本發明屬于汽車起重機領域，具體涉及汽車起重機支腿系統控制領域。
背景技術：
1、汽車起重機、混凝土泵車等作業中由支腿系統提供基準支撐。根據標準《建筑機械使用安全技術規程jgj33-2012》“作業前，應全部伸出支腿，使回轉支撐面的傾斜度在無載荷時不大于1/1000”；《汽車起重機安全操作規程dl/t5250-2010》“調節支腿使起重機呈水平狀態，其傾斜度滿足設備技術文件規定，并使輪胎脫離地面”。雖然，作業前已調整底盤至水平且支腿有效承載，但上裝作業時時破壞幾何姿態和腿荷分配，因穩定性破壞造成的傾覆事故屢見報端。當前，受行業水平和技術壁壘制約，尚不支持作業間支腿主動控制，具體見《建筑機械使用安全技術規程jgj33-2012》“作業中不得扳動支腿操縱閥。調整支腿時應在無載時進行”。《汽車起重機安全操作規程dl/t5250-2010》“作業中不得操作支腿控制手柄”。
2、本團隊先后構建了一種多點支撐平臺的調平控制方法zl202110075160.2/us12097737b2，可精確、快速實現幾何調平和腿荷控制。上裝作業中汽車起重機底盤的姿態保持自動控制方法zl202110742181.5，基于前饋思路實現起重機作業過程中幾何姿態的實時穩定。一種作業中汽車起重機支腿系統的穩定性控制方法cn202211559189.9，在作業中保持底盤姿態實時趨近幾何水平同時各支腿的載荷分配實時趨近理論最優載荷，全面提升汽車起重機等含支腿系統特種車輛的安全性和作業效率。三項專利（申請）相互支撐，構成了汽車起重機作業間支腿主動控制的前瞻性嘗試，有望形成普適任意腿數/腿型的全工況自主支腿控制系統（以下將三項專利（申請）分別稱為對比文件1-3）。然而，深入實施仿真和實驗驗證中，發現上述創新性技術存在若干理論和技術缺陷，亟需改進，具體在于：
3、（1）對比文件2和3采用不同測量方法下的等效剛度構造各支腿間的變形協調關系（即認為支腿變形后的支腿頂面仍為平面），進而引入力學平衡方程實現超靜定問題的靜定化求解，得到各支腿變形量。這一方案存在兩個問題：①上述平面假設在現實的起重機底盤上并不成立。因為支腿通過支腿橫臂與底盤相連，支腿變形受底盤、橫臂、支腿的整體影響，支腿頂點并不共面。②上述變形協調關系中采用的等效剛度，無論如何取值均很難與實際工程一致，傳統的變形協調關系構造很難實現。以上兩個因素造成對比文件2-3之預估模型給出的預估值均偏離實際，造成原理性誤差，進而造成控制不佳。
4、（2）對比文件3給出的支腿補償解算模型（公式7），僅是計算下一時間節點上將產生的各支腿載荷與底盤二維傾角，后執行上轉作業與支腿補償作動，未充分考慮前一輪控制后的殘余姿態和載荷誤差對后續控制的影響，造成累積誤差，需進一步完善。
5、（3）無論實際工程、還是理論研究中，上裝作業中會出現大量的支腿懸空（載荷為零）的情況。一方面，支腿懸空特情在上述預估模型無法計及；另一方面，支腿懸空是起重機傾覆的重要誘因和先兆。由此，相應情況必需在控制方案中充分考慮和處置。這點，本團隊的前置申請中均未考慮到。
6、（4）是否需要支腿控制的評價指標包括底盤傾角預估和支腿載荷預估，超出閾值即視為需要控制。前置申請均以各支腿的當前載荷與期望載荷的偏差絕對值與其期望載荷的比值的最大值是否超出閾值判定。由于特定支腿的載荷期望可能為極小值（甚至是零或負數），上述評價指標工程可用性差。
7、前瞻到實施起重機作業間支腿系統主動控制的巨大應用前景（作業綠色化、控制無人化、裝備智能化），本技術破解以上缺陷，構造輕載工況汽車起重機的狀態預估與控制方法，是最終構建出任意腿數/腿型支腿系統全周期主動控制的必要手段。
技術實現思路
1、鑒于上述不足，本發明提供輕載工況汽車起重機的狀態預估與控制方法。起重機支腿可是4根或以上根數；初始狀態下，支腿系統按需展開并實施了幾何與載荷耦合初始調平，即將上裝作業；本方法首先測量并構造狀態預估矩陣，基于駕駛員指令和狀態預估方程預估下一時間節點對應上裝作業產生的底盤傾角和支腿載荷；然后依次實施輕載工況判定和補償需求判定，條件滿足后基于前反饋復合與姿荷耦合全局控制方程解算支腿補償量，進而實施上裝作業與支腿補償的同步控制。該方法針對任意腿數起重機，在上裝作業中各腿不出現零荷懸空的輕載工況下，可精確預估未來狀態，并實施全目標尋優的支腿補償，保持底盤實時趨近水平且各腿荷趨近理論最優，提升作業效率和穩定性。
2、本發明公開了輕載工況汽車起重機的狀態預估與控制方法，所述起重機由變幅缸驅動變幅，回轉機構驅動回轉，伸縮機構驅動起重臂伸縮，卷揚機構驅動吊重升降；所述起重機的支腿數目n是4根或4根以上根數，以駕駛員左側最前方支腿為1號支腿，按逆時針螺旋賦予序號2~n；各所述支腿安裝有測量其垂向載荷的力傳感器和測量垂向位移的位移傳感器；所述方法的坐標系定義以回轉機構的幾何中心為原點，x軸平行地面指向駕駛員前方，y軸指向駕駛員左側，z軸垂直向上，各支腿縱、橫向坐標記為；所述回轉機構的幾何中心固定有測量底盤繞x軸和y軸傾角的姿態傳感器；其特征在于，初始狀態下，支腿系統已按需完全或部分展開支腿橫臂并固定，僅由各支腿將起重機支撐至輪胎完全懸空，吊重已起吊離地，實施了幾何水平與載荷均化耦合初始調平，即將開展起升、變幅、回轉、卷揚等上裝作業，包括以下操作步驟：
3、步驟101，狀態預估，具體包括：在所述回轉機構的幾何中心位置施加方向垂直向下、大小為1個單位的力，所述單位數值符合單位化的標準；由所述姿態傳感器和力傳感器分別測量底盤繞x軸和y軸的傾角增量，以及各支腿的載荷增量；將所述傾角增量和載荷增量依次放入公式1所示的(n+2)×3維矩陣第1列的第1行至第n行；然后，在所述回轉機構的幾何中心位置先施加繞x軸、大小為1個單位的扭矩，后施加繞y軸、大小為1個單位的扭矩，所述單位數值符合單位化的標準；先后分別測量底盤繞x軸和y軸的傾角增量，以及各支腿的載荷增量；將所述傾角增量和載荷增量先后依次放入所述(n+2)×3維矩陣第2、3列的第1行至第n行，直至構造出狀態預估矩陣;
4、公式1；
5、所述垂向力和扭矩的單位化是獨立進行的，其標準以相應值施加后半數以上支腿的載荷產生了5%以上的增大或減小，且未出現支腿載荷變零即支腿懸空，為評定依據；所述狀態預估矩陣的測量可在出廠前實施，但各支腿橫臂的展開程度應與實際作業工況一致。
6、步驟102，計算當前時刻所述起重機的總重g及質心坐標；檢測駕駛員輸入的起升、變幅、回轉等指令，控制起重機暫不執行對應上裝作業；預估下一時間節點對應上裝作業后起重機的總重及新質心坐標；由所述新質心坐標的遷移數據分解出垂向力、繞x軸扭矩和繞y軸扭矩的增量，構造出負載遷移列向量，且負載遷移列向量中的垂向力與扭矩應分別進行與上文相同的單位化；所述負載遷移列向量的次序與所述狀態預估矩陣各列向量的次序一致；如若整體調換所述狀態預估矩陣的三列數據的次序，則負載遷移列向量的次序需相應調換；
7、基于所述狀態預估矩陣、所述負載遷移列向量，構造狀態預估方程，公式2，求解所述對應上裝作業產生的質心遷移將引起的底盤傾角和支腿載荷的增量；
8、公式2；
9、若上裝作業不涉及吊重的加載與釋放，所述狀態預估矩陣的第一列和所述負載遷移列向量的第一行可刪除，構造簡化的狀態預估方程，公式3；
10、公式3；
11、將所述底盤傾角和支腿載荷的增量分別與當前時刻底盤傾角實測值和當前支腿載荷實測值相加，得到下一時間節點上的底盤傾角預估值和支腿載荷預估值。
12、步驟103，輕載工況判定，具體包括：構造當前支腿橫臂展開程度下的起重機起重性能表，所述起重性能表的最大起吊重量需覆蓋至任一支腿出現零載荷甚至懸空的極限情況；所述構造可通過但不限于實驗測試、仿真驗證得到；
13、預估起重機完成下一時間節點對應上裝作業后所述吊重將達到的工作幅度和起重高度；根據所述工作幅度和起重高度，從起重性能表中讀取對應的最大起吊重量；
14、設定輕載工況判定系數，所述輕載工況判定系數的構造可通過但不限于實驗測試、仿真驗證得到；計算所述吊重與對應最大起吊重量的比值；根據所述比值是否小于輕載工況判定系數判斷后續作業是否屬于輕載工況：若是，則執行步驟103；若否，則判定超出輕載工況范疇，狀態預估已不適用，中斷執行后續步驟，轉由其他方案處理。
15、步驟104，補償需求判定，具體包括：以各支腿均攤所述起重機總重g/n為載荷分配期望，以起重機的整機力學平衡為等式約束建立最優載荷模型，公式4；
16、????公式4；
17、根據公式4計算所述下一時間節點對應上裝作業后各支腿的理論最優載荷；底盤的理論最優姿態取；
18、在區間0.1°~1°內設定底盤的傾角補償閾值，所述傾角補償閾值的觸發以所述底盤傾角預估值的任一個超過所述取值為判定；
19、在區間20%~50%內設定支腿的載荷補償閾值；所述載荷補償閾值的觸發，首先計算各支腿的所述下一節點上支腿載荷預估值與所述下一節點對應上裝作業后各支腿的理論最優載荷的偏差的絕對值，與所述載荷分配期望相除，得到各支腿的載荷偏差率；以各支腿所述載荷偏差率的最大值超過所述載荷補償閾值作為判定；
20、檢測下一時間節點對應上裝作業是否觸發傾角補償閾值或載荷補償閾值，以此判斷是否需要執行補償控制：若是，則執行步驟104；若否，則跳過步驟104，控制上裝按照駕駛員指令作業，并直接執行步驟105。
21、步驟105，作業與補償同步控制，具體包括：
22、由承載與變形聯合控制矩陣、當前時刻實測值和理論最優值、下一節點預估值和理論最優值，構建前反饋復合與姿荷耦合全局控制方程，所需的支腿基礎補償量；
23、????????????公式5；
24、式中，為所述承載與變形聯合控制矩陣，其測量方法參見“一種多點支撐平臺的調平控制方法zl202110075160.2/?us12097737b2”，需要說明的是該承載與變形聯合控制矩陣的測量也可在出廠前實施，但各支腿橫臂的展開程度應與實際作業工況一致，所述承載與變形聯合控制矩陣與本技術狀態預估矩陣的測量方案與物理機制完全不同；等式右側各參量的上標“c*，c，p*，p”分別代表當前狀態理論最優值、當前時刻實測值、下一節點預估值理論最優值和下一節點預估值；
25、將所述支腿基礎補償量減去其平均值，得到實際支腿補償量
26、公式6；
27、公式6中，即為完成下一時間節點對應上裝作業時將底盤恢復幾何水平且各支腿保持理論最優載荷所需的各支腿補償量；
28、控制上裝按照指令作業，同時控制各支腿按照所述實際支腿補償量同步做動，使上裝完成作業的同時全部支腿完成相應補償，即完成相應時間節點區間內的上裝作業與支腿補償同步控制。
29、步驟106，循環監測駕駛員指令：若駕駛員仍有指令輸入，則循環執行步驟102~106。本發明的技術構思是：①針對支腿系統這一超靜定問題的預估模型，突破在力學平衡方程之上構造變形協調條件求解支腿變形量的固定思維。從線性系統滿足疊加原理出發，構造單位化載荷對底盤姿態和支腿載荷的影響關系矩陣，即狀態預估矩陣，進而構造出全新的不依賴于平面假設和等效剛度估計的狀態預估方程。原理上看，只要實際作業符合本技術所述輕載工況，即支腿不出現懸空，則上述預估給出的是精確解。②本技術的支腿補償解算模型（公式5）中4項因素的運算，原理上是在將當前時刻的傾角和載荷誤差執行“初始調平”的基礎上，再降下一時刻的傾角和載荷誤差補償掉的控制理念，因此從根源上有效減弱了誤差累計。③針對理論約束和工程實際，對輕載工況和載荷補償閾值進行了工程限定，以使上述模型在可靠的約束范圍內被使用。
30、本發明的有益效果在于：首先，針對任意腿數/腿型的起重機，只要是符合輕載工況限定下的上裝作業，狀態預估方程可給出遠優于對比文件2-3中方法的預估值；其次，依托輕載工況判定和補償需求判定，對未來作業特征是否適用本技術方法，以及是否需要支腿主動控制給出符合工程實際的判定結果；最后，基于前反饋復合與姿荷耦合全局控制方程，解算支腿補償量，實施上裝作業與支腿補償同步控制。從而達到保持底盤實時趨近水平且各腿荷趨近理論最優，提升作業效率和穩定性。