[发明专利]一种救援清障车吊臂超载预警方法

摘要

本发明公开一种救援清障车吊臂超载预警方法，结合救援清障车结构及工作特点，通过两个低成本加速度计测量救援清障车吊臂的俯仰角和绳索的倾斜角，通过长度传感器测量吊臂的长度，通过拉力传感器测量绳索对救援清障车的拉力，然后采用卡尔曼滤波算法实时估计绳索对救援清障车在水平方向和竖直方向上的拉力，最后通过力矩平衡原理分析救援清障车是否存在吊臂超载的危险，若有危险则提前预警。本发明具有精度高、适用范围广等特点，可以为救援清障车提供全面可靠的吊臂超载监控及预警。

主权项

一种救援清障车吊臂超载预警方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)安装所需传感器组件：在救援清障车的两侧均设置可支撑于地面支腿，所述救援清障车顶部设有吊臂，吊臂的另一端通过滑轮设置有绳索，绳索末端固定有用于拉起事故车辆的吊钩；所述吊臂侧面沿吊臂伸展方向、以及绳索末端与吊钩连接处沿绳索方向均安装有加速度传感器；吊臂上还安装有长度传感器且长度传感器的方向与吊臂伸展方向一致；在绳索与吊钩连接处安装拉力传感器；(2)计算吊臂和绳索的姿态信息：通过两个加速度传感器分别测量救援清障车吊臂的俯仰角和绳索的倾斜角，通过长度传感器测量吊臂长度L，通过拉力传感器测量绳索对救援清障车的拉力F；(3)根据步骤(2)中所得的吊臂和绳索姿态信息，通过卡尔曼滤波算法实时估计绳索对救援清障车在水平方向和竖直方向上的拉力；(4)通过力矩平衡原理分析救援清障车是否存在吊臂超载的危险，进行吊臂超载预警；其中，所述步骤(1)中，加速度传感器采用MEMS加速度传感器；所述步骤(2)中计算吊臂和绳索的姿态信息的具体过程为：因为吊臂缓慢运动，即在短时间内视为静止，所以吊臂的俯仰角α通过加速度传感器采集到的吊臂加速度信息aA解算，具体公式如下：α=arcsin(aAg)---(1)]]>其中，0°<α≤90°；g指重力加速度；又由于绳索和吊钩在作业过程中同样处于缓慢运动状态，即认为绳索和吊钩的速度均为零，所以绳索的倾斜角β也通过加速度传感器采集到的绳索加速度信息aB解算，具体公式如下：β=arcsin(aBg)---(2)]]>其中，0°<β≤90°，当吊臂处于垂直起吊位置时，β＝90°所述步骤(3)的具体过程为：救援清障车在起吊重物或扶正事故车辆时，吊臂、吊臂末端滑轮和绳索的运动是缓慢的，在短时间内视为静止，因此将吊臂系统和救援清障车车身看作一个整体，即绳索上的拉力F为对整个救援清障车的作用力，且作用点是吊臂末端的滑轮处；由步骤(2)中得到的绳索倾斜角β和绳索对救援清障车的拉力F分别计算出绳索对救援清障车在水平和竖直方向上的拉力，具体计算公式如下：Fx=F·cosβ=F·g2-aB2gFy=F·sinβ=F·aBg---(3)]]>式(3)中，Fx为绳索对救援清障车在水平方向上的拉力，Fy为绳索对救援清障车在竖直方向上的拉力；下面建立卡尔曼滤波的状态方程；离散化后的卡尔曼滤波的状态方程的矩阵形式表示为：式(4)中，k表示离散化时刻；系统状态向量为X＝[Fx Fy]′，上角标'表示对矩阵转置；W(k‑1)表示零均值的系统高斯白噪声向量且W＝[w1 w2]′，其中w1、w2分别表示两个系统高斯白噪声分量，W(k‑1)对应的系统噪声协方差阵Q(k‑1)为：其中分别表示系统高斯白噪声w1、w2对应的方差；状态转移矩阵为这是因为救援清障车在吊起重物、扶正事故车辆作业过程中，绳索对救援清障车在水平方向的拉力Fx和竖直方向上的拉力Fy是缓慢变化的，上一采样时刻的拉力值视为等于下一采样时刻的拉力值；离散化的卡尔曼滤波观测方程的矩阵形式为：Z(k)＝H(k)·X(k)+V(k)  (5)式(5)中，Z为观测向量，H为观测阵，V表示与W互不相关的零均值观测白噪声向量，V(k)表示k时刻与W互不相关的零均值观测白噪声向量；由于观测向量与状态向量都是绳索对救援清障车在水平方向和竖直方向上的拉力，所以其中Fx_m(k)和Fy_m(k)分别表示通过传感器测量值直接推算得出的绳索对救援清障车在水平和竖直方向上的拉力值，根据式(3)，有Fx_m=Fm·g2-aB_m2gFy_m=Fm·aB_mg---(6)]]>式(6)中，Fm表示利用拉力传感器所测得的绳索对救援清障车沿绳索方向的拉力，aB_m表示利用加速度传感器所测得的沿绳索伸展方向的加速度；表示由式(6)计算获得的绳索对救援清障车在水平方向上拉力的观测噪声，且是均值为0、方差为的高斯白噪声；表示由式(6)计算获得的绳索对救援清障车在竖直方向上拉力的观测噪声，且是均值为0、方差为的高斯白噪声；V对应的观测噪声方差阵R表示为对于式(4)和式(5)所描述的系统状态方程和测量方程，运用卡尔曼滤波理论，建立下面的标准滤波递推过程，该递推过程包括时间更新和测量更新，下面递推过程的前两步为时间更新，剩余的三步为测量更新：时间更新：测量更新：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，为状态一步预测的结果，式(8)中P(k,k‑1)为一步预测误差方差阵，式(9)中K(k)表示滤波增益矩阵，R(k)表示k时刻对应的观测噪声方差阵，式(10)中表示状态估计的结果，式(11)中P(k)表示误差方差阵估计的结果，I表示单位矩阵；经过上述递推计算后，实时准确地估计出绳索对救援清障车在水平方向上的拉力Fx和竖直方向上的拉力Fy；所述步骤(4)的具体过程为：救援清障车在实际的起吊和扶正作业过程中，重物或事故车辆一般位于救援清障车的侧边，且吊臂与绳索所在平面垂直于车体侧边平面，对于救援清障车向某侧侧翻的临界情况，该侧支腿与地面的接触点将成为救援清障车侧翻的支点，救援清障车两侧的支腿长度相等，定义该支点为B，在救援清障车将要侧翻的临界情况下，支点B所受的力矩有：救援清障车自身重力对支点B的力矩MG、Fx对支点B的力矩以及Fy对支点B的力矩根据力矩平衡原理，为了使救援清障车不发生侧翻，支点B处必须满足：MG>MFx+MFy---(12)]]>即：G·dG>Fx·dFx+Fy·dFy---(13)]]>其中，G为救援清障车的重力，dG为支点B到救援清障车重心位置的水平距离，为支点B与吊臂末端滑轮的竖直距离；为支点B与吊臂末端滑轮的水平距离，吊臂末端滑轮在支点B右上方时为正，吊臂末端滑轮在支点B左上方时为负；由救援清障车吊臂转台高度参数H、吊臂的俯仰角α及吊臂的长度L计算获得，即dFx=H+L·sinαdFy=L·cosα-dG---(14)]]>由于步骤(3)中已获得Fx和Fy准确估计值，因此通过计算实时得到，而MG也通过计算事先获得；当达到MG的90％时发出吊臂超载预警信号。