一种混凝土泵车和臂架控制方法
技术领域
本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种混凝土泵车和臂架控制方法。
背景技术
混凝土泵车臂架，一般由4节臂或5节臂或6节臂相互铰接而成，混凝土
通过臂架输送到目标浇注点。对于臂架的控制，通常的控制方式是由操作人员
使用遥控器对各节臂分别进行控制，即一个一个节臂姿态控制，使臂架的整体
从初始姿态运动到目标姿态，这种方式操作较为复杂，并且效率较低。
针对上述的控制方法中存在的不足，目前臂架智能控制方法，根据目标点
坐标和各节臂的相关参数，通过运动方程和各种矩阵变换求出各个自由度的值。
逆向求解的结果会出现多组解。因为多自由度的臂架，臂架末端移动到目标点，
各节臂之间有不同的姿态达到目标点。这样就需要确定一组较优解作为实际控
制策略。目前确定一个最优解较为复杂，控制效果不佳。
为了解决上述的技术问题，CN201110197146.6专利公开了“一种工程机
械以及机械臂的控制方法与控制装置”该专利技术每次动作采用两个自由度的
机械臂，并遵从节臂位移量最小的原则，通过预先定义的“斜率”，根据控制指
令获取需要动作的两个节臂。这样虽然简化了算法，但会导致调节的两个节臂
运动突变，臂架运动不连续性，臂架运动稳定性差。另外，如果臂架遇到障碍
物，臂架无法控制等问题。另外，各节臂是由液压油缸驱动的，臂架在实际运
动过程中，液压油缸伸缩量与各节臂角度变化量不是等线性函数关系，而是非
线性函数关系，因此，即使液压油缸小的位移动作，也会导致节臂角度大幅变
化，造成突变不稳定性问题。
另外，对于大惯性的柔性混凝土泵车臂架控制系统而言，因为各节臂伸长
油缸进油量控制精度及臂架旋转角控制精度，及臂架运动惯性等客观原因，经
常会出现臂架末端偏离目标移动方向，如图1所示，根据目标移动AB方向，
臂架末端移动趋势是缩短的，在规划臂架末端移动时，都是根据遥控器动作信
号开度，确定臂架末端移动的步长，如图1所示，P1和P2为臂架末端移动规
划的下一个目标点，如果臂架末端偏离了P1点，到达S1点，臂架会根据原规
划方案，从S1点向P2点移动。这样就会使得臂架末端从A点至S1点，臂架
是缩短的，从S1点到P2点臂架是伸长的，这样造成规划方案与目标移动方向
的臂架末端移动趋势相反的情况，使得臂架伸长和缩短反复交替运作，造成臂
架末端移动不平稳。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种混凝土泵车和臂架控制方法，以减少臂架运动
过程中，臂架伸长和缩短反复交替动作，造成臂架末端移动不平稳的问题。
一方面，本发明提供了一种臂架控制方法，包括实时获取遥控器动作信号
和臂架的各节臂当前状态角度信号及臂架旋转角度信号；对臂架末端移动进行
规划。包括预测控制，预测控制包括：根据臂架末端的目标移动方向，并实时
计算臂架末端点的坐标值，如果臂架末端点偏离了目标移动方向，则对臂架末
端进行二次规划，二次规划输出下一个目标点。
进一步地，预测控制还包括根据臂架末端的目标移动方向，预测臂架伸长
区域和/或臂架缩短区域；如果臂架末端点在臂架伸长区域上，且臂架末端点偏
离了目标移动方向，对臂架末端进行二次规划，二次规划使臂架伸长；如果臂
架末端点在臂架缩短区域上，且臂架末端点偏离了目标移动方向，对臂架末端
移动进行二次规划，二次规划使臂架缩短。
进一步地，在目标移动方向上找到至臂架旋转中心距离最短的垂直点，垂
直点至目标移动方向上的区域为臂架伸长区域；另一侧为臂架缩短区域。
进一步地，在垂直点周围划定一个区域为臂架伸缩转换区域，如果臂架末
端点在臂架伸缩转换区域上，关闭预测控制。
进一步地，臂架末端移动规划包括以下几个步骤
步骤1：根据臂架当前位置至下一个目标位置建立数学模型；根据各节臂
移动量最小和运动平稳性原则，建立目标约束函数；
步骤2：根据遥控器动作信号、臂架的各节臂当前状态角度信号、臂架当
前旋转角度信号；计算获得各节臂收展角度和臂架目标旋转角度；
步骤3：判断各节臂收展角度是否超出臂架收展角度范围；
步骤4：如果所有节臂收展角度均超出臂架收展角度范围，停止控制臂架
动作；如果部分节臂收展角度超出臂架移动范围，返回步骤2重新计算，否则，
控制臂架动作。
进一步地，目标约束函数包括如下：
OBJ1=∑wi·(θi-θi-1)2
OBJ2=∑wi·((θi-θi-1)-(θi-1-θi-2))2
其中，wi表示i节臂的权重；θi表示i节臂目标角度，θi-1表示i节臂当前
角度，θi-2表示i节臂前一步的角度。
进一步地，如果i节臂被操作手锁定，i节臂的权重wi为0。
进一步地，在步骤2中：将空间轨迹规划分成臂架旋转和机械臂平面收展
两个规划分别进行计算，分别获得各节臂收展角度和臂架目标旋转角度。
进一步地，数学模型如下：
Σ
i
=
1
N
cos
(
θ
0
)
l
i
cos
(
Σ
j
=
1
i
θ
j
-
(
i
-
1
)
·
π
)
=
x
end
]]>
Σ
i
=
1
N
l
i
sin
(
Σ
j
=
1
i
θ
j
-
(
i
-
1
)
·
π
)
=
y
end
]]>
Σ
i
=
1
N
-
sin
(
θ
0
)
l
i
cos
(
Σ
j
=
1
i
θ
j
-
(
i
-
1
)
·
π
)
=
z
end
]]>
其中，θmin≤θi≤θmax，θi为i节臂与i-1节臂的夹角，θmin表示i节臂
最小收展角度，θmax表示i节臂最大收展角度；θ0为旋转角度；li为各节臂长
度；xend,yend,zend为末端点坐标，N为臂架的节臂数量。
另外，还提供了一种混凝土泵车，包括比较，其采用上述任意一种所述的
臂架控制方法。本发明提供的一种混凝土泵车和臂架控制方法，增加了预测控
制程序，根据臂架末端的目标移动方向，并实时计算臂架末端点的坐标值，如
果臂架末端偏离了目标移动方向，则对臂架末端进行二次规划，二次规划输出
下一个目标点。由于在臂架末端偏离了目标移动方向的情况下，对臂架末端进
行了二次规划，不再根据原规划的方案控制臂架动作，保证臂架末端点始终朝
向目标点移动，降低了臂架伸长和缩短反复交替运作的可能性，使臂架末端动
作更平稳。进一步地方案中，根据臂架末端的目标移动方向，预测臂架伸长区
域和/或臂架缩短区域，作为对臂架运动规划的限制条件。如果臂架末端点在臂
架伸长区域上，且臂架末端点偏离了目标移动方向，对臂架末端移动进行二次
规划；二次规划使臂架伸长；如果臂架末端点在臂架缩短区域上，且臂架末端
点偏离了目标移动方向，对臂架末端移动进行二次规划；二次规划使臂架缩短。
根据二次规划的下一个目标点进行臂架末端移动规划计算，得到对应的臂架旋
转角度和各个节臂的收展角度，使得臂架规划方案与目标移动方向的臂架移动
趋势一致，进一步避免了臂架伸长或缩短反复交替动作，臂架移动平稳。
另外，规划臂架运动过程中，根据各节臂移动量最小和运动平稳性原则，
建立目标约束函数；通过目标约束函数，确定一个最优解，实现臂架运动的连
续性；同时，提高了臂架运动平稳性和精确控制，防止臂架运动突变不稳定的
情况发生。减少各节臂移动量，节能减排的作用。另外，为了简化计算，将空
间轨迹规划分成臂架旋转和机械臂平面收展两个规划分别进行计算，分别获得
各节臂收展角度和臂架目标旋转角度，然后判断是否超出臂架移动范围，实现
了臂架智能控制的目的。为了进一步提高臂架运动的连续性和平稳性能，还综
合考虑臂架铰接连杆机构关系，融入运动学、动力学关系，调整轨迹算法；控
制电流为斜坡函数。为了增大臂架作业范围，防止臂架与障碍物相碰，增加了
节臂锁定功能，如果节臂被操作手锁定，节臂的权重为0。这样操作者可根据
当前臂架姿态进行任意节臂的锁定实现目标点的轨迹规划，使得操作更加灵活，
扩大施工作业范围和臂架规划策略通用性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图
中：
图1为现有臂架控制方法示意图；
图2为本发明臂架预测控制方法流程示意图；
图3为本发明臂架控制原理示意图；
图4为本发明臂架末端移动规划流程示意图；
图5为本发明臂架末端移动规划计算流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征
可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供的一种臂架控制方法，包括实时获取遥控器动作信号和臂架的
各节臂当前状态角度信号及臂架旋转角度信号；对臂架末端移动进行规划。包
括预测控制，预测控制包括：根据臂架末端的目标移动方向，并实时计算臂架
末端点的坐标值，如果臂架末端点偏离了目标移动方向，则对臂架末端进行二
次规划，二次规划输出下一个目标点。需要说明的是，臂架末端点偏离了目标
移动方向是指偏离了目标移动方向一定的范围，因此应理解为可以具有一定误
差的偏离，即，对于误差范围内的偏离目标移动方向，可以不进行二次规划，
超过误差范围就需要进行二次规划，根据控制精度，可以设置合适的误差范围。
本发明由于在臂架末端偏离了目标移动方向的情况下，对臂架末端进行了二次
规划，即从臂架末端的当前点到目标点重新规划，不再根据原规划的方案控制
臂架动作，保证臂架末端点始终朝向目标点移动，降低了臂架伸长和缩短反复
交替运作的可能性，使臂架末端动作更平稳。
如图2和图3所示，本发明优选的一种臂架控制方法，包括预测控制，预
测控制方法包括根据臂架末端的目标移动方向AB，预测臂架伸长区域和/或臂
架缩短区域；实时计算臂架末端点坐标值，如果臂架末端点在臂架伸长区域上，
且臂架末端点偏离了目标移动方向AB，对臂架末端进行二次规划；二次规划
使臂架伸长；如果臂架末端点在臂架缩短区域上，且臂架末端点偏离了目标移
动方向AB，对臂架末端移动进行二次规划；二次规划使臂架缩短，二次规划
输出下一个目标点H1、H2。需要说明的是，二次规划使臂架伸长及二次规划
使臂架缩短均应理解为包括臂架保持不变的情形，即在伸长区域，臂架不会改
变伸长的趋势，在缩短区域，臂架不会改变缩短的趋势，这样，在臂架伸长区
域，不会出现臂架缩短的情况，在臂架缩短区域，不会出现臂架伸长的情况，
进一步防止了臂架伸长和缩短反复动作。如果臂架末端点在臂架伸缩转换区域
上，关闭预测控制。
通过数学计算方法，预测臂架伸长区域和臂架缩短区域及臂架伸缩转换区
域；在目标移动方向上找到至臂架旋转中心距离最短的垂直点Q，垂直点Q至
目标移动方向上的区域为臂架伸长区域QB；另一侧为臂架缩短区域AQ，在垂
直点Q周围划定一个区域为臂架伸缩转换区域。一般以垂直点Q为中心，以
500MM为半径画圆，作为臂架伸缩转换区域。在臂架伸缩转换区域不进行预测
控制，避免因预测控制功能使臂架不能向目标方向移动。
臂架控制原理如图3所示，获取遥控器动作信号和臂架的各节臂当前状态
角度信号及臂架旋转角度信号，在目标移动方向AB上，规划臂架末端点每一
步移动的下一个目标点P1、P2、P3、P4、P5、P6，一般P1至P2的步长等于
P2至P3的步长，P4至P5的步长等于P5至P6的步长。同时也会实时采集遥
控器动作信号，根据遥控器动作信号实时更新各个目标点。
假设臂架末端点当前位置A向P1点移动，计算得到臂架末端点当前位置
A和下一个目标点P1的坐标值，根据臂架当前位置A至下一个目标点P1对臂
架末端移动进行规划计算；获得各节臂收展角度和臂架目标旋转角度（收展角
度为各节臂架绕其铰接点转动的角度，臂架目标旋转角度为整个臂架装置绕连
接臂架的转台需要旋转的角度）。由于各节臂伸长油缸进油量控制精度及臂架旋
转角控制精度，及臂架运动惯性等客观原因，臂架末端点偏离目标移动方向AB，
臂架末端点到达S1点。此时，需要判断臂架末端点S1在臂架伸长区域，还是
在臂架缩短区域或者臂架转换区域。经过判断臂架末端点S1在臂架缩短区域，
就需要对臂架末端的下一个目标点H1进行二次规划，不能依据前一次规划的
下一个目标点P2进行移动。否则，臂架会伸长缩短交替动作，造成臂架运动不
平稳。在对下一个目标点H1规划时，需要考虑使臂架缩短作为二次规划的限
制条件。臂架末端点从A点至S1点，臂架是缩短的，臂架末端点从S1点至
H1点，臂架也是缩短的，这样使得臂架末端在臂架缩短区域，臂架一直都是缩
短的，臂架运动不平稳。
假设臂架末端点从P4向P5点移动，由于各节臂伸长油缸进油量控制精度
及臂架旋转角控制精度，及臂架运动惯性等客观原因，臂架末端点偏离目标移
动方向AB，臂架末端点到达S2点。此时臂架末端点S2在臂架伸长区域，就
需要对臂架末端的下一个目标点H2进行二次规划，不能依据前一次规划的下
一个目标点P6进行移动。否则，臂架会伸长缩短交替动作，造成臂架运动不平
稳。在对下一个目标点H2规划时，需要考虑使臂架伸长作为二次规划的限制
条件。臂架末端点从P4点至S2点，臂架是伸长的，臂架末端点从S2点至H2
点，臂架也是伸长的，这样使得臂架末端在臂架伸长区域，臂架一直都是伸长
的，臂架运动不平稳。
如图4和图5所示，在规划臂架末端移动时，包括以下几个步骤：
步骤1：根据臂架当前位置至下一个目标位置建立数学模型；根据各节臂
移动量最小和运动平稳性原则，建立目标约束函数；
步骤2：根据遥控器动作信号、臂架的各节臂当前状态角度信号、臂架当
前旋转角度信号；通过计算获得各节臂收展角度和臂架目标旋转角度；
步骤3：判断各节臂收展角度是否超出臂架收展角度范围；
步骤4：如果所有节臂收展角度均超出臂架收展角度范围，停止控制臂架
动作；如果部分节臂收展角度超出臂架收展角度范围，返回步骤2重新计算，
否则，控制臂架动作。
具体实施如下：
1)建立坐标系
以混凝土泵车转台与臂架始端节臂铰接处作为坐标原点，以车身的料斗方
向为X正半轴，以垂直于车身的方向为Y轴正半轴，根据笛卡尔坐标系右手定
则，可确定Z轴。本坐标系是臂架智能运动系统基准坐标系，即对臂架设计的
运动规划策略都是以该坐标系作为参照的。
2）通过信号采集装置接收获取遥控器动作信号、臂架的各节臂当前状态角
度信号、臂架当前旋转角度信号。遥控器动作信号包括操作手柄的方向信号和
速度信号，信号采集装置通过无线信号接收装置接收遥控装置动作信号，通过
角度传感器获取臂架的各节臂当前状态角度信号和臂架当前旋转角度信号。
3）臂架空间轨迹规划建立数学模型
设计多自由度臂架运动规划策略之前，首先需要建立系统数学模型。根据
臂架结构运动学关系可知，在上述建立的坐标系基础上，数学模型为：
Σ
i
=
1
N
cos
(
θ
0
)
l
i
cos
(
Σ
j
=
1
i
θ
j
-
(
i
-
1
)
·
π
)
=
x
end
]]>
Σ
i
=
1
N
l
i
sin
(
Σ
j
=
1
i
θ
j
-
(
i
-
1
)
·
π
)
=
y
end
]]>
Σ
i
=
1
N
-
sin
(
θ
0
)
l
i
cos
(
Σ
j
=
1
i
θ
j
-
(
i
-
1
)
·
π
)
=
z
end
]]>
其中，θmin≤θi≤θmax，θi为i节臂与i-1节臂的夹角，θmin表示i节臂
最小收展角度，θmax表示i节臂最大收展角度；θ0为旋转角度；li为各节臂长
度；xend,yend,zend为末端点坐标，N为臂架的节臂数量。
将空间轨迹规划分成臂架旋转和机械臂平面收展两个规划分别进行计算，
分别获得各节臂收展角度和臂架目标旋转角度。
若只考虑臂架平面运动则上述数学模型简化为：
Σ
i
=
1
N
l
i
cos
(
Σ
j
=
1
i
θ
j
-
(
i
-
1
)
·
π
)
=
x
end
⇔
ceq
1
(
x
)
=
Σ
i
=
1
N
l
i
cos
(
Σ
j
=
1
i
θ
j
-
(
i
-
1
)
·
π
)
-
x
end
=
0
]]>
Σ
i
=
1
N
l
i
sin
(
Σ
j
=
1
i
θ
j
-
(
i
-
1
)
·
π
)
=
y
end
⇔
ceq
2
(
x
)
=
Σ
i
=
1
N
l
i
sin
(
Σ
j
=
1
i
θ
j
-
(
i
-
1
)
·
π
)
-
y
end
=
0
]]>
4）建立目标约束函数时需要考虑：
其一、从当前位置移动到目标位置，臂架移动尽量小，即节能减排；
其二、臂架平稳移动，避免剧烈的速度变化，特别是反向运动。
OBJ1=∑wi·(θi-θi-1)2
OBJ2=∑wi·((θi-θi-1)-(θi-1-θi-2))2
其中，wi表示i节臂的权重；θi表示i节臂目标角度，θi-1表示i节臂当前
角度，θi-2表示i节臂前一步的角度。
如果i节臂被操作手锁定，i节臂的权重wi为0。
5）、建立带约束的优化问题，将带约束的优化问题转化为非约束的优化问
题
下一步加入惩罚因子，将带约束的优化问题转化为非约束的优化问题
g
(
θ
)
=
w
·
(
θ
i
-
θ
i
-
1
)
w
·
(
(
θ
i
-
x
i
-
1
)
-
(
θ
i
-
1
-
θ
i
-
2
)
)
i
=
1
.
.
.
N
(
σ
ceq
i
(
θ
)
)
i
=
1,2
σ
min
(
0
,
θ
i
-
θ
i
min
)
σ
min
(
0
,
θ
max
-
θ
)
i
=
1
.
.
.
N
]]>
因此只要求得g(θ)的解即可。
如图4所示，具体步骤如下：
第一步：设定初始值，将获得的臂架的各节臂当前状态角度信号设定为初
值、臂架当前旋转角度信号设定为初值；
第二步：采用一维线性搜索方法计算步长h或者采用负梯度方法；
第三步，如果，ceq1、2(x)<ε并且θimin≤θi≤θimax，则退出。
第四步，否则跳转第二步。
6）、臂架在运动过程中某节臂被锁定
在运动过程中，某个节臂若因为人为或者结构原因，导致无法移动，需要
在规划策略设计中降低一维或多维自由度。具体地分为两种情况：
其一、若臂架旋转无法满足输入命令要求，则停止运动；
其二、若臂架某个节臂被锁定，则将当前节臂姿态记录下来，通过节臂平
面运动规划中，将该i节臂的权重wi为0。
7）、通过计算获得各节臂收展角度和臂架目标旋转角度；
8）、判断各节臂收展角度是否超出臂架收展角度范围；如果所有节臂收展
角度均超出臂架收展角度范围，停止控制臂架动作；如果部分节臂收展角度超
出臂架收展角度范围，返回步骤2重新计算，否则，控制臂架动作。
9)、在步骤4中：根据各节臂角度与驱动各节臂动作的液压油缸伸缩量函
数关系，需要充分考虑结构运动学和动力学，计算得到液压油缸伸缩量，向控
制液压油缸的电磁换向阀输入控制电流，控制电流是一个斜坡函数，不是矩形
函数。确保臂架动作连续性和平顺性。
10）、如果遥控器停止动作，停止臂架动作；如果遥控器继续动作，返回步
骤1。
本发明提供的一种臂架控制方法，根据各节臂移动量最小和运动平稳性原
则，建立目标约束函数；通过目标约束函数，确定一个最优解，实现臂架运动
的连续性；同时，提高了臂架运动平稳性和精确控制，防止臂架运动突变不稳
定的情况发生。减少各节臂移动量，节能减排的作用。另外，为了简化计算，
将空间轨迹规划分成臂架旋转和机械臂平面收展两个规划分别进行计算，分别
获得各节臂收展角度和臂架目标旋转角度，然后判断是否超出臂架移动范围，
防止与障碍物相碰，实现了臂架智能控制的目的。为了进一步提高臂架运动的
连续性和平稳性能，还综合考虑臂架铰接连杆机构关系，融入运动学、动力学
关系，调整轨迹算法；控制电流是一个斜坡函数。为了增大臂架作业范围，防
止臂架与障碍物相碰，增加了节臂锁定功能，如果i节臂被操作手锁定，i节臂
的权重wi为0，这样操作者可根据当前臂架姿态进行任意节臂的锁定实现目标
点的轨迹规划，使得操作更加灵活，扩大施工作业范围和臂架规划策略通用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发
明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发
明的保护范围之内。