基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法，步驟包括：步驟1、對(duì)塔機(jī)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行分解；步驟2、以行為為計(jì)算、控制的出發(fā)點(diǎn)，將塔機(jī)工作過程中的行為分解為起重臂的轉(zhuǎn)動(dòng)行為，小車變幅行為，吊鉤的起升行為；步驟3、對(duì)塔機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的行為軌跡建立空間模型；步驟4、利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中幾何圖形的相交算法進(jìn)行干涉計(jì)算，并對(duì)塔機(jī)采取主動(dòng)防碰撞控制。本發(fā)明的有益效果是，通過分解塔機(jī)行為，構(gòu)建塔機(jī)臂架在各種行為下的三維空間姿態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的干涉計(jì)算，對(duì)塔機(jī)行為的危險(xiǎn)狀況進(jìn)行判斷，根據(jù)情況對(duì)塔機(jī)實(shí)行主動(dòng)防碰控制。
【專利說明】基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于塔群安全控制【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，是由多品種多數(shù)量工程機(jī)械群(建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的各種重型機(jī)械),如塔式起重機(jī)(塔機(jī))等協(xié)同工作的生產(chǎn)過程。這些重型機(jī)械的特點(diǎn)是作業(yè)范圍大，質(zhì)量大，慣性大，在復(fù)雜的環(huán)境下執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)時(shí)，會(huì)在作業(yè)空間表現(xiàn)為各種構(gòu)型姿態(tài)，在協(xié)同作業(yè)時(shí)容易發(fā)生相互碰撞等惡性事故。塔機(jī)工作重心高、起重載荷大、運(yùn)行速度快，工作中蘊(yùn)藏更多的危險(xiǎn)因素，且多為司機(jī)人為操作，因此，人為因素導(dǎo)致事故的現(xiàn)象頻繁發(fā)生。
[0003]早在上世紀(jì)90年代，歐洲、美國(guó)已有多家公司研發(fā)了塔群防碰撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用塔機(jī)相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行碰撞判斷，并對(duì)危險(xiǎn)行為進(jìn)行控制，從而避免由于操作失誤導(dǎo)致的塔機(jī)碰撞事故。國(guó)內(nèi)塔機(jī)安全監(jiān)控產(chǎn)品的開發(fā)起步較晚，有的將塔群防碰算法簡(jiǎn)化為平面點(diǎn)線的問題，有的利用兩塔機(jī)之間的最小空間距離判斷塔機(jī)危險(xiǎn)程度，這些算法可以判斷塔機(jī)當(dāng)前危險(xiǎn)狀態(tài)，卻不能準(zhǔn)確定位塔機(jī)危險(xiǎn)行為，不能對(duì)塔機(jī)實(shí)行有效的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的方法可以判斷塔機(jī)當(dāng)前危險(xiǎn)狀態(tài)，卻不能準(zhǔn)確定位塔機(jī)危險(xiǎn)行為，不能對(duì)塔機(jī)實(shí)行有效控制的問題。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法，按照以下步驟實(shí)施:
[0006]步驟1、將塔機(jī)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行分解
[0007]將塔機(jī)結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)部件分為五個(gè)部分:起重臂、平衡臂、斜拉索、小車以及吊繩；
[0008]步驟2、將塔機(jī)行為進(jìn)行分解
[0009]將塔機(jī)工作過程中的運(yùn)動(dòng)行為分解為起重臂回轉(zhuǎn)、小車變幅、吊鉤起升三種行為；
[0010]步驟3、構(gòu)建基于行為的塔機(jī)臂架空間模型
[0011]將運(yùn)動(dòng)部件在各種行為驅(qū)動(dòng)下的空間模型簡(jiǎn)化為空間直線、平面、圓面、圓柱面以及圓錐面，其中，L為塔機(jī)起重臂長(zhǎng)度，R0為當(dāng)前小車變幅，1?為吊鉤當(dāng)前高度，Θ ^為起重臂當(dāng)前轉(zhuǎn)角，構(gòu)建各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的空間模型；
[0012]步驟4、對(duì)塔機(jī)運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行干涉計(jì)算，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)
[0013]利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的干涉算法，利用各種空間模型交點(diǎn)與塔機(jī)當(dāng)前位置之間的關(guān)系，判斷塔機(jī)運(yùn)動(dòng)行為的危險(xiǎn)性；[0014]塔機(jī)行為的干涉計(jì)算分為:轉(zhuǎn)動(dòng)行為的干涉、小車變幅行為的干涉以及吊鉤起升行為的干涉。
[0015]本發(fā)明的有益效果是，通過分解塔機(jī)行為，構(gòu)建塔機(jī)臂架在各種行為下的三維空間姿態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的干涉計(jì)算，對(duì)塔機(jī)行為的危險(xiǎn)狀況進(jìn)行判斷，根據(jù)情況對(duì)塔機(jī)實(shí)行主動(dòng)防碰控制，具體包括:
[0016]I)以塔機(jī)的行為為計(jì)算、控制的出發(fā)點(diǎn)，對(duì)塔機(jī)在工作中的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行分解，將塔機(jī)復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為各部件簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，為后續(xù)干涉計(jì)算的準(zhǔn)確性提供了必要的前提條件。
[0017]2)對(duì)塔機(jī)各部件行為姿態(tài)構(gòu)建模型，簡(jiǎn)化了塔機(jī)臂架的空間模型，提高了防碰撞的處理效率。
[0018]3)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的干涉計(jì)算對(duì)塔機(jī)行為的危險(xiǎn)狀況進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確判斷塔機(jī)行為的危險(xiǎn)程度，為后續(xù)控制提供了可行性依據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明方法的原理框圖；
[0020]圖2是本發(fā)明方法對(duì)塔機(jī)部件及行為分解圖；
[0021]圖3是本發(fā)明方法基于行為的塔機(jī)臂架空間模型圖；
[0022]圖4是本發(fā)明方法對(duì)塔機(jī)行為干涉計(jì)算的流程圖；
[0023]圖5是本發(fā)明方法對(duì)塔機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)行為的碰撞干涉流程圖；
[0024]圖6是本發(fā)明方法對(duì)塔機(jī)小車變幅行為的碰撞干涉流程圖；
[0025]圖7是本發(fā)明方法對(duì)塔機(jī)吊鉤起升行為的碰撞干涉流程圖；
[0026]圖8是本發(fā)明方法中的兩臺(tái)塔機(jī)當(dāng)前位置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法，基于塔機(jī)行為進(jìn)行計(jì)算與控制，該方法的基本思路是:首先根據(jù)塔機(jī)的結(jié)構(gòu)、以及工作原理，對(duì)塔機(jī)行為以及運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行分解；然后，構(gòu)建主要運(yùn)動(dòng)部件在各種行為下的空間模型，其空間模型包括空間平面、空間線段、空間圓柱以及空間圓錐；最后，基于三維空間模型的干涉計(jì)算，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)行為、小車變幅行為以及吊鉤起升行為的干涉計(jì)算，并輸出結(jié)論，以便采取相應(yīng)的防碰撞控制對(duì)策。
[0029]本發(fā)明的基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法，具體按照以下步驟實(shí)施:
[0030]步驟1、將塔機(jī)運(yùn)動(dòng)部件(臂架)進(jìn)行分解
[0031]如圖2所示，將塔機(jī)結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)部件分為五個(gè)部分:起重臂、平衡臂、斜拉索、小車以及吊繩；
[0032]步驟2、將塔機(jī)行為進(jìn)行分解
[0033]根據(jù)塔機(jī)工作原理，將塔機(jī)工作過程中的運(yùn)動(dòng)行為分解為起重臂回轉(zhuǎn)、小車變幅、吊鉤起升三種行為；
[0034]步驟3、構(gòu)建基于行為的塔機(jī)臂架空間模型[0035]如圖3所示，根據(jù)塔機(jī)模型，將運(yùn)動(dòng)部件在各種行為驅(qū)動(dòng)下的空間模型簡(jiǎn)化為空間直線、平面、圓面、圓柱面以及圓錐面，其中，L為塔機(jī)起重臂長(zhǎng)度，Rtl為當(dāng)前小車變幅，h0為吊鉤當(dāng)前高度，Qtl為起重臂當(dāng)前轉(zhuǎn)角，構(gòu)建以下函數(shù)方程式:
[0036]3.1)小車變幅行為
[0037]將吊鉤鋼繩在空間模型設(shè)置為空間平面，
[0038]該平面法線向量為:n
【權(quán)利要求】
1.一種基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法，其特點(diǎn)在于:按照以下步驟實(shí)施: 步驟1、將塔機(jī)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行分解 將塔機(jī)結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)部件分為五個(gè)部分:起重臂、平衡臂、斜拉索、小車以及吊繩； 步驟2、將塔機(jī)行為進(jìn)行分解 將塔機(jī)工作過程中的運(yùn)動(dòng)行為分解為起重臂回轉(zhuǎn)、小車變幅、吊鉤起升三種行為； 步驟3、構(gòu)建基于行為的塔機(jī)臂架空間模型 將運(yùn)動(dòng)部件在各種行為驅(qū)動(dòng)下的空間模型簡(jiǎn)化為空間直線、平面、圓面、圓柱面以及圓錐面，構(gòu)建各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的空間模型； 步驟4、對(duì)塔機(jī)運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行干涉計(jì)算，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的干涉算法，利用各種空間模型交點(diǎn)與塔機(jī)當(dāng)前位置之間的關(guān)系，判斷塔機(jī)運(yùn)動(dòng)行為的危險(xiǎn)性； 塔機(jī)行為的干涉計(jì)算分為:轉(zhuǎn)動(dòng)行為的干涉、小車變幅行為的干涉以及吊鉤起升行為的干涉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法，其特點(diǎn)在于:所述的步驟3中，其中，L為塔機(jī)起重臂長(zhǎng)度，R0為當(dāng)前小車變幅，Iitl為吊鉤當(dāng)前高度，Θ ^為起重臂當(dāng)前轉(zhuǎn)角，構(gòu)建以下函數(shù)方程式: ，3.0小車變幅行為 將吊鉤鋼繩在空間模型設(shè)置為空間平面， 該平面法線向量為η 二 [cos Θ0，sin Θ0,0]， 該運(yùn)動(dòng)空間模型的平面方程為:cos Θ 0x+sin θ Qy = O ; (I) ，3.2)吊鉤起升行為 將吊鉤鋼繩空間模型設(shè)置為線段，用端點(diǎn)P(Px，Py，Pz)和方向向量(6/之)來定義，其中P點(diǎn)為線段中的任意點(diǎn)，
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于行為的多塔機(jī)三維空間防碰撞方法，其特點(diǎn)在于:所述的步驟4中，分別進(jìn)行三種行為的干涉危險(xiǎn)計(jì)算，系統(tǒng)首先獲取塔機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，然后分別進(jìn)行三種行為的干涉危險(xiǎn)計(jì)算并輸出控制， ` 4.1)轉(zhuǎn)動(dòng)行為的防碰撞干涉計(jì)算及輸出控制 首先判斷自身塔機(jī)與相關(guān)塔機(jī)的高度， 若自身塔機(jī)高于相關(guān)塔機(jī)，此時(shí)，可能的干涉碰撞情況為:高塔機(jī)吊繩在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與相關(guān)塔機(jī)起重臂、平衡臂以及斜拉索的碰撞，于是分別計(jì)算上述各種碰撞情況，并輸出控制； 以高塔機(jī)吊繩轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱面與相關(guān)塔機(jī)起重臂的干涉為例，相關(guān)塔機(jī)起重臂空間為線段，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圓柱面與線段相交算法，若計(jì)算出無交點(diǎn)則安全，若有交點(diǎn)，則計(jì)算出塔機(jī)當(dāng)前位置與交點(diǎn)位置的角度差，即危險(xiǎn)角Θ，設(shè)塔機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)危險(xiǎn)控制角為Q1，如果Θ ^ Q1，則塔機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)行為處于安全狀態(tài)，無控制信號(hào)輸出；如果Θ ( Q1，則塔機(jī)發(fā)出控制信號(hào)截止塔機(jī)繼續(xù)向危險(xiǎn)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)行為；與此類似，分別進(jìn)行高塔機(jī)吊繩與底塔機(jī)平衡臂以及斜拉索的干涉計(jì)算以及輸出； 若塔機(jī)自身高度低于相關(guān)塔機(jī)，則碰撞干涉可能是低塔機(jī)起重臂、平衡臂、斜拉索與高塔機(jī)吊鉤鋼繩碰撞； 轉(zhuǎn)動(dòng)行為下，低塔機(jī)起重臂空間模型為圓面，利用圓面與高塔機(jī)吊鉤鋼繩空間線段的相交算法，若計(jì)算出無交點(diǎn)則安全，若有交點(diǎn)，則計(jì)算出塔機(jī)當(dāng)前位置與交點(diǎn)位置的角度差，即危險(xiǎn)角Θ，設(shè)塔機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)危險(xiǎn)控制角為Q1，如果Θ ^ Q1，則塔機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)行為處于安全狀態(tài)；如果Θ ( Q1，則塔機(jī)發(fā)出控制信號(hào)截止塔機(jī)繼續(xù)向危險(xiǎn)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)行為； `4.2)小車變幅行為的防碰撞干涉計(jì)算及輸出控制 首先判斷自身塔機(jī)與相關(guān)塔機(jī)的高度， 若自身高于相關(guān)塔機(jī)，此時(shí)可能的碰撞干涉情況為，高塔機(jī)吊繩在小車變幅過程中與相關(guān)塔機(jī)起重臂、平衡臂以及斜拉索的碰撞，于是分別計(jì)算上述各種碰撞情況，并輸出控制； 以高塔機(jī)吊繩在移動(dòng)過程中形成的平面與相關(guān)塔機(jī)起重臂的干涉為例，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的平面與線段相交算法，若計(jì)算出無交點(diǎn)則安全，若有交點(diǎn)，則計(jì)算出塔機(jī)當(dāng)前位置與交點(diǎn)位置的位移差，即危險(xiǎn)值L，設(shè)塔機(jī)移動(dòng)危險(xiǎn)控制值為L(zhǎng)1，如果L > L1,則塔機(jī)小車變幅行為處于安全狀態(tài)，無控制信號(hào)輸出；如果L ( L1，則塔機(jī)發(fā)出控制信號(hào)截止小車?yán)^續(xù)向危險(xiǎn)方向的變幅行為；與此類似，分別進(jìn)行高塔機(jī)吊繩與底塔機(jī)平衡臂以及斜拉索的干涉計(jì)算以及輸出； 若塔機(jī)自身高度低于相關(guān)塔機(jī)，塔機(jī)小車變幅行為處于安全狀況； .4.3)吊鉤起升行為的防碰撞干涉計(jì)算及輸出控制 首先判斷自身塔機(jī)與相關(guān)塔機(jī)的高度， 若自身高于相關(guān)塔機(jī)，此時(shí)可能的碰撞干涉情況為，高塔機(jī)吊繩在吊鉤起升過程中與相關(guān)塔機(jī)起重臂、平衡臂碰撞； 以高塔機(jī)吊繩在移動(dòng)過程中形成的線段與相關(guān)塔機(jī)起重臂的干涉為例，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的線段與線段相交算法，若計(jì)算出無交點(diǎn)則安全，若有交點(diǎn)，則計(jì)算出塔機(jī)吊鉤當(dāng)前位置與交點(diǎn)位置的高度差，即危險(xiǎn)值h，設(shè)塔機(jī)移動(dòng)危險(xiǎn)控制值為Ii1，如果h > h1;則塔機(jī)處于安全狀態(tài)，無控制信號(hào)輸出；如果h ^h1，則塔機(jī)發(fā)出控制信號(hào)截止吊鉤繼續(xù)向危險(xiǎn)方向的起升行為；與此類似，進(jìn)行高塔機(jī)吊繩與底塔機(jī)平衡臂的干涉計(jì)算以及輸出； 若塔機(jī)自身高度低于相關(guān)塔機(jī).，塔機(jī)的起升行為處于安全狀況。
【文檔編號(hào)】B66C15/04GK103466458SQ201310404791
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】楊靜 申請(qǐng)人:西安豐樹電子科技發(fā)展有限公司