一种基于港口大型机械远程控制的握力摇杆 |
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| 申请号 | CN202311086728.6 | 申请日 | 2023-08-28 | 公开(公告)号 | CN117032390A | 公开(公告)日 | 2023-11-10 |
| 申请人 | 王鑫; | 发明人 | 王鑫; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及智慧港口操作设备技术领域，本发明一种基于港口大型机械远程控制的握 力 摇杆，包括操控台、执行机构及环境参数监测机构，操控台上布设有显示屏、控制按钮、握力摇杆、 力反馈 机构、主 控制器 及主通信模 块 ，握力摇杆上还设有触摸感应器和握力 传感器 。本发明具有如下优点：本 申请 通过对现场作业环境、货物重量、货物间距的数据分析，将数据整合后传输到握力传感器，握力传感器可以根据天气变化、载重大小以及货物间距的变化控制力反馈机构动作来反馈给操纵员，从而使远程作业更贴合于现场作业，使操纵员可以更快速地适应和操纵机械，从而提高作业效率、提高工作 质量 ，可以更高效地完成装船、卸船、清运等工作，提高港口运输效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于港口大型机械远程控制的握力摇杆，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种基于港口大型机械远程控制的握力摇杆技术领域[0001] 本发明涉及智慧港口操作设备技术领域，具体是指一种基于港口大型机械远程控制的握力摇杆。 背景技术[0002] 目前智能化技术正悄然改变着港口的运作方式，从之前利用人工管理港口到现在只要坐在电脑前点鼠标，从集装箱堆积在港口上等待出海，到现在信息化的生产调配，缩短货物堆存时间。在港口转型升级的大潮中，智能化技术已然成为港口未来的发展方向。 [0003] 港口机械的操作也采用了远程操控的方式进行，而传统的远程操纵方式依赖于现场摄像头和传感器，但这种方式在设备操作司机进行由线下到线上的转型以及远程操控时无法快速适应，操作精度不能满足对于精细化的误差要求。 发明内容[0004] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于港口大型机械远程控制的握力摇杆，该握力摇杆使得远程作业更贴合于现场作业，从而提高了作业效率和工作质量。 [0005] 为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于港口大型机械远程控制的握力摇杆，包括： [0006] 操控台，所述操控台上布设有显示屏、控制按钮、握力摇杆、力反馈机构、主控制器及主通信模块，所述力反馈机构作用于所述握力摇杆上为其施加反作用力，所述主控制器分别与所述显示屏、所述控制按钮、所述握力摇杆、所述力反馈机构及所述主通信模块信号连接； [0007] 执行机构，所述执行机构用于接收所述主控制器发送的控制指令并根据该指令进行操作； [0008] 环境参数监测机构，所述环境参数监测机构布设在外部工作区域，用于获取现场作业环境、货物重量及货物间距信息，并将获取的信息传送至所述主控制器。 [0009] 优选地，所述握力摇杆上还设有触摸感应器和握力传感器。 [0010] 优选地，所述执行机构包括次控制器和与所述次控制器信号连接的第一次通信模块，所述次控制器与港口机械信号连接对港口机械进行控制，所述第一次通信模块与所述主通信模块信号连接。 [0011] 优选地，所述环境参数监测机构包括第二次通信模块及与所述第二次通信模块信号连接的摄像头、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、重量传感器、距离传感器、天气现象传感器，所述第二次通信模块与所述主通信模块信号连接。 [0013] 步骤1：定义模型和初始条件：定义所述握力摇杆的几何模型和初始条件，包括所述握力摇杆的质量、形状及惯性矩阵； [0014] 步骤2：确定外部力：通过所述握力传感器确定作用在所述握力摇杆上的外部力，将其表示为向量形式； [0016] 步骤4：解决方程：通过数值计算方法或解析解法，求解受力平衡方程中的未知变量，包括加速度和角加速度； [0017] 步骤5：反馈力计算：根据步骤4得到的加速度和角加速度，结合设定的力反馈机制，计算出相应的反馈力，通过所述力反馈机构作用在所述握力摇杆上以增强操作感受。 [0018] 优选地，通过所述重量传感器测量货物重量并将测量信号传输至所述主控制器，通过所述主控制器对该信号进行校准和滤波处理，提高测量精度和稳定性，根据该输出信号的幅值，利用比例控制算法映射到预设的力反馈范围内。 [0019] 优选地，通过所述距离传感器测量货物之间的间距并获取间距信息，切丁货物的位置和布局情况，获取力反馈信号相关参数并通过模型预测控制算法将参数转化为适当的力反馈信号。 [0020] 优选地，通过所述温度传感器、所述湿度传感器、所述风速传感器、所述风向传感器及所述天气现象传感器获取现场作业环境的相关信息，确定力反馈参数的调整策略。 [0021] 采用以上结构后，本发明具有如下优点： [0022] 本申请通过对现场作业环境、货物重量、货物间距的数据分析，将数据整合后传输到握力传感器，握力传感器可以根据天气变化、载重大小以及货物间距的变化控制力反馈机构动作来反馈给操纵员，从而使远程作业更贴合于现场作业，使操纵员可以更快速地适应和操纵机械，从而提高作业效率、提高工作质量，可以更高效地完成装船、卸船、清运等工作，提高港口运输效率。 [0023] 上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。附图说明 [0024] 图1是本发明的系统框图。 [0025] 图2是本发明操作台的结构示意图。 [0026] 如图所示：1、操控台；2、显示屏；3、控制按钮；4、握力摇杆。 具体实施方式[0027] 下面详细描述本申请的实施例，描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。 [0028] 结合附图1‑图2，一种基于港口大型机械远程控制的握力摇杆4，包括操控台1、执行机构及环境参数监测机构。 [0029] 操控台1上布设有显示屏2、控制按钮3、握力摇杆4、力反馈机构、主控制器及主通信模块，力反馈机构作用于握力摇杆4上为其施加反作用力，主控制器分别与显示屏2、控制按钮3、握力摇杆4、力反馈机构及主通信模块信号连接，握力摇杆4上还设有触摸感应器和握力传感器，力反馈机构可采用电机/马达系统，在握力摇杆4内部或底座上安装一个电机或马达，通过主控制器控制电机或马达的转速和扭矩，可以产生各种力反馈效果，在操作员操作握力摇杆4时，电机可以提供相匹配的阻力。 [0030] 执行机构用于接收主控制器发送的控制指令并根据该指令进行操作，执行机构包括次控制器和与次控制器信号连接的第一次通信模块，次控制器与港口机械信号连接对港口机械进行控制，第一次通信模块与主通信模块信号连接。 [0031] 环境参数监测机构布设在外部工作区域，用于获取现场作业环境、货物重量及货物间距信息，并将获取的信息传送至主控制器，环境参数监测机构包括第二次通信模块及与第二次通信模块信号连接的摄像头、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、重量传感器、距离传感器、天气现象传感器，第二次通信模块与主通信模块信号连接。 [0032] 主控制器中还内置有握力感知算法、力反馈算法、运动控制算法、状态估计算法、数据通信和网络算法及安全算法。握力感知算法用于检测和感知手指在摇杆上施加的力度，通过握力传感器来获取力的数据，并对其进行处理和分析，以得出手指的握力。力反馈算法根据握力感知算法获取到的力度信息，设计合适的反馈控制算法，使摇杆能够提供相应的力反馈，可以根据握力摇杆4的位置和用户的输入力来确定力反馈的大小和方向，这可以通过根据预设的力反馈曲线进行插值或者根据实时测量的力值来计算。运动控制算法根据用户对握力摇杆4的操作，设计运动控制算法，使大型机械能够按照预定的路径和速度进行移动，可以使用控制理论中的控制器设计方法，如PID控制器或者模糊控制器，来实现对握力摇杆4运动的精确控制。状态估计算法通过使用传感器数据(如陀螺仪、加速度计等)对机械的状态进行估计，例如位置、速度、姿态等，这些估计值可以用于运动控制算法中，可以使用滤波器或者估计器来根据传感器测量的数据来估计握力摇杆4的位置、速度和加速度等状态信息，以实现更准确的控制。数据通信和网络算法可以使用网络协议和通信技术来实现握力摇杆4与操控台1之间的数据传输和通信。还可设置安全算法，为了确保远程控制的安全性，需要考虑安全算法，可以采用加密技术和身份验证等方法来保护握力摇杆4和远程控制系统之间的通信安全，以防止未经授权的访问和操作。 [0033] 主控制器对接收到的环境参数监测机构的监测信息进行计算，内置有受力分析算法，具体步骤如下： [0034] 步骤1：定义模型和初始条件：定义握力摇杆4的几何模型和初始条件，包括握力摇杆4的质量、形状及惯性矩阵； [0035] 步骤2：确定外部力：通过握力传感器确定作用在握力摇杆4上的外部力，将其表示为向量形式； [0036] 步骤3：建立受力平衡方程：对于线性运动，使用F＝ma，其中F是合力，m是摇杆的质量，a是加速度；对于旋转运动，使用τ＝Iα，其中τ是合力矩，I是摇杆的惯性矩阵，α是角加速度； [0037] 步骤4：解决方程：通过数值计算方法或解析解法，求解受力平衡方程中的未知变量，包括加速度和角加速度； [0038] 步骤5：反馈力计算：根据步骤4得到的加速度和角加速度，结合设定的力反馈机制，计算出相应的反馈力，通过力反馈机构作用在握力摇杆4上以增强操作感受。 [0039] 通过重量传感器测量货物重量并将测量信号传输至主控制器，通过主控制器对该信号进行校准和滤波处理，提高测量精度和稳定性，根据该输出信号的幅值，利用比例控制算法映射到预设的力反馈范围内。 [0040] 通过距离传感器测量货物之间的间距并获取间距信息，切丁货物的位置和布局情况，获取力反馈信号相关参数并通过模型预测控制算法将参数转化为适当的力反馈信号。 [0041] 模型预测控制算法： [0042] 1、建立系统模型：根据握力摇杆4和力反馈机构的物理特性，建立系统的数学模型，这可以是一个线性或非线性的动态系统模型，确定系统的状态变量和输入变量，并将其表示为差分方程或微分方程的形式； [0043] 2、预测未来状态：在每个控制周期开始时，使用当前的系统状态和输入变量，通过模型进行预测，计算未来一段时间内的系统状态，通过数值积分方法来实现； [0044] 3、优化问题的求解：将力反馈视为控制目标，定义适当的性能指标(如最小二乘误差、最小能量消耗等)，将预测到的未来状态与目标状态进行比较，并将目标与当前状态之间的差异作为优化问题的约束条件，构建优化问题，选择合适的优化算法(如线性规划、非线性规划、模拟退火等)，求解得到最优的输入变量序列； [0045] 4、执行控制策略：根据求解得到的最优输入变量序列，选择第一个输入作为当前时刻的控制指令，将控制指令转化为力反馈信号，并通过力反馈机构施加在握力摇杆4上，使操作者能够感知到相应的力； [0046] 5、重复迭代：在下一个控制周期开始时，更新系统状态，并重新进行预测和优化求解，不断重复以上步骤，实现持续的力反馈控制。 [0047] 通过温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器及天气现象传感器获取现场作业环境的相关信息，确定力反馈参数的调整策略。 [0048] 通过编程算法计算进行受力分析，将变化的数据传递给握力摇杆4的触摸感应器，从而使操作员可以通过触觉感应真实的现场环境。 [0049] 总的来说，本申请是一种针对自动化码头及半自动化码头的大型机械远程操作员设计的远程操作港口大型机械设备作业的握力摇杆4，通过对现场作业环境、货物重量、货物间距的数据分析，并将数据整合后传输到握力传感器，使得远程作业更贴合于现场作业，从而提高作业效率、提高工作质量，更高效地完成作业任务，同时，还采用了力反馈技术和编程算法计算进行受力分析，使得操作员可以通过触觉所感应真实的现场，便于更加精准、高效地完成作业。 [0050] 以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，全文中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。 |
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