CN103064297B - 基于运动学和动力学的双移动式起重机协同吊装仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于吊装工艺及三维仿真技术领域，公开了一种基于运动学和动力学混合的双移动式起重机协同吊装仿真模型。将双机系统划分成三部分，被吊物相连和两台起重机吊索具作为一部分，称为双机的起升子系统；其中一台起重机为一部分，称为主起重机子系统；另一台起重机又为一部分，称为辅助起重机子系统。双机的起升子系统采用动力学建模，而主起重机子系统和辅助起重机子系统采用运动学建模。本发明的效果和益处是能真实地模拟双机吊装过程，如起升绳的摆动效果、碰撞检测等，通过仿真可在实际吊装前发现潜在的危险，最终提高吊装的安全性和效率。此外，其中的运动学模型简化了双机运动的建模，所需设置参数更少，实现更容易，同时更易于操控。

Description

基于运动学和动力学的双移动式起重机协同吊装仿真方法

技术领域

本发明属于吊装工艺及三维仿真技术领域，涉及两台起重机共同吊装一物件的协同吊装仿真方法，尤其是基于运动学和动力学的双移动式起重机协同吊装仿真方法。

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。在大多数情况下，不得不采用两台起重机（一台主起重机、一台辅助起重机）相互协作进行吊装才能更好地完成吊装任务。但与单台起重机吊装相比，两台起重机协同吊装的危险性大大增加，稍微相互协作不当就会导致两台起重机协同吊装发生倾翻、臂架断裂、人员伤亡等灾难性后果。

为此，有必要通过仿真对双机吊装过程进行预演并显示相应关键参数，以提高吊装的安全性。一些学者提出一些基于运动学的双机吊装仿真方法，这些方法将起重机各部分以及被吊物看作刚体，并假设起升绳始终竖直，据此建立双机吊装的几何模型，通过该模型实现吊装过程仿真。这类方法所需参数少、易于实现，能直观地模拟双机吊装的大体运动过程，但因未考虑被吊物重量、重心、起升绳的偏摆等因素，此类方法模拟的吊装过程会有较大的失真、不自然，与实际吊装可能不符，即不能真实地反映双机吊装的过程。为了把吊装过程中起升绳偏摆、碰撞检测、力反馈等物理特性模拟出来，另一些学者提出了基于物理引擎的双机吊装仿真方法，这类方法将起重机各部件及被吊物建模成刚体，并赋予重量、惯性矩、刚度等物理属性，然后采用相应的铰（如球铰、滑移铰、旋转铰等）将各部分连接起来，构建一个复杂的双机吊装的动力学模型，以实现双机的吊装过程仿真。基于物理引擎的方法能较好地模拟起升绳偏摆等效果，但其也存在一些局限性：待设置的物理参数多，即需要为每个刚体、每个铰设置准确的物理属性，如重量、重心、惯性矩、刚度、误差消减系数、阻尼系数等，而这些的准确参数在实际吊装工程中通常难以确定；并且，若这些物理属性设置的不恰当，难以达到期望的仿真效果。从而可以看出，基于物理引擎的双机吊装仿真方法，其模型过于复杂，实用性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于运动学和动力学混合的双移动式起重机协同吊装仿真模型。本发明的目的是实现一个简单、实用的双机吊装仿真模型，以能真实地模拟双机吊装过程，在实际吊装前发现潜在的危险，最终提高吊装的安全性和效率。

本发明的技术方案如下：提供了一种基于运动学和动力学的双移动式起重机协同吊装仿真方法，在由主起重机、辅助起重机、被吊设备及吊索具构成的双机系统中，采用运动学和动力学建立双机协同吊装的仿真模型，双机系统中的部件运动分为运动学和动力学两部分。

将双机系统划分成三部分，被吊设备、与吊索具作为一部分，称为双机的起升子系统；主起重机为一部分，称为主起重机子系统；辅助起重机为一部分，称为辅助起重机子系统；其中，双机的起升子系统采用动力学建模，而主起重机子系统和辅助起重机子系统采用运动学建模。

双机的起升子系统采用动力学建模过程如下：将双机的子系统中的起升滑轮组Ⅰ、辅助吊钩、被吊设备、平衡梁、主吊钩及起升滑轮组Ⅱ建模成刚体；起升滑轮组Ⅰ固定在辅助起重机的臂头上随着臂头运动而运动，起升滑轮组Ⅰ采用距离铰与辅助吊钩相连，起升滑轮组Ⅱ固定在主起重机的臂头上随着臂头运动而运动，起升滑轮组Ⅱ采用距离铰与主吊钩相连，主吊钩采用距离铰(DistanceJoint)与平衡梁连接，而平衡梁采用旋转铰(Revolutejoint)与被吊设备主吊点相连，旋转铰(Revolutejoint)位置设在主吊耳处，辅助吊钩采用距离铰(DistanceJoint)与被吊设备的辅助吊点连接。

主起重机子系统和辅助起重机子系统采用运动学建模过程如下：将辅助起重机子系统分成下车Ⅰ、上车Ⅰ、主臂Ⅰ三部分；下车Ⅰ与地面的相对运动建模为一个移动副和一个轴垂直地面的转动副；下车Ⅰ与上车Ⅰ的相对运动建模为一个轴垂直地面的转动副；上车Ⅰ与主臂Ⅰ的相对运动建模为一个轴垂直转台的转动副；同理：将主起重机子系统分成下车Ⅱ、上车Ⅱ、主臂Ⅱ三部分；下车Ⅱ与地面的相对运动建模为一个移动副和一个轴垂直地面的转动副；下车Ⅱ与上车Ⅱ的相对运动建模为一个轴垂直地面的转动副；上车Ⅱ与主臂Ⅱ的相对运动建模为一个轴垂直转台的转动副。

利用可视化模块构建一棵场景树，建立上述吊装系统的各部件逻辑结构关系：先由场景管理器创建一个总的双机吊装系统节点，再从该节点开始依次向下创建对应的子节点，即主起重机、辅助起重机和被吊设备子节点；主起重机子节点下创建上车Ⅱ子节点、下车Ⅱ子节点；上车Ⅱ子节点下创建臂架系统Ⅱ、转台Ⅱ、配重Ⅱ子节点；臂架系统Ⅱ子节点下创建主臂Ⅱ、起升系统Ⅱ子节点；起升系统Ⅱ子节点下创建吊钩系统Ⅱ、起升绳Ⅱ子节点；吊钩系统Ⅱ下创建主吊钩节点；同理，辅助起重机子节点下创建上车Ⅰ子节点、下车Ⅰ子节点；上车Ⅰ子节点下创建臂架系统Ⅰ、转台Ⅰ、配重Ⅰ子节点；臂架系统Ⅰ子节点下创建主臂Ⅰ、起升系统Ⅰ子节点；起升系统Ⅰ子节点下创建吊钩系统Ⅰ、起升绳Ⅰ子节点；吊钩系统Ⅰ下创建辅助吊钩节点。

至此，以上渲染模型确定了起重机各部件的逻辑关系，而由基于运动学和动力学的仿真模型计算出各部件的位形姿态；在可视化模块中，当给定起重机各部件的位形姿态，就可加载渲染模型建立吊装系统场景树，并可进行场景树的更新、渲染循环，以达到仿真的目的。

有益效果：本发明的一种基于运动学、动力学的混合双机吊装仿真模型建立，是通过对吊装系统分别进行运动学建模和动力学建模。由于对起重机模型运用动力学建模时会很复杂，并考虑了起重机结构的惯性矩和各部件之间的作用力和力矩，而实际在仿真过程中是没有必要考虑这些参数，因此会增加建模的难度，采用运动学建模就避免这种问题，简化建模过程，提高了效率，同时不会对仿真效果产生影响；对于双机起升机构则采用了动力学建模，这样可以仿真出起升绳的摇摆动作，相对运动学建模更准确。

附图说明

图1是本发明的双机吊装系统结构示意图。

图2是本发明的各仿真模型元素说明。

图3是基于运动学、动力学的混合双机吊装仿真模型。

图4是双机吊装系统的场景树。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明原理：两台起重机协同吊装同一个被吊设备时所构成的系统称为双机系统，我们把该系统划分为主起重机、辅助起重机、双机起升机构三部分，如图1所示。其中，双机起升机构又分为主起升和辅助起升两部分：在主起升部分中，主吊耳位于水平平面内，通过索具与平衡梁连接，平衡梁再通过索具与吊钩相连，吊钩与起升滑轮组用起升绳连接；在辅助起升部分中，被吊设备的辅助吊耳方向朝上，通过索具直接与辅助起重机的吊钩连接，吊钩用起升绳与起升滑轮组连接。主起重机和辅助起重机通过行走、起升、回转、变幅来驱动设备的运动。

起重机（除了吊钩和起升绳）各部件为刚性的机械结构，各部件间采用铰接形式连接，且吊装过程中动作缓慢，因而其动力学特性表现不明显，所以双机系统中的主起重机和辅助起重机在仿真中采用运动学建模；而双机起升机构内部各部件大多通过柔性的钢丝绳连接，在吊装过程中容易出现偏摆，动力学特性表现明显，故在仿真模型中采用动力学对双机起升机构进行建模。

为了更好地阐述双机吊装仿真模型，首先对仿真模型用到的元素（运动学刚体、动力学刚体、铰、运动副等）进行简要介绍，如图2所示。

有了以上的基础元素后，便可以采用这些元素建立基于运动学、动力学的混合双机吊装的仿真模型，如图3所示。由上一部分的分析知，主起重机和辅助起重机采用运动学建模，起重机主要是由下车、上车、臂架和起升滑轮组运动学刚体组成，由于下车可在地面行走和转向，故下车与地面的相对运动建模为一个移动副和一个轴垂直地面的转动副；下车与上车之间通过转台转动实现相对运动的，故它们的相对运动建模为一个轴垂直地面的转动副；由于主臂要实现变幅动作，故上车与主臂的相对运动建模为一个轴垂直转台的转动副。双机的起升机构是由主吊钩、平衡梁、主吊点、被吊物、辅助吊点和辅助吊钩动力学刚体组成，由于滑轮组与主吊钩之间是通过起升绳连接实现起升和下降，故起升滑轮组采用距离铰(DistanceJoint)与对应吊钩相连，但是仿真过程中要通过实时检测，实现距离的变化；主吊钩与平衡梁之间只是有一定距离差，故主吊钩也采用距离铰与平衡梁连接；而平衡梁采用旋转铰(Revolutejoint)与被吊物相连(旋转铰位置设在主吊耳处)，这样可实现吊装过程中设备的翻转动作；同理，辅助吊钩采用距离铰与被吊物的辅助吊点连接。

以上双机吊装系统模型负责根据两台起重机的运动学和动力学计算各部件的姿态，为了真正实现吊装过程仿真，我们还需将其可视化。在此，我们可以构建一棵场景树建立吊装系统的各部件逻辑结构关系。吊装系统主要由两台起重机和被吊设备组成，并且吊装动作是由两台起重机协调动作完成，故建模过程如下：先由场景管理器创建一个总的吊装系统节点，再从该节点开始依次向下创建对应的子节点，即主起重机、辅助起重机和被吊设备节点。由于我们只关注起重机仿真动作，故起重机可分为下车(履带和车架)和上车，而上车部分主要可分为臂架系统、转台和配重，臂架系统可分为主臂和起升系统，依次划分到吊钩为止，这样就建立了一棵双机系统场景树，如图4所示，图中矩形代表非叶子节点(CNode类对象)，圆形代表叶子节点(CEntity类对象)。

为此，渲染模型就确定了起重机各部件的逻辑关系，而由基于运动学和动力学的仿真模型计算出各部件的位形姿态。在可视化模块中，当给定起重机各部件的位形姿态，就可加载渲染模型建立吊装系统场景树，并可进行场景树的更新、渲染循环。

实施例1：

PhysX就是能令虚拟物体运动符合真实的物理定律的运算引擎，可由计算机的GPU计算物理模拟中大量数据。PhysX提供了现实中刚体的抽象，在引擎理称为角色（Actor），分运动学角色和动力学角色两类刚体；同时也提供了现实中各种动力学约束，在引擎中称为铰（Joint），有距离铰、旋转铰、平移铰、球铰、万向铰等。因而采用PhysX可容易地实现以上双机仿真模型。

在建模的过程中，主起重机和辅助起重机采用运动学建模，起重机是由下车、上车、臂架和起升滑轮组运动学刚体组成，下车与地面的相对运动建模为一个移动副和一个轴垂直地面的转动副，下车与上车的相对运动建模为一个轴垂直地面的转动副，上车与主臂的相对运动建模为一个轴垂直转台的转动副。双机的起升机构是由主吊钩、平衡梁、主吊点、被吊物、辅助吊点和辅助吊钩动力学刚体组成，起升滑轮组采用距离铰(DistanceJoint)与对应吊钩相连，但此处的距离要实时检测、更新，主吊钩也采用距离铰与平衡梁连接，而平衡梁采用旋转铰(Revolutejoint)与被吊物相连(旋转铰位置设在主吊耳处)，辅助吊钩采用距离铰与被吊物的辅助吊点连接。各部件之间的运动副和各种铰的参数可由具体的实例确定。基于运动学、动力学的混合双机吊装仿真模型如图2所示。

当建立双机吊装模型后，我们还需将其渲染可视化。可视化的三维渲染引擎OGRE，是用C++开发的面向场景、非常灵活的3D引擎。OGRE的面向对象框架提供了包括全部渲染过程的对象模型。它主要包括渲染系统(RenderSystem)和场景图(SceneGraph)两大部分，场景图能够建立物体的逻辑结构，即从根节点到叶子节点一级一级的建立场景树；而渲染系统是将建立的场景树通过添加实体可视化。因此，我们可以用OGRE引擎将双机系统模型可视化出来。

具体建模过程如下：先由场景管理器创建一个总的吊装系统节点，再从该节点开始依次向下创建对应的子节点，即主起重机、辅助起重机和被吊设备节点。起重机节点依次向下建立各部分的节点，直到叶子节点为止。该层次模型的叶子节点是实际的渲染对象。根据叶子节点的建模方法不同，可以将叶子节点分成为.mesh实体和基本几何体。故可以利用3DSMAX进行交互建模和几何图形建模。一般情况下，起重机模型、设备和平衡梁等是由3DSMAX建立的导出为.mesh文件的模型，而索具等式由基本的圆柱体建立的。

这样，就由渲染模型固定起重机各部件的逻辑关系，而由基于运动学和动力学的仿真模型计算出各部件的位形姿态。在可视化模块中，当给定起重机各部件的位形姿态，就可加载渲染模型建立吊装系统场景树，并可进行场景树的更新、渲染循环。

本发明的一种基于运动学、动力学的混合双机吊装仿真模型建立，是通过对吊装系统分别进行运动学建模和动力学建模。由于对起重机模型运用动力学建模时会很复杂，并考虑了起重机结构的惯性矩和各部件之间的作用力和力矩，而实际在仿真过程中是没有必要考虑这些参数，因此会增加建模的难度，采用运动学建模就避免这种问题，简化建模过程，提高了效率，同时不会对仿真效果产生影响；对于双机起升机构则采用了动力学建模，这样可以仿真出起升绳的摇摆动作，相对运动学建模更准确。因此，本发明的基于运动学和动力学混合法双机建模能更简单、准确的仿真双机吊装仿真，减小复杂性，考虑了起升绳对吊装的影响。

本发明的效果和益处是能真实地模拟双机吊装过程，如起升绳的摆动效果、碰撞检测等，通过仿真可在实际吊装前发现潜在的危险，最终提高吊装的安全性和效率。此外，其中的运动学模型简化了双机运动的建模，所需设置参数更少，实现更容易，同时更易于操控。

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 (1)

1.一种基于运动学和动力学的双移动式起重机协同吊装仿真方法，其特征在于：在由主起重机、辅助起重机、被吊设备及吊索具构成的双机系统中，采用运动学和动力学建立双机协同吊装的仿真模型，双机系统中的部件运动分为运动学和动力学两部分；

将双机系统划分成三部分，被吊设备、与吊索具作为一部分，称为双机的起升子系统；主起重机为一部分，称为主起重机子系统；辅助起重机为一部分，称为辅助起重机子系统；其中，双机的起升子系统采用动力学建模，而主起重机子系统和辅助起重机子系统采用运动学建模；

双机的起升子系统采用动力学建模过程如下：将双机的起升子系统中的起升滑轮组Ⅰ、辅助吊钩、被吊设备、平衡梁、主吊钩及起升滑轮组Ⅱ建模成刚体；起升滑轮组Ⅰ固定在辅助起重机的臂头上随着臂头运动而运动，起升滑轮组Ⅰ采用距离铰与辅助吊钩相连，起升滑轮组Ⅱ固定在主起重机的臂头上随着臂头运动而运动，起升滑轮组Ⅱ采用距离铰与主吊钩相连，主吊钩采用距离铰与平衡梁连接，而平衡梁采用旋转铰与被吊设备主吊点相连，旋转铰(Revolutejoint)位置设在主吊耳处，辅助吊钩采用距离铰与被吊设备的辅助吊点连接；

主起重机子系统和辅助起重机子系统采用运动学建模过程如下：将辅助起重机子系统分成下车Ⅰ、上车Ⅰ、主臂Ⅰ三部分；下车Ⅰ与地面的相对运动建模为一个移动副和一个轴垂直地面的转动副；下车Ⅰ与上车Ⅰ的相对运动建模为一个轴垂直地面的转动副；上车Ⅰ与主臂Ⅰ的相对运动建模为一个轴垂直转台的转动副；同理：将主起重机子系统分成下车Ⅱ、上车Ⅱ、主臂Ⅱ三部分；下车Ⅱ与地面的相对运动建模为一个移动副和一个轴垂直地面的转动副；下车Ⅱ与上车Ⅱ的相对运动建模为一个轴垂直地面的转动副；上车Ⅱ与主臂Ⅱ的相对运动建模为一个轴垂直转台的转动副；

利用可视化模块构建一棵场景树，建立上述双机系统的各部件逻辑结构关系：先由场景管理器创建一个总的双机吊装系统节点，再从该节点开始依次向下创建对应的子节点，即主起重机、辅助起重机和被吊设备子节点；主起重机子节点下创建上车Ⅱ子节点、下车Ⅱ子节点；上车Ⅱ子节点下创建臂架系统Ⅱ、转台Ⅱ、配重Ⅱ子节点；臂架系统Ⅱ子节点下创建主臂Ⅱ、起升系统Ⅱ子节点；起升系统Ⅱ子节点下创建吊钩系统Ⅱ、起升绳Ⅱ子节点；吊钩系统Ⅱ下创建主吊钩节点；同理，辅助起重机子节点下创建上车Ⅰ子节点、下车Ⅰ子节点；上车Ⅰ子节点下创建臂架系统Ⅰ、转台Ⅰ、配重Ⅰ子节点；臂架系统Ⅰ子节点下创建主臂Ⅰ、起升系统Ⅰ子节点；起升系统Ⅰ子节点下创建吊钩系统Ⅰ、起升绳Ⅰ子节点；吊钩系统Ⅰ下创建辅助吊钩节点；

至此，以上渲染模型确定了起重机各部件的逻辑关系，而由基于运动学和动力学的仿真模型计算出各部件的位形姿态；在可视化模块中，当给定起重机各部件的位形姿态，就可加载渲染模型建立吊装系统场景树，并可进行场景树的更新、渲染循环，以达到仿真的目的。