CN110282553A - 桥式起重机路径规划方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种桥式起重机路径规划方法及系统，包括如下步骤：步骤S1：采集桥式起重机工作区域的环境图像，根据所述环境图像创建环境地图，其中，所述环境地图为二维模型地图；步骤S2：将所述环境地图分为若干个子区域后生成模糊路径；步骤S3：在若干个所述子区域上生成平面栅格图，将有障碍物的栅格和无障碍物的栅格采用不同颜色标识出；步骤S4：根据所述平面栅格图，在所述模糊路径上搜索出最优路径。本发明从桥式起重机在实际运行中的安全角度出发，在模糊路径上搜索具体路径，一方面有利于提高搜索出的路径的准确性和实际运行中的安全性，另一方面也有利于增强本发明的实用性和适用性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人路径规划，具体地，涉及一种桥式起重机路径规划方法及系统。
背景技术
桥式起重机主要由大车运行机构、小车运行机构、起升机构(吊具)及桥架构成。目前针对桥式起重机路径规划的研究主要是偏向于理论性的，通常只是考虑路径规划搜索过程中障碍物的位置，而忽视了桥式起重机在实际运行中可能遇到的吊具及所吊物料尺寸、大小车频繁制动影响因素，此时路径规划出的结果具有很明显的局限性，其实际可操作性和安全性不足。有时也会因考虑的因素不足，而造成很严重的安全事故，如：因在路径规划过程中未考虑吊具和所吊物料尺寸的大小，而是直接将吊具和所吊物料视为质点，这样势必会造成桥式起重机和障碍物发生碰撞。
另桥式起重机路径规划研究主要是集中在环境地图避障，通常只是将障碍物投射到平面进行分析。很少考虑到障碍物高度，尤其是在路径搜索起点到目标点之间存在着一整排障碍物，此时路径搜索进入到死循环，无法搜索到目标点，只有启动桥式起重机吊具将物料沿纵向提升，直到超过障碍物高度，才能继续进行下面的路径搜索。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种桥式起重机路径规划方法及系统。
根据本发明提供的桥式起重机路径规划方法，包括如下步骤：
步骤S1：采集桥式起重机工作区域的环境图像，根据所述环境图像创建环境地图，其中，所述环境地图为二维模型地图；
步骤S2：将所述环境地图分为若干个子区域后生成模糊路径；
步骤S3：在若干个所述子区域上生成平面栅格图，将有障碍物的栅格和无障碍物的栅格采用不同颜色标识出；
步骤S4：根据所述平面栅格图，在所述模糊路径上搜索出最优路径。
优选地，在步骤S3中采用栅格法对所述环境地图进行分解；
每一栅格的尺寸为所述桥式起重机的吊具半径和所吊物料半径中较大者。
优选地，所述步骤S4包括如下步骤：
步骤S401：分别选择所述桥式起重机的运行起点和目标点作为路径搜索起点进行路径搜索；
步骤S402：在所述平面栅格图中，从所述路径搜索起点进行相邻节点的扩展确定下一节点，且设定路径搜索起点周围扩展域中相邻节点的数量为四个；
步骤S403：将下一节点作为路径搜索起点重复执行步骤S402搜索出最优路径。
优选地，当多个相邻节点的代价函数F值相等时，对相邻节点设置优先级；
所述优先级具体为前一节点的右侧节点优先级最高，按逆时针旋转，相邻节点的优先级依次排列；
所述代价函数F值为：F(N)＝G(N)+H(N)
H(N)＝D*(abs(N.x-goal.x)+abs(N.y-goal.y))
其中，F(N)是节点N的代价函数，G(N)是在起始点到N节点的代价，H(N)是从N节点到终点的代价，D是一个栅格移动到相邻的栅格上的最小代价，N.x是起点横坐标，N.y是起点纵坐标，goal.x是目标点横坐标，goal.y是目标点纵坐标。
优选地，当步骤S2中无法生成模糊路径时，执行如下步骤：
步骤S5：基于所述环境地图跟据桥式起重机工作区域中测量出的每一障碍物的高度生成三维避障地图。
本发明提供的桥式起重机路径规划系统，包括信号采集处理单元和路径规划方法单元；
所述信号采集处理单元，用于实时采集和处理桥式起重机工作区域的环境图像，根据所述环境图像创建环境地图，其中，所述环境地图为二维模型地图；
所述路径规划单元包括二维避障单元和三维避障单元；
所述二维避障单元，用于将环境地图分为若干个子区域后生成模糊路径，在若干个所述子区域上生成平面栅格图，将有障碍物的栅格和无障碍物的栅格采用不同颜色标识出，根据所述平面栅格图，在所述模糊路径上搜索出最优路径；
所述三维避障单元，用于基于所述环境地图根据桥式起重机工作区域中测量出的每一障碍物的高度生成三维避障地图。
优选地，所述信号采集处理单元包括环境信息采集模块和环境信息处理模块；
所述环境信息采集模块，用于采集所述环境图像；
所述环境信息处理模块，用于对所述环境图像进行图像二值化处理，将无障碍物的区域阈值设置为1，通过白色显示，有障碍物的阈值设置为0，通过黑色显示。
优选地，所述三维避障单元包括激光测距仪单元；
所述激光测距仪单元，用于测量所述桥式起重机的吊具与前方的障碍物的距离S；
当桥式起重机工作时，当测量到前方的障碍物时，所述三维避障单元控制所述吊具将所吊物料在距离所述障碍物水平安全距离S安前，拉升至超过障碍物高度。
优选地，
当S≤S安时，控制所述桥式起重机在工作区域中停止运行，根据三维立体避障模型控制所述吊具向上拉升物料运行；
当S＝0时，控制所述桥式起重机的吊具停止运行，根据所述环境地图模型控制所述桥式起重机在工作区域中运行；
当S>S安时，同时根据所述环境地图模型和所述三维立体避障模型控制所述桥式起重机大小车及吊具同时运行。
优选地，当二维避障单元无法搜索出最优路径时，调用所述三维避障单元生成三维避障地图。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明从桥式起重机在实际运行中的安全角度出发，在模糊路径上搜索具体路径，一方面有利于提高搜索出的路径的准确性和实际运行中的安全性，另一方面也有利于增强本发明的实用性和适用性；
2、本发明当无法生成模糊路径时，即此时在起点和目标点之间被障碍物锁死，无法通过，则启用三维避障单元，通过纵向拉升吊具避开障碍物，避免了二维路径规划中死循环的问题；
3、本发明在每一栅格的尺寸为所述桥式起重机的吊具半径和所吊物料半径中较大者，栅格尺寸的选取更加科学，可增强桥式起重机路径规划的实际可操作性及安全性；
4、本发明中在路径搜索起点周围扩展域中8个相邻节点减少为4个相邻节点，一方面可以减少桥式起重机大小车频繁制动，提高桥式起重机防摇性能，另一方面可以使桥式起重机尽量多走直线，少走斜线。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例中桥式起重机路径规划方法的步骤流程图。
图2是本发明实施例中桥式起重机路径规划系统的工作流程图。
图3是本发明实施例中桥式起重机路径规划系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1是本发明实施例在路径规划方法的步骤流程图，如图1所示，本发明提供的桥式起重机路径规划方法，包括如下步骤：
步骤S1：采集桥式起重机工作区域的环境图像，根据所述环境图像创建环境地图，其中，所述环境地图为二维模型地图；
步骤S2：将所述环境地图分为若干个子区域后生成模糊路径；
步骤S3：在若干个所述子区域上生成平面栅格图，将有障碍物的栅格和无障碍物的栅格采用不同颜色标识出；
步骤S4：根据所述平面栅格图，在所述模糊路径上搜索出最优路径。
在本实施例中，所述环境地图为二维模型地图，具体为以桥式起重机的大车运行机构在桥架上运行的方向为X轴，小车运行机构在大车运行机构上运行的方向为Y轴，坐标原点为桥架左下角。
在本实施例中，在步骤S2中采用单元分解法将整个环境地图分成若干子区域后生成模糊路径。
在本实施例中，在步骤S3中采用栅格法对所述环境地图进行分解；
每一栅格的尺寸为所述桥式起重机的吊具半径和所吊物料半径中较大者。有障碍物的栅格采用黑色表示，无障碍物的栅格采用白色表示。
在本实施例中，所述步骤S4包括如下步骤：
步骤S401：分别选择所述桥式起重机的运行起点和目标点作为路径搜索起点进行路径索；
步骤S402：在所述平面栅格图中，从所述路径搜索起点进行相邻节点的扩展确定下一节点，且将路径搜索起点周围扩展域中的8个相邻节点减少为4个相邻节点；
步骤S403：将下一节点作为路径搜索起点重复执行步骤S402搜索出最优路径。
在本实施例中，在路径搜索起点周围扩展域中8个相邻节点减少为4个相邻节点，一方面可以减少桥式起重机大小车频繁制动，提高桥式起重机防摇性能。另一方面可以使桥式起重机尽量多走直线，少走斜线。
当多个相邻节点的代价函数F值相等时，对相邻节点设置优先级；
所述优先级具体为前一节点的右侧节点优先级最高，按逆时针旋转，相邻节点的优先级依次排列；
所述代价函数F值为：F(N)＝G(N)+H(N)
H(N)＝D*(abs(N.x-goal.x)+abs(N.y-goal.y))
其中，F(N)是节点N的代价函数，G(N)是在起始点到N节点的代价，H(N)是从N节点到终点的代价，D是一个栅格移动到相邻的栅格上的最小代价，N.x是起点横坐标，N.y是起点纵坐标，goal.x是目标点横坐标，goal.y是目标点纵坐标。
在本实施例中，采用改进型A*算法在模糊路径基础上搜索出最优路径。由于模糊路径可能有不止一条，此时改进型A*算法在不同模糊路径上同时搜索，最后求解出最优路径。
从桥式起重机在实际运行中的安全角度出发，改进型A*算法在模糊路径上搜索最优路径，一方面有利于搜索出的路径的准确性和实际运行中的安全性(双重验证)，另一方面也有利于增强本发明的实用性和适用性，当单元分解法无法生成模糊路径时，证明此时在运行起点和目标点之间被障碍物锁死，无法通过，只能启用三维避障单元，通过纵向拉升吊具避开障碍物。
本实施例中A*算法中的代价函数F选择曼哈顿距离，在变形例中还可以采用对角线距离、欧几里得距离等。
本发明提供的桥式起重机路径规划系统，用于执行所述的桥式起重机路径规划方法，还包括信号采集处理单元和路径规划方法单元；
所述信号采集处理单元，用于实时采集和处理桥式起重机工作区域的环境图像，根据所述环境图像创建环境地图，其中，所述环境地图为二维模型地图；
所述路径规划单元包括二维避障单元和三维避障单元；
所述二维避障单元，用于根据所述最优路径控制所述桥式起重机进行避障；
所述三维避障单元，用于基于所述环境地图根据桥式起重机工作区域中确定每一障碍物的高度生成三维避障地图，进而控制所述桥式起重机进行避障。
图2是本发明实施例中桥式起重机路径规划系统的工作流程图，如图2所示，当使用本发明实施例提供的桥式起重机路径规划系统时，首先通过信号采集处理单元生成环境地图，在所述环境地图中搜索最优路径。当路径搜索进入死循环，启用三维避障单元，启动吊具拉升物料，越过障碍物。当路径搜索未进入死循环，根据搜索到最优路径进行避障。
在本发明实施例中，所述信号采集处理单元包括环境信息采集模块和环境信息处理模块；
所述环境信息采集模块，用于采集所述环境图像；
所述环境信息处理模块，用于对所述环境图像进行图像二值化处理，将无障碍物的区域阈值设置为1，白色显示，有障碍物的阈值设置为0，黑色显示。
在本发明实施例中，所述三维避障单元包括激光测距仪单元；
所述激光测距仪单元，用于测量所述桥式起重机的吊具与前方的障碍物的距离S；
当桥式起重机工作时，当测量到前方的障碍物时，所述三维避障单元控制所述吊具将所吊物料在距离所述障碍物水平安全距离S安前，拉升到超过障碍物高度。
当S≤S安时，控制所述桥式起重机在环境地图上停止运行，所述桥式起重机大小车在X、Y轴方向停止运行，根据三维立体避障模型控制所述吊具向上拉升物料运行；
当S＝0时，控制所述桥式起重机的吊具停止运行，根据所述环境地图模型控制所述桥式起重机在工作区域中运行，激光测距仪测量前方无障碍桥式起重机吊具停止运行，大小车运行；
当S>S安时，同时根据所述环境地图模型和所述三维立体避障模型控制所述桥式起重机大小车及吊具同时运行。
图3是本发明实施例中桥式起重机路径规划系统的结构示意图，图3所示，本发明提供的路径规划系统，还包括上位机和控制单元。上位机可以实时接收信息采集处理单元发送的环境地图，并将所述环境地图在上位机等比例显示。本实施例中控制单元包括PLC和变频器。即PLC发出控制命令，变频器在接受到控制命令后，驱动桥式起重机电机运行。当控制单元在收到路径规划方法单元传输的路径坐标后，立刻启用PLC和变频器来控制桥式起重机沿路径坐标运行。
在本实施例中，本发明从桥式起重机在实际运行中的安全角度出发，在模糊路径上搜索具体路径，一方面有利于提高搜索出的路径的准确性和实际运行中的安全性，另一方面也有利于增强本发明的实用性和适用性；本发明当无法生成模糊路径时，证明此时在起点和目标点之间被障碍物锁死，无法通过，只能启用三维避障单元，通过纵向拉升吊具避开障碍物，避免了二维路径规划中死循环的问题。本发明在每一栅格的尺寸为所述桥式起重机的吊具半径和所吊物料半径中较大者，栅格尺寸的选取更加科学，可增强桥式起重机路径规划的实际可操作性及安全性；本发明中在路径搜索起点周围扩展域中8个相邻节点减少为4个相邻节点，一方面可以减少桥式起重机大小车频繁制动，提高桥式起重机防摇性能，另一方面可以使桥式起重机尽量多走直线，少走斜线。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种桥式起重机路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：采集桥式起重机工作区域的环境图像，根据所述环境图像创建环境地图，其中，所述环境地图为二维模型地图；
步骤S2：将所述环境地图分为若干个子区域后生成模糊路径；
步骤S3：在若干个所述子区域上生成平面栅格图，将有障碍物的栅格和无障碍物的栅格采用不同颜色标识出；
步骤S4：根据所述平面栅格图，在所述模糊路径上搜索出最优路径。
2.根据权利要求1所述的桥式起重机路径规划方法，其特征在于，在步骤S3中采用栅格法对所述环境地图进行分解；
每一栅格的尺寸为所述桥式起重机的吊具半径和所吊物料半径中较大者。
3.根据权利要求1所述的桥式起重机路径规划方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下步骤：
步骤S401：分别选择所述桥式起重机的运行起点和目标点作为路径搜索起点进行路径搜索；
步骤S402：在所述平面栅格图中，从所述路径搜索起点进行相邻节点的扩展确定下一节点，且设定路径搜索起点周围扩展域中相邻节点的数量为四个；
步骤S403：将下一节点作为路径搜索起点重复执行步骤S402搜索出最优路径。
4.根据权利要求3所述的桥式起重机路径规划方法，其特征在于，当多个相邻节点的代价函数F值相等时，对相邻节点设置优先级；
所述优先级具体为前一节点的右侧节点优先级最高，按逆时针旋转，相邻节点的优先级依次排列；
所述代价函数F值为：F(N)＝G(N)+H(N)
H(N)＝D*(abs(N.x-goal.x)+abs(N.y-goal.y))
其中，F(N)是节点N的代价函数，G(N)是在起始点到N节点的代价，H(N)是从N节点到终点的代价，D是一个栅格移动到相邻的栅格上的最小代价，N.x是起点横坐标，N.y是起点纵坐标，goal.x是目标点横坐标，goal.y是目标点纵坐标。
5.根据权利要求1所述的桥式起重机路径规划方法，其特征在于，当步骤S2中无法生成模糊路径时，执行如下步骤：
步骤S5：基于所述环境地图跟据桥式起重机工作区域中测量出的每一障碍物的高度生成三维避障地图。
6.一种桥式起重机路径规划系统，其特征在于，包括信号采集处理单元和路径规划方法单元；
所述信号采集处理单元，用于实时采集和处理桥式起重机工作区域的环境图像，根据所述环境图像创建环境地图，其中，所述环境地图为二维模型地图；
所述路径规划单元包括二维避障单元和三维避障单元；
所述二维避障单元，用于将环境地图分为若干个子区域后生成模糊路径，在若干个所述子区域上生成平面栅格图，将有障碍物的栅格和无障碍物的栅格采用不同颜色标识出，根据所述平面栅格图，在所述模糊路径上搜索出最优路径；
所述三维避障单元，用于基于所述环境地图根据桥式起重机工作区域中测量出的每一障碍物的高度生成三维避障地图。
7.根据权利要求6所述的桥式起重机路径规划系统，其特征在于，所述信号采集处理单元包括环境信息采集模块和环境信息处理模块；
所述环境信息采集模块，用于采集所述环境图像；
所述环境信息处理模块，用于对所述环境图像进行图像二值化处理，将无障碍物的区域阈值设置为1，通过白色显示，有障碍物的阈值设置为0，通过黑色显示。
8.根据权利要求6所述的桥式起重机路径规划系统，其特征在于，所述三维避障单元包括激光测距仪单元；
所述激光测距仪单元，用于测量所述桥式起重机的吊具与前方的障碍物的距离S；
当桥式起重机工作时，当测量到前方的障碍物时，所述三维避障单元控制所述吊具将所吊物料在距离所述障碍物水平安全距离S安前，拉升至超过障碍物高度。
9.根据权利要求8所述的桥式起重机路径规划系统，其特征在于，
当S≤S安时，控制所述桥式起重机在工作区域中停止运行，根据三维立体避障模型控制所述吊具向上拉升物料运行；
当S＝0时，控制所述桥式起重机的吊具停止运行，根据所述环境地图模型控制所述桥式起重机在工作区域中运行；
当S>S安时，同时根据所述环境地图模型和所述三维立体避障模型控制所述桥式起重机大小车及吊具同时运行。
10.根据权利要求6所述的桥式起重机路径规划系统，其特征在于，当二维避障单元无法搜索出最优路径时，调用所述三维避障单元生成三维避障地图。
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