测所述臂架60臂的角度，以得到该臂架60度向量；速度传感器30于检测所述臂架60臂的速度，以得到该臂架60前速度向量；以及控制器40于根据所述长度向量及角度向量(该长度向量及角度向量即决定了臂架的当前姿态)，确定与该当前姿态相对应的相对应的质量矩阵及刚度矩阵，将该质量矩阵及刚度矩阵代入所述臂架的结构动力学方程，根据该结构动力学方程进行主动振动控制，计算出反馈增益向量(在此，可对该结构动力学方程应用模态控制算法、PID控制算法、模糊控制算法、模糊神经网络、独立模态控制算法之一来计算出反馈增益向量，具体采用何种算法可取决于实际测出的臂架响应是否满足指标要求)；以及根据该反馈增益向量及所述当前速度向量，施加一控制信号至液压系统50而控制该液压系统施加至所述臂架60压力，以在控制所述臂架60的同时，抑制所述臂架60。其中，所述确定与该当前姿态相对应的质量矩阵及刚度矩阵包括:通过有限元计算方法建立不同姿态下臂架的刚度矩阵及质量矩阵数据库；拟合臂架的刚度矩阵及质量矩阵与臂架姿态之间的函数关系；以及根据该函数关系，确定所述臂架在所述当前姿态下的质量矩阵及刚度矩阵。举例而言，所述刚度矩阵与臂架姿态之间的函数关系可被拟合如下:
权利要求
1.一种臂架轨迹优化方法，其特征在于，该方法包括: 接收臂架的当前姿态以及目标位置，该当前姿态包括臂架的长度向量及角度向量； 根据该当前姿态，确定所述臂架末端的当前位置； 根据该当前位置及所述目标位置，规划所述臂架的轨迹；以及将该轨迹所涉及的姿态与预先存储的危险姿态进行比较，并在轨迹所涉及的姿态存在危险姿态时，重新规划轨迹，以使得重新规划后的轨迹不存在危险姿态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先存储的危险姿态通过以下步骤确定: 确定所述臂架在每一姿态下的刚度矩阵；以及 在所述刚度矩阵的竖直方向刚度或扭转刚度小于相应的预设值时，确定该刚度矩阵所对应的姿态为危险姿态，存储该危险姿态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述臂架在每一姿态下的刚度矩阵包括: 通过有限元计算方法建立不同姿态下臂架的刚度矩阵数据库； 拟合臂架的刚度矩阵与臂架姿态之间的函数关系；以及 根据该函数关系，确定所述臂架在所述每一姿态下的质量矩阵。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所规划的臂架轨迹满足:0/〈0 JtXe1"，02，〈02(t)〈e2"，……，en，〈0n(t)〈0n";及 Va1Wa1"，i2，〈i2(t)〈i2"，……，乜’似親"， 其中，ejt)，e2(t)，……，en(t)分别表示所述臂架的n节折叠臂的角度与时间t的函数；ljt)，I2(t),……，lm(t)分别表示所述臂架的m节伸缩臂的长度与时间t的函数；e/, e2’，……，en’分别表示所述臂架的n节折叠臂的最小允许角度；0广，02"，……，0 n"分别表示所述臂架的n节折叠臂的最大允许角度；1/，12’，……，lm’分别表示所述臂架的m节伸缩臂的最小允许长度；I1", I2"，……，lm"分别表示所述臂架的m节伸缩臂的最大允许长度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所规划的臂架轨迹满足=Kt1, 其中，表示所述臂架末端到达所述目标位置所消耗的时间最大允许值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述臂架为伸缩折叠臂。
7.一种臂架轨迹优化系统，其特征在于，该系统包括: 长度传感器，用于检测所述臂架各节臂的长度，得到所述臂架的长度向量； 角度传感器，用于检测所述臂架各节臂的角度，得到所述臂架的角度向量； 接收装置，用于接收臂架末端的目标位置； 轨迹控制器，用于执行根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的方法。
8.—种工程机械，其特征在于，该工程机械包括根据权利要求7所述的系统。
全文摘要
本发明公开了一种臂架轨迹优化方法、系统及包含该系统的工程机械，该方法包括接收臂架的当前姿态以及目标位置，该当前姿态包括臂架的长度向量及角度向量；根据该当前姿态，确定所述臂架末端的当前位置；根据该当前位置及所述目标位置，规划所述臂架的轨迹；以及将该轨迹所涉及的姿态与预先存储的危险姿态进行比较，并在轨迹所涉及的姿态存在危险姿态时，重新规划轨迹，以使得重新规划后的轨迹不存在危险姿态。通过上述技术方案，可一些危险姿态，让臂架尽量处于稳定姿态，从而提高臂架在运动过程中的稳定性。
文档编号A62C27/00GK103075011SQ20121059027
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者刘仰清, 王曦鸣, 曾光, 曾亚平, 阳鹏 申请人:中联重科股份有限公司