[發明專利]一種救援清障車吊臂超載預警方法

有效

• 申請號: 201611077523.1
• 申請日: 2016-11-29
• 公開（公告）號: CN106744400B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 李旭;蔡志祥;曹繼文;徐啟敏
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: B66C23/88
• 分類號: B66C23/88;G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 唐紅

1.一種救援清障車吊臂超載預警方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)安裝所需傳感器組件：在救援清障車的兩側均設置可支撐于地面支腿，所述救援清障車頂部設有吊臂，吊臂的另一端通過滑輪設置有繩索，繩索末端固定有用于拉起事故車輛的吊鉤；所述吊臂側面沿吊臂伸展方向、以及繩索末端與吊鉤連接處沿繩索方向均安裝有加速度傳感器；吊臂上還安裝有長度傳感器且長度傳感器的方向與吊臂伸展方向一致；在繩索與吊鉤連接處安裝拉力傳感器；

(2)計算吊臂和繩索的姿態信息：通過兩個加速度傳感器分別測量救援清障車吊臂的俯仰角和繩索的傾斜角，通過長度傳感器測量吊臂長度L，通過拉力傳感器測量繩索對救援清障車的拉力F；

(3)根據步驟(2)中所得的吊臂和繩索姿態信息，通過卡爾曼濾波算法實時估計繩索對救援清障車在水平方向和豎直方向上的拉力；

(4)通過力矩平衡原理分析救援清障車是否存在吊臂超載的危險，進行吊臂超載預警；

其中，所述步驟(1)中，加速度傳感器采用MEMS加速度傳感器；

所述步驟(2)中計算吊臂和繩索的姿態信息的具體過程為：

因為吊臂緩慢運動，即在短時間內視為靜止，所以吊臂的俯仰角α通過加速度傳感器采集到的吊臂加速度信息a_A解算，具體公式如下：

α=arcsin(aAg)---(1)]]>

其中，0°<α≤90°；g指重力加速度；

又由于繩索和吊鉤在作業過程中同樣處于緩慢運動狀態，即認為繩索和吊鉤的速度均為零，所以繩索的傾斜角β也通過加速度傳感器采集到的繩索加速度信息a_B解算，具體公式如下：

β=arcsin(aBg)---(2)]]>

其中，0°<β≤90°，當吊臂處于垂直起吊位置時，β＝90°

所述步驟(3)的具體過程為：

救援清障車在起吊重物或扶正事故車輛時，吊臂、吊臂末端滑輪和繩索的運動是緩慢的，在短時間內視為靜止，因此將吊臂系統和救援清障車車身看作一個整體，即繩索上的拉力F為對整個救援清障車的作用力，且作用點是吊臂末端的滑輪處；

由步驟(2)中得到的繩索傾斜角β和繩索對救援清障車的拉力F分別計算出繩索對救援清障車在水平和豎直方向上的拉力，具體計算公式如下：

Fx=F·cosβ=F·g2-aB2gFy=F·sinβ=F·aBg---(3)]]>

式(3)中，F_x為繩索對救援清障車在水平方向上的拉力，F_y為繩索對救援清障車在豎直方向上的拉力；

下面建立卡爾曼濾波的狀態方程；

離散化后的卡爾曼濾波的狀態方程的矩陣形式表示為：

式(4)中，k表示離散化時刻；系統狀態向量為X＝[F_x F_y]′，上角標'表示對矩陣轉置；W(k-1)表示零均值的系統高斯白噪聲向量且W＝[w₁ w₂]′，其中w₁、w₂分別表示兩個系統高斯白噪聲分量，W(k-1)對應的系統噪聲協方差陣Q(k-1)為：其中分別表示系統高斯白噪聲w₁、w₂對應的方差；狀態轉移矩陣為這是因為救援清障車在吊起重物、扶正事故車輛作業過程中，繩索對救援清障車在水平方向的拉力F_x和豎直方向上的拉力F_y是緩慢變化的，上一采樣時刻的拉力值視為等于下一采樣時刻的拉力值；

離散化的卡爾曼濾波觀測方程的矩陣形式為：

Z(k)＝H(k)·X(k)+V(k)(5)

式(5)中，Z為觀測向量，H為觀測陣，V表示與W互不相關的零均值觀測白噪聲向量，V(k)表示k時刻與W互不相關的零均值觀測白噪聲向量；由于觀測向量與狀態向量都是繩索對救援清障車在水平方向和豎直方向上的拉力，所以其中F_{x_m}(k)和F_{y_m}(k)分別表示通過傳感器測量值直接推算得出的繩索對救援清障車在水平和豎直方向上的拉力值，根據式(3)，有

Fx_m=Fm·g2-aB_m2gFy_m=Fm·aB_mg---(6)]]>

式(6)中，F_m表示利用拉力傳感器所測得的繩索對救援清障車沿繩索方向的拉力，a_{B_m}表示利用加速度傳感器所測得的沿繩索伸展方向的加速度；表示由式(6)計算獲得的繩索對救援清障車在水平方向上拉力的觀測噪聲，且是均值為0、方差為的高斯白噪聲；表示由式(6)計算獲得的繩索對救援清障車在豎直方向上拉力的觀測噪聲，且是均值為0、方差為的高斯白噪聲；V對應的觀測噪聲方差陣R表示為

對于式(4)和式(5)所描述的系統狀態方程和測量方程，運用卡爾曼濾波理論，建立下面的標準濾波遞推過程，該遞推過程包括時間更新和測量更新，下面遞推過程的前兩步為時間更新，剩余的三步為測量更新：

時間更新：

測量更新：

K(k)＝P(k,k-1)·Η′(k)[H(k)·P(k,k-1)·H′(k)+R(k)]^-1(9)

X^(k)=X^(k,k-1)+K(k)[Z(k)-H(k)·X^(k,k-1)]---(10)]]>

P(k)＝[I-K(k)·H(k)]·P(k,k-1)(11)

式(7)中，為狀態一步預測的結果，式(8)中P(k,k-1)為一步預測誤差方差陣，式(9)中K(k)表示濾波增益矩陣，R(k)表示k時刻對應的觀測噪聲方差陣，式(10)中表示狀態估計的結果，式(11)中P(k)表示誤差方差陣估計的結果，I表示單位矩陣；經過上述遞推計算后，實時準確地估計出繩索對救援清障車在水平方向上的拉力F_x和豎直方向上的拉力F_y；

所述步驟(4)的具體過程為：

救援清障車在實際的起吊和扶正作業過程中，重物或事故車輛一般位于救援清障車的側邊，且吊臂與繩索所在平面垂直于車體側邊平面，對于救援清障車向某側側翻的臨界情況，該側支腿與地面的接觸點將成為救援清障車側翻的支點，救援清障車兩側的支腿長度相等，定義該支點為B，在救援清障車將要側翻的臨界情況下，支點B所受的力矩有：救援清障車自身重力對支點B的力矩M_G、F_x對支點B的力矩以及F_y對支點B的力矩根據力矩平衡原理，為了使救援清障車不發生側翻，支點B處必須滿足：

MG>MFx+MFy---(12)]]>

即：

G·dG>Fx·dFx+Fy·dFy---(13)]]>

其中，G為救援清障車的重力，d_G為支點B到救援清障車重心位置的水平距離，為支點B與吊臂末端滑輪的豎直距離；為支點B與吊臂末端滑輪的水平距離，吊臂末端滑輪在支點B右上方時為正，吊臂末端滑輪在支點B左上方時為負；

由救援清障車吊臂轉臺高度參數H、吊臂的俯仰角α及吊臂的長度L計算獲得，即

dFx=H+L·sinαdFy=L·cosα-dG---(14)]]>

由于步驟(3)中已獲得F_x和F_y準確估計值，因此通過計算實時得到，而M_G也通過計算事先獲得；當達到M_G的90％時發出吊臂超載預警信號。