CN103241654A - 一种桥式起重机智能运行控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及起重机械技术领域，公开了一种桥式起重机智能运行控制系统包括：控制器、显示器、安装架、超声波传感器组、编码器；显示器安装于驾驶室内；桥式起重机的吊钩处安装有呈圆形结构的安装架，其上安装超声波传感器组；编码器安装于大车或者小车运行机构的电机上；控制器安装于桥式起重机内部，且分别与显示器、超声波传感器组、编码器、大车或者小车的运行机构信号连接。本发明的桥式起重机避障导航运动，在半未知的环境下桥式起重机的运行路径较优，并能够无碰撞自动运行，实现了桥式起重机的智能化控制，降低了工人的劳动强度同时提高了作业效率，保证了吊运过程的安全性与可靠性，具有一定的应用价值和市场前景。

Description

一种桥式起重机智能运行控制系统

技术领域

本发明涉及起重机械技术领域，特别涉及一种桥式起重机智能运行控制系统，适用于诸如散货车间、复杂堆场等在工作环境中障碍物数目多，分布不规律，且起重物吊运随机性强、事故发生率较高的工作场所。 

背景技术

    随着生产规模的扩大，作为物料搬运的重要设备——桥式起重机，在现代化生产过程中应用越来越广，作用也愈来愈大，因此对桥式起重机智能化的要求也越来越高。通常情况下桥式起重机在工程中主要通过人工操作，有时在搬运物料的过程中司机需与桥式起重机同步移动，其劳动强度大、效率低；在诸如散货车间或者复杂堆场等障碍物数目多的工作场所，因起重机吊运过程中出现碰撞引起的安全事故也比较频繁。故桥式起重机运行的智能化、自动化必将成为行业的发展趋势，未来有广阔的发展前景。 

发明内容

本发明的目的是：为克服上述现有技术中桥式起重机运行导航方面的不足，提供一种桥式起重机智能运行控制系统，它是一种路径控制系统，从而提高桥式起重机运行的智能化与自动化。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种桥式起重机智能运行控制系统，包括：控制器、显示器 、安装架11、超声波传感器组 、编码器； 

所述显示器安装于驾驶室内；桥式起重机的吊钩处安装有呈圆形结构的安装架11，其上安装超声波传感器组；所述编码器安装于大车或者小车运行机构的电机上；控制器安装于桥式起重机内部，且分别与显示器、超声波传感器组、编码器、大车或者小车的运行机构信号连接。

所述一种桥式起重机智能运行控制系统的控制过程为：通过超声波传感器组 采集前方障碍物的位置以及桥式起重机当前位置信息，并将采集的信息发送至控制器；编码器实时检测电机的转速以定位桥式起重机的位置，且将桥式起重机的位置信息发送至控制器；经控制器运算处理后，给桥式起重机大车或小车运行机构发送运行指令，同时将桥式起重机的当前位置以及障碍物的位置信息发送到显示器上，供操作人参考。 

所述控制器运算处理过程如下： 

当起重机沿系统规定的初始路径X轴方向运行时,超声波传感器组实时探测环境信息，当超声波传感器组探测到障碍物时，超声波传感器组将向控制器发送障碍物信息，控制器收到障碍物信号后向小车运行机构发送运行停止命令并开始执行沿Y轴方向的避障运动即向大车行走机构发送运行指令。若在执行避障运动时再次遇到障碍物，则控制器向大车行走机构发送运行停止命令，并向小车行走机构发送沿初始路径X轴反方向运行命令，执行二次避障运动。在二次避障运动执行完毕后，起重机继续完成一次避障运动。待执行完一次避障后，起重机回归系统规定的初始路径，并依据编码器所传递的信息控制起重机的运行直到将起重机运行至X 方向向量的目标位。

起重机结束X 方向向量运动后，开始执行沿Y轴方向向量的运动。此过程与X方向的运动完全相似，其区别在于控制器将控制起重机一次避障沿边运动沿X向量进行，二次避障运动沿Y向量运动。 

其中，所述安装架上共安装16个超声波传感器12。 

其中，所述显示器为具有存储与计算功能的手持无线触屏式显示器。 

    有益效果：本发明的桥式起重机避障导航运动，虽然运行路径不是全局最优路径，但在半未知的环境下桥式起重机的运行路径较优，并能够无碰撞自动运行，实现了桥式起重机的智能化控制，降低了工人的劳动强度同时提高了作业效率，保证了吊运过程的安全性与可靠性，具有一定的应用价值和市场前景。 

附图说明

图1为本发明一种桥式起重机智能运行控制系统的总体框图。 

图2为应用本发明的智能运行软件程序流程图。 

图3为本发明显示器主界面。 

图4为本发明显示器菜单界面。 

图5本发明一种桥式起重机智能运行控制系统规划的初始路径。 

图6应用本发明的桥式起重机避障运动示意图。 

图7为本发明的超声波传感器群安装示意图。 

图8为本发明一次探测障碍物。 

图9为本发明二次探测障碍物。 

附图标识：1-环境地图模块，2-状态指示灯，3-环境地图，4-起重机当前位置，5-实时通信数据显示模块，6-条件参数显示模块，7-数据显示模块，8-操作按键界面，9-操作按键模块，10-始末位显示模块，11-安装架，12-超声波传感器，13-障碍物Ⅰ，14-障碍物Ⅱ，15-障碍物Ⅲ，16-障碍物Ⅳ，17-起重机安全范围，18-超声波传感器有效测量范围，19-目标位置。 

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。 

本发明一种桥式起重机智能运行控制系统，包括：控制器、显示器、安装架11、超声波传感器组、编码器； 

所述显示器安装于驾驶室内；桥式起重机的吊钩处安装有呈圆形结构的安装架11，其上安装超声波传感器组；所述编码器安装于大车或者小车运行机构的电机上；控制器安装于桥式起重机内部，且分别与显示器、超声波传感器组、编码器、大车或者小车的运行机构信号连接。

所述一种桥式起重机智能运行控制系统的控制过程为：通过超声波传感器组采集前方障碍物的位置以及桥式起重机当前位置信息，并将采集的信息发送至控制器；编码器实时检测电机的转速以定位桥式起重机的位置，且将桥式起重机的位置信息发送至控制器；经控制器运算处理后，给桥式起重机大车或小车运行机构发送运行指令，同时将桥式起重机的当前位置以及障碍物的位置信息发送到显示器上，供操作人参考。 

所述控制器运算处理过程如下： 

当起重机沿系统规定的初始路径X轴方向运行时,超声波传感器组实时探测环境信息，当超声波传感器组探测到障碍物时，超声波传感器组将向控制器发送障碍物信息，控制器收到障碍物信号后向小车运行机构发送运行停止命令并开始执行沿Y轴方向的避障运动即向大车行走机构发送运行指令。若在执行避障运动时再次遇到障碍物，则控制器向大车行走机构发送运行停止命令，并向小车行走机构发送沿初始路径X轴反方向运行命令，执行二次避障运动。在二次避障运动执行完毕后，起重机继续完成一次避障运动。待执行完一次避障后，起重机回归系统规定的初始路径，并依据编码器所传递的信息控制起重机的运行直到将起重机运行至X 方向向量的目标位。

起重机结束X 方向向量运动后，开始执行沿Y轴方向向量的运动。此过程与X方向的运动完全相似，其区别在于控制器将控制起重机一次避障沿边运动沿X向量进行，二次避障运动沿Y向量运动。 

所述安装架上共安装16个超声波传感器12。 

所述显示器为具有存储与计算功能的手持无线触屏式显示器。 

本发明实现了运动空间的简化。桥式起重机主要进行横向与纵向运动，本发明中将桥式起重机的空间运动简化为平面运动，只考虑桥式起重机小车的横向运动（X方向）与大车的纵向运动（Y方向）忽略其垂直方向（Z方向）的运动。 

由于桥式起重机主要在厂房内工作，因此桥式起重机的大车运行轨道长度与小车的运行范围是确定的。故依据小车横向运动的总长X与大车纵向运动的总长Y建立平面地图并对整个环境进行网格划分，建立环境地图3。 

本发明中信号的采集与检测由超声波传感器群完成，包括障碍物的识别、位置检测。桥式起重机的结构不便于安装超声波传感器，因此本发明在吊钩处设计一圆形结构的安装架11，用于安装超声波传感器群，参照图7。在圆形安装架上安装 16个超声波传感器12获取360°的环境信息，并依据传感器所处的位置，分为A、B、C、D四个区域。安装架11随起桥式重机一起运动，因此超声波传感器12的探测形成以超声波传感器的有效探测范围为半径的滚动圆形窗口。编码器安装在小车与大车运行机构的电动机上，且由编码器完成桥式起重机的定位。 

信号采集与检测装置即超声波传感器群，将采集到的数据发送给控制器，经控制器运算与处理后，控制器向小车或大车的运行机构发送运行信号，同时与显示器进行通信，传送障碍物的位置信息并将障碍物的位置映射到网格中。在桥式起重机运行过程中，编码器实时检测电动机的转速，与控制器进行实时通信定位桥式起重机的位置。 

本发明采用具有存储与计算功能的手持无线触屏式显示器。其显示器的界面分为主界面与菜单界面。系统启动后，显示器默认进入主界面，显示器的主界面由三大模块组成，即环境地图显示模块1、数据显示模块7以及按键操作模块8，而各个模块又由各自的分模块组成，参照图3。 

进入主界面后操作者点击显示器地图域中的目标位，显示器将目标位的坐标值X、Y发送到控制器，供系统对起始位与目标位之间的路径规划。在起重机运行过程中显示器主界面的三大模块实时显示起重机当前状态信息。环境地图模块1中显示起重机工作环境中出现的障碍物，当前起重机所处的位置等。环境地图模块1中的状态指示灯2提示起重机的运行状态（灯光的意义：运行（绿灯），停止（黄色），到达目标位（红色）），数据显示模块7由实时通信数据显示模块5、条件参数显示模块6以及起重机始末位模块10等组成。实时通信数据显示模块5是用于显示信息采集装置采集的信息如小车当前的位置即X坐标值，大车当前位置即Y坐标值以及系统所设置的初始参数等。条件参数显示模块6是用户了解起重机的各参数的界面，例如，桥式起重机的跨度，大车轨道的长度，系统所适用的最大起重物的边长等。 

若用户还需进行其他操作如对参数进行设置、查询起重机的初始参数等，可点击操作按键模块9的菜单键进入菜单界面进行参数修改、查询等操作(如图4)。本发明中菜单界面由参数设置、参数查询以及系统设置等三个模块组成。 

本发明的路径规划为： 

首先，操作者在显示器的环境地图3区域里点击目标位，控制器将自动标定目标位置19。

第二，控制器对桥式起重机的路径进行规划，连接起重机当前位置4与目标位置19的向量，将连接向量分解成X轴方向向量与Y轴方向向量的合成，参照如图5。X轴向量与Y 轴向量作为起重机到达目标位置的初始路径。设置起重机优先沿X轴方向向量运动，在沿Y轴方向向量运动。 

第三，系统开始运行时，首先通过编码器标定起重机在全局坐标系中位置，然后启用超声波传感器群扫描环境、探测障碍物信息，起重机将根据初始路径沿X轴方向运动。若沿X方向运行时超声波传感器未检测到障碍物，起重机将沿系统规定的路径行驶至X方向目标位。若起重机在运行过程中，超声波传感器群检测到障碍物，则执行沿Y轴方向的沿边避障运动。 

本发明的避障原理为：如图7所示，沿安装架360°每隔22.5°安装一个超声波传感器12，形成以超声波传感器有效测量距离为半径的安全圆。此安全圆对起重物形成一个圆形的安全屏障，同时为了实现吊运过程的无碰撞，起重物的最大边长需满足（1）式； 

                                                 （1）；

其中：

表示超声波传感器12的有效测量范围；

表示起重机制动滑行距离 

；

表示取大车或小车运行速度较大的；

表示与 

 有关，若 

 为大车速度，则 

 为大车加速度否则为小车加速度。

当起重机沿系统规定的初始路径X轴方向运行时（假设沿X轴向的   90°方向运动），超声波传感器群开始采集的环境信息、探测障碍物。例如，在图7中，起重机沿X轴向90°运行时，初始状态下环境中有四个障碍物与起重物距离相近，但这四个障碍物在当前状态下或短时间内对起重机无任何影响。随着小车的运行，起重机逐渐逼向障碍物Ⅰ13，当障碍物Ⅰ13进入超声波传感器群的测量范围后（如图8所示），超声波传感器群就将障碍物Ⅰ13的信息发送给控制器，控制器向小车运行机构发送运行停止命令并开始执行沿Y轴0°方向的避障运动。沿Y轴0°方向避障移动的距离为 

其中：表示执行沿边运动的距离；

      

表示超声波传感器的有效测量范围；

表示测得障碍物超声波传感器的安装角度。

若在执行障碍物Ⅰ13的避障运动时，起重机沿Y轴0°方向避障运动未执行完毕就遇到障碍物Ⅱ14（如图9），则起重机将停止沿Y轴0°方向的避障运动。此时起重机可沿X轴90°或-90°方向进行避障运动，但沿Y轴0°方向的避障运动未完全执行，障碍物Ⅰ13又出现在X轴90°方向。因此控制器将默认X轴向90°为不可行路径，将X轴-90°方向的运动作为二次避障运动路径进行避障。二次避障运动执行完毕后，起重机继续完成一次避障未走完的路程。待执行完一次避障后，起重机回归系统规定的初始路径，运行至X 方向向量的目标位。 

假如回归初始路径后，沿系统规定路径运行时再次遇到障碍物，则系统继续回到上述步骤进行避障。 

第五，起重机结束X 方向向量运动后，开始执行沿Y轴方向向量的运动。此过程与X方向的运动完全相似，区别在于一次避障沿边运动沿X向量进行，二次避障运动沿Y向量运动。 

本发明的实施过程为： 

第一，通过编码器在全局坐标系中定位桥式起重机当前位置4，并将起重机当前位置4的X、Y坐标值显示在显示器中。

第二，操作人员在显示器的地图域中点击目标位置19，显示目标位置19的X、Y坐标值。 

第三，连接起重机当前位置4与目标位置19，系统自动将其分解为X方向向量与Y方向向量的向量和形式，参照图5。把X方向向量与Y方向向量作为起重机到达目标位置19的初始路径，本发明规定起重机优先沿X轴方向运动。 

第四，控制器向超声波传感器12、编码器以及小车运行机构发送工作指令，桥式起重机沿系统规划路径X轴方向运动。 

第五，起重机沿系统规定的初始路径X轴方向运行（假设沿X轴向的90°方向运动），超声波传感器群开始采集环境信息探测障碍物。例如，在图7中，当起重机沿X轴向90°运行时，初始状态下环境中有四个障碍物，此四个障碍物在当前状态下或短时间内对起重机无任何影响。但随着起重机小车的移动，起重机逐渐逼向障碍物Ⅰ13，当障碍物Ⅰ13进入超声波传感器群的测量范围后，参照图8，超声波传感器群就将障碍物Ⅰ13的信息发送给控制器，控制器向小车运行机构发送运行停止命令并开始沿Y轴0°方向的避障运动。 

若在执行障碍物Ⅰ13的避障运动时，起重机沿Y轴0°方向避障运动未执行完毕就遇到障碍物Ⅱ14，参照图9，则起重机将停止沿Y轴0°方向的避障运动。此时起重机可沿X轴90°或-90°方向进行避障运动，但沿Y轴0°方向的避障运动未完全执行，而又因障碍物Ⅰ13出现在X轴90°方向，因此系统默认X轴向90°为不可行路径，将X轴-90°方向的运动作为二次避障运动路径进行避障。二次避障运动执行完毕后，起重机继续完成一次避障未走完的路程。待执行完一次避障后，起重机回归系统规定的初始路径，运行至X 方向向量的目标位。 

第六，起重机结束X 方向运动后，开始执行沿Y轴方向的运动。此过程与X方向的运动完全相似，区别在于起重机的一次避障沿边运动沿X向量进行，二次避障运动沿Y向量运动。 

第七，通过编码器实时监测桥式起重机的运动，将采集到的速度信息发送到控制器。控制器通过算法处理后，向小车或大车运行机构发送停止/运行指令，同时将起重机当前位置的坐标值发送至显示器显示，供操作人员参考。 

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)

1.一种桥式起重机智能运行控制系统，其特征在于，所述一种桥式起重机智能运行控制系统包括：控制器、显示器、安装架（11）、超声波传感器组、编码器；

所述显示器安装于驾驶室内；桥式起重机的吊钩处安装有呈圆形结构的安装架（11），其上安装超声波传感器组；所述编码器安装于大车或者小车运行机构的电机上；控制器安装于桥式起重机内部，且分别与显示器、超声波传感器组、编码器、大车或者小车的运行机构信号连接；

所述一种桥式起重机智能运行控制系统的控制过程为：通过超声波传感器组采集前方障碍物的位置以及桥式起重机当前位置信息，并将采集的信息发送至控制器；编码器实时检测电机的转速以定位桥式起重机的位置，且将桥式起重机的位置信息发送至控制器；经控制器运算处理后，给桥式起重机大车或小车运行机构发送运行指令，同时将桥式起重机的当前位置以及障碍物的位置信息发送到显示器上，供操作人参考；

所述控制器运算处理过程如下：

当起重机沿系统规定的初始路径X轴方向运行时,超声波传感器组实时探测环境信息，当超声波传感器组探测到障碍物时，超声波传感器组将向控制器发送障碍物信息，控制器收到障碍物信号后向小车运行机构发送运行停止命令并开始执行沿Y轴方向的避障运动即向大车行走机构发送运行指令；若在执行避障运动时再次遇到障碍物，则控制器向大车行走机构发送运行停止命令，并向小车行走机构发送沿初始路径X轴反方向运行命令，执行二次避障运动；在二次避障运动执行完毕后，起重机继续完成一次避障运动；待执行完一次避障后，起重机回归系统规定的初始路径，并依据编码器所传递的信息控制起重机的运行直到将起重机运行至X 方向向量的目标位；

起重机结束X 方向向量运动后，开始执行沿Y轴方向向量的运动；此过程与X方向的运动完全相似，其区别在于控制器将控制起重机一次避障沿边运动沿X向量进行，二次避障运动沿Y向量运动。

2.根据权利要求1所述的一种桥式起重机智能运行控制系统其特征在于，所述安装架上共安装16个超声波传感器（12）。

3.    根据权利要求1所述的一种桥式起重机智能运行控制系统其特征在于，所述显示器为手持无线触屏式显示器。

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