CN110803638B - 基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法，步骤包括：步骤1：建立动臂塔机臂架模型；步骤2：计算两台动臂塔机臂架空间的最短距离；步骤3：判断动臂塔机碰撞危险程度；步骤4：分析动臂塔机行为灵敏度；步骤5：对动臂塔机臂架实施防碰撞被动截断控制。本发明的方法，通过空间距离对行为的灵敏度实现危险操作的判断，提高了碰撞识别的效率以及准确性，通过对塔机危险操作实施被动截断控制，利用危险程度采取减速控制或者停止控制策略，解决了动臂塔机臂架复杂姿态的空间防碰碰撞控制问题。

Description

基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法

技术领域

本发明属于塔群安全控制技术领域，涉及一种基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法。

背景技术

目前施工现场常用的塔式起重机有水平臂架式塔机(以下简称水平塔机)以及动臂臂架式塔机(以下简称动臂塔机)。随着经济的发展，建筑楼群的密集，使塔机的工作空间受限，同时，高层建筑由于结构工程占地面积小，钢结构构件重，水平臂塔机的起重量和起重力矩都很难满足要求；动臂塔机起重量大，且起重臂的俯仰运动为塔机作业创造了更多空间，因此建筑行业中的动臂塔机应用越来越普遍，然而，动臂塔机的防碰撞问题却被忽视了。

早在上世纪90年代，欧洲、美国已有多家公司研发了塔群防碰撞系统，对危险行为进行控制，从而避免由于操作失误导致的塔机碰撞事故。

国内塔机防碰撞系统起步较晚，2010年中国专利“塔式起重机智能预警系统“(CN101885451A，公开日2010.11.17)给出了系统组成，没有谈及算法；2013年中国专利“一种复杂群集行走式塔机防碰撞系统及监控方法”(CN103863958.A，公开日2014.06.18)，利用GNSS接受机实现了移动塔机的位置检测，以及与周边目标的距离检测，实现防碰撞；2014年中国专利“一种塔机安全监控系统及监控方法”(CN104058343A，公开日2014.09.24)，给出了监控系统由单机监控以及多机远程平台组成，利用GPSi信号获得塔机的位置；Zigbee模块实现单机监控系统系统通讯，防碰撞则利用塔机臂架之间的最短距离；2015年中国专利“一种宽检测范围的塔机吊臂防碰撞探测器”(CN205132994U，公开日2016.04.06)，将超声波传感器形成阵列布置，用于检测周边目标距离；但上述算法主要是针对水平臂架塔机碰撞检测，没有涉及动臂塔机。由此可见，国内群塔防碰撞研究存在以下问题：

1)各种专利以及学术报道都主要涉及群塔防碰撞系统组成以及塔机运行状态检测方法，对于群塔之间的防碰撞计算与控制则只考虑水平臂架的塔机防碰撞，没有涉及动臂塔机的防碰撞问题。然而，国标GB/T26471-2011“塔式起重机安装与拆卸规则”中规定：存在碰撞危险的两台塔机安装高度差必须大于2米。在这种情况下，根据塔机的运动特点，水平塔机只会发生高塔机吊钩碰低塔机臂架，而水平塔机臂架间不能发生碰撞，然而，动臂塔机由于臂架的俯仰运动，动臂塔机之间或动避塔机与水平塔机之间不可避免的可能发生臂架碰撞，因此，实际工况下，动臂塔机的碰撞风险更大；

2)现有的防碰撞算法采用的最小距离判断塔机碰撞风险的方法，无法识别塔机危险的行为，然而，塔机防碰撞系统不但要判断塔机之间碰撞的风险，同时要准确识别塔机碰撞的危险操作，最终能对危险操作实现控制，从而避免危险的发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法，解决了动臂塔机臂架的防碰撞控制问题，并且避免了动臂塔机大惯性臂架的控制对塔机造成的冲击振动。

本发明所采用的技术方案是，一种基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法，按以下步骤实施：

步骤1：建立动臂塔机臂架模型，

设动臂塔机所在位置坐标为x₀,y₀,z₀；塔机臂架高为H；塔机臂架长为L；

与动臂塔机臂架模型有关的塔机状态参数有：塔机当前的回转角θ以及臂架俯仰角γ；

在三维坐标系xyz中，动臂塔机臂架的两端点A和B的坐标分别为：

A(x₀,y₀,z₀+H)，

B(x₀+Lcosθcosγ,y₀+Lsinθcosγ,H+z₀+Lsinγ)；

步骤2：计算两台动臂塔机臂架空间的最短距离，

假设两台塔机TC₁与TC₂分别位于(x₁,y₁,z₁)以及(x₂,y₂,z₂)，两个臂架分别为MN以及CD，两个臂架长分别为L₁以及L₂，两个塔机臂架高分别为H₁以及H₂；两台塔机当前的回转角θ以及臂架俯仰角γ分别为(θ₁,γ₁)以及(θ₂,γ₂)，

设P是塔机TC₁臂架MN上一点，P点与臂架端M点之间距离s，则P点坐标(x_p,y_p,z_p)为：

设Q是塔机TC₂臂架CD上一点，Q点与臂架端C点的距离t，则Q点坐标(x_Q,y_Q,z_Q)为：

当两台塔机的位置分别为(x₁,y₁,z₁)(x₂,y₂,z₂)，两个臂架长分别为L₁以及L₂，两个臂架高为H₁以及H₂确定的情况下，PQ两点之间的空间距离只与两台塔机当前状态的回转角度θ以及臂架俯仰角度γ有关，PQ两点距离的平方为：

R²(θ₁,γ₁,θ₂,γ₂)＝(x_p-x_Q)²+(y_p-y_Q)²+(z_p-z_Q)²； (3)

两台塔机臂架空间最短距离R_min满足以下条件：

得到两台动臂塔机臂架在当前位姿下最短距离，

如果0≤s≤1,0≤t≤1，则将s,t代入式(1)以及式(2)，得到两台塔机臂架在当前位姿下的P点坐标及Q点坐标，再将P点坐标及Q点坐标代入式(3)，得到臂架MN与CD之间的最短空间距离R_min；

如果不满足0≤s≤1,0≤t≤1，则确认臂架MN与CD之间的最短空间距离R_min为N点到CD的距离与D点到MN之间距离的最小值；

步骤3：判断动臂塔机碰撞危险程度，

设两动臂塔机臂架碰撞危险阈值为R_D，根据步骤2计算得到的两臂架的最短空间距离R_min，判断如下：

如果R_min<R_D，则判断两塔机处于碰撞危险状态；

如果R_min>R_D，则两塔机暂无碰撞危险；

步骤4：分析动臂塔机行为灵敏度，

当R_min小于系统设定的碰撞危险阈值R_D，需要进一步判断塔机的危险操作行为，动臂塔机臂架状态由回转角度θ以及俯仰角度γ决定；

步骤5：对动臂塔机臂架实施防碰撞被动截断控制。

本发明的有益效果是，根据空间最短距离识别动臂塔机臂架的碰撞可能，在此基础上，通过空间距离对行为的灵敏度实现危险操作的判断，提高了碰撞识别的效率以及准确性，最后，利用防碰撞系统的继电器常开触点输出，实施对危险操作的被动截断控制，并利用空间最短距离决定采取减速控制或者停止控制策略，解决了动臂塔机臂架复杂姿态的空间防碰碰撞识别与控制问题。

附图说明

图1是本发明方法动臂塔机臂架空间模型；

图2是本发明方法动臂塔机臂架间空间距离示意图；

图3是本发明方法动臂塔机臂架碰撞危险操作示意图，其中，图3a是向下作趴臂运动示意图。图3b是回转运动示意图；

图4是本发明方法动臂塔机防碰撞被动截断控制逻辑图；

图5是本发明方法实施例控制方式示意图，其中，图5a是趴臂采取减速控制，截断趴臂高速的控制方式示意图；图5b是臂架的左转采取减速控制，截断左转高速的控制方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的防碰撞识别与控制方法，基于行为灵敏度的动臂塔机臂架运转原理，按照以下步骤实施：

步骤1：建立动臂塔机臂架模型，

参照图1，设动臂塔机所在位置坐标为x₀,y₀,z₀；塔机臂架高为H；塔机臂架长为L；与动臂塔机臂架模型有关的塔机状态参数有：塔机当前的回转角θ以及臂架俯仰角γ；在图1的三维坐标系xyz中，动臂塔机臂架的两端点A和B的坐标分别为：

A(x₀,y₀,z₀+H)，

B(x₀+Lcosθcosγ,y₀+Lsinθcosγ,H+z₀+Lsinγ)；

步骤2：计算两台动臂塔机臂架空间的最短距离，

参照图2，为两台动臂塔机TC₁与TC₂之间的臂架空间距离示意图，假设两台塔机TC₁与TC₂分别位于(x₁,y₁,z₁)以及(x₂,y₂,z₂)，两个臂架分别为MN以及CD，两个臂架长分别为L₁以及L₂，两个塔机臂架高分别为H₁以及H₂；两台塔机当前的回转角θ以及臂架俯仰角γ分别为(θ₁,γ₁)以及(θ₂,γ₂)，

设P是塔机TC₁臂架MN上一点，P点与臂架端M点之间距离s，则P点坐标(x_p,y_p,z_p)为：

设Q是塔机TC₂臂架CD上一点，Q点与臂架端C点的距离t，则Q点坐标(x_Q,y_Q,z_Q)为：

当两台塔机的位置分别为(x₁,y₁,z₁)(x₂,y₂,z₂)，两个臂架长分别为L₁以及L₂，两个臂架高为H₁以及H₂确定的情况下，PQ两点之间的空间距离只与两台塔机当前状态的回转角度θ以及臂架俯仰角度γ有关，PQ两点距离的平方为：

R²(θ₁,γ₁,θ₂,γ₂)＝(x_p-x_Q)²+(y_p-y_Q)²+(z_p-z_Q)²； (3)

两台塔机臂架空间最短距离R_min满足以下条件：

上述方法可以计算两台动臂塔机臂架在当前位姿下最短距离，由式(4)计算参数s,t时，两台塔机的回转角度以及俯仰角θ₁,γ₁,θ₂,γ₂取决于塔机臂架当前的位姿，在当前位姿下可以计算当前的参数s,t；当两台动臂塔机臂架位姿变化，参数s,t是不同，即不同位姿下，两台动臂塔机臂架最短距离不同。因此，在当前位姿下，由式(4)计算常数s,t时，两台塔机的回转角度以及俯仰角θ₁,γ₁,θ₂,γ₂是确定的当前位置参数。

如果0≤s≤1,0≤t≤1，则将s,t代入式(1)以及式(2)，得到两台塔机臂架在当前位姿下，P点坐标，以及Q点坐标，再将P点以及Q点坐标代入式(3)，得到臂架MN与CD之间的最短空间距离R_min；

如果不满足0≤s≤1,0≤t≤1，则确认臂架MN与CD之间的最短空间距离R_min为N点到CD的距离与D点到MN之间距离的最小值；

步骤3：判断动臂塔机碰撞危险程度，

设两动臂塔机臂架碰撞危险阈值为R_D，根据步骤2计算得到的两臂架的最短空间距离R_min，判断如下：

如果R_min<R_D，则判断两塔机处于碰撞危险状态；

如果R_min>R_D，则两塔机暂无碰撞危险；

步骤4：分析动臂塔机行为灵敏度(即判断危险行为)，

当R_min小于系统设定的碰撞危险阈值R_D，需要进一步判断塔机的危险操作行为，根据图1，动臂塔机臂架状态由回转角度θ以及俯仰角度γ决定，图4为两台动臂塔机TC1以及TC2臂架碰撞行为示意图，从图3a可以看出，塔机TC1臂架MN向下作趴臂运动，到达MN'的位置(俯仰角为γ')时，TC1与TC2将发生臂架的碰撞；从图3b可以看出，塔机TC2的臂架左转到达CD'的位置(回转角度为θ')，TC1与TC2将发生臂架的碰撞，由此可见，在同一种空间姿态情况下，两台塔机的各自危险操作是不同的。

本发明对塔机碰撞危险操作的判断是基于相邻臂架空间最短距离R_min对各自塔机的行为灵敏度来分析的。

以塔机TC1的行为灵敏度分析为例，假设塔机TC2相对静止，即此时θ₂,γ₂为常数，定义TC1的转动灵敏度以及俯仰灵敏度为：

式(5)中，s_±θ代表左右转动的灵敏度；s_±γ代表臂架俯仰运动的灵敏度；当塔机某操作的灵敏度为负，代表该操作使得塔机臂架的空间距离R_min减小，该操作动作被认为是危险操作，会导致动臂塔机臂架发生碰撞；相反，该操作动作被确认为安全行为；

步骤5：对动臂塔机臂架实施防碰撞被动截断控制，

塔机防碰撞控制的基本原则为：当臂架最短空间距离R_min小于碰撞危险阈值R_D，则动臂塔机臂架之间具有碰撞危险，此时需要控制动臂塔机臂架继续向危险方向的运动，但允许塔机向安全方向的运动(即允许反方向运动)。塔机的运动是由司机主导的，司机通过操作控制手柄将司机的操作意图(塔机的运动信号以及档速信号)传递到塔机控制电气柜，电气柜再控制相应电机实现塔机运动如图4。防碰撞系统不能直接控制司机的操作意图，防碰撞系统对塔机的控制采用被动截断控制模式。动臂塔机防碰撞系统采用继电器开关量的控制输出，输出为继电器的常开触点，该触点信号串联在塔机手柄信号与塔机控制电气柜之间的电气回路中如图4。

当防碰撞系统识别到塔机无碰撞危险时，继电器输出闭合，当识别到碰撞危险行为后，防碰撞系统相应继电器输出触点打开，截断相应运动的手柄信号的传递路径如图4，司机的运动控制信号无法传递到塔机运动电机，从而被动截止了塔机向危险方向的运动，实现塔机防碰撞危险行为的控制。

考虑动臂塔机臂架惯性大，为了减小由于臂架高速停止对塔机的冲击，结合塔机运动具有低速以及高速的不同档位，动臂塔机臂架的防碰撞控制采用了减速控制与停止控制。对应于动臂塔机臂架的转动与俯仰运动，防碰撞系统采用了8个继电器开关量输出，分别对应为：臂架左转减速、臂架左转停止、臂架右转减速、臂架右转停止、臂架趴臂减速、臂架趴臂停止、臂架仰臂减速、臂架仰臂停止。设两动臂塔机臂架碰撞减速阈值(即臂架碰撞危险阈值)为R_D，碰撞停止阈值为R_S，如果两动臂塔机臂架最短空间距离R_min满足R_S<R_min<R_D，则对臂架危险行为采取减速控制，相应的减速继电器输出断开危险行为的高速回路；如果R_min满足R_min<R_S，则对臂架危险行为采取停止控制，相应的停止继电器输出断开危险行为的低速回路。

实施例

设有两台相邻动臂塔机TC_a和TC_b，设两台塔机的工地坐标位置(单位为米)分别为TC_a(x_a＝10,y_a＝0,z_a＝0)和TC_b(x_b＝56.5,y_b＝7.02,z_b＝0)；两台塔机结构参数分别为：TC_a的臂架长为45米，臂架高40米；TC_b臂架长为50米，臂架高45米；两台塔机当前的回转角度θ以及臂架俯仰角度γ见表1所示。

表1、两台塔机臂架位置

塔机	臂架回转角θ	臂架俯仰角γ	塔机	臂架回转角θ	臂架俯仰角γ
						TC<sub>a</sub>	0°	42.89°	TC<sub>b</sub>	190.55°	18.76°

根据本发明上述防碰撞识别与控制方法，具体实施过程如下：

步骤1：由动臂塔机臂架模型得到两塔机TC_a和TC_b的臂架端点坐标分别为：(10,0,40)，(43,0,72.4)，(56.5,7,45)，(9.6,16,58.4)；

步骤2：计算得到两臂架之间的空间最短距离R_min＝12.5米；

步骤3：动臂塔机臂架碰撞危险判断；

考虑动臂塔机臂架的惯性，设两塔机碰撞危险阈值(即碰撞危险距离)R_D＝15米，根据步骤2计算的动臂塔机臂架之间的距离R_min＝12.5米，由于R_min<R_D，可以判断出该两台动臂塔机臂架处于碰撞危险状态。

步骤4：由式(5)对两台动臂塔机分别进行行为灵敏度分析，并识别危险行为，结果如表2。由表2可以看出，当前状态下，塔机TC_a臂架的趴臂是危险操作，需要截断控制，其他方向的操作为安全的；塔机TC_b臂架的左转是危险操作，需要截断控制，其他方向的操作为安全的。

表2、两台塔机行为灵敏度

塔机	臂架左转s<sub>θ</sub>	臂架右转s<sub>-θ</sub>	臂架仰臂s<sub>γ</sub>	臂架趴臂s<sub>-γ</sub>
					TC<sub>a</sub>	正	正	正	负/危险行为
TC<sub>b</sub>	负/危险行为	正	正	正

步骤5：继电器输出控制，设动臂塔机臂架碰撞停止阈值R_S＝10米，由于R_min>R_S，因此，防碰撞系统应对塔机TC_a的趴臂采取减速控制，截断趴臂高速，控制方式见图5a；同时，对塔机TC_b臂架的左转采取减速控制，截断左转高速，控制方式见图5b。

综上所述，本发明对于动臂塔机臂架的防碰撞识别与控制方法，通过臂架间的空间距离判断塔机臂架的碰撞可能，在此基础上，通过距离对行为的灵敏度识别塔机危险操作，进而对危险操作进行被动的截断控制，保留可以继续向安全方向的运动，解决了动臂塔机臂架的防碰撞快速识别与准确控制问题。

Claims (5)

1.一种基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法，其特征在于，按以下步骤实施：

步骤1：建立动臂塔机臂架模型，

设动臂塔机所在位置坐标为x₀,y₀,z₀；塔机臂架高为H；塔机臂架长为L；

与动臂塔机臂架模型有关的塔机状态参数有：塔机当前的回转角θ以及臂架俯仰角γ；

在三维坐标系xyz中，动臂塔机臂架的两端点A和B的坐标分别为：

A(x₀,y₀,z₀+H)，

B(x₀+Lcosθcosγ,y₀+Lsinθcosγ,H+z₀+Lsinγ)；

步骤2：计算两台动臂塔机臂架空间的最短距离，

假设两台塔机TC₁与TC₂分别位于(x₁,y₁,z₁)以及(x₂,y₂,z₂)，两个臂架分别为MN以及CD，两个臂架长分别为L₁以及L₂，两个塔机臂架高分别为H₁以及H₂；两台塔机当前的回转角θ以及臂架俯仰角γ分别为(θ₁,γ₁)以及(θ₂,γ₂)，

设P是塔机TC₁臂架MN上一点，P点与臂架端M点之间距离s，则P点坐标(x_p,y_p,z_p)为：

设Q是塔机TC₂臂架CD上一点，Q点与臂架端C点的距离t，则Q点坐标(x_Q,y_Q,z_Q)为：

当两台塔机的位置分别为(x₁,y₁,z₁)(x₂,y₂,z₂)，两个臂架长分别为L₁以及L₂，两个臂架高为H₁以及H₂确定的情况下，PQ两点之间的空间距离只与两台塔机当前状态的回转角度θ以及臂架俯仰角度γ有关，PQ两点距离的平方为：

R²(θ₁,γ₁,θ₂,γ₂)＝(x_p-x_Q)²+(y_p-y_Q)²+(z_p-z_Q)²； (3)

两台塔机臂架空间最短距离R_min满足以下条件：

得到两台动臂塔机臂架在当前位姿下最短距离，

如果0≤s≤1,0≤t≤1，则将s,t代入式(1)以及式(2)，得到两台塔机臂架在当前位姿下的P点坐标及Q点坐标，再将P点坐标及Q点坐标代入式(3)，得到臂架MN与CD之间的最短空间距离R_min；

如果不满足0≤s≤1,0≤t≤1，则确认臂架MN与CD之间的最短空间距离R_min为N点到CD的距离与D点到MN之间距离的最小值；

步骤3：判断动臂塔机碰撞危险程度，

设两动臂塔机臂架碰撞危险阈值为R_D，根据步骤2计算得到的两臂架的最短空间距离R_min，判断如下：

如果R_min<R_D，则判断两塔机处于碰撞危险状态；

如果R_min>R_D，则两塔机暂无碰撞危险；

步骤4：分析动臂塔机行为灵敏度，

当R_min小于系统设定的碰撞危险阈值R_D，需要进一步判断塔机的危险操作行为，动臂塔机臂架状态由回转角度θ以及俯仰角度γ决定；

步骤5：对动臂塔机臂架实施防碰撞被动截断控制。

2.根据权利要求1所述的基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体过程是，

由式(4)计算参数s,t时，两台塔机的回转角度以及俯仰角θ₁,γ₁,θ₂,γ₂取决于塔机臂架当前的位姿，在当前位姿下可以计算当前的参数s,t；当两台动臂塔机臂架位姿变化，参数s,t是不同，即不同位姿下，两台动臂塔机臂架最短距离不同，因此，在当前位姿下，由式(4)计算常数s,t时，两台塔机的回转角度以及俯仰角θ₁,γ₁,θ₂,γ₂是确定的当前位置参数。

3.根据权利要求1所述的基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法，其特征在于，所述的步骤4中，具体过程是，

对塔机碰撞危险操作的判断基于相邻臂架空间最短距离R_min对各自塔机的行为灵敏度来分析，

假设塔机TC2相对静止，即此时θ₂,γ₂为常数，定义TC1的转动灵敏度以及俯仰灵敏度为：

式(5)中，s_±θ代表左右转动的灵敏度；s_±γ代表臂架俯仰运动的灵敏度；当塔机某操作的灵敏度为负，代表该操作使得塔机臂架的空间距离R_min减小，该操作动作被认为是危险操作，会导致动臂塔机臂架发生碰撞；相反，该操作动作被确认为安全行为。

4.根据权利要求1所述的基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法，其特征在于，所述的步骤5中，具体过程是，

塔机防碰撞控制的基本原则为：当臂架最短空间距离R_min小于碰撞危险阈值R_D，则动臂塔机臂架之间具有碰撞危险，此时需要控制动臂塔机臂架继续向危险方向的运动，但允许塔机向安全方向的运动，

防碰撞系统对塔机的控制采用被动截断控制模式，动臂塔机防碰撞系统采用继电器开关量的控制输出，输出为继电器的常开触点，该触点信号串联在塔机手柄信号与塔机控制电气柜之间的电气回路中，

当防碰撞系统识别到塔机无碰撞危险时，继电器输出闭合，当识别到碰撞危险行为后，防碰撞系统相应继电器输出触点打开，截断相应运动的手柄信号的传递路径，司机的运动控制信号无法传递到塔机运动电机，从而被动截止了塔机向危险方向的运动，实现塔机防碰撞危险行为的控制。

5.根据权利要求1所述的基于行为灵敏度的动臂塔机臂架防碰撞识别与控制方法，其特征在于，所述的步骤5中，具体过程是，

动臂塔机臂架的防碰撞控制采用减速控制与停止控制，对应于动臂塔机臂架的转动与俯仰运动，防碰撞系统采用了8个继电器开关量输出，分别对应为：臂架左转减速、臂架左转停止、臂架右转减速、臂架右转停止、臂架趴臂减速、臂架趴臂停止、臂架仰臂减速、臂架仰臂停止；

设两动臂塔机臂架碰撞减速阈值为R_D，碰撞停止阈值为R_S，如果两动臂塔机臂架最短空间距离R_min满足R_S<R_min<R_D，则对臂架危险行为采取减速控制，相应的减速继电器输出断开危险行为的高速回路；如果R_min满足R_min<R_S，则对臂架危险行为采取停止控制，相应的停止继电器输出断开危险行为的低速回路。

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