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1 / 42资料来源：Journal of Mechanical Science and TechnologyConfiguration design of ten-speed automatic transmissionswith twelve-link three-DOF Lepelletier gear mechanism2 / 423 / 424 / 425 / 426 / 427 / 428 / 429 / 4210 / 4211 / 4212 / 4213 / 4214 / 4215 / 42工业桥式起重机的多操作模式反摇摆和定位控制哈立德索伦森 史蒂夫 迪克森 汉娜费 威廉辛格尓斯 乌尔斯格劳塞尔 机械工程学院，乔治亚理工学院的 30332 年亚特兰大,乔治亚州,美国， （电话号码:404-874-0090，电子邮件:史蒂夫迪克森 Camotion.com)摘要: 一个 30 吨重的工业桥起重机位于一个铝板制造商。配备了起重机操纵系统，使之能够自由运动，抗干扰性,和精确定位。之前关于反摇摆的调查，定位，和起重机控制在这些领域做出了重要贡献, 这些进步结合在一起在这里描述了统一的起重机操纵系统。系统的概述被提了出来，除了实验结果，还有关于人类操作员如何使用起重机的描述。关键词: 输入成形;命令塑造;起重机控制; 防晃动;反馈控制;机器视觉。1 介绍起重机被成千上万的人在世界各地使用，在造船厂，建筑工地，钢铁厂，仓库，核能和废物储存设施，其他工业园区。安全有效的16 / 42运动是这些结构是工业的重要贡献因素生产力。一种可能会产生负面影响的起重机的重要特性，安全高效的运动是一种起重机的趋势有效载荷摇摆。外部干扰,，比如风,或指令运动能导致有效的有效载荷摆动。对人类操作员;来说有效载荷摆动使精确定位的时间消耗了。当负载或周围的障碍是危险或脆弱的，有效载荷的摆动可能会带来安全隐患。起重机的广泛使用，以及需要减少的需求不受欢迎的振荡，不期望的振荡，激发了大量的研究。在这方面取得了重大进展的领域：1）动作诱发的振荡减少，2）干扰拒绝，3）定位能力，4）有效载荷摆动检测，5）操作员界面设计。这些地区每一个进展都被合并成一个统一的起重机操纵系统(CMS)。CMS 的效用它为操作者提供了一种生成的方法。这项工作得到了计算机辅助公司，洛根铝以及西门子能源与自动化的支持。专利通告：本文描述的控制方法受到世界知识产权组织的保护（2006/115912 A2)。这些方法的商业使用需要编写来自计算机辅助公司和乔治亚理工学院的许可。978 - 3 - 902661 - 00 - 5/082008 IFAC / 20.00 美元安全有效的无动作，以及精确的定位。本文描述了 CMS 的组成部分，以及这个系统在 30 吨的工业上的实现桥式起重机。这架起重机位于洛根铝公司，主要生产铝板产品。在第 2 节中，对洛根起重17 / 42机及其他的描述提出了动态行为。第三节提供了一个 CMS 的概述以及该系统如何集成到洛根的起重机。在第四节，性能试验的结果在装有 CMS 的罗根起重机上。2 系统描述图 1 展示了一张 30 吨的洛根起重机的照片。（a）桥，钩，和跑道(b)电车的特写镜头18 / 42电车在桥上横过，跨越一个距离约 30 米。同样,桥可以沿着静止的轨道移动大约一段距离 50 米。吊钩被悬挂在下面电车。在运行期间，悬索电缆长度 3 到 10 米不等。这座桥装有两个 7.5 千瓦（10马力）的桥。480 伏交流感应电机。同样,电车装备有 3.75 千瓦(5马力)480 伏交流感应电机。马达控制由磁控脉冲 P3 矢量驱动。本设备允许连续变化的速度控制。吊钩被悬挂在下面电车。在运行期间，悬索电缆长度 3 到 10 米不等。这座桥装有两个 7.5 千瓦（10 马力）的桥。480 伏交流感应电机。同样,电车配备了两个 3.75 千瓦（5 马力）的装备。480 伏交流感应电机。马达控制由磁控脉冲 矢量驱动。本设备允许连续变化p3的速度控制。此外,可参数化驱动。最大允许的速度和加速度限制已经被编程分别是 0.75m/s 和 0.75/s2图 1 所示。洛根铝 30 吨桥起重机。在安装 CMS 之前，操作员启动了通过从一个杠杆接口发出命令直接到起重机的驱动。这种驱动的模型图 2 的框图说明了过程。DM，表示系统矢量驱动的行为和交流感应电机。这种植物接受参考速度指令，虚拟现实，由人类向起重机发出算符，把这些信号转换成实际的速度在头顶的电车中，小19 / 42车的运动引起了钩和连接的有效载荷用电缆角。这个行为是由块 g表示的。2.1 工业起重机动态模型 交流感应电动机和矢量驱动的行为是非线性。然而，这种行为可以被精确地建模通过结合几个更简单的元素，（索伦森 2005）。图 2 的 DM 块被扩展到图 3 揭示这样一个模型。这个模型由四个元素组成：饱和器，一个开关，一个速率限制器，一个重阻尼的二次指令植入，H，饱和元素截过过度对起重机的速度指令，而速率限制器位置上和下界在加速度上起重机。H 用来模拟平滑的行为驱动器和电机。切换元素的功能是将参考信号，虚拟现实，传递给速率限制块。图 2 所示。起重机驱动框图，驱动器与电机、DM20 / 42图 3 所示。扩展的驱动器和马达模型块。然而，当过渡速度命令被发布时对起重机来说，这个开关暂时发出一个零信号。过渡速度命令是那些命令改变起重机的移动方向（向前移动反向或反之亦然)。这种行为取决于虚拟现实和 Vt，可以用下面的开关来描述规则:开关 (1)=vr,vr,Sign(vr)=sign(vt),|vt| X,0 , , 其他 该模型可用于表示该模型的行为通过正确的选择，洛根起重机驱动和马达与模型相关的五个参数：p -饱和阈值，X-开关阈值，m-速率限制的最大斜率，h-阻尼 H 和nh 的比，H 的自然频率。为洛根起重机，这些参数估计是 0。75 米/秒，0。038 米/秒，0。63/s2，0。75，和。分别。图 4 比较了模型的响应以及实际系统对几个速度的响应命令。当马达移动起重机时，21 / 42振动会被激发钩。如图 2 所示，吊钩的角响应是由植物的振荡行为这个钩子可以用线性传输函数表示【索伦森 et al .,2007】:G= (S)Vt(S)= （ - 2ng）sS2+2 nS+ 2n（2）对于洛根起重机来说，阻尼比是近似的 0.01。固有频率，n，是一个函数电缆悬挂长度，L，和加速度重力,g:n=gL(3) 时间(s)22 / 42图 4 所示。比较实际和建模的响应驱动和马达到不同的速度指令。(1)反应达到 100%的速度。（2）对 50%的响应速度。（3）响应从 100%速度到-100%的响应速度。3CMS 的集成第二节中描述的起重机已经被增强了 CMS。一种拓扑图示起重机如图 5 所示。这个图形描述了元素 CMS 组成: 支持自由运动的控制体系结构和精确负载定位。 用于帮助精确的可视人机界面起重机的定位。这个接口实现在触摸屏显示器上。 一个用于简化总动作任务的操纵杆接口。 一个标准的杆接口。 一种用于感应钩摆的机器视觉系统 用于测量起重机位置的激光测距传感器CMS 的主要元素是反摆动定位控制。该组件接收信息来自其他CMS 的元素：来自于三种接口设备，起重机定位信息激光测距传感器和钩位移信息从机器视觉系统。的信息这些元素被控制用来产生23 / 42低影响力向起重机发出的速度指令驱动器。下面的小节提供了更详细的信息关于 CMS 的每个元素。3.1 人机界面在将 CMS 安装在洛根起重机之前，操作人员使用了三种方法来控制起重机的运动。接口。这个装置允许桥，电车，和互相独立地指挥各自的驱动杠杆。两个额外的接口设备安装在 CMS 中：一个操纵杆接口，还有一个可视的触摸屏界面。实现这些设备的动机是根深蒂固的提高操作人员控制起重机的方式。视觉界面允许简化的定位控制，同时操纵杆允许简化速度控制。简化的定位 。在许多应用程序中,精确需要重复的载荷定位。视觉接口是一个实时的图形表示起重机和起重机工作空间允许操作员进行存储所需的有效载荷目的地，并命令起重机去这些地方行进(苏特等人，2007，索伦森,2007 b)。24 / 42图 5 所示。CMS 的组件集成到起重机中系统。为将来存储一个有效负载目的地使用，操作人员必须首先手动定位起重机在这个位置。然后，对应的坐标起重机的位置可以自动存储在视觉界面。目标图像表示位置在触摸屏上。操作符指定想要的钩子通过触摸所显示的存储目标在图形工作区图像中。一旦操作符指定想要的目的地，反馈控制系统自动驱动起重机到指定的位置没有载荷影响。25 / 42图 6 所示。洛根吊车视觉界面的屏幕截图。图 6 是一个可视界面的屏幕截图。在地区操作符可以存储和指定钩子目的地。区域 B 显示各种系统指标，如反摇摆活动、系统错误和操作模式。地区 C 显示实际和需要的起重机位置信息。对于精确定位应用程序，可视界面与传统相比，生产效率大大提高手动控制 （索伦森等，2007b）。这是因为使用该接口的操作人员可以自动定位起重机在一个理想的位置，在接近时间的最佳位置和脱钩的方式。手动定位更分散。运营商必须进行广泛的培训。通常,结构的移动非常缓慢以确保准确安全定位。一个视觉界面，和这里描述的相似，安装在 10 吨重的工业桥起重机上在乔治亚理工学院。算子的研26 / 42究在这架起重机上进行的操作显示了操作人员使用的视觉界面完成定位任务 5%到 45%比手动控制快得多（索伦森等，2007b） 除了定位简单之外，还有其他的福利使用可视化界面。这些福利相对人类操作员的认知过程。类型由视觉界面提供的基于手势控制的控制利用直观的行为（弗丽嘉等人，2003，阿马特等 2004 年），这就不那么复杂了，需要的认知也更少了，如前所述在（鄂逊,1995）移动操作人员的巨大益处基于直觉的行为。操作员的动作可以自由地分析新情况和监视系统的现有状态。简化的速度控制。而可视化界面促进自动起重机的运动，杠杆和操纵杆接口可以用于手动动作任务。一般来说，操纵杆接口允许这样的类型要比控制杆接口更有效地完成任务（索伦森 2007b）当操作员试图指挥起重机运动时使用一个杠杆界面，他或她在精神上完成了几个步骤。首先，钩子的期望轨迹有效载荷被解耦到运动学组件中对于不同的执行方式（例如，左右、上下)。然后,分离的轨迹在精神上映射到相应的执行杠杆。最后，操作员尝试进行物理操作抑制正确的杠杆组合，使起重机沿着理想的轨迹运动。为有效的运动,一般来说两个杠杆必须同时控制的运营商。因为这很困难，操作员经常用不太有效的轨迹操纵起重机每次只要求一个动作27 / 42方向的运动。操纵起重机和操纵杆，操作人员将操纵杆手柄指向一个需要的方向变量位移。方向和位移操纵杆手柄与方向一致起重机的速度旅行。这种手动控制方式能比杠杆更有效的起重机运动接口。这是因为操作人员更容易使用同时驱动两种起重机的操纵杆桥和电车方向。3.2 敏感元件信息机器视觉系统。感官信息用西门子 720 系列的视角来获取钩形秋千系统。这个相机是一个独立的图像传感器图像获取、处理和通信功能。视觉系统安装在电车轨道上，在钩悬索的支点附近，面向视图，查看钩子和周围的工作区。在这个向下的配置，顶部的起重机钩子总是在照相机的视野范围内，如图所示在图 7 中。激光测距传感器。绝对的桥和电车通过使用两个横幅 Lt3 系列获得位置激光测距传感器。这些位置传感器有一个范围 5000 米的分辨率和大约 1.3 厘米的分辨率距离。两个传感器都安装在桥上。一个它的方向是检测电车的位置桥。另一种是定位于检测到沿着固定的跑道大桥。28 / 42图 7 所示。被机器捕获和处理的图像视觉系统(大型图)。近距离的照片安装在钩子上的基准（子图）。为方便可靠的钩跟踪，一个发光二极管(LED)阵列安装。当视觉系统获得一个图像，LED 阵列同时脉冲（类似于相机上的闪灯）。两个基准标记由反反射材料制成，安装在顶部在钩上，将脉冲光反射回相机镜头。通过这样做，基准标记很容易被识别从图像的其他特征。近距离观察基准标记在图的子图 7 中显示。相机每 70 毫秒就有一张图像。一个程序在摄像机内处理图像获得坐标关于基准标记的信息。这个信息随后被传达到反摇摆的定位控制器。3.3 防晃动 &定位控制反摇摆和定位控制的框图如图 8 所示。这个框图描述了一个控件原始起重机系统的建筑结构进入一个双循环反馈结构。控制生成参考速度命令，当发布到非线性驱动和电动机 DM，实现 3 有效载荷:1）精确定位能力，2）动作诱发的振荡抑制，以及 3)抗干扰性。在29 / 42接下来的章节中，简短的描述能够实现这些结果的控制元素是提供。因为对这个控制的全面描述它的稳定性超出了本文的范围，读者对这种控制的发展感兴趣严格的稳定性分析的结果（索伦森，2005，索伦森等人，2007a，索伦森,2007）。 运动诱导视盲振荡抑制。一个成功的抑制动作诱发振荡的方法是要生成一个命令，使系统可以取消自己的振荡。一种叫做输入整形的技术，通过使用引用命令来实现有一系列的脉冲叫做输入形成器（史密斯,1957 年，辛格乐斯和塞林，1990 年）卷积的产品,而不是原来的引用运动诱导视盲的命令植入。对于正确设计的输入输出，一个线性的系统将在响应中显示零剩余振荡修改后的命令。这个场景演示了图 9(a)。引用命令（在本例中是一个步骤）由双脉冲输入的脉冲进行修改。时间和脉冲振幅都是正确选择来抵消 H 的振荡动力学。30 / 42图 8 所示。防晃动&定位控制器。当形状指令执行 H 时，结果为 0 残留振荡。一个代表一般的框图图 9（b）显示输入成形过程。IS 是输入形状和 H 是线性植物。这种运动诱发的振荡抑制是综合的通过合并进入 CMS 控制结构输入信号进入到信号路径。在图 8 中，输入形状是由被标记的块表示的。这形状的设计是为了否定它的振荡动力学由扰动形成的闭环传递函数拒绝反馈回路。输入命令接受命令速度信号，Vc，来自三个元素中的一个。如果起重机是手动操作的，那么信号从操纵杆或控制杆接口输入到输入脉冲整形器。如果起重机被自动定位通过使用触摸屏，然后是来自 a 的信号定位控制块被分发给脉冲整形器。那形状命令，Vs，被用作参考命令对于干扰抑制回路。
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