工程机械臂架在线监测方法、设备以及系统.pdf

本发明公开了一种工程机械臂架在线监测方法、设备以及系统。该方法包括：接收臂架的各节臂上多个离散点的曲率半径以及一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角；根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状。本发明可以实时地监测臂架的形状，并可以利用递推和插值的方法快速地重现臂架的形状。本发明使用的应变传感器和角度传感器安装方便，不占用空间，并且抗干扰性能优良，寿命较长，可以适应复杂施工环境。

1.  一种工程机械臂架在线监测方法，其特征在于，该方法包括：
接收臂架的各节臂上多个离散点的曲率半径以及一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角；
根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状包括：
根据多个离散点的曲率半径以及相邻离散点之间的弧长计算弧长所对应的角度；
根据所述弧长所对应的角度以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角计算除所述一个离散点之外的各个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角；
在各个离散点处建立动坐标系，其中该动坐标系以离散点为原点，以离散点所在圆弧的切线方向为x轴，以离散点所在圆弧的法线方向为y轴；
计算各个离散点在前一离散点所处的动坐标系中的坐标值；
将所述在前一离散点所处的动坐标系中的坐标值变换到以臂架根部为原点建立的固定坐标系中，其中所述固定坐标系以水平方向为y轴，以竖直方向为x轴；
根据所述各个离散点在所述固定坐标系中的坐标值得到臂架的形状，从而监测臂架的形状。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括通过插值的方法得到更多离散点的曲率半径。

4.  根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，在所述接收臂架的各节臂上多个离散点的曲率半径以及一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角的步骤之前，该方法还包括：
选择各节臂的模态振型；
根据所述模态振型确定所述多个离散点的位置及所述一个离散点位置，其中所述一个离散点为所述多个离散点中除最外侧的两个离散点之外的任意一个，并在所述多个离散点处设置应变传感器，以及在所述一个离散点处设置角度传感器。

5.  根据权利要求所述的方法，其特征在于，
在所述根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状的步骤之后，该方法还包括：
将监测的臂架的形状与仿真装置得到的臂架形状比较，判定仿真装置得到的臂架形状中各节臂末端的位置与监测的臂架的形状中各节臂末端的位置之间的误差是否在预设的范围之内；
在仿真装置得到的臂架形状中各节臂末端的位置与监测的臂架的形状中各节臂末端的位置之间的误差在预设的范围之内的情况下，确定离散点的位置能够用于监测臂架的形状；在仿真装置得到的臂架形状中各节臂末端的位置与监测的臂架的形状中各节臂末端的位置之间的误差在预设的范围之外的情况下，重新确定离散点的位置，直至仿真装置得到的臂架形状中各节臂末端的位置与监测的臂架的形状中各节臂末端的位置之间的误差在预设的范围之内。

6.  一种工程机械臂架在线监测设备，其特征在于，该设备包括：
接收器，用于接收臂架的各节臂上多个离散点的曲率半径以及一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角；
监测装置，用于根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状。

7.  根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述监测装置，用于根据多个离散点的曲率半径以及相邻离散点之间的弧长计算弧长所对应的角度；根据所述弧长所对应的角度以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角计算除所述一个离散点之外的各个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角；在各个离散点处建立动坐标系，其中该动坐标系以离散点为原点，以离散点所在圆弧的切线方向为x轴，以离散点所在圆弧的法线方向为y轴；计算各个离散点在前一离散点所处的动坐标系中的坐标值；将所述在前一离散点所处的动坐标系中的坐标值变换到以臂架根部为原点建立的固定坐标系中，其中所述固定坐标系以水平方向为y轴，以竖直方向为x轴；根据所述各个离散点在所述固定坐标系中的坐标值得到臂架的形状，从而监测臂架的形状。

8.  根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述监测装置还用于通过插值的方法得到更多离散点的曲率半径。

9.  一种工程机械臂架在线监测系统，其特征在于，该系统包括根据权利要求6-8任意一项所述的设备；该系统还包括：
应变传感器，设置在所述多个离散点上，用于检测所述多个离散点的曲率半径；
角度传感器，设置在所述多个离散点中的所述一个离散点上，用于检测 所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角。

10.  根据权利要求9所述的系统，其特征在于，该系统还包括仿真装置和比较装置；
仿真装置，用于仿真臂架的形状；
比较装置，用于将仿真装置得到的臂架的形状与所述设备监测的臂架的形状进行比较，根据仿真装置得到的臂架形状中各节臂末端的位置与监测的臂架的形状中各节臂末端的位置之间的误差在预设的范围之内判定位于所述多个离散点的应变传感器是否能够用于监测臂架的形状。

11.  根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述应变传感器为光纤光栅应变传感器或光纤曲率传感器。

工程机械臂架在线监测方法、设备以及系统
技术领域
本发明涉及工程机械，具体地，涉及一种工程机械臂架在线监测方法、设备以及系统。
背景技术
在例如混凝土泵车、喷射机、高空作业车之类的工程机械中，大量使用折叠臂架。随着折叠臂架技术的发展，折叠臂架的节臂数量越来越多，折叠臂架系统的质量越来越轻，并且折叠臂架也越来越细长。随着折叠臂架在节臂数量、质量以及长度上的变化，臂架柔性成为折叠臂架系统不可避免的问题，例如在自重、启停时惯性力作用和负载变化的情况下折叠臂架会发生变形和振动，在折叠臂架姿态、运动方式、以及负载变化频率不同时，折叠臂架受力情况发生变化，导致各节臂变形量和振动频率随之变化，折叠系统形状位置难以准确监控，给施工作业带来了难度和安全隐患。
为了解决上述的问题，现有技术采用视频记录和图像处理来获得臂架形状和位置的动态数据，或者采用倾角传感器来检测各节臂的倾角数据，从而计算出臂架的形状和位置。在采用视频记录和图像处理方案时，需要在作业现场安装视频设备，并要对视频记录的数据进行后期处理，实时性差。在采用倾角传感器检测节臂倾角数据的方案时，需要预先建立臂架不同姿态不同工况的动力学参数数据库，前期测试工作量非常大，且难以保证准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种工程机械臂架在线监测方法、设备以及系统，以便快速和实时地监测臂架的形状。
本发明提供了一种工程机械臂架在线监测方法，该方法包括：接收臂架的各节臂上多个离散点的曲率半径以及一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角；根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状。
相应地，本发明提供了一种工程机械臂架在线监测设备，该设备包括：接收器，用于接收臂架的各节臂上多个离散点的曲率半径以及一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角；监测装置，用于根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状。
相应地，本发明提供了一种工程机械臂架在线监测系统，该系统包括所述的设备；该系统还包括：应变传感器，设置在所述多个离散点上，用于检测所述多个离散点的曲率半径；角度传感器，设置在所述多个离散点中的一个离散点上，用于检测所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角。应变传感器，设置在对应于选择的模态振型的多个离散点上；角度传感器，设置在多个离散点中的一个离散点上。
本发明可以实时地监测臂架的形状，并可以利用递推和插值的方法快速地重现臂架的形状。本发明使用的应变传感器和角度传感器安装方便，不占用空间，并且抗干扰性能优良，寿命较长，可以适应复杂施工环境。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的工程机械臂架在线监测设备示意图；
图2是本发明提供的方法示意图；
图3a-图3c是本发明提供的单节臂典型模态振型示意图；
图4是应变传感器粘贴示意图；
图5是曲线上离散点几何关系图；
图6是本发明提供的确定模态振型的流程图；
图7是本发明提供的工程机械臂架在线监测系统示意图。
附图标记说明
100   接收器               200   监测装置
300   应变传感器           400   角度传感器
500   仿真装置             600   比较装置
1-7   离散点
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
为了实时和快速地监测臂架的形状，本发明提供了一种工程机械臂架在线监测设备，如图1所示，该设备包括：接收器100，用于接收臂架的各节臂上多个离散点的曲率半径以及一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角；监测装置200，用于根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状。
相应地，本发明提供了一种工程机械臂架在线监测方法，如图2所示，该方法包括：接收臂架的各节臂上多个离散点的曲率半径以及一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角(步骤201)；根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状(步骤203)。
泵车臂架在自重以及泵送冲击载荷作用下会使得臂架变形，其主要的变形形态如图3a-图3c所示。图3a显示的为一阶模态振型，图3b显示的为二阶模态振型，图3a显示的为三阶模态振型。离散点1-7上可以设置应变传感器，并且每节臂可以设置一个角度触感器。优选地，角度传感器可以粘贴在形变最大的离散点处，一般可以选择节臂上居中的离散点处。
为了根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状，可以执行以下步骤：根据多个离散点的曲率半径以及相邻离散点之间的弧长计算弧长所对应的角度；根据所述弧长所对应的角度以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角计算除所述一个离散点之外的各个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角；在各个离散点处建立动坐标系，其中该动坐标系以离散点为原点，以离散点所在圆弧的切线方向为x轴，以离散点所在圆弧的法线方向为y轴；计算各个离散点在前一离散点所处的动坐标系中的坐标值；将所述在前一离散点所处的动坐标系中的坐标值变换到以臂架根部为原点建立的固定坐标系中，其中所述固定坐标系以水平方向为y轴，以竖直方向为x轴；根据所述各个离散点在所述固定坐标系中的坐标值得到臂架的形状，从而监测臂架的形状。
图5示出了曲线上离散点几何关系图。应变传感器，例如光纤光栅应变传感器或光纤曲率传感器，粘贴在M点，ε为M点检测到的应变值，t为应变传感器粘贴处到臂架中性层的距离，ρ为M点处的臂架结构曲率半径，从 而可以得到
下面以一阶模态振型为例说明节臂各点坐标的计算。如图6所示，大臂上离散点O、P₁、P₂粘贴有应变传感器，离散点P₁还粘贴有角度传感器。其中假设已知相邻离散点之间的圆弧长度S₁、S₂，以及离散点P₁所在圆弧的切线与水平面之间的夹角(可以通过角度传感器测得)。
由于离散点P₁所在圆弧的切线与水平面的夹角已知，可以计算出离散点O、P₂处的臂架倾角，即离散点O、P₂所在圆弧的切线与水平面之间的夹角：
Δθ1=S1ρ0Δθ2=S2ρ1⇒θ0=θ1+Δθ1=θ1+S1ρ0θ2=θ1-Δθ2=θ1-S2ρ1;]]>其中Δθ₁为圆弧S₁对应的角度，Δθ₂为圆弧S₂对应的角度，θ₀为离散点O所在圆弧的切线与水平面之间的夹角，θ₁为离散点P₁所在圆弧的切线与水平面之间的夹角，θ₂为离散点P₂所在圆弧的切线与水平面之间的夹角。
在得到各处的臂架倾角之后，可以在各离散点处建立动坐标系，各离散点为坐标原点，各离散点所在圆弧切线方向为x轴，圆弧法线方向为y轴。在坐标系建立完成之后，可以求出求各离散点在前一点动坐标系中的位置坐标：
离散点P₁在坐标系x₀Oy₀中的坐标为(x'₁₁,y'₁₁)，其中可以通过图6所示的离散点参数之间的关系得到x11′=ρ0-ρ0cosΔθ1=ρ0(1-coss1ρ0)y11′=ρ0sinΔθ1=ρ0sins1ρ0;]]>
离散点P2点在坐标系x₁P₁y₁中的坐标为(x'₁₂,y'₁₂)，其中可以通过图6所 示的离散点参数之间的关系得到x12′=ρ1-ρ1cosΔθ2=ρ1(1-coss2ρ1)y12′=ρ1sinΔθ2=ρ1sins2ρ1.]]>
在得到动坐标系的坐标值之后，可以将所有点在动坐标系中的坐标值转换到固定坐标系中。固定坐标可以以大臂根部O点建立，水平方向为y轴，竖直向上为x轴，则离散点O、P₁、P₂在固定坐标系中的坐标值分别为：
离散点O在坐标系xOy中的坐标为(x₁₀,y₁₀)＝(0,0)；
离散点P₁点在坐标系xOy中的坐标需经过坐标变换转换，其计算公式为：
(x₁₁,y₁₁,0,1)＝H₁(x'₁₁,y'₁₁,0,1)；
H1=R(z,θ0-π/2)Trans(x10,y10,0)=cos(θ0-π/2)-sin(θ0-π/2)0x10cos(θ0-π/2)-y10sin(θ0-π/2)sin(θ0-π/2)cos(θ0-π/2)0x10sin(θ0-π/2)+y10cos(θ0-π/2)00100001⇒x11=(x11′+x10)sinθ0+(y11′+y10)cosθ0y11=(y11′+y10)sinθ0-(x11′+x10)cosθ0]]>
同样地，离散点P₂点在坐标系xOy中的坐标值为(x₁₂,y₁₂)：
x12=(x12′+x11)sinθ1+(y12′+y11)cosθ1y12=(y12′+y11)sinθ1-(x12′+x11)cosθ1.]]>
其他离散点的坐标值可以通过相同的方法得到。
得到上述各离散点在固定坐标系中的坐标值以后，为了提高精度，可以通过对曲率半径进行插值(例如采用线性插值算法)，从而得到更多离散点的曲率半径，通过对插值得到的更多的曲率半径进行上述的计算，从而可以得到更多的坐标值，将各坐标值连起来之后，就构成了节臂的形状，将多个节臂连接起来就得到了臂架的形状，从而可以对臂架的形状进行监测。
如上所述，泵车臂架在自重以及泵送冲击载荷作用下会使得臂架变形， 而处于不同的模态振型。为了确定所使用的模态振型，可以执行如图6所示的方法。例如可以首先通过有限元分析手段对臂架进行静力学分析，确定各节臂在不同姿态、受力情况下典型的几种变形形态(如图3a-图3c所示)；接着可以根据选择的模态振型确定传感器的安装位置，并通过上述的在线监测方法得到拟合算法(该拟合算法用于展示臂架状态)；再接着可以利用仿真模型来验证拟合算法精度是否达到要求，如根据仿真模型得到的臂架的形状与拟合算法得到臂架的形状进行比较，确定精度是否达到要求(例如可以根据节臂末端位置的误差是否达到预设的范围来确定精度是否达到要求)；如果拟合算法的精度达到要求的话，可以输出布点方案(即传感器布置方案)以及拟合算法，该布点方案和拟合算法可以用于对臂架形状的在线监测；如果拟合算法的精度没有达到要求的话，可以更改模态振型，并相应地改变传感器的安装位置，再次进行拟合得到拟合算法，并用仿真模型来验证新得到的拟合算法是否达到要求，如果新得到的拟合算法精度还达不到要求，可以再次更改模态振型，重复上述的步骤，直至拟合算法的精度达到要求。
相应地，本发明还提供了一种工程机械臂架在线监测系统，如图7所示，该系统包括接收器100、监测装置200、应变传感器300，以及角度传感器400。应变传感器300可以设置在对应于选择的模态振型的多个离散点上。角度传感器400可以设置在多个离散点中的一个离散点上。该系统还包括仿真装置500和比较装置600；仿真装置500，用于仿真臂架的形状；比较装置600，用于将仿真装置得到的臂架的形状与所述设备监测的臂架的形状进行比较，判定选择的模态振型是否符合要求。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。