CN110888903B - 起重机自动化连续搬运作业的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种起重机自动化连续搬运作业的方法及系统，方法包括：构建起重机三维空间坐标系，用三维空间坐标系中的位置坐标表示货物的初始位置和卸载位置以形成初始位置信息数据库和卸载位置信息数据库，结合起重机实际装卸作业特点自动生成卸载顺序数据库和装载顺序数据库以及装卸路径数据库，然后将上述数据库转换成起重机的控制器可以识别的数据结构以生成装、卸载及搬运路径指令。本发明的方法根据起重机实际作业要求，限定了最短距离计算中搜索对象货物的数量，大幅度减少了系统计算次数和时间，确保了系统更顺畅运行；充分考虑了起重机实际操作经验和规律，具有实用价值；实现了起重机自动化连续搬运作业，提升了作业效率和安全性。

Description

起重机自动化连续搬运作业的方法及系统
技术领域
本发明涉及起重运输机械及物料搬运技术领域，具体为一种起重机自动化连续搬运作业的方法及系统，该方法在起重机货物三维位置信息数据库的智能构建方法的基础上，将理论研究方法与实际装卸作业要求及起重机的作业特点进行有机结合，优化并自动生成有效的起重机货物装载、卸载顺序及货物的连续搬运路径，实现了起重机自动化连续搬运作业。
背景技术
集装箱港口以及集装箱堆场用起重设备是实现集装箱装卸作业的关键设备，随着港口装运量及船舶大型化的快速发展，许多港口面临熟练操作司机短缺、及提升装卸作业效率方面的压力，因此，港口运营商对自动化、智能化、能24小时连续作业的自动化起重设备的需求日益凸现，在此背景下，港口自动化作业起重机的开发与实际应用成为起重机装备领域最重要的研究课题之一，能实现起重机作业自动化的自动化起重设备的开发与研究成为港口起重设备未来研究的重要方向。
在大批量集装箱装卸作业港口或堆场，起重设备需要连续完成批量集装箱从指定对象区域吊运到目的区域的装卸作业，实现大批量货物的自动化装卸作业，必须解决以下两个最基本问题：1.以什么样的顺序进行装卸作业效率最高；2.这些优化的装卸顺序如何自动生成起重机可执行的控制指令，使起重机能连续自动完成批量集装箱的装卸作业。以上两大问题是实现起重机装卸作业自动化的关键技术，必须采取有效方法进行研究解决。
起重机自动化、智能化研究目前还处于起步阶段，尚无查阅到可借鉴的研究方法和可比较的研究结果。
发明内容
本发明以实现起重机自动化连续搬运作业为目标，提出了一种起重机自动化连续搬运作业的方法，能够将批量货物的位置信息以三维坐标形式存储并形成各种数据库，通过所述各种数据库的建立可以方便系统快速调用数据库内货物的位置信息，进而方便对货物的搬运顺序和作业路径进行分析和优化，另外所述各种数据库可以方便的转换成起重机的控制器能自动识别的数据结构并生成各种控制指令，能够轻松实现起重机自动化连续搬运作业。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种起重机自动化连续搬运作业的方法，包括如下步骤：
S1、建立三维空间坐标系，以起重机装载货物在大、小车运行和垂直下降三个运动方向的极限位置点作为所述三维空间坐标系的原点，以起重机的小车、大车和起升机构的运行方向分别作为所述三维空间坐标系的X、Y、Z方向；
S2、定义初始堆放的货物数量为m件，建立m件货物的初始位置与所述三维空间坐标系的对应关系，得到初始位置信息数据库；
S3、定义m件货物中有n件货物需要搬运并卸载，建立n件货物的卸载位置与所述三维空间坐标系的对应关系，得到卸载位置信息数据库；
S4、制定卸载顺序规则并将所述卸载位置信息数据库按照所述卸载顺序规则进行排序，得到卸载顺序数据库；
S5、依次选取所述卸载顺序数据库中的所述卸载位置的位置坐标，以所述卸载位置的位置坐标为起点搜索所有可装载货物中距离所述卸载位置最近的货物作为目标装载货物，将所述目标装载货物的初始位置的位置坐标顺序存储，得到与所述卸载顺序数据库对应的装载顺序数据库；
S6、建立装卸路径数据库结构：
Figure GDA0003875079330000021
其中，Ccontrol表示为起重机将n件货物全部搬运完成的路径，
Figure GDA0003875079330000022
表示为从所述装载顺序数据库中依次提取的n件货物的初始位置，
Figure GDA0003875079330000023
表示为从所述卸载顺序数据库中依次提取的n件货物的卸载位置，
Figure GDA0003875079330000024
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000025
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000026
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000031
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标；
顺序交替提取所述装载顺序数据库和所述卸载顺序数据库中的位置坐标并输入至所述装卸路径数据库结构中，得到装卸路径数据库。
S7、将所述装载顺序数据库、所述卸载顺序数据库及所述装卸路径数据库均转换成起重机的控制器可以识别的数据结构并导入至所述控制器中，分别形成装载指令、卸载指令及搬运指令。
本发明起重机自动化连续搬运作业的方法的进一步改进在于，步骤S5中的所有可装载货物通过计算确定，包括如下步骤：
S5-1、比较当前所述初始位置信息数据库中所有初始位置的位置坐标中的X、Y、Z值；
S5-2、以X、Y值相等为基础将所有位置坐标分成多组；
S5-3、选取每组中Z值最大的位置坐标所对应的货物作为所述可装载货物。
本发明起重机自动化连续搬运作业的方法的进一步改进在于，步骤S4中的所述卸载顺序规则为按照所述卸载位置相对于所述货物搬运前初始位置依次采用由低到高、由远及近的规则进行排序。
本发明还提供了一种起重机自动化连续搬运作业的系统，包括：
三维空间坐标系建立模块，用以建立三维空间坐标系，以起重机装载货物在大、小车运行和垂直下降三个运动方向的极限位置点作为所述三维空间坐标系的原点，以起重机的小车、大车和起升机构的运行方向分别作为所述三维空间坐标系的X、Y、Z方向；
初始位置信息数据库形成模块，用以建立m件货物的初始位置与所述三维空间坐标系的对应关系，得到初始位置信息数据库；
卸载位置信息数据库形成模块，用以建立m件货物中需要卸载的n件货物的卸载位置与所述三维空间坐标系的对应关系，得到卸载位置信息数据库；
卸载顺序数据库形成模块，用以制定卸载顺序规则并将所述卸载位置信息数据库按照所述卸载顺序规则进行排序，得到卸载顺序数据库；
目标装载货物确定模块，用以依次选取所述卸载顺序数据库中的所述卸载位置的位置坐标，以所述卸载位置的位置坐标为起点搜索所有可装载货物中距离所述卸载位置最近的货物作为目标装载货物输出；
装载顺序数据库形成模块，用以建立装载顺序数据库结构，并依次提取所述目标装载货物的初始位置的位置坐标并顺序输入所述装载顺序数据库结构中以得到装载顺序数据库；
装卸路径数据库形成模块，用以建立装卸路径数据库结构，顺序交替提取所述装载顺序数据库和所述卸载顺序数据库中的位置坐标并输入至所述装卸路径数据库结构中以得到装卸路径数据库，所述装卸路径数据库结构为：
Figure GDA0003875079330000041
其中，Ccontrol表示为起重机将n件货物全部搬运完成的路径，
Figure GDA0003875079330000042
表示为从所述装载顺序数据库中依次提取的n件货物的初始位置，
Figure GDA0003875079330000043
表示为从所述卸载顺序数据库中依次提取的n件货物的卸载位置，
Figure GDA0003875079330000044
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000045
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000046
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000047
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标；
数据转换模块，用以将所述装载顺序数据库、所述卸载顺序数据库及所述装卸路径数据库转换成起重机的控制器可以识别的数据结构并输出。
本发明起重机自动化连续搬运作业的系统的进一步改进在于，所述目标装载货物确定模块还包括可装载货物确定单元，所述可装载货物确定单元用以计算所述初始位置信息数据库中的所有货物的所述初始位置信息的X、Y、Z值，以X、Y值相等为基础将所述初始位置信息分组，并将每组中Z值最大的所述初始位置的位置坐标所对应的货物作为所述可装载货物，当所述目标装载货物输出所述目标装载货物时，同时将当前所述目标装载货物的初始位置的位置坐标从所述初始位置信息数据库中隐藏；
本发明起重机自动化连续搬运作业的系统的进一步改进在于，所述卸载顺序数据库形成模块中的所述卸载顺序规则为按照所述卸载位置相对于所述货物搬运前初始位置依次采用由低到高、由远及近的规则进行排序。
本发明包括且不限于以下有益效果：本发明以实现起重机自动化、智能化作业为目标，提出了起重机装卸作业过程中货物装载和卸载顺序优化和自动生成技术，通过起重机多工况多场合装卸作业三维仿真试验，验证了本发明方法的有效性。提出的起重机装卸作业过程中货物装载和卸载顺序生成规则、求解方法和操作指令自动生成技术充分考虑了起重机实际操作经验和规律，因此具有实用价值，此外本发明的方法根据起重机实际作业要求，限定了最短距离计算中搜索对象货物的数量，提出了新的搜索和优化计算方法，大幅度减少了系统计算次数和计算时间，确保了系统更顺畅运行，实现了起重机自动化连续搬运作业，充分发挥了起重机有效作业能力，提升了作业效率和作业安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示出了货物的卸载顺序的理论搜索方法示意图；
图2示出了理论搜索卸载位置的方法和实际卸载状态的差异示意图；
图3示出了理论搜索装载货物的方法和实际装载状态的差异示意图；
图4示出了本发明方法中货物的初始堆放状态为不规则时的示意图；
图5示出了本发明方法中货物的初始堆放状态为规则时的示意图；
图6示出了起重机对多层货物进行卸载的基本规则示意图；
图7示出了本发明方法中不同卸货区域与货物的初始位置之间的位置关系以及每个卸货区域的卸载顺序示意图；
图8示出了本发明方法中搜寻可装载货物示意图；
图9示出了本发明方法中起重机装载顺序搜索和自动生成流程图；
图10示出了起重机连续自动完成图5状态货物搬运作业全过程的仿真试验结果；
图11示出了起重机连续自动完成图5状态货物搬运作业的路径走向和路径数量示意图；
图12示出了起重机连续自动完成图4状态货物搬运作业全过程的仿真试验结果。
具体实施方式
起重机在进行一定数量货物的连续装卸作业时，为了得到起重机最短的搬运作业路径并最终获得装卸作业顺序序列指令，需要对所有理论可选择路径的搬运距离进行计算、分析和比较，根据计算、比较结果选择并存储搬运距离最短的卸载位置或货载位置，依次类推，最终完成全部货物和卸载位置的计算。
起重机理论可选择路径数量随着装卸货物数量的增大而爆发性地增长，以起重机从m件货物中搬运n件货物到指定目的卸载地点的搬运作业为例，参阅图1，图1示出了货物的卸载顺序的理论搜索方法示意图，图中的p1，p2，...，pm分别表示m件货物初始堆放的装载位置，u1，u2，...，un分别表示需搬运的n件货物的卸载位置，由图可知，起重机从装载位置p1装载第一件货物进行搬运作业时，由于此时所有n个卸载位置均为空置位，如果没有设定任何优化约束条件，此时，起重机可以有n条理论搬运路径可以选择，也就是说起重机完成第一件货物的搬运作业，可以通过n个不同的作业路径实现；起重机完成第一件货物的搬运和卸载作业后，返回第二件货物的装载位置准备进行第二件货物的搬运作业时，除了已搬运掉的第一件货物外，有(m-1)件货物可以被起重机选择为第二件货物，也就是说，起重机可以有(m-1)条不同的路径返回到第二件货物的装载位置。起重机完成将m件货物中的n件货物搬运到卸载位置的全部作业，理论上总路径数量有
Figure GDA0003875079330000061
条。
以起重机从2万件货物中连续搬运1万件货物为例，根据上式计算得到的起重机理论总路径数量超过1.5亿条之多，而实际起重机完成1万件货物的搬运作业，实际作业路径数量只有2万条。从1.5亿条起重机理论可选择路径中优化出2万条起重机实际可执行的路径，并自动获得与作业路径相对应的装卸作业顺序，需要庞大的计算量。随着起重机连续搬运货物数量的增加，起重机理论路径数量会快速增多，计算工作量也会进一步增大，为此必须大幅度缩小起重机搬运作业时被搬运货物的搜索范围；
此外，起重机在进行货物的卸载作业时，有基本的操作工艺要求，单纯从能耗最小距离最短等考虑，很难实际解决此类问题。也就是说，约束条件仅仅考虑路径最短得到的优化结果理论上是最优解，但实际是无法满足起重机连续自动化作业的。
以图2所示的卸载作业为例，批量货物初始堆放位置M位于接近空间三维坐标原点的位置区域，起重机从该批货物中搬运6件货物到指定的目的卸货区域N，6件货物的卸载位置状态如图2所示，按照图2所示的卸载位置和卸载状态，起重机搬运第一件货物No.1到卸货区准备卸载时，理论最短路径卸载位置应该是图2所示的6号位，但实际上在1～5号卸货位货物尚未到位前，货物无法在6号位卸载；
以图3所示的装载作业为例，假设第一件货物的卸载位置位于图3右侧所示的1号位置，以该卸载位置为起点开始搜索距离最近的货物时，如图3左侧所示的1号货物为第一件目标装载货物，但从起重机的基本作业要求看，堆积在1号货物上面的2～5号货物在没有被装载并搬离以前，1号货物是无法首先被装载并搬运的。
因此，需要结合起重机实际装卸作业工艺和搬运作业流程要求修正理论搜索方法，限定最短距离计算中搜索对象货物的数量，提出了新的搜索和优化计算方法，减少系统计算次数和计算时间，确保系统更顺畅运行，进而实现起重机自动化连续搬运作业，充分发挥起重机有效作业能力，提升作业效率和作业安全性。
下面结合公式与附图对本发明所涉及的一种起重机自动化连续搬运作业的方法进行详细的说明。
一种起重机自动化连续搬运作业的方法，包括如下步骤：
S1、建立三维空间坐标系，以起重机装载货物在大、小车运行和垂直下降三个运动方向的极限位置点作为三维空间坐标系的原点，以起重机的小车、大车和起升机构的运行方向分别作为三维空间坐标系的X、Y、Z方向；
S2、定义初始堆放的货物数量为m件，建立m件货物的初始位置与三维空间坐标系的对应关系，得到初始位置信息数据库；
S3、定义m件货物中有n件货物需要搬运并卸载，建立n件货物的卸载位置与三维空间坐标系的对应关系，得到卸载位置信息数据库；
S4、制定卸载顺序规则并将卸载位置信息数据库按照卸载顺序规则进行排序，得到卸载顺序数据库；
S5、依次选取卸载顺序数据库中的卸载位置的位置坐标，以卸载位置的位置坐标为起点搜索所有可装载货物中距离卸载位置最近的货物作为目标装载货物，将目标装载货物的初始位置的位置坐标顺序存储，得到与卸载顺序数据库对应的装载顺序数据库；
S6、建立装卸路径数据库结构，如公式(1)所示：
Figure GDA0003875079330000081
其中，Ccontrol表示为起重机将n件货物全部搬运完成的路径，
Figure GDA0003875079330000082
表示为从所述装载顺序数据库中依次提取的n件货物的初始位置，
Figure GDA0003875079330000083
表示为从所述卸载顺序数据库中依次提取的n件货物的卸载位置，
Figure GDA0003875079330000084
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000085
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000086
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000087
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标；
顺序交替提取装载顺序数据库和卸载顺序数据库中的位置坐标并输入至装卸路径数据库结构中，得到装卸路径数据库。
S7、将装载顺序数据库、卸载顺序数据库及装卸路径数据库均转换成起重机的控制器可以识别的数据结构并导入至控制器中，分别形成装载指令、卸载指令及搬运指令。
参阅图4和图5，在本实施例的步骤S1中的小车、大车和起升机构为起重机的三大机构，大车运行机构实现起重机水平移动、小车运行机构驱动小车实现小车在主梁轨道上的水平移动、起升机构实现起重机取物装置的升降作业，通过起重机三维空间坐标系的建立，使货物的整个搬运过程都在三维空间坐标系所定义的三维空间内进行，将货物看作质点，用货物的几何中心所对应的位置坐标作为货物的位置坐标。
在步骤S2中，首先定义m件货物与三维空间坐标系中X、Y、Z方向相对应的列、行、层数分别为λP、τP、εP，然后分两种情况建立m件货物的初始位置信息数据库：
一是当货物的初始堆放状态为不规则时，如图4所示，即当λP×τP×εP≠m时，将m件货物的初始位置表示为P＝{P1，P2，...，Pm}，建立初始位置P与三维空间坐标系的对应关系，得到第一初始位置信息数据库结构，如公式(2)所示：
Figure GDA0003875079330000091
其中，XP、YP、ZP分别表示初始位置P在X、Y、Z方向的位置坐标，xpi、ypi、zpi分别表示第i件货物在X、Y、Z方向的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000092
分别表示第m件货物在X、Y、Z方向的位置坐标；
将所有货物的初始位置的位置坐标按照预设的导入规则顺序输入至第一初始位置信息数据库结构中，以得到按照指定顺序存储的初始位置信息数据库；上述导入规则需满足使初始位置信息数据库便于后续搬运顺序优化等分析计算时快速便捷地调用和存储数据，同时确保货物的相对位置关系清晰，便于系统准确判断货物空间位置关系；
二是当货物的初始堆放状态为规则时，如图5所示，即λP×τP×εP＝m时，定义m件货物中距离三维空间坐标系原点最近的货物的位置坐标为(xp1,yp1,zp1)，定义m件货物的X、Y、Z方向的间隔距离分别为ζPx、ζPy、ζPz，结合上述导入规则将第一初始位置信息数据库结构变形为第二初始位置信息数据库结构，如公式(3)所示：
Figure GDA0003875079330000093
其中，
Figure GDA0003875079330000094
Figure GDA0003875079330000095
是λP个
Figure GDA0003875079330000096
构成的矩阵，
Figure GDA0003875079330000097
是λP个
Figure GDA0003875079330000098
构成的矩阵，
Figure GDA0003875079330000099
是λP个zp1构成的矩阵，
Figure GDA00038750793300000910
是λP个
Figure GDA00038750793300000911
构成的矩阵；
采用第二初始位置信息数据库结构，只需获取距离三维空间坐标系原点最近的货物的位置坐标、m件货物与三维空间坐标系中X、Y、Z方向相对应的列、行、层数及m件货物的X、Y、Z方向的间隔距离即可自动生成按照顺序存储的初始位置信息数据库。
由于在实际装卸作业过程中，会得到明确的货物卸载指令，该卸载指令根据货物种类和搬运工艺不同一般分为指定卸载货位和指定卸货区域两种：指定卸载货位就是给出每件货物的卸载位置，司机严格按照该卸载指令将每件指定的货物搬运和卸载到指定货位；指定卸货区域就是给定一个卸货区域，司机根据经验安排卸载顺序并连续将计划数量的货物搬运并卸载到给定卸货区域。在接收到上述指定卸载货位的卸载指令情况下，由于每件货物以及该货物的卸载位置均被指定，货物卸载指令可以直接转化为连续卸载顺序指令，系统顺序执行该指令可以实现计划数量货物的连续搬运作业；在接收到上述指定卸货区域的卸载指令情况下，要自动获得货物连续卸载顺序指令，必须制定并给定卸货区域的卸载顺序规则，而制定卸载顺序规则的前提是需要有卸载位置信息数据库作为数据基础。
因此，本实施例在步骤S3中针对指定卸货区域的卸载指令情况对n件需要卸载的货物建立卸载位置信息数据库，具体地，对于指定卸货区域的货物卸载指令情况，卸载位置的放置状态通常为规则的，所以本实施例参考公式(3)的第二初始位置数据库结构来建立卸载位置数据库结构，如公式(4)所示：
Figure GDA0003875079330000101
其中，U＝{U1，U2，...，Un}为n件需要卸载的货物于卸货区域的卸载位置，Xu、Yu、Zu分别表示卸载位置U在X、Y、Z方向的位置坐标，(xu1,yu1,zu1)为n个卸载位置中距离三维空间坐标系原点最近的卸载位置的位置坐标，λu、τu、εu分别为n个卸载位置与三维空间坐标系中X、Y、Z方向相对应的列、行、层数，且λu×τu×εu＝n，ζux、ζuy、ζuz分别为n个卸载位置的X、Y、Z方向的间隔距离，Xuu＝[xu1 xu1+ζux … xu1+ζux(λu-1)]，
Figure GDA0003875079330000107
是λu个yu1构成的矩阵，
Figure GDA0003875079330000103
是λu个
Figure GDA0003875079330000104
构成的矩阵，
Figure GDA0003875079330000108
是λu个zu1构成的矩阵，
Figure GDA0003875079330000105
是λu个
Figure GDA0003875079330000106
构成的矩阵；
通过上述卸载位置信息数据库结构的建立，仅需获取n个卸载位置中距离三维空间坐标系原点最近的卸载位置的位置坐标、n个卸载位置与三维空间坐标系中X、Y、Z方向相对应的列、行、层数及n个卸载位置的X、Y、Z方向的间隔距离即可自动生成按照顺序存储的卸载位置信息数据库。
步骤S4结合实际装卸作业要求及起重机的作业特点对卸货区域制定卸载顺序规则，对于卸载指令是指定卸货区域的情况，司机通常遵循一定的基本规则进行货物的搬运和卸载作业，参阅图6所示，当货物的卸载状态为多层的情况下，通常是先将货物卸载在最下一层，随后一层一层依次卸载。当货物的卸载状态只有一层的情况下，通常是先将货物卸载在离货物的初始位置最远的卸载位置，随后依次从远到近的卸货顺序完成其它货物的搬运作业。也就是说，司机在货物装卸作业时遵从先卸载的货物不会影响后续装卸作业的基本原则。针对上述基本原则制定按照卸载位置相对于货物搬运前初始位置依次采用由低到高、由远及近的顺序卸载的卸载顺序规则，可以按照该卸载顺序规则对卸载位置信息数据库进行重新排序，也可以结合该卸载顺序规则将公式(4)的卸载位置信息数据库结构变形为如公式(5)所示的卸载顺序数据库结构：
Figure GDA0003875079330000111
无论通过哪种方式，最终都将得到按照卸载顺序规则排列的卸载顺序数据库，如公式(6)所示：
Figure GDA0003875079330000112
其中，
Figure GDA0003875079330000113
表示为m件货物中需卸载的n件货物的卸载位置，Xuc、Yuc、Zuc分别表示需卸载的n件货物的卸载位置Ku在X、Y、Z方向的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000114
分别表示需卸载的第i件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000115
分别表示需卸载的第n件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标。另外，参阅图7所示，由于货物的卸载顺序通常与卸货区域位于货物搬运前初始位置M的相对位置有关，因此，本发明实施例根据卸货区域相对于货物搬运前初始位置M的相对位置关系以货物搬运前初始位置M为中心定义8个卸货区域(即1～8号)，并对每个卸货区域建立卸载位置信息数据库以及制定适配的卸载顺序规则(即先序号1后序号2的顺序)，根据适配的卸载顺序规则对每个卸载位置信息数据库重新排序，以得到更加符合实际卸货习惯的有效的卸载顺序数据库。在起重机实际进行搬运作业时，根据卸货指令所制定的卸货区域位于货物初始位置的相对位置关系，选择适合的卸载顺序数据库。
参阅图9，步骤S5为建立装载顺序数据库的步骤，在建立好货物的初始位置信息数据库及卸载顺序数据库的基础上，首先针对需卸载的货物建立装载顺序数据库结构，如公式(7)所示：
Figure GDA0003875079330000121
其中，
Figure GDA0003875079330000122
表示为m件货物中需装载的n件货物的初始位置，Xpc、Ypc、Zpc分别表示需装载的n件货物的初始位置KP在X、Y、Z方向的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000123
分别表示需装载的第i件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000124
分别表示需装载的第n件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标；
然后针对卸载位置搜索目标装载货物，具体分成两种情况：
在货物的初始堆放状态为单层情况下，首先，以货物卸载顺序数据库中的第1个卸载位置的位置坐标为起点开始从全部m件货物中搜索搬运路径最短(通过计算卸载位置到每件搜索货物的初始位置的距离并比较获得)的货物，搜索到的该货物成为第1件目标装载货物，系统自动将该目标装载货物的初始位置的位置坐标存储在预先建立好的装载顺序数据库结构中，该目标装载货物的初始位置的位置坐标就成为货物的装载顺序数据库中第1组装载货物的坐标数据；其次，以货物卸载顺序数据库中的第2个卸载位置的位置坐标为起点开始从全部m-1件货物中搜索下一件搬运路径最短的货物，搜索到的该货物成为第2件目标装载货物，系统同样自动将该目标装载货物的初始位置的位置坐标存储在装载顺序数据库结构中；按照以上方法反复搜索
Figure GDA0003875079330000125
次，最终获得所有需装载和搬运货物的装载顺序，以及包含所有n件需装载货物的装载顺序数据库，如公式(7)所示，公式(7)所示的数据库有n列数据，第1列起到第n列的3行的数值分别为货物装载顺序中的第1件装载货物到第n件装载货物的初始位置的位置坐标，且依次按照装载从先到后的顺序从矩阵的左侧排列到右侧。
参阅图8，在货物的初始堆放状态为多层的情况下，货物装载顺序搜索范围须被限制在放置于最上层的货物(即图8中被标记O的货物)。每次搜索目标装载货物时均先确认可装载货物范围，并于可装载货物范围内搜索距离当前卸载位置搬运路径最短的货物，通过对可装载货物范围的限定，大大减少了系统的计算量。
在步骤S6中，顺序交替提取公式(7)所示的装载顺序数据库和公式(6)所示的卸载顺序数据库中的位置坐标并输入至公式(1)所示的装卸路径数据库结构中，得到装卸路径数据库。再通过步骤S7，将装载顺序数据库、卸载顺序数据库及装卸路径数据库均转换成起重机的控制器可以识别的数据结构并导入至控制器中，分别形成装载指令、卸载指令及搬运指令。至此，起重机即可按照各种指令实现批量货物的自动化连续搬运作业。
进一步地，在步骤S5中的所有可装载货物通过计算确定，包括如下步骤：
S5-1、比较当前初始位置信息数据库中所有初始位置的位置坐标中的X、Y、Z值；
S5-2、以X、Y值相等为基础将所有位置坐标分成多组；
S5-3、选取每组中Z值最大的位置坐标所对应的货物作为可装载货物。
通过上述改进，利用货物的三维位置信息存储形式，通过比较货物的位置坐标中Z值的大小可以自动筛选出放置于最上层的货物，并且根据数据库中位置坐标的Z值的比较可以自动识别货物的堆放状态为单层或多层，有效实现对可装载货物的确定，进而自动生成起重机货物的装载顺序数据库。
本发明基于起重机自动化连续搬运作业的方法提供了一种起重机自动化连续搬运作业的系统，包括：
三维空间坐标系建立模块，用以建立三维空间坐标系，以起重机装载货物在大、小车运行和垂直下降三个运动方向的极限位置点作为三维空间坐标系的原点，以起重机的小车、大车和起升机构的运行方向分别作为三维空间坐标系的X、Y、Z方向；
初始位置信息数据库形成模块，用以建立m件货物的初始位置与三维空间坐标系的对应关系，得到初始位置信息数据库；
卸载位置信息数据库形成模块，用以建立m件货物中需要搬运并卸载的n件货物的卸载位置与三维空间坐标系的对应关系，得到卸载位置信息数据库；
卸载顺序数据库形成模块，用以制定卸载顺序规则并将卸载位置信息数据库按照卸载顺序规则进行排序，得到卸载顺序数据库；
目标装载货物确定模块，用以依次选取卸载顺序数据库中的卸载位置的位置坐标，以卸载位置的位置坐标为起点搜索所有可装载货物中距离卸载位置最近的货物作为目标装载货物输出；
装载顺序数据库形成模块，用以建立装载顺序数据库结构，并依次提取目标装载货物的初始位置的位置坐标并顺序输入装载顺序数据库结构中以得到装载顺序数据库；
装卸路径数据库形成模块，用以建立装卸路径数据库结构，顺序交替提取装载顺序数据库和卸载顺序数据库中的位置坐标并输入至装卸路径数据库结构中以得到装卸路径数据库，装卸路径数据库结构为：
Figure GDA0003875079330000141
其中，Ccontrol表示为起重机将n件货物全部搬运完成的路径，
Figure GDA0003875079330000142
表示为从所述装载顺序数据库中依次提取的n件货物的初始位置，
Figure GDA0003875079330000143
表示为从所述卸载顺序数据库中依次提取的n件货物的卸载位置，
Figure GDA0003875079330000144
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000145
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000146
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure GDA0003875079330000147
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标；
数据转换模块，用以将装载顺序数据库、卸载顺序数据库及装卸路径数据库转换成起重机的控制器可以识别的数据结构并输出。
进一步地，目标装载货物确定模块还包括可装载货物确定单元，可装载货物确定单元用以计算初始位置信息数据库中的所有货物的初始位置信息的X、Y、Z值，以X、Y值相等为基础将初始位置信息分组，并将每组中Z值最大的初始位置的位置坐标所对应的货物作为可装载货物，当所述目标装载货物输出所述目标装载货物时，同时将当前所述目标装载货物的初始位置的位置坐标从所述初始位置信息数据库中隐藏；
较佳地，卸载顺序数据库形成模块中的卸载顺序规则为按照卸载位置相对于货物搬运前初始位置依次采用由低到高、由远及近的规则进行排序。
本实施例的起重机自动化连续搬运作业的系统，首先通过三维空间坐标系建立模块结合起重机的三大机构建立三维空间坐标系，使货物的整个搬运过程都在三维空间坐标系所定义的三维空间内进行，将货物看作质点，用货物的几何中心所对应的位置坐标作为货物的位置坐标；然后通过初始位置信息数据库形成模块形成货物的初始位置信息数据库、通过卸载位置信息数据库形成模块形成需卸载货物的卸载位置信息数据库、通过卸载顺序数据库形成模块结合起重机实际的装卸作业特点指定卸载顺序规则并自动生成实用的卸载顺序数据库；再通过目标装载货物确定模块按照卸载顺序数据库的位置坐标的先后顺序依次搜索目标装载货物，并向装载顺序数据库形成模块顺序输出目标装载货物以自动生成实用的目标装载顺序数据库；在装载、卸载顺序库都已生成的基础上，通过装卸路径数据库形成模块顺序交替提取装载顺序数据库和卸载顺序数据库中的位置坐标以形成装卸路径数据库；最后通过数据转换模块将各数据库转换形成起重机的控制器的控制指令，起重机按照控制指令实现自动化连续搬运作业。
本发明方法的实用性和有效性已通过数值仿真试验得到验证，下面结合附图以具体案例进行说明：
为了充分验证本方法的有效性，本仿真试验在起重机主要性能参数设定中将常规起重机产品通用技术参数进行了适当增减和调整，本试验严格按照本方法构建的起重机三维位置信息数据库和在此基础转换成的控制指令执行，完成了两种有代表性的货物初始堆放状态和不同卸载区域的起重机搬运作业仿真和搬运顺序验证：
第一种的起重机搬运作业状态为图5所示的货物初始堆放状态为规则，起重机卸货区域为图7所示的第6号卸货区域。具体地，货物初始堆放状态为5行5列5层，共计125件，距离三维空间坐标系原点最近的货物的初始位置的位置坐标为(19m，24m，1.5m)。根据设定的作业计划，起重机将从125件货物中搬运90件货物到如图7所示的第6号卸货区域，货物的卸货堆放状态要求为5列3行6层，距离三维空间坐标系原点最近的卸载位置的位置坐标为(6m，4m，1.5m)。起重机搬运作业仿真和验证分析结果如图10和图11，图10显示了起重机连续、自动完成90件货物搬运作业的全过程结果，图11单独显示了90件货物被搬运作业全过程的路径走向和路径数量，实线显示起重机装载货物从初始堆放位置搬运到卸载位置并完成卸货的作业路径，虚线显示起重机完成卸货返回到装载位置的装卸作业的路径，NO.1是起重机搬运第一件货物时的作业路径；
第二种的起重机搬运作业状态为图4所示的货物初始堆放状态为不规则，起重机卸货区域为图7所示的第3号卸货区域。具体地，货物的初始堆放状态如图4所示，36件货物不规则地堆放在图4所示的初始位置放置区域，根据设定的作业计划，起重机将连续、自动将这36件货物搬运到图7所示的第3号卸货区域，距离三维空间坐标系原点最近的卸载位置的位置坐标为(24m，29m，1.5m)，36件货物的卸货状态要求为3行3列4层。起重机完成36件货物搬运作业的全部搬运顺序、搬运路径数以及试验结果见图12所示。
通过对两种有代表性的货物初始堆放状态和不同卸载区域的起重机搬运作业仿真分析和搬运顺序试验，本发明提出的起重机自动化连续搬运作业的方法和系统的有效性得到了验证。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种起重机自动化连续搬运作业的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立三维空间坐标系，以起重机装载货物在大、小车运行和垂直下降三个运动方向的极限位置点作为所述三维空间坐标系的原点，以起重机的小车、大车和起升机构的运行方向分别作为所述三维空间坐标系的X、Y、Z方向；
S2、定义初始堆放的货物数量为m件，建立m件货物的初始位置与所述三维空间坐标系的对应关系，得到初始位置信息数据库；
S3、定义m件货物中有n件货物需要搬运并卸载，建立n件货物的卸载位置与所述三维空间坐标系的对应关系，得到卸载位置信息数据库；
S4、制定卸载顺序规则并将所述卸载位置信息数据库按照所述卸载顺序规则进行排序，得到卸载顺序数据库；所述卸载顺序规则为按照所述卸载位置相对于所述货物搬运前初始位置依次采用由低到高、由远及近的规则进行排序；
S5、依次选取所述卸载顺序数据库中的所述卸载位置的位置坐标，以所述卸载位置的位置坐标为起点搜索所有可装载货物中距离所述卸载位置最近的货物作为目标装载货物，将所述目标装载货物的初始位置的位置坐标顺序存储，得到与所述卸载顺序数据库对应的装载顺序数据库；
S6、建立装卸路径数据库结构：
Figure FDA0003841009810000011
其中，Ccontrol表示为起重机将n件货物全部搬运完成的路径，
Figure FDA0003841009810000012
表示为从所述装载顺序数据库中依次提取的n件货物的初始位置，
Figure FDA0003841009810000013
表示为从所述卸载顺序数据库中依次提取的n件货物的卸载位置，
Figure FDA0003841009810000014
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure FDA0003841009810000015
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标，
Figure FDA0003841009810000016
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure FDA0003841009810000021
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标；
顺序交替提取所述装载顺序数据库和所述卸载顺序数据库中的位置坐标并输入至所述装卸路径数据库结构中，得到装卸路径数据库；
S7、将所述装载顺序数据库、所述卸载顺序数据库及所述装卸路径数据库均转换成起重机的控制器可以识别的数据结构并导入至所述控制器中，分别形成装载指令、卸载指令及搬运指令。
2.如权利要求1所述的起重机自动化连续搬运作业的方法，其特征在于，步骤S5中的所有可装载货物通过计算确定，包括如下步骤：
S5-1、比较当前所述初始位置信息数据库中所有初始位置的位置坐标中的X、Y、Z值；
S5-2、以X、Y值相等为基础将所有位置坐标分成多组；
S5-3、选取每组中Z值最大的位置坐标所对应的货物作为所述可装载货物。
3.一种起重机自动化连续搬运作业的系统，其特征在于，包括：
三维空间坐标系建立模块，用以建立三维空间坐标系，以起重机装载货物在大、小车运行和垂直下降三个运动方向的极限位置点作为所述三维空间坐标系的原点，以起重机的小车、大车和起升机构的运行方向分别作为所述三维空间坐标系的X、Y、Z方向；
初始位置信息数据库形成模块，用以建立m件货物的初始位置与所述三维空间坐标系的对应关系，得到初始位置信息数据库；
卸载位置信息数据库形成模块，用以建立m件货物中需要卸载的n件货物的卸载位置与所述三维空间坐标系的对应关系，得到卸载位置信息数据库；
卸载顺序数据库形成模块，用以制定卸载顺序规则并将所述卸载位置信息数据库按照所述卸载顺序规则进行排序，得到卸载顺序数据库；所述卸载顺序规则为按照所述卸载位置相对于所述货物搬运前初始位置依次采用由低到高、由远及近的规则进行排序；
目标装载货物确定模块，用以依次选取所述卸载顺序数据库中的所述卸载位置的位置坐标，以所述卸载位置的位置坐标为起点搜索所有可装载货物中距离所述卸载位置最近的货物作为目标装载货物输出；
装载顺序数据库形成模块，用以建立装载顺序数据库结构，并依次提取所述目标装载货物的初始位置的位置坐标并顺序输入所述装载顺序数据库结构中以得到装载顺序数据库；
装卸路径数据库形成模块，用以建立装卸路径数据库结构，顺序交替提取所述装载顺序数据库和所述卸载顺序数据库中的位置坐标并输入至所述装卸路径数据库结构中以得到装卸路径数据库，所述装卸路径数据库结构为：
Figure FDA0003841009810000031
其中，Ccontrol表示为起重机将n件货物全部搬运完成的路径，
Figure FDA0003841009810000032
表示为从所述装载顺序数据库中依次提取的n件货物的初始位置，
Figure FDA0003841009810000033
表示为从所述卸载顺序数据库中依次提取的n件货物的卸载位置，
Figure FDA0003841009810000034
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure FDA0003841009810000035
分别表示n件需要装载的货物中第i件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标，
Figure FDA0003841009810000036
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的初始位置的位置坐标，
Figure FDA0003841009810000037
分别表示n件需要装载的货物中第n件货物在X、Y、Z方向的卸载位置的位置坐标；
数据转换模块，用以将所述装载顺序数据库、所述卸载顺序数据库及所述装卸路径数据库转换成起重机的控制器可以识别的数据结构并输出。
4.如权利要求3所述的起重机自动化连续搬运作业的系统，其特征在于，所述目标装载货物确定模块还包括可装载货物确定单元，所述可装载货物确定单元用以计算所述初始位置信息数据库中的所有货物的所述初始位置信息的X、Y、Z值，以X、Y值相等为基础将所述初始位置信息分组，并将每组中Z值最大的所述初始位置的位置坐标所对应的货物作为所述可装载货物，当所述目标装载货物输出所述目标装载货物时，同时将当前所述目标装载货物的初始位置的位置坐标从所述初始位置信息数据库中隐藏。
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