桥式起重机防摇摆控制方法、系统及控制器

1.本发明涉及起重机技术领域，具体为桥式起重机防摇摆控制方法、系统及控制器。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.桥式起重机是常用的工业设备，其小车和负载之间通过柔性的钢丝绳连接，使得小车带动负载运行时，容易使负载产生摇摆从而影响桥式起重机的运输效率。
4.目前的手动式防摇摆方法是通过点动控制小车反向运动来削弱负载摆动能力，使负载快速停下来，这种方式机会造成极大机械损耗，容易造成工作人员的疲惫，安全隐患大。
5.机械式防摇摆方法是通过机械手段消耗小车运行过程中负载摆动的能量，最终达到消除负载摆动的目的，这种防摇摆方式虽然有着稳定、可靠的优点，但是也会造成其他问题，比如增加了起重机质量、机械损耗极大、维修困难、硬件成本高等。
6.电气式防摇摆控制方法比机械式的被动防摇效果更好，但控制过程复杂难以实现。


技术实现要素：

7.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供桥式起重机防摇摆控制方法、系统及控制器，根据小车和负载自身的参数以及运行过程中摆动角度的反馈，以设定的周期性加速度指令作为控制量实现桥式起重机的防摇摆控制，可使负载到达指定位置时无剩余摆动，能够极大地提高桥式起重机的运输效率。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明的第一个方面提供桥式起重机防摇摆控制方法，包括以下步骤：
10.获取桥式起重机小车的加速度信息，根据小车移动的目标位置，桥式起重机允许的最大加速度、最大速度和负载的最大摆动角度，以及小车与负载之间钢丝绳的长度，以设定的周期性加速度指令控制桥式起重机的小车；具体为：
11.小车以第一加速度运行第一时间段后切换为匀速运动，匀速运动持续第二时间段后切换为第二加速度；
12.以第二加速度运行第三时间段后切换为匀速运动，匀速运动持续第二时间段后切换回第一加速度；
13.再次以第一加速度运行第一时间段后切换为匀速运动，此时加速运动阶段结束进入匀速运动阶段，匀速运动阶段下小车与负载相对静止。
14.匀速运动阶段持续第四时间段后进入减速运动阶段，减速运动阶段下的周期性加速度指令与加速运动阶段相对应。
15.以圆o表示小车以加速度a加速时的相平面轨迹，圆o1表示小车以加速度as加速时
的相平面轨迹；小车初始状态在o点，小车以加速度a启动经过第一时间段使其相平面状态运动到a点，到达a点后以加速度为0匀速运行第二时间段到达b点，并以加速度as维持在b点，然后将加速度切换到0，使小车状态从b点到c点，最后以加速度a运动到o点。
16.根据相平面轨迹中以o为圆心oa为半径的圆，与横轴的交点b坐标，得到满足小车在b点做匀加速直线运动时加速度的切换条件。
17.根据相平面轨迹中，小车处于b点时负载摆角的最大角度和小车到达a点的时间，得到∠ao1o的表达式进而得到第一时间段的取值。
18.根据相平面轨迹中，∠boa的表达式得到第二时间段的取值。
19.假设小车以第一加速度运行第一时间段后已经到达桥式起重机允许的最大速度，则根据相平面轨迹得到第三时间段和第四时间段的取值。
20.加速运动阶段下，根据负载质量得到桥式起重机允许的负载的最大势能和最小势能，预测负载能够到达的最大摆角、在设定时刻下小车要移动的最小距离和小车的最大速度；
21.当得到的负载势能、小车要移动的最小距离和小车的最大速度，不大于桥式起重机允许的最大加速度、最大速度和负载的最大摆动角度中的任意一项时，该设定时刻即为第一时间段。
22.本发明的第二个方面提供实现上述方法的系统，包括：
23.信息识别模块，被配置为：获取桥式起重机小车的加速度信息；
24.指令输出模块，被配置为：根据桥式起重机小车的加速度信息、小车移动的目标位置、桥式起重机允许的最大加速度、最大速度和负载的最大摆动角度，以及小车与负载之间钢丝绳的长度，以设定的周期性加速度指令控制桥式起重机的小车；具体为：
25.小车以第一加速度运行第一时间段后切换为匀速运动，匀速运动持续第二时间段后切换为第二加速度；
26.以第二加速度运行第三时间段后切换为匀速运动，匀速运动持续第二时间段后切换回第一加速度；
27.再次以第一加速度运行第一时间段后切换为匀速运动，此时加速运动阶段结束进入匀速运动阶段，匀速运动阶段下小车与负载相对静止。
28.本发明的第三个方面提供一种控制器。
29.一种控制器，连接在桥式起重机上，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现如上述所述的桥式起重机防摇摆控制方法中的步骤。
30.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
31.1、根据小车和负载自身的参数以及运行过程中摆动角度的反馈，以设定的周期性加速度指令作为控制量实现桥式起重机的防摇摆控制，可使负载到达指定位置时无剩余摆动，能够极大地提高桥式起重机的运输效率。
32.2、将小车的速度、加速度和负载的最大摆角约束在桥式起重机的允许范围内，确保安全性。
33.3、桥式起重机的小车携带负载运行时，依次经过加速阶段、匀速阶段和减速阶段，加速阶段下的周期性加速度指令与减速阶段相对应，控制过程简单。
附图说明
34.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
35.图1(a)-(c)是本发明一个或多个实施例提供的桥式起重机小车不同加速度下负载摆动角度和角速度之间的变化关系示意图；
36.图2(a)-(b)是本发明一个或多个实施例提供的输入周期性加速度控制小车实现桥式起重机防摇摆的相平面示意图；
37.图3是本发明一个或多个实施例提供的桥式起重机的运动示意图；
38.图4是本发明一个或多个实施例提供的加速度信号示意图；
39.图5(a)-(d)是本发明一个或多个实施例提供的周期性加速度输入开环控制下防摇摆效果仿真测试示意图；
40.图6(a)-(d)是本发明一个或多个实施例提供的周期性加速度输入闭环控制下防摇摆效果仿真测试示意图。
具体实施方式
41.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
42.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
43.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
44.以下实施例给出了桥式起重机防摇摆控制方法、系统及控制器，基于控制理论给出了电气式的防摇摆方法，其中，开环方法不仅可以得到系统运动的解析表达式，而且可使负载到达指定位置时无剩余摆动，同时可以将小车的速度、加速度和负载的最大摆角约束在系统允许范围内。还解决了已有的一些电气式防摇摆方法中匀速阶段速度无法达到最大值的问题，能够极大地提高桥式起重机的运输效率。基于开环控制方法引入角度反馈得到闭环控制方法，所提出的闭环控制方法在一定程度上改善了开环控制方法对系统参数精度依赖问题。
45.实施例一：
46.桥式起重机防摇摆控制方法，包括以下步骤：
47.获取桥式起重机小车的加速度信息，根据小车移动的目标位置，桥式起重机允许的最大加速度、最大速度和负载的最大摆动角度，以及小车与负载之间钢丝绳的长度，以设定的周期性加速度指令控制桥式起重机的小车；具体为：
48.小车以第一加速度运行第一时间段后切换为匀速运动，匀速运动持续第二时间段后切换为第二加速度；
49.以第二加速度运行第三时间段后切换为匀速运动，匀速运动持续第二时间段后切换回第一加速度；
50.再次以第一加速度运行第一时间段后切换为匀速运动，此时加速运动阶段结束进入匀速运动阶段，匀速运动阶段下小车与负载相对静止。
51.具体的：
52.本实施例在桥式起重机二维动力学模型的基础上设计的，根据拉格朗日法可以得到动力学模型为
[0053][0054]
其中，m表示小车质量，m表示负载质量，l表示绳长，x表示小车的位移，θ表示负载摆动角度，g表示重力加速度。
[0055]
令将其代入到线性化后的二维动力学模型中，可以得到
[0056][0057]
因为实际应用中桥式起重机的加速度在短时间内可以看作是一个定值，所以可以先分析小车在无外界输入的情况下以恒定加速度a运行时，负载摆角的变化规律。当时，式的解为
[0058][0059]
然后，对公式(1-3)两边求导得
[0060][0061]
式中，θ(0)表示初始速度，表示初始加速度。为了简化分析，尺度化角速度信号，得到尺度化表达式如下：
[0062][0063]
根据公式到，可以得到只包含和θ(t)两个自变量的表达式如下：
[0064][0065]
考虑桥式起重机系统启动的时候，初始角度和角速度一般为0，那么尺度化的角速度也为0，即
[0066][0067]
因此，结合和，可以得到摆角为零初始状态的表达式
[0068][0069]
当a＞0时，负载状态和θ(t)随时间增加而在圆上做顺时针方向运动，运行一圈的时间为t＝2π/ωn，如图1(a)所示，可以发现负载摆角随着时间增加而周期性变化。
[0070]
当a＝0时，负载状态和θ(t)不随时间变化而变化，一直停留在原点，如图1中(b)所示，此时负载和小车相对静止。
[0071]
当a＜0时，负载状态和θ(t)随时间增加做与第一种情况类似的运动，如图1中(c)所示。
[0072]
通过对图1的分析，就可以发现小车加速度和负载摆动角度之间的关系。因此本实施例以一条周期性加速度轨迹作为控制量，使得桥式起重机的小车可以精准快速到达指定位置，同时限制负载的摆动角度。
[0073]
如图2所示，其中，以圆o表示小车以加速度a加速时的相平面轨迹，圆o1表示小车以加速度as加速时的相平面轨迹；小车初始状态在o点，小车以加速度a启动经过第一时间段使其相平面状态运动到a点，到达a点后以加速度为0匀速运行第二时间段到达b点，并以加速度as维持在b点，然后将加速度切换到0，使小车状态从b点到c点，最后以加速度a运动到o点，实现加速过程。通过控制加速度切换时间，来保证桥式起重机实现精准定位及防摇摆。
[0074]
桥式起重机运动示意图如图3示。其中减速阶段和加速阶段完全对称，接下来主要计算加速阶段和匀速阶段时间，减速阶段的时间由加速时间对称获得。
[0075]
假设到达a点的时间为t
a1
，那么a点的表达式为
[0076][0077]
以o为圆心oa为半径的圆的表达式为
[0078][0079]
与横轴的交点b坐标为
[0080]
其中图2(a)表示从恒定加速度运动阶段oa切换到匀速运动阶段ab的时间为t/4≤t
a1
≤t/2情况下，得到匀加速静止状态b；图2(b)表示切换时间t
a1
＜t/4的情况，从这两张图中发现可以通过控制切换时间t
a1
实现b点在0到-2a/g位置上移动。
[0081]
为了保证系统可以在b点做匀加速直线运动必须保证切换的加速度满足如下表达式：
[0082][0083]
上述内容分析了系统在相平面第三象限的运动轨迹，根据几何关系，可以得到第
二象限的运动轨迹，它和第三象限运动轨迹关于横轴对称。第二、三象限运动轨迹表示的是系统加速阶段，第一、四象限表示减速阶段，两者关于纵轴完全对称，匀速阶段静止在原点。根据上述相平面运动轨迹设计周期性加速度输入表达式如下：
[0084][0085]
表达式轨迹如图4所示。其中，a≥0表示图2中o点运动到a点的加速度；t
ab
表示a点运动到b点的时间。
[0086]
同时从图2中可以发现b点负载摆角为最大角度θ
max
，所以可以推出如下表达式：
[0087][0088]
接下来，结合式(1-9)，可以推得
[0089][0090]
对公式(1-12)进行两次积分可以得到
[0091]
(2at
a1
+asta)(2t
a1
+2t
ab
+ta+tc)＝vu(2t
a1
+2t
ab
+ta+tc)＝x
d (1-15)其中，ta表示在a点持续加速的时间，tc表示匀速运动的时间。根据公式(1-15)可以得到
[0092][0093]
其中，vu表示匀速运动时的速度。
[0094]
为了使小车尽可能快的达到目标位置可以使
[0095]
a＝a
gm (1-17)
[0096]
结合公式(1-16)和(1-17)，可以得到
[0097][0098]
根据几何原理分析图，并结合式(1-14)可以得到
[0099][0100]
进一步通过式(1-19)可以得到切换时间为
[0101][0102]
结合公式(1-18)和(1-20)可以得到加速阶段运行时间即弧线运行时间为
[0103][0104]
然后通过公式(1-21)得到最终的∠ao1o为
[0105][0106]
下一步，再根据几何关系得到
[0107][0108]
最后得到匀速阶段即弧线持续时间如下：
[0109][0110]
假设vu＝v
gm
，根据公式(1-15)可以得到匀加速相对静止状态的持续时间为
[0111][0112]
其中，xd表示目标位置，也就是小车要移动的距离，根据公式(1-25)获得的tc，但是其值可能小于0。当tc≤0时，说明整个运动过程中不存在匀速运动阶段，此时系统可能无法达到系统给定的允许的最大速度v
gm
，因此重新计算vu为
[0113][0114]
根据(1-26)求得系统最终能达到的最大速度v
max
将vu＝v
max
代入到(1-25)中可以得到最终确定的ta和tc。
[0115]
综上所述，通过给定参数{xd,a
gm
,v
gm
,θ
gm
,l}，确定周期性加速度输入轨迹参数{t
a1
,t
ab
,θ
max
,ta,tc}，实现周期性加速度输入开环控制。
[0116]
其中，xd表示桥式起重机小车要移动到的目标位置，a
gm
表示桥式起重机允许的最大加速度，v
gm
表示桥式起重机允许的最大速度，θ
gm
表示桥式起重机允许的负载最大摆动角度，l表示绳长(即小车与负载之间钢丝绳的长度)，θ
max
为b点负载摆角为最大角度。
[0117]
上述过程形成了开环的控制方法，根据小车和负载自身的参数，以一组不同设定周期的加速度轨迹作为控制量实现桥式起重机的防摇摆。控制量为加速度，通过控制器直接控制小车的加速度，通过小车的传感器就可以得到小车的位置信息以及负载摆动角度信息，对位置信息求导就可以得到速度，然后对速度求导就可以得到加速度。
[0118]
实施例二：
[0119]
实施例一给出了开环控制的方法，在开环控制基础上引入角度反馈回路，减少计算加速度切换时间过程对系统参数的依赖。具体的：
[0120]
(1)得到第一个加速阶段的时间即t
a1
。
[0121]
小车在加速运动过程，系统允许的负载的最大势能为
[0122]emax
＝mgl(1-cosθ
max
) (1-27)
[0123]
其中小车在第一个加速阶段即阶段，负载的最小势能为
[0124][0125]
为了保证负载角度在约束之内，所以负载势能必须满足
[0126]
e(t
a1
)≤e
max (1-29)
[0127]
通过几何分析可以预测负载能够到达的最大摆角
[0128][0129]
结合(1-30)，可以预测td时刻小车最少要移动的距离
[0130][0131]
为了保证小车能够准确到达目标位置，小车位移必须满足
[0132]
min(x(t))≤x
d (1-32)
[0133]
可以预测小车最大速度为
[0134]
max(v(t))＝2v(t
a1
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-33)
[0135]
为了保证小车速度在约束之内，所以小车速度必须满足
[0136]
max(v(t))≤v
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-34)
[0137]
其中，v
max
表示在满足所有条件下能够到达的最大速度，在小车运动的过程当中必须同时满足式子(1-29)、(1-32)和(1-34)。为了使系统运输效率最大化，因此只要其中有一个条件达到临界值，取此刻的时间为t
a1
，即
[0138]
t
a1
＝t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-35)
[0139]
(2)计算小车匀速运动，负载非匀速运动阶段即的持续时间t
ab
。
[0140]
实时读取系统的角速度当角速度满足时，利用当前时间t可以获得
[0141]
t
ab
＝t-t
a1
,t≥t
a1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-36)
[0142]
(3)计算小车匀加速相对静止状态的持续时间ta。
[0143]
可知小车的最大速度为
[0144]
t
u1
＝t
a1
+t
ab
+taꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-37)
[0145]
max(v(t))＝v(t
a1
)+v(t
u1
),t≥t
u1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-38)
[0146]
其中t
u1
表示小车匀加速相对静止状态结束时刻，然后预测当前时刻小车最少要移动的距离：
[0147]
min(x(t))＝2(x(t
u1
)+(v(t
u1
)+v(t
a1
))(t
a1
+t
ab
)-x(t
a1
+t
ab
)),t≥t
u1
ꢀꢀꢀꢀ
(1-39)
[0148]
对于公式(1-31)和(1-32)必须分别同时满足(1-32)和(1-34)，当其中一个条件达到临界时，确定ta即
[0149]
ta＝t
u1-t
a1-t
ab (1-40)
[0150]
(4)计算小车绝对匀速时间tc。
[0151]
假设在t
ce
时刻结束匀速运动进入减速阶段即
[0152]
t
ce
＝2t
a1
+2t
ab
+ta+t
c (1-41)
[0153]
可以预测当前时刻小车最少要移动的距离：
[0154]
min(x(t))＝x(t
ce
)+x(2t
a1
+2t
ab
+ta),t≥t
ce (1-42)
[0155]
小车运动匀速运动过程中，表达式(1-42)必须满足(1-32)，当该条件达到临界值时，可以确定tc即
[0156]
tc＝t
ce-(2t
a1
+2t
ab
+ta) (1-43)
[0157]
这样，根据公式(1-27)-(1-43)就可以计算出切换时间(t
a1
,t
ab
,ta,tc)，然后根据表达式(1-12)就可以得到完整的周期性加速度输入的轨迹。最后将本实施例的周期性加速度轨迹作为桥式起重机的控制量，实现精准定位及防摇摆控制。
[0158]
上述过程形成闭环控制，根据小车和负载自身的参数以及角度反馈，以一组不同设定周期的加速度轨迹作为控制量实现桥式起重机的防摇摆。
[0159]
仿真验证：
[0160]
设计系统桥式起重机参数如表1所示，其中a
gm
表示系统允许的最大加速度，θ
gm
表示系统允许的负载最大摆动角度，v
gm
表示系统允许的最大速度，xd表示目标位置。然后根据实施例所提算法计算得到加速度切换时间如表2所示，从而可以得到加速度输入轨迹，将该轨迹作控制量就可以实现对桥式起重机的控制。最后得到实验结果数据如图5和图6所示。
[0161]
表1系统参数表
[0162]
参数名称a
gm
(m/s2)θ
gm
(rad)v
gm
(m/s)l(m)xd(m)参数值0.50.061.01.67.0
[0163]
表2周期性加速度输入闭环控制方法仿真参数的计算结果
[0164][0165]
可以发现实施例一和实施例二两种控制方法下小车到达目标位置的精度相差不大，但是在闭环控制下的小车到达目标位置的时间为9.8458s比开环控制运行时间9.8463s更快但相差不大。说明两种控制方法的防摇摆效果均可以满足要求，但是闭环控制鲁棒性效果更好。
[0166]
实施例三：
[0167]
本实施例提供了实现上述方法的系统，包括：
[0168]
动作识别模块，配置为：作业人员和机器人处于同一工作空间下，基于已构建的动作识别模型，利用获取到的作业人员动作信息，识别作业人员当前的动作状态为行走、观察或工作；
[0169]
距离计算模块，配置为：利用获取到的作业人员和机器人的位置信息，得到作业人员与机器人之间的距离；
[0170]
风险等级判定模块，配置为：根据作业人员当前的动作状态与得到的最小距离，产生不同动作状态下的风险提示指令。
[0171]
实施例四
[0172]
本实施例提供了一种控制器，连接在桥式起重机上，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现如上述所述的桥式起重机防摇摆控制方法中的步骤。
[0173]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储
介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式，或采用与桥式起重机相匹配的硬件形式(例如控制器)。
[0174]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0175]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。