专利名称：旋转式起重机轨迹优化控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及起重机装卸技术领域，特别涉及旋转式起重机吊装过程中的轨迹运行
控制技术领域，具体是指一种旋转式起重机轨迹优化控制系统及其控制方法。
背景技术：
现代社会中，物流的快速发展使得起重机吊装越来越追求安全、高效、节能，常见 的起重机中，大多数起重机含有至少一个运动机构是旋转式的，如门机、塔吊等，其都有旋 转移动部分，部分起重机有一个以上的旋转机构，如部分门机除了有一个旋转移动机构，门 机的变幅也是通过旋转机构实现的。 传统的旋转式吊车运动控制方式是为了符合吊车机械运动机构的操作模式而不 是人们习惯的操作模式进行设计的，这样的控制方式在吊车的制造和实现上比较简单方 便，因此，旋转式吊车的运动机构中就包含了旋转移动。 由于起重机的运动机构是由司机通过控制手柄来实现的，因此司机控制被吊装的 物体的运动往往也是喜欢直接控制运动机构。由于有旋转机构存在，司机的运动控制不得 不按照旋转的运动轨迹来设计运动控制的，这就使得物体在空间运动很难按照人们习惯的 自然垂直空间坐标(笛卡尔坐标)来设计运动轨迹(如直线运动或特定的空间轨迹)。另 外，由于有旋转运动，被吊装的物体轨迹很难进行优化，增加运动距离和时间，浪费工作效 率和能量，占有更多的运动和安全空间，并且存在一系列的困难很难克服，如晃动、扭动，定 位困难等。同时也会增加了吊车的油耗和机械磨损。 在吊装途径中捷径自然是两点之间尽可能走直线，而且直线在人们的自然垂直空 间中也容易理解和反应的，同时还可以克服由于旋转运动带来的很多问题和困难。然而，对 于旋转式起重机，它的直线运动往往需要多个运动机构协调运动来实现，而多个运动机构 的协调控制如果让司机通过手动操作来实现是即不直观，也不方便的，通常是难度很大的， 所以，目前司机大多通过分别单独控制单个运动机构来实现吊装运动轨迹，从而不能保证 进行直线的运动；部分吊装由于安全运动空间限制，必须通过直线或特定空间轨迹来运行， 这时，司机不得不通过牺牲吊装速度，通过对运动轨迹的细分，低速小步距地协调控制多个 运动机构的位置来拟合直线或特定的空间轨迹。 同时，现在被吊装的物体越来越大，多台起重机进行抬吊的作业也变得越来越多， 当有旋转式的起重机进行抬吊时，其轨迹跟踪或协调变得非常困难，它没有办法以一台吊 车的机械运动结构为运动原始点，对于操作者和指挥者来讲，都是根据人们习惯的垂直空 间坐标(笛卡尔空间)来工作的，因此，多吊车抬吊大型物体比较困难。 综上所述，由于操作的不直观、不方便、以及司机对速度的本能追求，这类运动还 存在一定的安全隐患，因此，迫切需要提供一种符合人们自然习惯的吊装操作模式，而且逐 渐变的尤为重要。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够符合人们自然习惯
的吊装操作方式、操作运行方便快捷、系统运行安全可靠、节省运动空间、减少被吊物体的 晃动和扭动、能够实现多吊车协同工作的旋转式起重机轨迹优化控制系统及其控制方法。 为了实现上述的目的，本发明的旋转式起重机轨迹优化控制系统及其控制方法如下 该旋转式起重机轨迹优化控制系统，该旋转式起重机包括吊具运动机构，所述的
吊具运动机构包括数个运动机构，其主要特点是，所述的控制系统包括吊车优化轨迹控制
装置、吊具运动机构位置检测模块和吊具运动机构位置控制模块，所述的吊车优化轨迹控
制装置分别与所述的吊具运动机构位置检测模块和吊具运动机构控制模块相连接，且所述
的吊具运动机构位置检测模块和吊具运动机构控制模块均分别与所述的数个运动机构相连接。 该旋转式起重机轨迹优化控制系统中的吊具运动机构包括至少两个运动机构，其 中至少一个运动机构为旋转式运动机构。 该旋转式起重机轨迹优化控制系统中的吊具运动机构位置检测模块中包括有与 所述的运动机构数量相对应的运动机构位置编码器，所述的各个运动机构位置编码器分别 与各个运动机构相一一对应，且所述的各个运动机构位置编码器均与所述的吊车优化轨迹 控制装置相连接。 该旋转式起重机轨迹优化控制系统中的吊具运动机构位置控制模块中包括有与 所述的运动机构数量相对应的运动机构控制单元，所述的各个运动机构控制单元分别与各 个运动机构相一一对应，且所述的各个运动机构控制单元均与所述的吊车优化轨迹控制装 置相连接。 该旋转式起重机轨迹优化控制系统中的运动机构控制单元可以为PLC可编程逻 辑控制器、专用控制器或者工业电脑。 该旋转式起重机轨迹优化控制系统中的吊车优化轨迹控制装置还连接有运动轨 迹信号输入模块。 该吊车优化轨迹控制装置中的吊车优化轨迹控制装置设计和优化自然空间坐标
运动轨迹，该自然空间坐标运动轨迹的产生方式为以下几种中的一种 (11)旋转式起重机的司机设定； (12)系统预先存储； (13)系统自学习产生； (14)系统通过目标跟踪产生； (15)系统根据约束条件优化产生。该旋转式起重机轨迹优化控制系统中的吊车优
化轨迹控制装置可以为PLC可编程逻辑控制器、专用控制器或者工业电脑。 该利用上述的系统实现旋转式起重机轨迹优化控制的方法，其主要特点是，所述
的方法包括以下步骤； (1)系统进行初始化操作； (2)系统读取预先设计和优化的自然空间坐标运动轨迹信息； (3)系统根据旋转式起重机的参数把自然空间坐标运动轨迹信息转换成预先设计 的吊具运动机构的坐标信息；
(4)系统对各个吊具运动机构进行实时控制。 该实现旋转式起重机轨迹优化控制的方法中的自然空间坐标为自然垂直空间的 笛卡尔坐标；所述的预先设计的吊具运动机构的坐标信息中包括有吊具运动机构的旋转信息。 采用了该发明的旋转式起重机轨迹优化控制系统及其控制方法，由于在吊装过程 中，司机可以不按照吊车设计的旋转机构来设计运动轨迹(有旋转运动)，而是能够仅根据 人们习惯的自然垂直空间坐标(笛卡尔坐标)来设计运动轨迹，如直线运动或特定的空间 轨迹，从而达到优化轨迹的作用，该垂直空间坐标设计的运动轨迹可以方便地实现轨迹优 化和轨迹跟踪，从而由于按照优化的轨迹运动，可以有效地减少运行距离，提高运动速度， 节约运动空间，并且还可以减低物体的晃动、扭动，方便定位控制，特别是轨迹跟踪技术方 便实现多台吊车对大型物体的抬吊，能够实现多吊车协同工作，从而可以有效地扩展吊车 的吊装能力，实现吊装过程中的安全、高效、节能减排，并且大大可以降低工人的劳动强度， 同时经济实用，安全可靠，结构简单，成本较低，适用范围广泛。
附图说 明
图1为本发明的旋转式起重机轨迹优化控制系统的功能模块结构示意图。
图2为本发明的旋转式起重机轨迹优化控制方法的整体工作流程图。
具体实施例方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，该旋转式起重机轨迹优化控制系统，所述的旋转式起重机包括 吊具运动机构，所述的吊具运动机构包括数个运动机构，其中，所述的控制系统包括吊车优 化轨迹控制装置3、吊具运动机构位置检测模块1和吊具运动机构位置控制模块2，所述的 吊车优化轨迹控制装置3分别与所述的吊具运动机构位置检测模块1和吊具运动机构位置 控制模块2相连接，且所述的吊具运动机构位置检测模块1和吊具运动机构位置控制模块 2均分别与所述的数个运动机构相连接。 其中，所述的吊具运动机构包括至少两个运动机构，其中至少一个运动机构为旋 转式运动机构；所述的吊具运动机构位置检测模块1中包括有与所述的运动机构数量相对 应的运动机构位置编码器，所述的各个运动机构位置编码器分别与各个运动机构相一一对 应，且所述的各个运动机构位置编码器均与所述的吊车优化轨迹控制装置3相连接。
同时，所述的吊具运动机构位置控制模块2中包括有与所述的运动机构数量相对 应的运动机构控制单元，所述的各个运动机构控制单元分别与各个运动机构相一一对应， 且所述的各个运动机构控制单元均与所述的吊车优化轨迹控制装置3相连接。
不仅如此，所述的运动机构控制单元可以为PLC可编程逻辑控制器、专用控制器 或者工业电脑。所述的吊车优化轨迹控制装置3还连接有运动轨迹信号输入模块4，所述的 吊车优化轨迹控制装置3也可以为PLC可编程逻辑控制器、专用控制器或者工业电脑。
再请参阅图2所示，该利用上述的系统实现旋转式起重机轨迹优化控制的方法， 其主要特点是，所述的方法包括以下步骤；
(1)系统进行初始化操作；
(2)系统读取预先设计的自然空间坐标运动轨迹信息；该预先设计的自然空间坐
标运动轨迹信息的产生方式为以下几种中的一种 (a)旋转式起重机的司机设定； (b)系统预先存储； (C)系统自学习产生； (d)系统通过目标跟踪产生； (e)系统根据约束条件优化产生； 该自然空间坐标为自然垂直空间的笛卡尔坐标； (3)系统根据旋转式起重机的参数把自然空间坐标运动轨迹信息转换成预先设计 的吊具运动机构的坐标信息； (4)系统对各个吊具运动机构进行实时控制，具体如下 (a)系统判断是否存在吊具运动机构位置运动轨迹的实时位置数据信息； (b)如果有，则所述的吊车优化轨迹控制装置读取所述的吊具运动机构位置运动
轨迹的实时位置数据信息，否则读取预先设计的吊具运动机构的坐标信息；所述的预先设
计的吊具运动机构的坐标信息中包括有运动机构的旋转信息； (c)所述的吊具运动机构位置检测模块将检测到的吊具运动机构的实时位置数据 信息送至所述的吊车优化轨迹控制装置； (d)所述的吊车优化轨迹控制装置使用闭环控制方式实时计算出各个运动机构所 对应的控制量信息； (e)所述的吊车优化轨迹控制装置将各个运动机构所对应的控制量信息送至所述 的吊具运动机构位置控制模块； (f)所述的吊具运动机构位置控制模块根据所述的控制量信息对各个运动机构进 行实时运动控制。 在实际使用当中，请参阅图1所示，该旋转式起重机轨迹优化控制系统，包括吊车 优化轨迹控制装置3，其中该系统还包括吊具运动机构位置检测模块1和吊具运动机构位 置控制模块2，吊车轨迹优化控制装置3分别与所述的吊具运动机构位置检测模块1和吊具 运动机构控制模块2相连接。 该旋转式起重机轨迹优化控制系统的吊具运动机构至少包括两个运动机构部分， 其中至少一个运动机构部分是旋转式的运动机构。吊具的每个运动机构都有位置编码器 11、12、13，组成吊具的运动机构位置检测模块l，并与所述的吊车优化轨迹控制装置3相连 接。吊具的每个运动机构都有控制单元21、22、23，组成吊具的运动机构控制模块2，并与所 述的吊车优化轨迹控制装置3相连接。 该旋转式起重机轨迹优化控制系统中，吊车优化轨迹控制装置3对吊车的运动轨 迹进行设计和规划，它可以扩展带有接受运动轨迹信号输入模块4，从而可以实现轨迹跟踪 功能，方便实现多台起重机抬吊大型物体的功能。 在处理过程中，该发明的旋转式起重机轨迹优化控制系统中的吊车优化轨迹控制 装置3对吊车的运动轨迹进行设计和规划，利用吊具的运动机构的机械尺寸信息可以通过 计算映射出自然垂直空间坐标(笛卡尔坐标)，同样可以通过自然垂直空间坐标(笛卡尔坐 标)下的轨迹通过计算映射出吊具的运动机构的具体位置，即运动机构位置检测模块1 (位置编码器)对应的位置，并利用对相对应的运动控制模块2进行运动机构的位置控制和协 调。这样通过上述变换，可以方便地实现操作人员根据自然垂直空间坐标(笛卡尔坐标) 到吊具运动机构的空间坐标。 吊具的运动机构的机械尺寸信息可以通过每个吊具提供的具体机械参数获得，也
可以通过自学习的方法来对固定的自然垂直空间坐标点进行校准获得。 当两台或两台以上的吊车进行抬吊时，根据不同的被抬吊物体，首先确定吊点之
间的相对位置和姿态，然后通过旋转式起重机轨迹优化控制系统的吊车优化轨迹控制装置
3可以接受轨迹信号输入的功能进行指导或控制它们的运动轨迹，这个运动可以保证被吊
物体的相对位置和姿态不发生变化，从而实现两台或两台以上旋转式起重机的共同抬吊并
确保抬吊的安全可靠。 所述的控制方法，包括以下步骤 (1)吊车轨迹优化控制系统进行初始化； (2)吊车轨迹优化控制系读取自然垂直空间坐标(笛卡尔坐标)运动轨迹；
(3)根据吊车参数把自然垂直空间坐标(笛卡尔坐标)运动轨迹换算成吊车运动 机构坐标(含旋转)； (4)读吊车运动机构位置运动轨迹的实时位置数据； (5)读吊车运动机构位置检测模块1的实时位置数据； (6)运用闭环控制技术实时计算出各运动机构的控制量； (7)通过吊车运动机构位置控制模块2对各运动机构执行实时运动控制。 采用了上述的旋转式起重机轨迹优化控制系统及其控制方法，由于在吊装过程
中，司机可以不按照吊车设计的旋转机构来设计运动轨迹(有旋转运动)，而是能够仅根据
人们习惯的自然垂直空间坐标(笛卡尔坐标)来设计运动轨迹，如直线运动或特定的空间
轨迹，从而达到优化轨迹的作用，该垂直空间坐标设计的运动轨迹可以方便地实现轨迹优
化和轨迹跟踪，从而由于按照优化的轨迹运动，可以有效地减少运行距离，提高运动速度，
节约运动空间，并且还可以减低物体的晃动、扭动，方便定位控制，特别是轨迹跟踪技术方
便实现多台吊车对大型物体的抬吊，能够实现多吊车协同工作，从而可以有效地扩展吊车
的吊装能力，实现吊装过程中的安全、高效、节能减排，并且大大可以降低工人的劳动强度，
同时经济实用，安全可靠，结构简单，成本较低，适用范围广泛。 在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出 各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的 而非限制性的。
权利要求
一种旋转式起重机轨迹优化控制系统，该旋转式起重机包括吊具运动机构，所述的吊具运动机构包括数个运动机构，其特征在于，所述的控制系统包括吊车优化轨迹控制装置、吊具运动机构位置检测模块和吊具运动机构位置控制模块，所述的吊车优化轨迹控制装置分别与所述的吊具运动机构位置检测模块和吊具运动机构控制模块相连接，且所述的吊具运动机构位置检测模块和吊具运动机构控制模块均分别与所述的数个运动机构相连接。
2. 根据权利要求1所述的旋转式起重机轨迹优化控制系统，其特征在于，所述的吊具 运动机构包括至少两个运动机构，其中至少一个运动机构为旋转式运动机构。
3. 根据权利要求1或2所述的旋转式起重机轨迹优化控制系统，其特征在于，所述的吊 具运动机构位置检测模块中包括有与所述的运动机构数量相对应的运动机构位置编码器， 所述的各个运动机构位置编码器分别与各个运动机构相一一对应，且所述的各个运动机构 位置编码器均与所述的吊车优化轨迹控制装置相连接。
4. 根据权利要求1或2所述的旋转式起重机轨迹优化控制系统，其特征在于，所述的吊 具运动机构位置控制模块中包括有与所述的运动机构数量相对应的运动机构控制单元，所 述的各个运动机构控制单元分别与各个运动机构相一一对应，且所述的各个运动机构控制 单元均与所述的吊车优化轨迹控制装置相连接。
5. 根据权利要求4所述的旋转式起重机轨迹优化控制系统，其特征在于，所述的运动 机构控制单元为PLC可编程逻辑控制器、专用控制器或者工业电脑。
6. 根据权利要求1或2所述的旋转式起重机轨迹优化控制系统，其特征在于，所述的吊 车优化轨迹控制装置还连接有运动轨迹信号输入模块。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的吊车优化轨迹控制装置，其特征在于，所述的吊 车优化轨迹控制装置设计和优化自然空间坐标运动轨迹，该自然空间坐标运动轨迹的产生 方式为以下几种中的一种(11) 旋转式起重机的司机设定；(12) 系统预先存储；(13) 系统自学习产生；(14) 系统通过目标跟踪产生；(15) 系统根据约束条件优化产生。
8. 根据权利要求1或2所述的旋转式起重机轨迹优化控制系统，其特征在于，所述的吊 车优化轨迹控制装置为PLC可编程逻辑控制器、专用控制器或者工业电脑。
9. 一种利用权利要求1所述的系统实现旋转式起重机轨迹优化控制的方法，其特征在 于，所述的方法包括以下步骤(1) 系统进行初始化操作；(2) 系统读取预先设计和优化的自然空间坐标运动轨迹信息；(3) 系统根据旋转式起重机的参数把自然空间坐标运动轨迹信息转换成预先设计的吊 具运动机构的坐标信息；(4) 系统对各个吊具运动机构进行实时控制。
10. 根据权利要求9所述的实现旋转式起重机轨迹优化控制的方法，其特征在于，所述 的自然空间坐标为自然垂直空间的笛卡尔坐标；所述的预先设计的吊具运动机构的坐标信息中包括有吊具运动机构的旋转信息c
全文摘要
本发明涉及一种旋转式起重机轨迹优化控制系统及方法，其中系统包括吊车优化轨迹控制装置、运动机构位置检测模块和位置控制模块，吊车优化轨迹控制装置与运动机构位置检测模块和控制模块连接，运动机构位置检测模块和运动机构控制模块与运动机构连接。方法包括预先设计和优化自然空间坐标运动轨迹、转换成运动机构坐标、对每个运动机构进行实时控制。采用了该种系统及方法，可以方便地实现轨迹优化和轨迹跟踪，有效地减少运行距离，提高运动速度，节约运动空间，减低物体的晃动、扭动，方便定位控制，方便实现多台吊车对大型物体的抬吊和协同工作，实现吊装过程中的安全、高效、节能减排，大大降低劳动强度，经济性好，适用范围广。
文档编号B66C13/18GK101723248SQ200910225160
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者丁卫国, 任胜华, 何勤奋, 包起帆, 夏玉峰, 廖胜前, 张惠杰, 陆龙兴 申请人:上海能港电气工程科技有限公司