专利名称：作业车辆的动作控制的制作方法
作业车辆的动作控制相关申请的交叉引用本申请是于2009年10月16日提出的PCT国际专利申请，以美国国家公司Eaton Corporation名义作为指定除美国外的所有国家的申请人，并且，中国公民QingHui Yuan, 美国公民Jae Y. Lew和泰国公民Damrongrit Piyabongkarn仅作为指定美国的申请人。本申请要求于2008年10月16日提出的序列号为61/105，952的美国临时专利申请优先权。
背景技术：
建筑工程车辆可用于提供对相对不可接近区域的暂时接近。很多这样的车辆包括具备多个关节(joint)的臂(boom)。可通过控制关节的位移来控制臂。但是，这样的控制依赖于操作者的熟练。当臂伸展时，振动成为一个问题。用于减少或消除振动的惯用技术电性地导致不响应于其操作者的系统。
发明内容
本公开的一个实施形态涉及控制臂组件的方法。所述方法包括提供具有末端实施器(end effector)的臂组件。臂组件包括与流量控制阀流体连通的致动器。将臂组件的末端实施器的期望坐标从笛卡儿空间转换到致动器空间。计算基于致动器测量位移的末端实施器偏转误差。根据期望坐标和偏转误差计算末端实施器的结果得到的期望坐标。基于结果得到的期望坐标和测量得到的致动器位移生成流量控制阀的控制信号。控制信号被整形以减小臂组件的振动。将整形后的控制信号发送到流量控制阀。本公开的另一个实施形态涉及作业车辆。作业车辆包括具有末端实施器的臂组件。致动器接合到臂组件。致动器适于对臂组件进行定位。致动器传感器适于测量致动器的位移。流量控制阀与致动器流体连通。控制器电气连接到流量控制阀。控制器适用于响应于输入信号地致动流量控制阀。控制器包括动作控制方案(scheme)，动作控制方案包括坐标变换模块、偏转补偿模块、轴控制模块以及输入整形模块。坐标变换模块将臂组件的末端实施器的期望坐标由笛卡儿空间转换到致动器空间。基于来自致动器传感器的测量结果，偏转补偿模块计算末端实施器的偏转误差。轴控制模块根据期望坐标、偏转误差以及来自致动器传感器的测量结果生成控制信号。输入整形模块对传送到流量控制阀的控制信号进行整形，以减少臂组件的振动。本公开的另一实施形态涉及使用流量控制阀的校准臂组件的阻尼比和固有频率的方法。该方法包括从压力传感器接收关于致动器中的压力的压力信号。对于第一周期， 记录高压力值和低压力值以及与这些压力值相关联的时刻。对于第二周期，记录高压力值和低压力值以及与这些压力值相关联的时刻。根据对于第一和第二周期的压力值以及与压力值相关联的时刻计算固有频率和阻尼比。本公开的另一实施形态涉及一种对于柔性结构(flexible structure)用于对控制信号进行整形的方法。该方法包括根据期望坐标产生控制信号。使用时变输入整形方案对控制信号进行整形。时变输入整形方案接收来自传感器的测量结果，根据传感器的测量结果推定柔性结构的固有频率和阻尼比，并根据测量结果以及所推定的固有频率与阻尼比对控制信号进行整形。下面的介绍将给出多种其它的实施形态。这些实施形态可涉及个体特征以及特征的组合。将会明了，上面的一般介绍和下面的具体说明仅仅是示例性和解释性的，而不对这里公开的实施方式所基于的广阔构思进行限制。
图1是作业车辆的侧视图，该作业车辆具有根据本公开的原理的实施形态的示例性特征；图2是用于图1的作业车辆的控制系统的示意图；图3是适合用于图2的控制系统的流量控制阀的示意图；图4是由图2的控制系统的控制器使用的动作控制方案的示意图；图5是图1的作业车辆的臂组件偏转的示意图；图6是关节-致动器空间转换的示意图；图7是用于确定臂组件的阻尼比和固有频率的方法的示意图；图8是使用流量控制阀对阻尼比和固有频率进行校准的方法的示意图。
具体实施例方式现在将详细说明附图中示出的本发明的示例性实施形态。贯穿附图将尽可能使用相同的参考标号来指代相同或相似的结构。现在参照图1，示出了示例性作业车辆，其整体标示为10。作业车辆10包括使用线性和/或旋转致动器(例如汽缸、电动机等)受到致动的多个关节。这些线性以及旋转致动器适用于伸展或缩回臂组件并控制设置在臂组件末端的作业平台。作业车辆10包括多个流量控制阀和多个传感器。流量控制阀由作业车辆10的电子控制单元控制。电子控制单元从操作者接收期望输入并从所述多个传感器接收测量输入。通过使用动作控制方案，电子控制单元输出信号到流量控制阀，以将工作平台移动到期望的位置。动作控制方案适于减少臂组件的振动并保持对操作者输入的良好响应。作业车辆10可以是多种作业车辆中的一种，例如起重机、臂式升降机、剪刀式升降机等，但为说明的方便起见，作业车辆10在此将被描述为空中作业平台。空中作业平台 10适于提供对这样的区域的接近由于高度和/或位置，其通常难以由地面上的人接近。在图1所示实施例中，空中作业平台10包括具有多个车轮14的底座12。空中作业平台10进一步包括车体16，其可旋转地安装到底座12，故车体16可以相对于底座12旋转。车体16的旋转角度表示为θ1()第一电动机18(如图2中所示)使得车体16相对于底座12旋转。在本公开的一个实施形态中，第一电动机18被耦合到齿轮减速器。柔性结构20通过转动接头被安装到车体16。为了说明的方便起见，在此将柔性结构20描述为臂组件20。臂组件20可向上和/或向下移动。臂组件20的这种向上和/或向下移动由臂组件20的旋转角θ2表示。第一汽缸22(如图2中所示)适用于提升以及降低臂组件20。第一汽缸22的第一末端24(如图2中所示)被连接到臂组件20，而第二末端26(如图2中所示)被连接到车体16。臂组件20包括底部臂28、中间臂30和顶端臂32。底部臂四被连接到空中作业平台10的车体16。中间和顶端臂30、32为伸缩臂，其沿轴向从底部臂观向外伸出。如图 1所示，中间和顶端臂30、32处于收缩位置。臂组件20的长度I3可通过收缩或伸展中间和顶端臂30、32来改变。臂组件20的长度I3经由第二汽缸34和相应的机械连接36改变。作业平台38被安装到顶端臂32的末端。作业平台38的倾斜度(pitch)由主-从液压系统设计保持与地面平行，作业平台38的偏航方向(yaw orientation) 95由第二电动机42控制。现在参照图2，示出了空中作业平台10的控制系统50的简化示意图。控制系统 50包括流体泵52、流体贮器M、多个流量控制阀56、多个致动器58以及控制器60。在本公开的一个实施形态中，流体泵52是负荷传感泵。负荷传感泵52与负荷传感阀150流体连通。负荷传感阀150适于从控制器60接收信号152。在本公开的一个实施形态中，信号152是脉宽调制信号。所述多个致动器58包括第一和第二汽缸22、34以及第一和第二电动机18、42。所述多个流量控制阀56适于控制所述多个致动器58。通过控制所述多个致动器58，作业平台38可以在空中作业平台10的作业包络内以期望定向到达期望位置。在本公开的一个实施形态中，第一流量控制阀56a与第一汽缸22流体连通，第二流量控制阀56b与第二汽缸34流体连通，第三流量控制阀56c与第一电动机18流体连通， 并且第四流量控制阀56d与第二电动机42流体连通。适于用作各流量控制阀56a-56d的阀已在英国专利No. GB2328524和美国专利No. 7，518，523中描述，其公开的内容整体并入此处作为参考。每个流量控制阀56a-56d包括与流体泵52流体连通的供给口 62、与流体贮器M流体连通的容器口 64以及与所述多个致动器58之一流体连通的第一控制口 66和第二控制口 68。控制系统50还包括多个流体压力传感器70。在本公开的一个实施形态中，第一压力传感器70a监测来自流体泵52的流体压力，第二压力传感器70b监测流往流体贮器M 的流体压力。第一和第二压力传感器70a、70b与控制器60通信。在本公开的一个实施形态中，第一和第二压力传感器70a、70b通过负荷传感阀150与控制器60通信。每个流量控制阀56a_56d与第三压力传感器70c以及第四压力传感器70d流体连通。第三和第四压力传感器70c、70d分别监测在第一和第二控制口 66、68上流向和来自对应的致动器58的流体压力。在本公开的一个实施形态中，第三和第四压力传感器70c、70d 被集成到流量控制阀56a-56d中。控制系统50还包括多个致动器传感器72，其监测所述多个致动器58的轴向或旋转位置。所述多个致动器传感器72适于向控制器60发送关于所述多个致动器58的位移 (例如位置)的信号。在图2所示的实施例中，第一和第二致动器传感器72a、72b监测第一和第二汽缸 22、34的位移。在本公开的一个实施形态中，第一和第二致动器传感器72a、72b为激光传感器。第三和第四致动器传感器72c、72d监测第一和第二电动机18、42的旋转。在本公开的一个实施形态中，第三和第四致动器传感器72c、72d为绝对角度编码器现在参照图2和图3，流量控制阀56a_56d将被描述。由于第一、第二、第三和第四流量控制阀56a_56d中的每一个在结构上相似，第一、第二、第三和第四流量控制阀 56a-56d将指代为流量控制阀56。流量控制阀56包括至少一个前导级阀芯80和至少一个主级阀芯82。在图3所示的实施方式中，流量控制阀56包括第一前导级阀芯80a和第二前导级阀芯80b以及第一主级阀芯8 和第二主级阀芯82b。通过调整作用于第一和第二主级阀芯82a、82b任何端的流体压力，第一和第二前导级阀芯80a、80b的位置分别控制第一和第二主级阀芯82a、82b的位置。第一和第二主级阀芯82a、82b的位置控制到对应的致动器58的流体流速。第一和第二前导级阀芯80a、80b的位置由第一和第二致动器84a、84b控制。在本公开的一个实施形态中，第一和第二致动器84a、84b为电磁致动器，例如音圈。第一和第二阀芯位置传感器86a、86b测量第一和第二主级阀芯82a、82b的位置并将对应于第一和第二主级阀芯8&、8北位置的第一和第二信号88a、^b发送到控制器60。在本公开的一个实施形态中，第一和第二阀芯位置传感器86a、86b为线性可变差动变送器(LVDT)。现在参照图1、2和图4，控制器60适于从所述多个致动器传感器72接收关于所述多个致动器58的信号，以及从所述多个阀芯位置传感器86接收关于流量控制阀56的主级阀芯82位置的信号。另外，控制器60适于从操作者接收关于期望输出的输入90。控制器 60将信号92发送到流量控制阀56a-56d的第一和第二致动器84a、84b以致动所述多个致动器58。在本公开的一个实施形态中，信号92为脉宽调制信号。在图2所示的实施方式中，控制器60被示出为单个控制器。然而，在本公开的一个实施形态中，控制器60包括多个控制器。在本公开的另一实施形态中，所述多个控制器 60集成在所述多个流量控制阀56中。控制器60包括动作控制方案100。动作控制方案100为闭环协调控制方案。动作控制方案100包括轨迹产生器、坐标变换模块104、偏转补偿模块106、轴控制模块108和输入整形模块110。轨迹产生器基于来自操作者的输入90产生用于作业车辆10的末端实施器(例如作业平台38)的期望笛卡儿坐标[x0, y0, ζ0, Φ。]τ。笛卡尔坐标包括末端实施器的位置和定向。在本公开的一个实施形态中，坐标变换模块104包括第一坐标变换模块10 和第二坐标变换模块104b。第一坐标变换模块10 将坐标从笛卡尔空间转换到关节空间。第二坐标变换模块104b将坐标从关节空间转换到致动器空间。表I列出了对于所述多个致动器58在笛卡尔空间、关节空间和致动器空间中的独立变量。
权利要求
1.一种用于控制臂组件的方法，所述方法包括提供具有末端实施器的臂组件，所述臂组件包括与流量控制阀流体连通的致动器； 将所述臂组件的所述末端实施器的期望坐标从笛卡儿空间转换到致动器空间； 根据所述致动器的测量得到的位移，计算所述末端实施器的偏转误差； 根据所述期望坐标和所述偏转误差，计算结果得到的期望坐标； 根据所述结果得到的期望坐标和所述致动器的测量得到的位移，生成控制信号； 对所述控制信号进行整形，以减少所述臂组件的振动；以及向所述流量控制阀传送经整形的控制信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中，使用时变输入整形方案对所述控制信号进行整形。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述时变输入整形方案包括两个脉冲。
4.如权利要求1所述的方法，其中，第一坐标变换将所述期望坐标从笛卡儿空间转换到关节空间，第二坐标变换将所述期望坐标从关节空间转换到致动器空间。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述偏转误差以关节空间坐标提供。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述经整形的控制信号由下式给出
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述致动器传感器为激光传感器。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述致动器传感器为绝对角度编码器。
9.一种作业车辆，包括 具有末端实施器的臂组件；接合到所述臂组件的致动器，其中，所述致动器适用于对所述臂组件进行定位； 致动器传感器，适用于测量所述致动器的位移； 与所述致动器流体连通的流量控制阀；与所述流量控制阀电气连通的控制器，所述控制器适用于响应于输入信号地对所述流量控制阀进行致动，其中，所述控制器包括动作控制方案，动作控制方案包括坐标变换模块，将所述臂组件的所述末端实施器的期望坐标从笛卡儿空间转换到致动器空间；偏转补偿模块，根据来自所述致动器传感器的测量结果，计算所述末端实施器的偏转误差；轴控制模块，根据所述期望坐标、所述偏转误差和来自所述致动器传感器的测量结果， 生成控制信号；以及输入整形模块，对发送到所述流量控制阀的所述控制信号进行整形，以减小所述臂组件的振动。
10.如权利要求9所述的作业车辆，其中，所述作业车辆为空中作业平台。
11.如权利要求9所述的作业车辆，其中，所述末端实施器为作业平台。
12.如权利要求9所述的作业车辆，其中，所述流量控制阀包括集成到所述流量控制阀中的多个压力传感器。
13.如权利要求9所述的作业车辆，其中，所述输入整形模块为时变输入整形方案。
14.如权利要求13所述的作业车辆，其中，所述时变输入整形方案包括仅仅两个脉冲。
15.如权利要求13所述的作业车辆，其中，所述时变输入整形方案根据来自所述致动器传感器的测量结果来推定所述臂组件的阻尼比和固有频率。
16.如权利要求15所述的作业车辆，其中，所述流量控制阀确定用于推定阻尼比和固有频率的阻尼比函数和固有频率函数。
17.一种使用流量控制阀校准臂组件的阻尼比和固有频率的方法，所述方法包括 从压力传感器接收关于致动器中的压力的压力信号；对于第一周期，记录高和低压力值以及与这些压力值相关联的时刻； 对于第二周期，记录高和低压力值以及与这些压力值相关联的时刻；以及根据对于第一和第二周期的所述压力值和与这些压力值相关联的时刻，计算固有频率和阻尼比。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述压力传感器集成在所述流量控制阀中。
19.一种对用于柔性结构的控制信号进行整形的方法，所述方法包括 根据期望坐标产生控制信号；使用时变输入整形方案对所述控制信号进行整形，其中，所述时变输入整形方案 从传感器接收测量结果；根据所述传感器的测量结果，推定所述柔性结构的固有频率和阻尼比；以及根据所述测量结果以及推定的固有频率和阻尼比，对所述控制信号进行整形。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述控制信号是基于结果得到的这样的期望坐标的其将与所述柔性结构相关联的偏转误差考虑在内。
全文摘要
一种用于控制臂组件(20)的方法，包括提供具有末端实施器(38)的臂组件。臂组件包括与流量控制阀流体连通的致动器(22、34)。将臂组件的末端实施器的期望坐标从笛卡儿空间变换到致动器空间。计算根据致动器的测量位移的末端实施器的偏转误差。根据期望坐标和偏转误差计算结果得到的末端实施器的期望坐标。根据结果得到的期望坐标和致动器的测量得到的位移生成用于流量控制阀的控制信号。对控制信号进行整形，以减少臂组件的振动。经整形的控制信号被传送到流量控制阀。
文档编号B66F17/00GK102245491SQ200980150238
公开日2011年11月16日 申请日期2009年10月16日 优先权日2008年10月16日
发明者D·皮亚博格卡恩, J·Y·卢, 原庆辉 申请人:伊顿公司