CN110104561B - 一种障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统 - Google Patents

一种障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统 Download PDF

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Abstract

一种障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统，它包括定位基站以及设置在障碍物和吊物上设有定位标签，定位基站与坐标计算模块相连，定位基站实时向坐标计算模块传送数据，坐标计算模块用于计算出障碍物和吊物的实时坐标，坐标计算模块的输出端与吊物运输路径规划模块的输入端连接，吊物运输路径规划模块的输出端与起重机控制模块的输入端连接。本发明的目的是提供一种应用在起重作业运输路径规划、具有降低能耗和提高工作效率且能让现场控制人员实时获知吊物运输情况的系统及其使用方法。

Description

一种障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统
技术领域
本发明属于起重作业安全工效领域，涉及超宽带定位技术，同时运用图论知识，寻找最优路径，是一种障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统及装置。
背景技术
起重作业常常与其它作业在有限空间内同时进行，与地面作业区域在空间上重叠，易形成立体交叉的空间冲突，产生高空坠物和物体打击等安全事故，增加作业安全风险。为了避开立体交叉作业区域，起重驾驶员通常操作天车绕行多重障碍物，使得吊物迹线变长，增加机械能耗，降低起重作业效率。因此，研究基于交叉作业避让的地下厂房起重运输方式，探究起重运输的最佳作业迹线，对于避免起重作业安全事故发生和提高起重作业效率具有重要意义。
随着定位技术的发展与运用，特别是室内定位技术(包含WiFi、BLE、Zigbee、UWB、RFID等技术)的广泛使用，推动着各行各业朝着自动化、智能化发展。其中，超宽带(UWB)定位技术是一种信号穿透力强、定位精度高的室内精确定位技术，定位精度为5-10cm，可用于矿山、隧洞、电厂等特殊场合的定位，并且成本较低。将超宽带定位技术运用于起重作业避障和吊物运输实时监控，可以避免起重驾驶员因作业疲劳或者疏忽导致的作业事故。同时结合图论知识，利用Dijkstra最短路径算法寻找出最佳运输路径，实现高效率起重运输作业，为自动化起重作业提供良好的条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用在起重作业运输路径规划、具有降低能耗和提高工作效率且能让现场控制人员实时获知吊物运输情况的系统及其使用方法。
一种障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统，它包括定位基站以及设置在障碍物和吊物上设有定位标签，定位基站与坐标计算模块相连，定位基站实时向坐标计算模块传送数据，坐标计算模块用于计算出障碍物和吊物的实时坐标，坐标计算模块的输出端与吊物运输路径规划模块的输入端连接，吊物运输路径规划模块的输出端与起重机控制模块的输入端连接。
上述吊物运输路径规划模块的输出端还与显示模块连接。
一种障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统，系统在使用时，采用以下步骤：
1)在起重作业区域内布置定位基站，在障碍物和吊物上布置定位标签，定位基站与坐标计算模块相连接，并实时向坐标计算模块传送数据，坐标计算模块可以计算出障碍物和吊物的实时坐标；
2)坐标计算模块与吊物运输路径规划模块相连接，将坐标数据传输给吊物运输路径规划模块，吊物运输路径规划模块计算出吊物最佳运输路径；
3)显示模块用于显示最佳运输路径和吊物实时运动轨迹，起重机控制模块与吊物运输路径规划模块相连接，用于控制起重机按照最佳路径运行。
上述在坐标计算模块计算坐标之前，需要建立三维坐标系，并确定原点位置。
上述定位基站布置在起重机桥架下方，并与桥架下部垂直距离不超过2m；基站与基站之间布设距离不超过50m；基站的坐标是已知的。
上述定位标签包括障碍物定位标签和吊钩、吊物定位标签。
在步骤2)中，吊物运输路径规划模块的规划步骤如下：
1)构造避障生成图，定义m个障碍物形成的障碍物顶点坐标集合为C＝{C1,C2,...,C4m}，定义吊物运输起点和终点坐标集合为P＝{P1,P2,P3,P4}，将吊物运输的起点和终点以及障碍物顶点相互连接，去除直接从障碍物内部穿过的连线，形成P∪C无向连通图；
2)构造避障生成树，根据步骤1)中构造的避障生成图，计算每条连线的距离，应用最短路径算法找出吊物运输起点与终点距离最短的连线组合，并去除其他的连线，形成避障生成树；
3)构造避障直角生成树，在步骤2)的基础上，将各点之间的连线改造为平行于坐标轴的线段组合；
4)构造避障最小直角Steiner树，根据吊物顶点与吊钩底部的最大水平距离，对避障直角生成树进行局部细化；
5)结合直角Steiner树的性质，对避障最小直角Steiner树中非必要的拐点进行删除，形成吊物运输最佳路径；
6)计算每条边的长度，得出吊物运输的总长度。
在障碍物定位标签布置时，对于障碍物是长方体或者正方体，且边与坐标系的坐标轴平行的情况下，选取长方体或正方体对角线上的两个顶点布置定位标签；其他情况下，需要对障碍物做辅助线，形成恰好使障碍物被完全包围的辅助长方体或正方体，且辅助长方体或正方体的边与坐标系的坐标轴平行，选取辅助长方体或正方体对角线上的两个顶点布置定位标签。
在吊钩或吊物的定位标签布置时，吊钩的定位标签布置在吊钩的最底部；吊钩将吊物吊起，待吊物静止后，将吊物的定位标签布置在与吊钩定位标签水平距离最大的顶点上。
上述定位基站为超宽带定位基站，定位标签为超宽带定位标签。
采用上述技术方案，使得本发明具有以下技术效果；
1)本发明提供的迹线规划算法，能够有效降低能耗和提高工作效率，同时将起重机驾驶员从繁重的重复性劳动中解放出来，节省人力资源提高经济效益；
2)本发明采用的定位方法既能满足精度的要求，同时成本较低；
3)本发明实现起重作业的智能控制，同时能够让现场控制人员实时监控工作情况。
附图说明
图1为起重作业迹线规划系统流程图；
图2为定位基站布置图；
图3为障碍物定位标签布置图；
图4为吊钩和吊物定位标签布置图；
图5为迹线规划算法程序框图。
具体实施方式
一种障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统，它包括定位基站1以及设置在障碍物和吊物上的定位标签3，定位基站1与坐标计算模块2相连，定位基站1实时向坐标计算模块2传送数据，坐标计算模块2用于计算出障碍物和吊物的实时坐标，坐标计算模块2的输出端与吊物运输路径规划模块4的输入端连接，吊物运输路径规划模块4的输出端与起重机控制模块5的输入端连接。
进一步的，吊物运输路径规划模块4的输出端还与显示模块6连接。
系统在使用时，采用以下步骤：
1)在起重作业区域内布置定位基站1，在障碍物和吊物上布置定位标签3，定位基站1与坐标计算模块2相连接，并实时向坐标计算模块2传送数据，捕捉吊物的运动轨迹和障碍物的位置变化，坐标计算模块2计算出障碍物和吊物的实时坐标；
2)坐标计算模块2与吊物运输路径规划模块4相连接，将坐标数据实时传输给吊物运输路径规划模块4，吊物运输路径规划模块4依据实时坐标数据，计算出吊物当前最佳运输路径；
3)显示模块6用于显示最佳运输路径和吊物实时运动轨迹，便于控制人员观察和校正，起重机控制模块5与吊物运输路径规划模块4相连接，用于控制起重机按照最佳路径运行。
在步骤1)中在坐标计算模块2计算坐标之前，需要建立三维坐标系，并确定原点位置，这样不仅可以获取定位基站1的已知坐标，而且便于坐标计算模块2计算出障碍物和吊物的坐标。
在步骤1)中，定位基站1布置在起重机桥架下方，并与桥架下部垂直距离不超过2m，确保定位基站1能够覆盖到整个作业面；考虑到定位基站1发射的脉冲电波遇障碍物衰减的特性和起重作业环境的复杂性，基站与基站之间布设距离不宜超过50m；确保基站的坐标是已知的，便于坐标计算模块2计算坐标。
可以选择的，坐标计算模块2包括型号为STM32F407ZGT6的单片机，吊物运输路径规划模块4包括型号为X3650M4的IBM服务器，起重机控制模块5包括型号为YKK-PB3c的西门子PLC控制器。
具体的，定位标签3包括障碍物定位标签和吊钩、吊物定位标签。
在步骤2)中，吊物运输路径规划模块4的规划步骤如下：
1)构造避障生成图，定义m个障碍物形成的障碍物顶点坐标集合为C＝{C1,C2,...,C4m}，定义吊物运输起点和终点坐标集合为P＝{P1,P2,P3,P4}，将吊物运输的起点和终点以及障碍物顶点相互连接，去除直接从障碍物内部穿过的连线，形成P∪C无向连通图；
2)构造避障生成树，根据步骤1)中构造的避障生成图，计算每条连线的距离，应用Dijkstra最短路径算法找出吊物运输起点与终点距离最短的连线组合，并去除其他的连线，形成避障生成树；
3)构造避障直角生成树，虑到起重机的运动方式，在步骤2)的基础上，考将各点之间的连线改造为平行于坐标轴的线段组合；
4)构造避障最小直角Steiner树，根据吊物顶点与吊钩底部的最大水平距离，对避障直角生成树进行局部细化，保证障碍物与吊物不会发生碰撞；
5)结合直角Steiner树的性质，对避障最小直角Steiner树中非必要的拐点进行删除，形成吊物运输最佳路径；
6)计算每条边的长度，得出吊物运输的总长度，依据起重机工作参数，可以计算出起重机运输作业时间和功耗。
在障碍物定位标签布置时，对于障碍物是长方体或者正方体，且边与坐标系的坐标轴平行的情况下，选取长方体或正方体对角线上的两个顶点布置定位标签；其他情况下，需要对障碍物做辅助线，形成恰好使障碍物被完全包围的辅助长方体或正方体，且辅助长方体或正方体的边与坐标系的坐标轴平行，选取辅助长方体或正方体对角线上的两个顶点布置定位标签。每个障碍物只需要两个定位标签，即可确定障碍物的三维包络空间。不仅节约成本，而且定位标签数量较少，便于定位基站确定定位标签的位置。
在吊钩或吊物的定位标签布置时，吊钩的定位标签布置在吊钩的最底部，保证定位标签与吊物重心在一条竖直线上；吊钩将吊物吊起，待吊物静止后，将吊物的定位标签布置在与吊钩定位标签水平距离最大的顶点上，确保吊物运输时，吊物的最外边缘不会与障碍物发生碰撞。
具体的，考虑到起重作业环境的复杂性和危险性，选用超宽带定位技术，保证定位精度高，同时成本较低，因此，定位基站1为超宽带定位基站，定位标签3为超宽带定位标签。

Claims (4)

1.一种障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统，其特征在于：它包括定位基站(1)以及设置在障碍物和吊物上的定位标签(3)，定位基站(1)与坐标计算模块(2)相连，定位基站(1)实时向坐标计算模块(2)传送数据，坐标计算模块(2)用于计算出障碍物和吊物的实时坐标，坐标计算模块(2)的输出端与吊物运输路径规划模块(4)的输入端连接，吊物运输路径规划模块(4)的输出端与起重机控制模块(5)的输入端连接；吊物运输路径规划模块(4)的输出端还与显示模块(6)连接；
系统在使用时，采用以下步骤：
1)在起重作业区域内布置定位基站(1)，在障碍物和吊物上布置定位标签(3)，定位基站(1)与坐标计算模块(2)相连接，并实时向坐标计算模块(2)传送数据，坐标计算模块(2)可以计算出障碍物和吊物的实时坐标；
2)坐标计算模块(2)与吊物运输路径规划模块(4)相连接，将坐标数据传输给吊物运输路径规划模块(4)，吊物运输路径规划模块(4)计算出吊物最佳运输路径；
3)显示模块(6)用于显示最佳运输路径和吊物实时运动轨迹，起重机控制模块(5)与吊物运输路径规划模块(4)相连接，用于控制起重机按照最佳路径运行；
在步骤1)中在坐标计算模块计算坐标之前，需要建立三维坐标系，并确定原点位置；
在步骤2)中，吊物运输路径规划模块(4)的规划步骤如下：
(1)构造避障生成图，定义m个障碍物形成的障碍物顶点坐标集合为C＝{C1,C2,...,C4m}，定义吊物运输起点和终点坐标集合为P＝{P1,P2,P3,P4}，将吊物运输的起点和终点以及障碍物顶点相互连接，去除直接从障碍物内部穿过的连线，形成P∪C无向连通图；
(2)构造避障生成树，根据步骤(1)中构造的避障生成图，计算每条连线的距离，应用最短路径算法找出吊物运输起点与终点距离最短的连线组合，并去除其他的连线，形成避障生成树；
(3)构造避障直角生成树，在步骤(2)的基础上，将各点之间的连线改造为平行于坐标轴的线段组合；
(4)对避障直角生成树进行局部细化；
(5)形成吊物运输最佳路径。
2.根据权利要求1所述的障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统，其特征在于，在障碍物定位标签布置时，对于障碍物是长方体或者正方体，且边与坐标系的坐标轴平行的情况下，选取长方体或正方体对角线上的两个顶点布置定位标签；其他情况下，需要对障碍物做辅助线，形成恰好使障碍物被完全包围的辅助长方体或正方体，且辅助长方体或正方体的边与坐标系的坐标轴平行，选取辅助长方体或正方体对角线上的两个顶点布置定位标签。
3.根据权利要求1或2所述的障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统，其特征在于：在吊钩或吊物的定位标签布置时，吊钩的定位标签布置在吊钩的最底部；吊钩将吊物吊起，待吊物静止后，将吊物的定位标签布置在与吊钩定位标签水平距离最大的顶点上。
4.根据权利要求1或2所述的障碍空间下起重作业吊物迹线规划系统，其特征在于：所述定位基站(1)为超宽带定位基站，定位标签为超宽带定位标签。
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