CN102935979B - 一种面向双移动式起重机协同作业的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向双移动式起重机协同作业的控制方法，是通过程序控制实现随动起重机跟随主动起重机的动作协调的做出相应的动作，提高了双机吊装的安全性和准确性。由具体的计算步长的公式得到随动起重机相应的动作量，在随动起重机动作完成后再次由起升绳的偏摆角的大小判断是否随动起重机的动作合理。这种随动起重机动作步长自适应的计算方法，能够根据主动起重机的动作及当前双机系统工作状态自动调节随动起重机的动作步长，最终实现只控制一台起重机安全地完成双机协同吊装任务，减小了实际吊装过程中的复杂性，排除了意外因素，大大提高吊装安全性。

Description

一种面向双移动式起重机协同作业的控制方法

技术领域

本发明属于吊装工艺及自动控制技术领域，涉及双移动式起重机协同作业的控制方法。

背景技术

在大型吊装工程中超重型、大跨度的被吊物越来越常见，常常因起重机起重量不足、被吊物跨度太大、吊装时需要对设备进行回转或翻转动作等问题，使得单台起重机难以完成吊装任务。因此，利用两台普通的起重机协同吊装同一个被吊物（双机吊装）成为一种高效而经济的可选方案，并且日趋普遍。然而，相比单台起重机吊装而言，两台起重机协同吊装的危险性大大提升。原因在于，对于两台起重机协同吊装，起重机之间的运动相互影响，一台起重机的动作引起的多机系统整体位姿变化和载荷重分配难以确定，其吊装的危险性要比想象严重得多，极容易出现负载不均而引起某台起重机臂架折断或整机倾翻。另外，在现场吊装实施阶段，两台起重机动作的协同需要靠经验丰富的现场吊装指挥员和两名起重机操作手相互协作完成。在协作过程中，两名起重机操作手必须严格听从指挥员的指挥，并且动作要精准、规范，这对指挥员和操作手要求极高。因此，急需提出一种更有效、可靠的方法来安全的实施双机吊装任务。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种只需操控一台起重机安全地完成双机协同吊装任务的方法。本发明的目的是实现双机半自动化的吊装，并保证了吊装过程中的安全性，提高了双机吊装的效率。

技术方案

本发明的技术方案如下：

一种面向双移动式起重机协同作业的控制方法，包括以下步骤：

1) 准备吊装：两台起重机在相应的位置准备就绪，吊钩通过吊索具（平衡梁、钢丝绳等）与被吊物上相应的吊点连接好；

2) 起重机角色选定：两台起重机中选择一台作为主动起重机，称为C1，由司机操控；另一台作为随动起重机，称为C2，由程序自动控制；

3) 随动起重机动作类型设定：设置随动起重机C2的动作类型，动作类型包括行走、原地转向、回转、变幅、起升；

4) 主动起重机C1执行动作一步：司机根据吊装任务及当前的吊装情况，选择一种动作，在计算模型上预执行一步此动作；

5) 获取主动起重机C1起升滑轮组坐标P1：采用传感器测量获得，或者由程序通过计算模型并结合几何变换计算来确定主动起重机起升滑轮组三维空间坐标；

6) 确定随动起重机C2动作步长：程序根据策略利用上一步的先验信息来确定随动起重机的动作步长；

7) 获取随动起重机C2起升滑轮组坐标P2：程序通过计算模型并结合几何变换计算来确定随动起重机起升滑轮组三维空间坐标；

8) 步长合理性判定：判断随动起重机C2动作步长是否合理；

9) 主动起重机C1执行动作：若步长合理，则主动起重机C1真正执行步骤4）中所选择的动作；若步长不合理，则给主动起重机C1的司机信息提示，并返回到步骤4）；

10) 随动起重机C2执行动作：若步长合理，则随动起重机C2按预设动作类型结合所确定步长执行操作，转到步骤11）；

11) 更新缓存信息：通过三维空间角度传感器获取主动起重机C1和随动起重机C2起升绳的当前偏摆角                                                和，更新、、、、，并将其存储以便步骤6）确定随动起重机C2动作步长时使用，返回步骤4）；

其中：为上一次动作执行后主动起重机起升绳偏摆角；

为上一次动作执行后随动起重机起升绳偏摆角；

为上一次动作执行后随动起重机起升绳偏摆角变化量；

为上一次随动起重机动作步长，相当于速度；

为上一次动作步长变化量，相当于加速度。

确定动作步长

更进一步说明，迭代过程中，第5步获取主动起重机起升滑轮组坐标P1可采用传感器测量获得（在滑轮组位置安装三维空间位置传感器）；也可通过计算模型结合几何变换计算求得。一般情况下，由几何模型计算非常复杂，因此，常采用位置传感器直接测量得到坐标P1。

在迭代过程中，第6步随动起重机动作步长确定时，根据形为的函数计算出动作步长，实现随动起重机动作步长的自适应。其中，为上一次动作步长变化率，相当于加速度变化量。

再进一步，具体的形为的函数可表达为，其中和为常量系数，通常取值为1；为加速度调节参数，越大表明加速度改变得越快；为3变量的符号函数，其取值如下表1所示：

                       表1  符号函数取值

				+	+	+	-
+	+	-
				+	-	+
+	-	-	+
				-	+	+	-
-	+	-
				-	-	+
-	-	-	+

注：指向主动起重机C1的方向为+。

起重机吊装几何模型

在技术方案第5、7步迭代过程中，获取起重机的起升滑轮组坐标可通过计算模型结合几何变换计算确定起升滑轮组三维空间坐标。单台起重机的几何模型如图1所示，系统是由下车、转台、臂架、起升绳、吊钩组成。

吊装系统各部分的坐标都是相对各自上一级的，各部件的位姿采用变换矩阵表示，下车、转台、臂架、起升绳的局部变换矩阵分别见式(1)~(4)，因为在此不需要吊钩的变换矩阵。每次起重机动作后进行更新，只需将当前位形的值设置给变换矩阵相应的变量。在求解随动起重机的滑轮组坐标时，将矩阵、、、和滑轮组相对臂架系统的坐标矩阵相乘得到的矩阵就是滑轮组的坐标P2。

                           (1)

                           (2)

                            (3)

                            (4)。

偏摆角判断合理性

在步骤8）的步长合理性判定中，根据P1、P2、两起升绳长、被吊物重心等确定主动起重机起升绳偏摆角、随动起重机起升绳偏摆角；若或大于所允许的最大偏摆角(可人为设定)，则此步长不合理，否则合理。   

其中，偏摆角是按照最小势能法求解的。首先建立求解偏摆角的数学模型如图2所示，当起重机和被吊物件组成的系统处于稳定平衡时要求该系统的势能最小，故对于给定起重机起升滑轮组位置、吊索具重量、被吊物件重量及质心位置、绳子长度以确定被吊设备位姿及绳子拉力这一问题（正向问题）可以简化为带约束的数学优化问题：

     。  

其中，是质点的Y坐标，( i = 0,1)是吊钩和索具的纵轴Y坐标，( i = 0,1)是吊钩和索具的位置，( i = 0,1)是滑轮组和吊钩间的距离，( i = 0,1)是吊钩和挂接点间的距离，是挂接点2到被吊设备轴线的距离，( i = 0,1)是起重机Ci( i = 0,1)吊索具的重量，是被吊设备的重量。

接着，带约束优化问题可以更进一步的简化为无约束的优化问题：

其中，

 

  

 

显然，这是一个单变量无约束优化问题，当，时， 最小，即起重机和被吊物件系统的总势能最小。然而，是一个复杂的非线性函数，的解析解不能由的推导得到。我们用数值的方法来求得的数值解。

本发明的一种面向两台起重机共同吊装一物件的协调作业控制方法，是通过程序控制实现随动起重机跟随主动起重机的动作协调的做出相应的动作，提高了双机吊装的安全性和准确性。由具体的计算步长的公式得到随动起重机相应的动作量，在随动起重机动作完成后再次由起升绳的偏摆角的大小判断是否随动起重机的动作合理。这种随动起重机动作步长自适应的计算方法，能够根据主动起重机的动作及当前双机系统工作状态自动调节随动起重机的动作步长，最终实现只控制一台起重机安全地完成双机协同吊装任务，减小了实际吊装过程中的复杂性，排除了意外因素，大大提高吊装安全性。

附图说明

图1 单机几何模型；

图2 求解偏摆角的双机数学模型；

其中：1-起重机C1起升滑轮组； 2-起重机C1吊索具； 3-挂接点1； 4-被吊物件；5-挂接点2； 6-起重机C2吊索具； 7-起重机C2起升滑轮组；8-绕Z轴的转动副；9-移动副；10-绕Y轴的转动副。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本实施例的一种面向双移动式起重机协同作业的控制方法，包括的实体模型有：主动起重机C1，随动起重机C2，被吊物模型C，以及吊装的索具和平衡梁。主动起重机和随动起重机完成相应的吊装站位后，它们又分别通过相应的吊装索具和平衡梁与被吊物的吊点连接起来。在这之前，已将编写好的控制程序内置两台起重机中，并且两台起重机可通过无线信号进行信息的传递。

本实施例的面向双移动式起重机协同作业的控制方法的流程，包括以下步骤：

1）准备吊装：两台起重机在相应的位置准备就绪，吊钩通过吊索具（平衡梁、钢丝绳等）与被吊物上相应的吊点连接好；

2）起重机角色选定：两台起重机中选择一台作为主动起重机，称为C1，由司机操控；另一台作为随动起重机，称为C2，由程序自动控制；

3）随动起重机动作类型设定：设置随动起重机C2的动作类型，动作类型包括行走、原地转向、回转、变幅、起升；

4）主动起重机C1执行动作一步：司机根据吊装任务及当前的吊装情况，选择一种动作，在计算模型上预执行一步此动作；

5）获取主动起重机C1起升滑轮组坐标P1：程序通过计算模型并结合几何变换计算来确定主动起重机起升滑轮组三维空间坐标；

6）确定随动起重机C2动作步长：程序根据以下策略确定随动起重机的动作步长：随动起重机步长确定是由形为的函数计算出动作步长，实现随动起重机动作步长的自适应。其中，为上一次动作执行后随动起重机起升绳偏摆角；为上一次动作执行后随动起重机起升绳偏摆角变化量；为上一次随动起重机动作步长(相当于速度)；为上一次动作步长变化量(相当于加速度)；为上一次动作步长变化率(相当于加速度变化量)。具体的形为的函数可表达为，其中和为常量系数，取值为1；为加速度调节参数，越大表明加速度改变得越快；为3变量的符号函数，其取值如下表：

				+	+	+	-
+	+	-
				+	-	+
+	-	-	+
				-	+	+	-
-	+	-
				-	-	+
-	-	-	+

注：指向主动起重机C1的方向为+。

7）获取随动起重机C2起升滑轮组坐标P2：程序通过计算模型并结合几何变换计算来确定随动起重机起升滑轮组三维空间坐标；

8）步长合理性判定：判断随动起重机C2动作步长是否合理；

9）主动起重机C1执行动作：若步长合理，则主动起重机C1真正执行步骤4）中所选择的动作；若步长不合理，则给主动起重机C1的司机信息提示，并返回到步骤4）

10）随动起重机C2执行动作：若步长合理，则随动起重机C2按预设动作类型结合所确定步长执行操作，转到步骤11）；

11）更新缓存信息：通过三维空间角度传感器获取主动起重机C1和随动起重机C2起升绳的当前偏摆角和，更新、、、、，并将其存储以便步骤6）确定随动起重机C2动作步长时使用，返回步骤4）。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种面向双移动式起重机协同作业的控制方法，包括以下步骤：

（1）准备吊装：两台起重机在相应的位置准备就绪，吊钩通过吊索具与被吊物上相应的吊点连接好；

（2）起重机角色选定：两台起重机中选择一台作为主动起重机，称为C1，由司机操控；另一台作为随动起重机，称为C2，由程序自动控制；

（3）随动起重机动作类型设定：设置随动起重机C2的动作类型，动作类型包括行走、原地转向、回转、变幅、起升；

（4）主动起重机C1预执行动作一步：司机根据吊装任务及当前的吊装情况，选择一种动作，并在计算模型上预执行；

（5）获取主动起重机C1起升滑轮组坐标P1：采用传感器测量获得，或者由程序通过计算模型并结合几何变换计算来确定主动起重机起升滑轮组三维空间坐标；

（6）确定随动起重机C2动作步长：程序根据策略利用上一步的先验信息来确定随动起重机的动作步长；

（7）获取随动起重机C2起升滑轮组坐标P2：程序通过计算模型并结合几何变换计算来确定随动起重机起升滑轮组三维空间坐标；

（8）步长合理性判定：判断随动起重机C2动作步长是否合理；

（9）主动起重机C1执行动作：若步长合理，则主动起重机C1真正执行步骤4）中所选择的动作；若步长不合理，则给主动起重机C1的司机信息提示，并返回到步骤4）；

（10）随动起重机C2执行动作：若步长合理，则随动起重机C2按预设动作类型结合所确定步长执行操作，转到步骤11）；

（11）更新缓存信息：通过三维空间角度传感器获取主动起重机C1和随动起重机C2起升绳的当前偏摆角                                               和，更新、、、、，并将其存储以便步骤6）确定随动起重机C2动作步长时使用，返回步骤4）；

其中：为上一次动作执行后主动起重机起升绳偏摆角；

为上一次动作执行后随动起重机起升绳偏摆角；

为上一次动作执行后随动起重机起升绳偏摆角变化量；

为上一次随动起重机动作步长，相当于速度；

为上一次动作步长变化量，相当于加速度。

2.如权利要求1所述的一种面向双移动式起重机协同作业的控制方法，其特征在于：在迭代过程中，第6）步随动起重机动作步长的确定函数形为，其中，为上一次动作步长变化率，相当于加速度变化量；根据此函数可计算出随动起重机的动作步长，实现随动起重机动作步长的自适应。

3.如权利要求2所述的一种面向双移动式起重机协同作业的控制方法，其特征在于：形为的函数可表达为，其中和为常量系数，通常取值为1；为加速度调节参数，越大表明加速度改变得越快；为3变量的符号函数，其取值如下表：

+ + + - + + - + - + + - - + - + + - - + - - - + - - - +

注：指向主动起重机C1的方向为+。