臂架非线性变形在线求解装置及方法

摘要

一种臂架非线性变形在线求解装置，其包括信息采集模块、数据预处理模块及PLC非线性变形计算模块。信息采集模块用于采集臂架的姿态信息及所受载荷信息。数据预处理模块用于接收臂架的姿态信息及所受载荷信息，并对臂架的姿态信息及所受载荷信息进行预处理，以获得预处理后的臂架的姿态信息及所受载荷信息。PLC非线性变形计算模块利用迭代求解模型，根据臂架的结构参数、材料参数、预处理后的姿态信息及所受载荷信息对臂架的非线性变形进行在线求解，以获得臂架的空间位置信息。本发明还提供一种臂架非线性变形在线求解方法。本发明的臂架非线性变形在线求解装置及方法，可在线精确求解臂架的非线性变形，获得臂架的空间位置信息。

说明书

技术领域

本发明是涉及工程机械领域，尤其涉及一种用于对工作中任意姿态 臂架的非线性变形进行在线求解，以实时获取臂架空间位置的臂架非线 性变形在线求解装置及方法。

背景技术

臂架是一些工程机械的重要部件，随着臂架结构朝大臂架、多臂节、 轻量化、强承载方向发展，臂架变形逐渐增大，非线性因素亦逐渐凸显。 精确确定各种荷载和外力作用下，非线性变形所引起臂架位置变化的空 间状态特征是臂架实时控制（如安全控制或智能控制等）精确性与有效 性的基本保证。

为了实时检测臂架的空间位置信息，通常在臂架上安装若干角度传 感器或绝对编码器，通过角度传感器或绝对编码器对臂架节点的转角进 行检测，然后根据臂架构型的几何关系换算成臂架节点的空间位置。目 前根据测得的臂架的角度获得臂架空间位置的方式有三种：（1）利用测 量角度与臂长直接进行臂架几何构型，计算各臂节平面内位置；（2）对 测量角度作一定修正（如单节臂架以前后端倾角平均值作为臂架倾角）， 依据修正角度与臂长进行几何构型；（3）展开海量试验获取直接构型法 与实际测量位置间的差值，建立变形量数据库，实时检测时以测量角度 作为输入值，通过查表插值确定变形量。

然而，上述的第一种与第二种臂架空间位置实时检测技术均存在精 度不高的问题，首先，方式（1）中的直接构型法仅将臂架视为刚体， 未能考虑臂架受力引起的变形，解出的空间位置精度差。其次，方式（2） 中的修正构型法方法粗略，缺乏理论支撑，修正后的位置精度虽较直接 结构型法有一定的改进，但仍不能满足要求。尽管方式（3）中的试验 测试法能弥补位置检测精度低的不足，但其需根据变形影响条件展开大 量试验，耗时耗财耗力，且试验工况的分布方式与密度影响变形计算结 果的精确度。

另外，还有一种离线检测臂架的空间位置信息的方法，其考虑臂架 在载荷作用下压弯耦合等非线性因素引起的变形，应用有限元法对臂架 进行建模求解，以获得臂架的空间位置信息。此方法计算精度高，但通 用有限元算法计算量大，计算时间长，难以实时完成，仅为离线计算的 有效手段。通用有限元法的计算量随所建模型的复杂度及精确度的增大 而增大，在普通PC机上的计算时间一般远大于100ms（毫秒）。以通用 有限元软件ANSYS为例，在2.93GHz主频、2G内存的PC机上，即使 是50个弯曲梁单元（150个自由度）的非线性变形计算也需花费时间几 百毫秒，无法满足在线变形检测的实时性要求。再者，通用有限元软件 对硬件空间要求高，无法嵌入控制器中。

发明内容

本发明目的在于提供一种臂架非线性变形在线求解装置及方法，其 可在线精确求解臂架的非线性变形，以实时获得臂架的空间位置信息。

为达上述优点，本发明提供一种臂架非线性变形在线求解装置，其 包括信息采集模块、数据预处理模块及PLC非线性变形计算模块。信息 采集模块用于采集臂架的姿态信息及所受载荷信息。数据预处理模块用 于接收臂架的姿态信息及所受载荷信息，并对臂架的姿态信息及所受载 荷信息进行预处理，以获得预处理后的臂架的姿态信息及所受载荷信 息。PLC非线性变形计算模块内预存有臂架的结构参数和/或材料参数， PLC非线性变形计算模块利用迭代求解模型，根据臂架的结构参数、材 料参数、预处理后的姿态信息及所受载荷信息对臂架的非线性变形进行 在线求解，以获得臂架的空间位置信息。

在本发明的一个实施例中，所述的臂架非线性变形在线求解装置还 包括角度传感器及力传感器，角度传感器及力传感器与信息采集模块连 接。角度传感器用于获取臂架的姿态信息并传送至信息采集模块，力传 感器用于获取臂架的所受载荷信息并传送至信息采集模块。

在本发明的一个实施例中，所述的数据预处理模块包括依次连接的 放大器模块、模拟量处理模块及滤波模块。放大器模块用于放大臂架的 姿态信息及所受载荷信息所对应的信号。模拟量处理模块用于对放大器 模块放大后的信号进行模数转换。滤波模块用于对经模拟量处理模块模 数转换后的信号进行滤波处理。

在本发明的一个实施例中，所述的臂架非线性变形在线求解装置还 包括人机交互处理模块，人机交互处理模块与PLC非线性变形计算模块 连接，用于显示所获得的臂架的空间位置信息。

在本发明的一个实施例中，所述的臂架非线性变形在线求解装置还 包括后续控制器，后续控制器与PLC非线性变形计算模块连接，用于根 据所获得的臂架的空间位置信息执行后续的控制操作。

此外，本发明还提出一种臂架非线性变形在线求解方法，以实时获 得臂架的空间位置信息，所述方法包括以下步骤：采集臂架的姿态信息 及所受载荷信息；对采集的臂架的姿态信息及所受载荷信息进行预处 理；利用迭代求解模型，根据臂架的结构参数、材料参数、预处理后的 姿态信息及预处理后的所受载荷信息对臂架的非线性变形进行在线求 解，以获得臂架的空间位置信息。

在本发明的一个实施例中，所述的采集臂架的姿态信息及所受载荷 信息的步骤包括：利用角度传感器获取臂架的姿态信息；利用力传感器 获取臂架的所受载荷信息。

在本发明的一个实施例中，所述的对采集的臂架的姿态信息及所受 载荷信息进行预处理的步骤包括：对采集的臂架的姿态信息及所受载荷 信息所对应的信号进行放大；对放大后的信号进行模数转换；对模数转 换后的信号进行滤波处理。

在本发明的一个实施例中，所述的迭代求解模型的每个迭代步中采 用有限元法、有限差分法、传递矩阵法或微分求积法计算臂架的承载变 形。

在本发明的一个实施例中，所述的方法还包括采用人机交互处理模 块显示臂架的空间位置信息。

在本发明的一个实施例中，所述的方法还包括采用人机交互处理模 块设置或修改预存于PLC非线性变形计算模块的臂架的结构参数和/或 材料参数。

在本发明的一个实施例中，所述的方法还包括将所获得的臂架的空 间位置信息输出至后续控制器，并由后续控制器执行后续的控制操作。

在本发明的臂架非线性变形在线求解装置及方法中，由于考虑了臂 架压弯非线性变形因素，解出的臂架的空间位置信息的精度较高，且PLC 非线性变形计算模块利用迭代求解模型，根据臂架的相关参数快速对臂 架的非线性变形进行在线求解，可实现实时求解臂架的空间位置信息， 满足实时控制臂架的需求，不需要通过海量试验测试构建臂架变形量数 据库。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明 的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上 述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并 配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1所示为本发明实施例的臂架非线性变形在线求解装置的架构示 意图。

图2所示为本发明实施例的臂架非线性变形在线求解方法的步骤流 程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及 功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具体实施方式、 结构、特征及其功效，详细说明如后。

图1所示为本发明实施例的臂架非线性变形在线求解装置的架构示 意图。请参见图1，本实施例的臂架非线性变形在线求解装置10可应用 于不同工程机械的臂架，例如起重机臂架或混凝土泵车臂架，其包括信 息采集模块12、数据预处理模块13及PLC数据处理模块14，其中，数 据预处理模块13与信息采集模块12及PLC数据处理模块14分别连接， 也即数据预处理模块13的前端与信息采集模块12连接，数据预处理模 块13的后端与PLC数据处理模块14连接。

信息采集模块12用于采集臂架的姿态信息及所受载荷信息，其中， 臂架的姿态信息包括臂架与水平面的夹角、两节臂架间的夹角及工程机 械转台的回转角度；臂架的所受载荷信息包括臂架所受拉力及压力。信 息采集模块12可根据臂架非线性变形在线求解装置10单次计算时间要 求设置相应的采集周期。

臂架非线性变形在线求解装置10还包括若干角度传感器112及若干 力传感器113，角度传感器112及力传感器113安装于臂架和转台上， 角度传感器112及力传感器113的数量可依照实际需求设定。角度传感 器112用于感测臂架与水平面的夹角、两节臂架间的夹角及转台的回转 角度，以获取臂架的姿态信息并传输给信息采集模块12。力传感器113 用于感测臂架所受拉力或压力，以获取臂架的所受载荷信息并传输给信 息采集模块12。

数据预处理模块13包括依次连接的放大器模块132、模拟量处理模 块133及滤波模块134，其中放大器模块132与信息采集模块12连接， 滤波模块134与PLC数据处理模块14连接，模拟量处理模块133连接 在放大器模块132与滤波模块134之间。放大器模块132接收并放大信 息采集模块12所传送的臂架的姿态信息及所受载荷信息所对应的信号， 其根据臂架的姿态信息及所受载荷信息所对应的信号的量程设计信号 放大电路。模拟量处理模块133接收放大器模块132放大后的信号，并 对放大器模块132放大后的信号量化和编码后，再转换成数字信号，以 实现模数（A/D）转换。模拟量处理模块133还可由模数转换器（即A/D 转换器）替代。滤波模块134可通过计算机程序对经模拟量处理模块133 模数转换后的信号进行滤波处理，消除或减弱干扰和噪声，以获得预处 理后的臂架的姿态信息及所受载荷信息。滤波模块134还可由滤波器替 代。

需要说明的是，放大器模块132、模拟量处理模块133及滤波模块 134的连接关系不以本发明为限，在其他实施例中，滤波模块134可位 于放大器模块132的前面，即滤波模块134与信息采集模块12连接， 模拟量处理模块133与PLC数据处理模块14连接，放大器模块132连 接在滤波模块134与模拟量处理模块133之间。

PLC数据处理模块14包括PLC非线性变形计算模块142，PLC非 线性变形计算模块142内预存有臂架的结构参数和/或材料参数。PLC非 线性变形计算模块142接收预处理后的臂架的姿态信息及所受载荷信 息，并利用迭代求解模型，根据臂架的结构参数、材料参数、姿态信息 及所受载荷信息计算出臂架变幅平面内的非线性变形量，再结合臂架姿 态信息中的转台的回转角度可获得臂架的空间位置信息。PLC非线性变 形计算模块142包括可完成臂架变形计算的程序，预处理后的臂架的姿 态信息和所受载荷信息为PLC非线性变形计算模块142的输入参数， PLC非线性变形计算模块142可根据每组角度及载荷数据进行计算并给 出对应的结果。

详细而言，PLC非线性变形计算模块142先根据预处理后的臂架的 姿态信息进行臂架几何构型，再基于臂架几何构型根据预处理后的臂架 的所受载荷信息计算臂架在载荷作用下的非线性变形。根据预处理后的 臂架的姿态信息及所受载荷信息确定臂架空间位置的计算过程需处理 两类非线性问题：第一类为根据臂架承载变形前的初始状态求解臂架变 形的几何非线性问题，解决的是已知臂架变形前初始构型与臂架所受的 载荷，求解臂架在压弯耦合等非线性作用下的臂架变形；第二类为根据 臂架承载变形后构型反求承载变形前构型的复杂逆问题，由于角度传感 器112检测的是承载变形后的臂架节点转角，而臂架非线性变形求解， 即计算臂架的空间位置信息，需要获得臂架承载变形前节点转角，并由 此推得臂架承载变形前初始构型，因此需搭建变形后臂架节点转角至变 形前转角的有效反馈路径。

PLC非线性变形计算模块142可利用基于迭代法的迭代求解模型解 决所面临的两类非线性问题。迭代求解模型的每个迭代步中采用有限元 法计算臂架的承载变形，也可采用有限差分法、传递矩阵法、微分求积 法等其它数值方法。臂架的承载变形的算法（如上述的有限元法、有限 差分法、传递矩阵法或微分求积法）设计需满足精确性、实时性、鲁棒 性、移植性等要求，臂架的承载变形的算法在具体实施时可通过一定的 计算机语言如C语言、汇编语言等加以实现。

PLC数据处理模块14可仅包括PLC非线性变形计算模块142，配 合硬件可集成功能独立的臂架非线性变形在线求解装置，但本发明不 以此为限，在其他实施例中，除包括PLC非线性变形计算模块142外， PLC数据处理模块14还可包括其他模块，以进行其他数据计算，如力 矩计算、控制量计算等，同时，PLC非线性变形计算模块142可与PLC 数据处理模块14的其他模块连接，并将计算所得的臂架的空间位置信 息传送至其他模块。此外，PLC数据处理模块14可进一步与硬件搭配 组集成具有其他功能的控制器，如力矩限制器、智能控制器等，由于 PLC非线性变形计算模块142计算所得的臂架空间位置的精度较高， 且具有实时性，所以可增加其他功能的控制器的控制精度及时效。

臂架非线性变形在线求解装置10还可包括人机交互处理模块15和 后续控制器16。人机交互处理模块15通过CAN总线与PLC非线性变 形计算模块142通讯连接，具有参数输入与结果显示的功能。人机交互 处理模块15可为触摸屏，触摸屏上具有各种功能按键可以方便地对臂 架的结构参数和/或材料参数进行设置，可对预存于PLC非线性变形计 算模块142中的参数进行修改，实现实际参数的校正。

需要说明的是，根据臂架空间位置信息的需求差异，可选择不同的 结果输出方式。例如，若希望实时获知臂架当前的空间位置，PLC非线 性变形计算模块142将实时计算得出的臂架的空间位置信息通过CAN 总线输入至人机交互处理模块15，人机交互处理模块15通过图像直观 地呈现给工作人员；若要对结果数据进行进一步处理，PLC非线性变形 计算模块142通过CAN总线将结果输出到后续控制器16中，后续控制 器16例如为力矩限制器或智能控制器。可依照实际需求，执行通过人 机交互处理模块15显示臂架的空间位置信息的动作或执行将臂架的空 间位置信息传送至后续控制器16的动作的其中至少之一。

由上可知，利用本发明实施例提出的臂架非线性变形在线求解装置 10对臂架非线性变形在线求解方法可归纳如图2所示的步骤。

步骤S11：采集臂架的姿态信息及所受载荷信息。如上所述，信息 采集模块12采集来自角度传感器112获取的臂架的姿态信息及来自力传 感器113获取的臂架的所受载荷信息，其中，臂架的姿态信息包括臂架 与水平面的夹角、两节臂架间的夹角及转台的回转角度；臂架的所受载 荷信息包括臂架所受拉力及压力。

步骤S12-S14执行的动作为：对采集的臂架的姿态信息及所受载荷 信息进行预处理。步骤S12-S14的执行动作可以由上述数据预处理模块 13完成。

具体地，步骤S12：对采集的臂架的姿态信息及所受载荷信息所对 应的信号进行放大。步骤S12的执行动作可以由上述放大器模块132完 成。

步骤S13：对放大后的信号进行模数转换。步骤S13的执行动作可 以由上述模拟量处理模块133或者模数转换器完成。

步骤S14：对模数转换的信号进行滤波处理。步骤S14的执行动作 可以由上述滤波模块134或者滤波器完成。

需要说明的是，步骤S12-S14的执行顺序不以本实施例为限，在其 他实施例中，对臂架的姿态信息及所受载荷信息所对应的信号可先执行 步骤S14的滤波动作，接着执行步骤S12的放大动作，最后执行步骤S13 的模数转换动作。

步骤S15：利用迭代求解模型，根据臂架的结构参数、材料参数、 预处理后的姿态信息及预处理后的所受载荷信息对臂架的非线性变形 进行在线求解，以实时获得臂架的空间位置信息。迭代求解模型的每个 迭代步中采用有限元法、有限差分法、传递矩阵法或微分求积法计算臂 架的承载变形。步骤S15的执行动作可以由上述PLC非线性变形计算模 块142完成。

步骤S16：输出臂架的空间位置信息。具体地，可采用人机交互处 理模块15显示所获得的臂架的空间位置信息，另外，依照实际需求， PLC非线性变形计算模块142还可将所获得的臂架的空间位置信息输出 至后续控制器16，以使后续控制器16获得相关数据并依此进行操作控 制。

需要说明的是，上述的臂架非线性变形在线求解方法还可包括以下 的步骤：采用人机交互处理模块15设置或修改预存于PLC非线性变形 计算模块的臂架的结构参数和/或材料参数。

综上所述，在本发明的臂架非线性变形在线求解装置及方法至少具 有以下的优点：

1.在本发明的臂架非线性变形在线求解装置及方法中，由于考虑了 臂架压弯非线性变形因素，解出的臂架的空间位置信息的精度较高，且 PLC非线性变形计算模块利用迭代求解模型，根据臂架的相关参数快速 对臂架的非线性变形进行在线求解，可实现实时求解臂架的空间位置信 息，满足实时控制臂架的需求，不需要通过海量试验测试构建臂架变形 量数据库。

2.在本发明的臂架非线性变形在线求解装置的一个实施例中，采用 放大器模块、模拟量处理模块及滤波模块对臂架的姿态信息及所受载荷 信息进行处理和提取，消除或减弱干扰和噪声的影响，有利于后续精确 求解臂架的空间位置信息。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形 式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定 本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内， 当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效 实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对 以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技 术方案的范围内。