详情

原文传递一种基于能耗优化的塔机运动规划方法

专利名称：	一种基于能耗优化的塔机运动规划方法
摘要：	本发明公开了一种基于能耗优化的塔机运动规划方法，包括：步骤S1，获取塔式起重机运行参数；步骤S2，根据塔式起重机运行参数建立塔式起重机的D‑H坐标系数学模型，进行系统结构的运动学分析和动力学分析，作为关节空间分析、约束条件分析和目标函数分析的基础；步骤S3，在关节空间中采用改进非对称S型运动曲线并引入约束条件，所述运动曲线将应用于塔式起重机中由交流电机驱动的控制系统；步骤S4，构建塔机的轨迹能耗优化模型，得到塔式起重机最优能耗目标函数，规划出能耗最优的塔式起重机末端吊钩运动路线，驱动塔机工作。本发明实现了对塔机末端吊钩运行时能耗最优的运动路线规划，具有良好的实际应用前景。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	江苏天宙检测有限公司
发明人：	殷晨波;陈长林;王军
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-24T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-15T00:00:00+0800
申请号：	CN201910669315.8
公开号：	CN110451408A
代理机构：	江苏圣典律师事务所
代理人：	胡建华;于瀚文
分类号：	B66C13/18(2006.01);B;B66;B66C;B66C13
申请人地址：	210000江苏省南京市鼓楼区集庆门大街268号1幢1603、1604室
主权项：	1.一种基于能耗优化的塔机运动规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，获取塔式起重机运行参数；步骤S2，根据塔式起重机运行参数建立塔式起重机的D-H坐标系数学模型，进行系统结构的运动学分析和动力学分析，作为关节空间分析、约束条件分析和目标函数分析的基础；步骤S3，在关节空间中采用改进非对称S型运动曲线并引入约束条件，所述运动曲线将应用于塔式起重机中由交流电机驱动的控制系统；步骤S4，构建塔机的轨迹能耗优化模型，得到塔式起重机最优能耗目标函数，规划出能耗最优的塔式起重机末端吊钩运动路线，驱动塔机工作。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述塔式起重机运行参数包括目标地点位置，吊钩起始位置，自身结构参量和电机基本参数。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤： S2-1，依据D-H法定义塔机的D-H连杆坐标系； S2-2，构建D-H连杆坐标系的参数表，具体包括如下参数： a(i-1)：第i-1个连杆的长度，表示第i-1个关节的轴线与第i个关节的轴线的垂直距离； α(i-1)：第i-1个连杆的扭角，即α(i-1)表示第i-1个关节与第i个关节轴线的夹角； di：第i个连杆相对于第i-1个连杆的偏置； θi：关节角，表示第i个连杆相对于第i-1个连杆绕i轴的旋转角度； S2-3，依据S2-2构建的参数得出首末坐标系变换关系的齐次变换矩阵如下：其中，θ1表示第1个连杆绕回转塔身的旋转角度，为基座坐标系和塔机回转关节坐标系间变化关系的齐次变换矩阵，为塔机回转关节坐标系和变幅小车滑动关节坐标系之间变化关系的齐次变换矩阵，为塔机变幅小车滑动关节坐标系和起升吊钩滑动关节坐标系之间变化关系的齐次变换矩阵，为首末坐标系间变化关系的齐次变换矩阵，l1为塔机回转关节坐标系原点和变幅小车滑动关节坐标系原点之间的起重臂长度，l2为塔机变幅小车滑动关节坐标系原点和起升吊钩滑动关节坐标系原点之间的绳索长度； S2-4，已知机械臂末端执行器在笛卡尔空间中的位姿，根据齐次变换矩阵求解出塔式起重机回转关节的旋转角度θ1和两个滑动关节的滑动距离l1、l2，两个滑动关节的滑动距离l1、l2，即小车滑动关节的滑动距离l1和吊钩滑动关节的滑动距离l2； S2-5，采用封闭解法进行求解，在所有12组非线性方程中选取合适的3组方程，并得到逆运动学分析解的参数θ1、l1和l2：根据得到：为一关节坐标系原点P在基坐标系中的位置矢量，Px、Py、Pz是所述关节坐标系原点P在基坐标系中相应的空间直角坐标； S2-6，塔机通过各个关节相应的电机带动绳索牵引关节产生动作，忽略各个关节和绳索间的摩擦力，由拉格朗日-欧拉方程得到第i关节的电机驱动器牵引绳索带动第i杆件所需的广义力矩，即系统的动力学方程为τi(t)：其中，Dij为塔式起重机中各关节间臂节和绳索的惯性项；Hij为离心力项；Gi为重力项；计算模型如下：式中，τi(t)表示第i个关节的广义力或力矩，Qi、分别表示第i个关节的位移、速度及加速度；g＝(gx,gy,gz,0)是重力矩阵；是连杆p的质心位置；为基于D-H方法表示的连杆i坐标系相对于连杆i-1坐标系的齐次变换矩阵；ai是连杆i的长度；αi是连杆i的扭角；θi是关节i的关节转角；di是杆件i的偏距；Ji为关节i的惯性矩阵，其中mi为杆件i的质量；为杆件i在其D-H坐标系中的质心坐标；Iixx,Iiyy,Iizz为杆件i的质量惯性矩，Iixy,Iixz,Iiyz为杆件i的惯性积。 4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3包括如下步骤： S3-1，标定非对称S曲线，用标量γ表示加加速度比，设定以下约束条件C1、C2、C3成立： C1：在t＝t0和t＝t7时，速度和加速度为零； C2：P(t0)＝0并且P(t7)＝δtarget，其中t0和t7分别是到达目标距离δtarget的开始时间和最终时间，目标距离δtarget为已知值，P(ti)表示ti时间时的位移； C3：速度和加速度分别受限于Vmax和Amax，其中Vmax和Amax是电机基本参数，为常量，Vmax为电机最大运行速度，Amax为电机最大运行加速度； S3-2，依据S3-1中标定的AS曲线，给出相应时间点t0～t7处的位置，速度和加速度关系式，如下：在[t0,t1]时间段的加加速段时间Δtj有： a1＝JΔtj a1表示[t0,t1]时间段的加速度，V1表示[t0,t1]时间段的速度，J表示加加速度，ΔP1(t)表示[t0,t1]时间段的位移；在[t1,t2]时间段的匀加速时间段Δta，有： a2＝JΔtj 其中，a2表示[t1,t2]段加速度，V2表示[t1,t2]段速度，ΔP2(t)表示[t1,t2]段位移；在[t2,t3]时间段的加减速时间段Δtj，有： a3＝0 V3＝JΔtj(Δtj+Δta) 其中，a3表示[t2,t3]段加速度，V3表示[t2,t3]段速度，ΔP3(t)表示[t2,t3]段位移；在[t3,t4]时间段的匀速时间段Δtv，有： a4＝0 V4＝JΔtj(Δtj+Δta) ΔP4(t)＝JΔtj2(Δtj+Δta)Δtv 其中，a4表示[t3,t4]段加速度，V4表示[t3,t4]段速度，ΔP4(t)表示[t3,t4]段位移；在[t4,t5]时间段的减加速时间段γΔtj，有：其中，a5表示[t4,t5]段加速度，V5表示[t4,t5]段速度，ΔP5(t)表示[t4,t5]段位移；在[t5,t6]时间段的匀减速时间段γΔta，有：其中，a6表示[t5,t6]段加速度，V6表示[t5,t6]段速度，ΔP6(t)表示[t5,t6]段位移；在[t6,t7]时间段减减速时间段γΔtj，有： a7＝0 V7＝0 其中，a7表示[t6,t7]段加速度，V7表示[t6,t7]段速度，ΔP7(t)表示[t6,t7]段位移； S3-3，依据加加速度级别β来确定加加速度比γ，其中0≤β＜1：当γ>＝1时，用于减速段平滑到达运动；当γ<＝1时，用于缓启动、快制动、低残振状态；当γ>＝1时，计算和等式如下：其中，为短距离和中距离的分界值，为中距离和长距离的分界值，δtarget为目标距离，为加加速段时间，为匀加速段时间；根据物理电机特性，设定参数β，利用这些参数，对应于短，中，长距离的δtarget的具体情况进行S3-4中的对应分析； S3-4，将δtarget，之间关系进行如下比较：如果代入参数：Δta＝Δtv＝0，如果代入参数Δtv＝0，如果代入参数： 5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S4包括如下步骤： S4-1，塔式起重机的驱动器包含驱动电机及对应的关节减速装置，设定减速器的传动比为i，传动效率为η，设τM为电机输出转矩，减速器输出转矩即为驱动关节转矩τ(t)，依据S2-6中得到的第i个关节的电机驱动器牵引绳索带动第i杆件所需的广义力矩τi(t)，有：伺服电机在驱动过程中其输入电学参数与其输出力矩有着如下对应的关系，且其中，d是数学中的表达方式，表示偏导，即，对λq求时间t的偏导；Iq(t)为电学参数，实时电流，即在t时刻的电流，Uq是定子电压，Rs是定子电阻，Iq是沿着交轴的定子电流，λq是交轴定子磁链，Lq是q轴电感，ωs是变频器频率，p为极对数量，ωr是转子角速度，λd是直轴定子磁链，Id是沿直轴定子电流，Ifd是等效直轴磁化电流，Lmd是等效直轴磁化电感，Kt是电机转矩常数； S4-2，Id＝0,λd为常量且得到在第j个关节处电机的输出功率Pj(t)：其中，j表示关节数，取值为1，2，3；Ktj为驱动第j关节的电机转矩常数，Uqj(t)表示t时刻驱动第j关节的电机定子电压，Iqj(t)表示t时刻驱动第j关节的电机定子电流，Rsj为驱动第j关节的电机定子电阻，Lqj为驱动第j关节的电机电感； S4-3，依据S3-4中确定的时间，得到各个关节完成一个操作持续时间为T，T＝(2Δtj+Δta)(1+γ)+Δtv，则此项操作能耗ERobet表示为： S4-4，依据S4-2和S4-3，选择轨迹总能耗E最低为优化目标，即：
所属类别：	发明专利