ENGINEERING MACHINE AND STABILITY CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF

WIPO Patent Application WO/2011/120396

A1

A stability control system for an engineering machine and a control method are provided. The stability control system includes a detection device (1), a control device (2) and an alarm device (3). The detection device (1) detects the current center-of-gravity positions of each component of the engineering machine to obtain the center-of-gravity position signals of each component and transmits the center-of-gravity position signals to the control device (2). The control device (2) receives the center-of-gravity position signals from the detection device (1), calculates the center-of-gravity position of the engineering machine according to a center-of-gravity calculation strategy, and compares it with a preset balance range. The control device (2) controls the alarm device (3) for warning when the center-of-gravity position of the engineering machine exceeds the balance range. The stability control system adopts a brand new method to control the stability of the engineering machine in working process, and has higher control precision. An engineering machine comprising the above stability control system is also provided.

WEI, Zhikui (SANY Industry Town, Economic and Technological Development ZoneChangsha, Hunan 0, 410100, CN)
魏志魁 (中国湖南省长沙市经济技术开发区三一工业城, Hunan 0, 410100, CN)
SHEN, Mingxing (SANY Industry Town, Economic and Technological Development ZoneChangsha, Hunan 0, 410100, CN)

CN2011/072087

October 06, 2011

March 23, 2011

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HUNAN SANY INTELLIGENT CONTROL EQUIPMENT CO., LTD (SANY Industry Town, Economic and Technological Development ZoneChangsha, Hunan 0, 410100, CN)
湖南三一智能控制设备有限公司 (中国湖南省长沙市经济技术开发区三一工业城, Hunan 0, 410100, CN)
SANY HEAVY INDUSTRY CO., LTD (SANY Industry Town, Economic and Technological Development ZoneChangsha, Hunan 0, 410100, CN)
三一重工股份有限公司 (中国湖南省长沙市经济技术开发区三一工业城, Hunan 0, 410100, CN)
WEI, Zhikui (SANY Industry Town, Economic and Technological Development ZoneChangsha, Hunan 0, 410100, CN)

G05B19/02; E04G21/04; F04B49/00

KANGXIN PARTNERS, P. C. (Floor 16, Tower A Indo Building,A48 Zhichun Road, Haidian District, Beijing 8, 100098, CN)

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权 利 要 求 书 1. 一种用于工程机械的稳定性控制系统，其特征在于，包括检测装置（ 1 )、 控制装置 （2 ) 和报警装置 （3 ), 所述检测装置（ 1 )检测所述工程机械的各部件的重心的当前位置， 得到各部件的重心位置信号， 并将所述重心位置信号传输至所述控制 装置 （2 ); 所述控制装置 （2 )接收所述检测装置 （ 1 ) 的重心位置信号， 根 据重心计算策略计算出所述工程机械的重心位置， 并与预先设定的平 衡范围进行比较； 当所述工程机械的重心位置落在所述平衡范围以外 时， 所述控制装置 （2 ) 控制所述报警装置 （3 )报警。 2. 根据权利要求 1所述的用于工程机械的稳定性控制系统，其特征在于， 所述检测装置（ 1 )还检测所述工程机械的支腿的支撑点的位置； 所述 平衡范围为所述工程机械的支腿的支撑点在水平面的投影点中， 相邻 的两投影点之间的连线所形成的区域经过第一安全运算后的安全区 域， 所述工程机械的重心位置为所述工程机械的重心在水平面的重心 投影点经第二安全运算后的安全点的位置； 当所述安全点位于所述安 全区域以外时， 所述控制装置 （2 )控制所述报警装置 （3 )报警。 3. 根据权利要求 2所述的用于工程机械的稳定性控制系统，其特征在于， 所述安全区域由所述区域乘以第一安全裕度得到。 4. 根据权利要求 2所述的用于工程机械的稳定性控制系统，其特征在于， 所述安全点由所述重心投影点乘以第二安全裕度得到。 5. 根据权利要求 2所述的用于工程机械的稳定性控制系统，其特征在于， 以所述安全点为端点做垂直于所述工程机械的长度方向的射线， 当射 线与所述连线的交点的个数为偶数或零时， 则所述安全点位于安全区 i或以外。 6. 根据权利要求 1至 5中任一项所述的用于工程机械的稳定性控制系统， 其特征在于， 所述报警装置包括相互区别的第一报警装置和第二报警 装置， 所述平衡范围包括与所述报警装置相对应的第一平衡范围和第 二平衡范围； 当所述重心位置位于所述第一平衡范围以外时， 所述第 一报警装置报警， 当所述重心位置位于所述第二平衡范围以外时， 所 述第二报警装置报警。 7. 根据权利要求 1至 5中任一项所述的用于工程机械的稳定性控制系统， 其特征在于， 所述工程机械的各部件的重心通过有限元计算得出。 8. 根据权利要求 1至 5中任一项所述的用于工程机械的稳定性控制系统， 其特征在于， 所述检测装置包括转塔倾角传感器、 转塔转角传感器、 臂架角度传感器、 支腿角度传感器和支腿位移传感器。 9. 根据权利要求 8所述的用于工程机械的稳定性控制系统，其特征在于， 所述支腿位移传感器安装于所述工程机械的各支腿的端部。 10. —种工程机械， 其特征在于， 包括如权利要求 1至 9中任一项所述的 稳定性控制系统。 11. 一种用于工程机械的稳定性控制方法， 其特征在于， 所述工程机械中 包括有检测装置、 控制装置和 ·ί艮警装置， 所述方法包括以下步骤： 所述检测装置检测工程机械的各部件的重心的当前位置， 得到各 部件的重心位置信号， 并将重心位置信号传输至控制装置； 所述控制装置接收所述检测装置的重心位置信号， 根据重心计算 策略计算出工程机械的重心位置，并与预先设定的平衡范围进行比较； 当所述工程机械的重心位置落在所述平衡范围以外时， 所述控制 装置控制所述报警装置报警。 根据权利要求 11 所述的用于工程机械的稳定性控制方法， 其特征在 于， 通过有限元计算所述工程机械各个部件的重心。

工程才 其稳定性控制系统与控制方法 本申请要求 2010年 3月 30日向中国国家知识产权局提交的名称为"工程 机械及其稳定性控制系统"的第 201010139806.0号专利申请的优先权， 其全 部内容结合于此供参考。 技术领域 本发明涉及工程机械领域， 特别是涉及一种用于工程机械的稳定性控制 系统与控制方法。 本发明还涉及一种包括上述稳定性控制系统的 工程机械。 背景技术 工程机械工作过程中的稳定性， 决定着工程机械工作性能， 关系到施工 作业现场的操作人员的人身安全， 因此， 保证工程机戈工作过程中的稳 -定性 显得尤为重要。 为了保证工程机械施工过程的稳定性， 一般设置有可移出的外伸支腿， 扩大工程机械的支撑范围， 以减少侧翻的危险。 然而， 当操作人员对于工程 机械的状态估计不准或者操作不当时， 依然有可能造成工程机械的侧翻。 现有技术中， 为了提高对工程机械稳定性的控制， 提供了一种稳定性控 制系统。 请参考图 1 , 图 1为现有技术中一种典型的工程机械稳定性控� �系统的 结构示意图。 现有技术中的稳定性控制系统包括压力感应器 22和报警器 23 , 压力感 应器 22安装于各支^ %的垂直油虹 21 的上腔， 压力感应器 22通过电源开关 与蓄电池连接， 另一端与报警器 23连接， 报警器 23的另一端接地。 工作过程中， 进行工程机械的支腿操作的同时将电源开关闭 合， 当工程 机械的某一支腿的垂直油缸 21 的上腔压力小于某一设定值时， 该支腿的压 力感应器 22就会产生一个电压信号， 并将该电压信号传输至报警器 23 , 报 警器 23 发出报警信号， 从而提醒操作人员停止当前操作， 并改变操作， 防 止了工程机械的倾翻， 提高了工程机械工作过程的稳定性。 然而， 上述稳定性控制系统的控制精度较低， 如果当支腿的垂直油缸的 上腔压力较大时就报警， 会限制工程机械的工作范围； 而当支腿的垂直油缸 21的上腔压力较小时再报警， 又会提高工程机械倾翻的危险性。 因此， 如何提高对工程机械的稳定性控制的控制精度 就成为本领域技术 人员目前需要解决的技术问题。 发明内容 本发明的目的是提供一种用于工程机械的稳定 性控制系统与控制方法， 该控制系统与控制方法具有较高的稳定性控制 精度。 本发明的另一目的是提 供一种包括上述稳定性控制系统的工程机械。 为解决上述技术问题， 本发明提供了一种用于工程机械的稳定性控制 系 统， 包括检测装置、 控制装置和报警装置。 所述检测装置检测所述工程机械的各部件的重 心的当前位置， 得到各部 件的重心位置信号， 并将所述重心位置信号传输至所述控制装置； 所述控制装置接收所述检测装置的重心位置信 号， 根据重心计算策略计 算出所述工程机械的重心位置， 并与预先设定的平衡范围进行比较； 当所述 工程机械的重心位置落在所述平衡范围以外时 ， 所述控制装置控制所述报警 装置报警。 优选地， 所述检测装置还检测所述工程机械的支腿的支 撑点的位置； 所 述平衡范围为所述工程机械的支腿的支撑点在 水平面的投影点中， 相邻的两 投影点之间的连线所形成的区域经过第一安全 运算后的安全区域， 所述工程 机才成的重心位置为所述工程机戈的重心在水 平面的重心投影点经第二安全运 算后的安全点的位置； 当所述安全点位于所述安全区域以外时， 所述控制装 置控制所述报警装置报警。 优选地， 所述安全区域由所述区域乘以第一安全裕度得 到。 优选地， 所述安全点由所述重心投影点乘以第二安全裕 度得到。 优选地， 以所述安全点为端点故垂直于工程机械的长度 方向的射线， 当 射线与所述连线的交点的个数为偶数或零时， 则认为所述安全点位于安全区 域以外。 优选地， 所述报警装置包括相互区别的第一报警装置和 第二报警装 置， 所述平衡范围包括与所述报警装置相对应的第 一平衡范围和第二平衡范 围； 当所述重心位置位于所述第一平衡范围以外时 ，所述第一报警装置报警， 当所述重心位置位于所述第二平衡范围以外时 ， 所述第二报警装置报警。 优选地， 所述工程机械的各部件的重心通过有限元计算 得出。 优选地， 所述检测装置包括转塔倾角传感器、 转塔转角传感器、 臂架角 度传感器、 支腿角度传感器和支腿位移传感器。 优选地， 所述支腿位移传感器安装于所述工程机械的各 支腿的端部。 为解决上述技术问题， 本发明还提供了一种工程机械， 包括如上述任一 项所述的稳定性控制系统。 根据本发明的另一个方面，提供了一种用于工 程机械的稳定性控制方法， 所述工程机械中包括有检测装置、 控制装置和报警装置， 所述方法包括以下 步骤： 检测装置检测工程机械的各部件的重心的当前 位置， 得到各部件的重心 位置信号， 并将重心位置信号传输至控制装置； 控制装置接收检测装置的重心位置信号， 根据重心计算策略计算出工程 机械的重心位置， 并与预先设定的平衡范围进行比较； 当工程机械的重心位置落在平衡范围以外时， 控制装置控制报警装置报 警。 本发明所提供的用于工程机械的稳定性控制系 统， 包括检测装置、 控制 装置和 4艮警装置， 检测装置检测工程机械的各部件的重心的当前 位置， 得到 各部件的重心位置信号， 并将重心位置信号传输至控制装置； 控制装置接收 检测装置的重心位置信号， 居重心计算策略计算出工程机戈的重心位置， 并与预先设定的平衡范围进行比较； 当工程机械的重心位置落在平衡范围以 外时， 控制装置控制报警装置报警。 各部件的重心是预先计算得到的， 而当 工程机械处于某一工作状态时， 各部件的重心位置是不确定的， 因此， 工作 过程中， 检测装置检测工程机戈处于工作位置时各部件 的重心位置， 并将检 测信号传输至控制装置， 控制装置根据计算方法计算出整车的重心位置 ， 进 而与重心位置的平衡范围进行比较， 当工程机械的重心位置落在平衡范围以 外时， 控制装置控制报警装置报警。 可以看出， 本发明所提供的用于工程机 械的稳定性控制系统通过一种全新的方法控制 了工程机械工作过程的稳定 性， 控制精度较高， 从而为工程机械各部件所处的工作位置的调整 提供了依 据。 在一种优选实施方式中， 本发明所提供的用于工程机械的稳定性控制系 统的检测装置还检测工程机械的支腿的支撑点 的位置， 平衡范围为工程机械 的支逸的支撑点在水平面的投影点中， 相邻的两投影点之间的连线所形成的 区域经过第一安全运算后的安全区域， 工程机戈的重心位置为工程机戈的重 心在水平面的重心投影点经第二安全运算后的 安全点的位置； 当安全点位于 安全区域以外时， 控制装置控制报警装置报警。 上述平衡范围和工程机械的 重心位置的确定方式， 不仅能够保证控制精度， 而且具体使用过程中的实现 方便， 降低了本发明所提供的用于工程机械的稳定性 控制系统的操作难度。 在另一种优选实施方式中， 本发明所提供的用于工程机械的稳定性控制 系统， 在判断重心投影点是否位于区域以外时的具体 策略为： 以安全点为端 点做垂直于工程机械的长度方向的射线， 当射线与连线的交点的个数为偶数 或零时， 则认为所述安全点位于安全区域以外。 上述控制策略为控制装置的 控制程序的设定提供了依据，保证了本发明所 提供的稳定性控制系统的实现。 本发明所提供的工程机械及用于工程机械的稳 定性控制方法的有益效果 都与稳定性控制系统的有益效果类似， 在此不再赘述。 附图说明 图 1为现有技术中一种典型的工程机械稳定性控� �系统的结构示意图； 图 2为本发明一种具体实施方式所提供的用于工� �机械的稳定性控制系 统的结构示意图； 图 3为本发明第二种具体实施方式所提供的用于� �程机械的稳定性控制 系统的结构示意图； 图 4为本发明所提供的用于工程机械的稳定性控� �系统的安全区域的示 意图； 以及 图 5为本发明所提供的工程机械的稳定性控制方� �的重心投影座标示意 图。 具体实施方式 本发明的核心是提供一种用于工程机械的稳定 性控制系统与控制方法， 该控制系统与控制方法具有较高的稳定性控制 精度。 本发明的另一核心是提 供一种包括上述稳定性控制系统的工程机械。 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方 案， 下面结合附图和具体 实施方式对本发明作进一步的详细说明。 请参考图 2和图 3 , 图 2为本发明一种具体实施方式所提供的用于工� � 机械的稳定性控制系统的结构示意图； 图 3为本发明第二种具体实施方式所 提供的用于工程机械的稳定性控制系统的结构 示意图。 如图 2所示， 本发明所提供的用于工程机械的稳定性控制系 统， 包括检 测装置 1、 控制装置 2和报警装置 3 , 检测装置 1检测工程机械的各部件的 重心的当前位置， 得到各部件的重心位置信号， 并将重心位置信号传输至控 制装置 2; 控制装置 2接收检测装置 1的重心位置信号， 根据重心计算策略 计算出工程机械的重心位置， 并与预先设定的平衡范围进行比较； 当工程机 械的重心位置落在平衡范围以外时， 控制装置 2控制报警装置 3报警。 以上所述的工程机械的各部件的重心是预先计 算得到的， 其重心在各部 件上的位置是不变的， 而相对于整个工程机戈而言， 随着各部件在工程机才成 上的位置的改变， 各部件的重心相对于整个工程机械的位置不断 变化， 检测 装置 1检测工程机戈处于当前工作位置时各部件的� �心位置。 在一种具体实 施方式中， 工程机戈的各部件的重心可以通过有限元计算 得到。 由于各部件 的重心相对于整个工程机戈的当前位置是不断 改变的， 因此， 预定的平衡范 围也可以是检测点 居预定的计算方法计算得到的， 即以上所述的预先设定 的平衡范围是可以随着工程机械的各部件的不 同位置而改变的。 具体地， 上述的各部件可以根据需要决定其划分的精确 度， 以混凝土泵 车为例， 各部件具体可以包括各支腿， 各节臂架、 转塔、 车辆车体和各油缸， 当然， 还可以将上述部件进行进一步地划分， 各部件的具体划分的精确度， 本文不做限制。 当然， 上述重心位置的检测， 可以通过传感器检测工程机械的各部件的 相对位置关系的方式实现。 比如： 当将本发明所提供的稳定性控制系统应用于混 凝土泵车时， 检测 装置可以包括转塔倾角传感器 11、 转塔转角传感器 12、 臂架角度传感器 13、 支腿角度传感器 14和支腿位移传感器 15。 转塔倾角传感器 11检测转塔与水平面之间的夹角， 转塔转角传感器 12 检测任一工作位置转塔的转角， 臂架角度传感器 13 检测臂架的倾角， 支腿 角度传感器 14 检测各支腿处于支撑位置时与混凝土泵车的前 后方向之间的 夹角， 支腿位移传感器 15检测各支腿处于支撑位置时， 各支腿的伸长长度。 其中， 臂架角度传感器 13 的数目可以与臂架的节数相同， 各臂架角度传感 器 13 分别检测混凝土泵车的第一节臂架与转塔之间 的夹角， 以及相邻两节 臂架之间的夹角； 支逸位移传感器 15可以安装于工程机械的各支逸的端部。 支腿位移传感器 15 安装于工程机械的各支腿的端部， 可以检测各支腿 的支撑点的位置， 从而在一定程度上方便了平衡范围的确定。 当然， 支腿位 移传感器 15 也可以安装于工程机械的各支^ %的其他位置， 只要能够实现对 支腿重心位置的检测都是可以的。 通过以上各传感器的检测结果， 就可以得到各部件的重心在混凝土泵车 处于某一工作状态时的重心位置。 工作过程中， 检测装置 1时刻检测工程机械的各部件的重心位置， 并将 检测信号传输至控制装置 2, 控制装置 2接收到检测信号后， 根据预定的计 算方法计算出整车的重心位置， 进而与重心位置的平衡范围进行比较， 当工 程机械的重心位置落在平衡范围以外时， 控制装置 2控制报警装置 3报警。 报警装置 3具体可以为声音报警装置， 也可以为视觉报警装置， 还可以 为同时具有以上两种报警装置。 可以看出， 本发明所提供的用于工程机械的稳定性控制系 统通过一种全 新的方法控制了工程机械工作过程的稳定性， 控制精度较高， 而且为工程机 械各部件所处的工作位置的调整提供了依据。 请参考图 4, 图 4为本发明所提供的用于工程机械的稳定性控� �系统的 安全区域的示意图。 在另一种具体实施方式中， 本发明所提供的用于工程机械的稳定性控制 系统的检测装置还检测工程机械的支腿的支撑 点的位置， 以上所述的平衡范 围可以为工程机械的支腿的支撑点在水平面的 投影点中， 相邻的两投影点之 间的连线所形成的区域 A经过第一安全运算后的安全区域 B; 工程机 ^戈的重 心位置可以为工程机械的重心 D在水平面的重心投影点经第二安全运算后的 安全点 C的位置； 当安全点 C位于安全区域 B以外时， 控制装置 2控制 4艮 警装置 3报警。 当然， 上述第一安全运算和第二安全运算中的一者可 以为 1 , 此时， 就 相当于没有经过安全运算， 只靠另一者的安全运算保证其可靠性， 经过安全 运算以后能够使安全点落于安全区域以外的概 率增大， 从而提高了控制的可 靠性。 上述平衡范围和工程机械的重心位置的确定方 式， 不仅能够保证控制精 度， 而且具体使用过程中的实现方便， 降低了本发明所提供的用于工程机械 的稳定性控制系统的操作难度。 上述安全区域可以为相邻的两投影点之间的连 线所形成的区域乘以第一 安全裕度得到的区域， 为了保证稳定性的提高， 第一安全裕度的具体值应当 保证安全区域的范围小于相邻的两投影点之间 的连线所形成的区域的范围。 当然， 上述安全区域还可以为相邻的两投影点之间的 连线所形成的区域经过 其他运算得到。 上述安全点也可以通过重心投影点乘以第二安 全裕度得到， 为了保证稳 定性的提高， 第二安全裕度的具体值应当保证重心投影点落 在安全区域的概 率增大。 当然， 上述安全点也可以通过其他方式得到， 只要能够保证安全性 的提高都是可以的。 如图 4所示，具体地，本发明所提供的用于工程机� �的稳定性控制系统， 在判断重心投影点是否位于区域以外时的具体 策略可以为： 以安全点 C为端 点做垂直于工程机械的长度方向的射线 1, 当 1与连线的交点的个数为偶数或 零时， 则认为安全点 C位于安全区域 B以外。 在使用该方法时， 如果该射线 与连线重合， 则认为射线与该连线的交点为一个。 上述控制策略为控制装置的控制程序的设定提 供了依据， 保证了本发明 所提供的用于工程机械的稳定性控制系统的实 现。 在另一种具体实施方式中， 本发明所提供的用于工程机械的稳定性控制 系统的报警装置还可以包括相互区别的第一报 警装置和第二报警装置， 平衡 范围还可以包括与 4艮警装置相对应的第一平衡范围和第二平衡� �围； 当重心 位置位于第一平衡范围以外时， 第一 ·ί艮警装置 4艮警， 当重心位置位于第二平 衡范围以外时， 第二报警装置报警。 从而， 进一步保证了控制的可靠性。 具 体地， 可以使第二平衡范围包含于第一平衡范围以内 ， 当重心位置位于第二 平衡范围以外时， 第二报警装置报警， 从而可以提醒操作人员在接下来的操 作中小心， 当重心位置位于第一平衡范围以外时， 第一报警装置报警， 提醒 操作人员进一步小心。 为了方便操作人员区分报警信号， 上述第一报警装置和第二报警装置可 以分别为具有不同声音的报警装置， 或者为具有不同颜色的光信号； 当然， 一者为光信号， 另一者为声音信号也是可以的。 另外， 为解决上述技术问题， 本发明还提供了一种工程机械， 包括如上 述的稳定性控制系统， 工程机械的其他结构与现有技术相同，本文不 再赞述。 本发明同时也提供了一种用于工程机械的稳定 性控制方法， 下面以混凝 土泵车为例， 说明该控制方法的具体步骤： 通过有限元计算出混疑土泵车各个部件的重心 坐标； 通过在泵车转塔安装水平倾角仪、 支腿安装位移传感器、 臂架安装倾角 传感器等釆集泵车水平角度、 支腿位置、 臂架旋转角度， 实时检测泵车几何 姿势或载荷的瞬时数据、 操作数据； 根据支腿上安装的位移传感器的数据计算可以 得到四个支腿相对泵车转 台的 X 由和 Υ 由坐标； 如图 5 所示， 将四个支撑点投影到 Ζ=0 的平面分别得到新支撑点坐标 (Χ11,Υ11),(Χ21,Υ21),(Χ31,Υ31),(Χ41,Υ41); 按照有限元计算出的部件重心位置、 部件在整车的安装位置和上述传感 器的反馈信号， 根据公式 X ₇ = ~ ^k - , Y ₇ = ~ , Z ₇ = ~ ^k - ⁱ - ,

¹ G ^z G ^z G 其中 G为整车重量， G _k 为某一部件的重量， X _k . Y _k . Z _k 为某一部件的三 轴坐标， 计算出混疑土泵车整车的重心位置， 将重心点坐标三轴分量 Χζ,Υζ,Ζζ 分别乘以安全裕度 Κ , 然后再投影到 Ζ=0 平面得到新的重心点坐标 通过以下公式得到四才艮边界直线： Υ=Β1; Χ=Β2; Υ=Β3; Χ=Β4 计算公式：

(Bl-Yll )/(Xz 1-Xl l )=(Y21-Yll )/(X21-Xl l) (Yzl-Y21)/(B2-X21)=(Y31-Y21)/(X31-X21) (B3-Y3 l)/(Xzl-X31)=(Y41-Y31)/(X41-X31) (Yzl -Y41 )/(B4-X41 )=(Y 11 -Y41 )/(X 11-X41) 重心点位于四个支撑点围成的四边形内的充分 条件就是： (B3 < Yzl < B1) 和 (B4 < Xzl < B2) 把计算结果和目前状态下的泵车倾翻极限位置 进行比较， 重心超出平衡 范围则报警， 限制混凝土泵车动作。 以上对本发明所提供的工程机械及其稳定性控 制系统与控制方法进行了 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的 方法及其核心思想。应当指出， 对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可 以对本发明进行若千改进和 4爹饰， 这些改进和 4爹饰也落入本发明权利要求的 保护范围内。

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