CN111017727A - 一种轮胎吊自动纠偏控制停机判断方法 - Google Patents

一种轮胎吊自动纠偏控制停机判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轮胎吊自动纠偏控制停机判断方法，通过下述方式实现：根据轮胎吊行进时的车轮与地面安全区域和危险区域的关系，确定出轮胎吊行进时角度最大偏差Δαmax及制动期间轮胎吊位置偏差最大值D制动max；根据轮胎吊行进时角度最大偏差确定图像处理延时对轮胎吊行进位置偏差影响，确定影响距离Ddelay；根据制动期间轮胎吊位置偏差最大值及影响距离，确定轮胎吊制动保护距离阈值YZ；根据轮胎吊运动轨迹的解析表达式，根据给定的位置偏差，结合两种探测器可能的角度偏差，使用K‑S检测方法确定轮胎吊行进实际轨迹；根据实际轨迹确定轮胎吊行进过程中的最大偏差，根据该最大偏差与轮胎吊制动保护距离阈值的关系结合行进过程中的车速确定轮胎吊是否停机。

Description

一种轮胎吊自动纠偏控制停机判断方法
技术领域
本发明提供了一种轮胎吊自动纠偏控制停机判断方法，由于考虑了轮胎吊行进时的车轮与安全区域和危险区域的关系，推导出了轮胎吊行进时角度的可能最大偏差及制动期间轮胎吊位置偏差变化最大值，因此可以准确确定轮胎吊制动保护距离；同时，推导出探测器图像信息处理延时对轮胎吊行进最大偏差影响及停机判断条件。
背景技术
目前，国内外各港口主要通过轮胎吊实现集装箱在不同堆场间的转运，轮胎吊行驶过程中，司机通过目测轮胎吊与行进线的位置偏差进行手动纠偏处理。由于场地原因，轮胎吊行进允许偏差区域很小，因此，在轮胎吊行驶过程中，稍有疏忽，就可能产生堆场坍塌或者轮胎吊损坏事故，这使得司机劳动强度极大也极易疲劳。所以急需一种轮胎吊行进自动纠偏系统来实现轮胎吊的行进自动控制，而如何确定轮胎吊行进实际轨迹并准确给出轮胎吊制动保护距离及停机判断条件等是轮胎吊行进自动纠偏系统控制时序设计的关键，目前的轮胎吊行进自动纠偏系统往往只能采用经验判断、模糊判断的方法给出轮胎吊行进实际轨迹及制动保护距离和关机条件，这些问题给轮胎吊自动纠偏系统带来了很大的安全隐患，也极大降低了轮胎吊自动纠偏系统的运行可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种轮胎吊自动纠偏控制停机判断方法。
本发明解决技术的方案是：一种轮胎吊自动纠偏控制停机判断方法，通过下述方式实现：
根据轮胎吊行进时的车轮与地面安全区域和危险区域的关系，确定出轮胎吊行进时角度最大偏差Δαmax及制动期间轮胎吊位置偏差最大值D制动max；
根据轮胎吊行进时角度最大偏差确定图像处理延时对轮胎吊行进位置偏差影响，确定影响距离Ddelay；
根据制动期间轮胎吊位置偏差最大值及影响距离，确定轮胎吊制动保护距离阈值YZ；
根据轮胎吊运动轨迹的解析表达式，根据给定的位置偏差，结合两种探测器可能的角度偏差，使用K-S检测方法确定轮胎吊行进实际轨迹；
根据实际轨迹确定轮胎吊行进过程中的最大偏差，根据该最大偏差与轮胎吊制动保护距离阈值的关系结合行进过程中的车速确定轮胎吊是否停机。
优选的，所述角度最大偏差计算公式如下：
Figure BDA0002296598430000021
其中，轮胎吊处于最大角度偏差时，后轮组处于黄线外边缘，其位置偏差K1米；前轮组处于假定最大偏差线上，其位置偏差为K2米，L为轮胎吊前后轮组距离。
优选的，所述制动期间轮胎吊位置偏差最大值计算公式如下：
D制动max＝0.5×(vt+5％vt)×t制动max×sin(Δαmax)
其中，
Figure BDA0002296598430000022
vt为当前轮胎吊速度。
优选的，所述轮胎吊运动轨迹的解析表达式通过下述方式确定：
根据给定的轮胎吊的位置偏差确定轮胎吊自动纠偏策略；所述的策略采用差速控制方法改变位置偏差，即先加速单侧轮组，再反向加速另侧轮组使退出差速纠偏的时刻的位置偏差和角度偏差为0；
根据轮胎吊行驶时纵向动力学数学模型，推导出轮胎吊差速控制期间加速度及转向角速度；
根据上述差速控制期间加速度及转向角速度结合给定的位置偏差、角度偏差，推导出轮胎吊差速控制期间轮胎吊运动轨迹的解析表达式。
优选的，所述的轮胎吊自动纠偏策略具体为：
当位置偏差Δd＞0时，先左侧轮组加速，加速时长T1；右侧轮组速度不变，利用正差速纠偏，直到位置偏差满足预设条件，该阶段时长T2；左右侧轮组差速为零；再右侧轮组加速，结束时刻记t1,左侧轮组速度不变，利用负差速纠偏，使位置偏差和角度偏差同时满足要求；
当位置偏差Δd＜0时，先右侧轮组加速，加速时长T1；左侧轮组速度不变，利用正差速纠偏，直到位置偏差满足预设条件，该阶段时长T2；左右侧轮组差速为零；再左侧轮组加速，结束时刻记t1,右侧轮组速度不变，利用负差速纠偏，使位置偏差和角度偏差同时满足要求。
优选的，正差速为Δv＝(0.05～0.5)V0，V0为加速轮组未纠偏前的速度；
负差速Δv(t1)根据负差速开始加速时刻t0的位置偏差Δd(t0)和角度偏差Δα(t0)计算，计算公式如下：
Figure BDA0002296598430000031
其中，
Figure BDA0002296598430000032
Figure BDA0002296598430000033
L为轮胎吊左右轮组之间的间距；
Δd(t1)、Δα(t1)为负差速由0变为Δv”(t1)时的位置偏差和角度偏差。
优选的，所述的解析表达式如下：
Figure BDA0002296598430000034
其中，t0为时间起点，T′为时间终点；Δd(t0)为t0时刻轮胎吊位置偏差，Sy为t0+T′时刻轮胎吊位置偏差，Sx为t0至t0+T′期间轮胎吊在行进线方向行驶距离，Δα(t)为t时刻的角度偏差，w(t)为t时刻的转向角速度、V(t)为t时刻的轮胎吊的速度；
采用数值逼近的方法来求解加速T1期间解析表达式的近似解析解；
将T1加速结束时刻记为t0，以t0为时间起点，通过积分确定t0+T2时刻所述解析表达式的解析解。
优选的，所述的近似解析解表达方式如下：
Figure BDA0002296598430000041
其中，T为采样周期，Δc(t0)为轮胎吊轮组在t0时刻前进方向的位置；
所述解析解的表达方式如下：
Figure BDA0002296598430000042
优选的，两种探测器可能的角度偏差为Δα＝0、
Figure BDA0002296598430000043
位置偏差按照预设时间点给定，具体位置偏差值为将预设采样点的实际探测值的均值。
优选的，满足下列任一一条停机判断条件，则停机：
最大位置偏差|Sy max|＜YZ且|Δd|始终增加；YZ＝abs(Kp-D制动max-Ddelay),Kp为制动保护距离
左右轮组预设时间段内没有达到预定车速；
角度偏差在满载tall或空载teqal时间内始终大于Δαmax。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)根据轮胎吊运动轨迹的解析表达，考虑可能存在的探测器角度偏差，使用K-S检测方法确定轮胎吊行进实际轨迹，使得轮胎吊自动纠偏系统可以准确控制轮胎吊的运行。
(2)推导出了轮胎吊行进时角度的可能最大偏差及制动期间轮胎吊位置偏差变化最大值，因此可以准确确定轮胎吊制动保护距离和停机判断条件，在此基础上设计的控制时序使得轮胎吊自动纠偏具有很好的安全性。
附图说明
图1为本发明轮胎吊行驶时车轮与行进线相互关系示意图；
图2为自动纠偏控制时序示意图。
具体实施方式
下面结合负图1-2及实施例对本发明作进一步阐述。
一种轮胎吊自动纠偏控制停机判断方法，通过下述方式实现：
根据轮胎吊行进时的车轮与地面安全区域和危险区域的关系，确定出轮胎吊行进时角度最大偏差Δαmax及制动期间轮胎吊位置偏差最大值D制动max；
根据轮胎吊行进时角度最大偏差确定图像处理延时对轮胎吊行进位置偏差影响，确定影响距离Ddelay；
根据制动期间轮胎吊位置偏差最大值及影响距离，确定轮胎吊制动保护距离阈值YZ；
根据轮胎吊运动轨迹的解析表达式，根据给定的位置偏差，结合两种探测器可能的角度偏差，使用K-S检测方法确定轮胎吊行进实际轨迹；
根据实际轨迹确定轮胎吊行进过程中的最大偏差，根据该最大偏差与轮胎吊制动保护距离阈值的关系结合行进过程中的车速确定轮胎吊是否停机。
下面具体对各部分进行说明：
1、轮胎吊制动时间及制动保护距离
轮胎吊行进时分为空载和满载两个状态，其行进操作杆档位可对应不同的行进速度，某型轮胎吊不同档位及对应速度如下表。
行进操作杆档位对应行进速度
Figure BDA0002296598430000051
Figure BDA0002296598430000061
轮胎吊行进操作杆档位变化可不连续，即可由前档1直接变换为前档k，或由前档k直接变换为前档1，这些情况下加速度曲线是基本一样的，轮胎吊加减速的加速度an相同。
车辆停止的操作如下：由目前档位k变换到0档，当转速变为5％时，车辆抱闸系统起作用，车辆停止。
假如目前轮胎吊速度为vt，停止速度v停止(转速5％)，车辆制动时间
Figure BDA0002296598430000062
港口一般通过在不同堆场间用黄线和白线标示轮胎吊行进安全区域和危险区域，轮胎吊行驶时车轮、黄线、白线及相互关系如图1。白线为轮胎吊行驶绝对禁止线，货柜堆放在白线围绕的区域内；两条黄线之间区域为车轮行驶安全区域，黄线与白线间区域为危险区域。
由图1可以看出，当轮胎吊处于最大角度偏差时，后轮处于黄线外边缘，其位置偏差K1米；前轮处于假定最大偏差线上，其位置偏差为K2米，则轮胎吊角度最大偏差为
Figure BDA0002296598430000063
式中，L为轮胎吊前后轮组距离。
角度偏差考虑最大为Δαmax度，则车辆制动期间轮胎吊位置偏差变化最大值
D制动＝0.5×(vt+v停止)×t制动×sin(Δαmax)
轮胎吊制动时需满足条件D制动<Kp，根据该条件确定制动保护距离Kp。
轮胎吊处于空载最大值时，制动时间最长，
Figure BDA0002296598430000064
制动期间轮胎吊位置偏差变化最大值
D制动max＝0.5×(vt+5％vt)×t制动max×sin(Δαmax)。
2、图像处理延时影响
探测器获得图像到给出位置偏差判断时间为tdelay，假设车辆处于Δαmax的最大角偏差，则tdelay可能带来的轮胎吊行进最大偏差
Ddelay＝vt×tdelay×sin(Δαmax)
3、角度偏差长时间较大影响
角度偏差一段时间始终大于Δαmax，满载轮胎吊速度为vtall，空载轮胎吊速度为vteqal，满载tall、空载teqal时轮胎吊需停机。
空载
Figure BDA0002296598430000071
满载
Figure BDA0002296598430000072
4、轮胎吊运动轨迹的解析表达式
(1)根据给定的轮胎吊的位置偏差确定轮胎吊自动纠偏策略：当位置偏差Δd＞0时，先左侧轮组加速，加速时长T1；右侧轮组速度不变，利用正差速纠偏，直到位置偏差满足预设条件，该阶段时长T2；左右侧轮组差速为零；再右侧轮组加速，结束时刻记t1,左侧轮组速度不变，利用负差速纠偏，使位置偏差和角度偏差同时满足要求；
当位置偏差Δd＜0时，先右侧轮组加速，加速时长T1；左侧轮组速度不变，利用正差速纠偏，直到位置偏差满足预设条件，该阶段时长T2；左右侧轮组差速为零；再左侧轮组加速，结束时刻记t1,右侧轮组速度不变，利用负差速纠偏，使位置偏差和角度偏差同时满足要求。
正差速为Δv＝(0.05～0.5)V0，V0为加速轮组未纠偏前的速度；
负差速Δv(t1)根据负差速开始加速时刻t0的位置偏差Δd(t0)和角度偏差Δα(t0)计算，计算公式如下：
Figure BDA0002296598430000073
其中，
Figure BDA0002296598430000081
Figure BDA0002296598430000082
L为轮胎吊左右轮组之间的间距；
Δd(t1)、Δα(t1)为负差速由0变为Δv”(t1)时的位置偏差和角度偏差。
(2)根据轮胎吊行驶时纵向动力学数学模型，推导出轮胎吊差速控制期间加速度及转向角速度；推导过程中假设加速期间为匀加速运动，同时转向角速度w(t)由0变为
Figure BDA0002296598430000083
w(t)匀速变化；其中，L为轮胎吊左右轮组之间的间距，Δv(t)为控制期间的差速。
根据上述差速控制期间加速度及转向角速度结合给定的位置偏差、角度偏差，推导出轮胎吊差速控制期间轮胎吊运动轨迹的解析表达式；
轮胎吊差速控制期间轮胎吊运动轨迹的解析表达式如下：
Figure BDA0002296598430000084
其中，t0为时间起点，T′为时间终点；Δd(t0)为t0时刻轮胎吊位置偏差，Sy为t0+T′时刻轮胎吊位置偏差，Sx为t0至t0+T′期间轮胎吊在行进线方向行驶距离，Δα(t)为t时刻的角度偏差，w(t)为t时刻的转向角速度、V(t)为t时刻的轮胎吊的速度。
采用数值逼近的方法来求解加速T1期间解析表达式的近似解析解：
Figure BDA0002296598430000085
将T1加速结束时刻记为t0，以t0为时间起点，通过积分确定t0+T2时刻所述解析表达式的解析解：
Figure BDA0002296598430000091
其中，T为采样周期，Δc(t0)为轮胎吊轮组在t0时刻前进方向的位置，Δα(t0)为t0时刻的角度偏差，w(t0)为t0时刻的转向角速度。
利用两部分解析解确定轮胎吊差速控制期间轮胎吊差速纠偏最大位置偏差Sy max表达式以及确定T2。
取
Figure BDA0002296598430000092
或N2＝(0.6～0.8)Sy max为控制点，当满足abs(Sy)<abs(N1)或abs(Sy)<abs(N2)时，确定T2；
Figure BDA0002296598430000093
为加速结束时刻轮胎吊位置偏差。
Figure BDA0002296598430000094
此时角度偏差为0，
Figure BDA0002296598430000095
退出差速纠偏的时刻点t1＝t0+NT；其中，加速时间的采样点数
Figure BDA0002296598430000096
T为采样周期，an为加速度。
5、轮胎吊行进实际测量轨迹确定
由于探测器获取轮胎吊与路径标识线的相对角度偏差时，可能存在角度偏差，因此，需按照Δα＝0、
Figure BDA0002296598430000097
结合给定的位置偏差来进行轨迹计算，使用K-S检验来判断实际测量轨迹并决定纠偏策略。
在K-S检测中，使用统计量DKS为实际测量轨迹QR(r)和计算轨迹
Figure BDA0002296598430000098
数值绝对值上确界。具体的定义如式
Figure BDA0002296598430000099
给定的位置偏差按照预设时间点给定，具体位置偏差值为将预设采样点的实际探测值的均值，例如在第一次给定位置偏差值后，根据上述方法确定实际测量轨迹，轮胎吊按照测量轨迹运行，当达到下一个时间点时，再给定一个位置偏差重新确定测量轨迹。具体每次位置偏差的值可以连续取三个采样点求均值得到。
具体位置偏差和角度偏差通过探测器视觉自动纠偏的方式实现测量，下面给出一种优选实施方式：
在轮胎吊陆侧两个轮组前方安装左右探测器，满足探测器成像中路面两条行进线的像素分辨率优于2毫米；例如左右探测器的安装高度距地面H，2.5米≥H≥1.5米，下视角β小于30°，探测器成像中路面两条行进边界线在视场底部占比为10％-20％。
对左右探测器进行标定，确定探测器图像中像素坐标与其对应的地面测量坐标系位置关系；所述的地面测量坐标系原点为左/探测器底面投影点，Y轴为探测器的视场中心线在地面投影，X轴为地面与Y轴垂直方向，定义趋向陆地的位置偏差为正；标定方式如下：
1)在地面两条行进线中间标志出其中心线OO’，使轮胎吊轮组停驻在OO’线上，在探测器中标出视场中心线O1O2，探测器图像尺寸为W×H；
2)在地面摆放棋盘布，棋盘布的位置满足在探测器视场中，棋盘布中心线与视场中心线重合，棋盘布棋盘格下底面与视场下底面重合；棋盘布在地面上某一射线与地面测量坐标系Y轴重合；
3)测量探测器地面投影点与地面棋盘布棋盘格下底面的地面距离O1K；
4)根据图像中棋盘布黑白格，记录图像中黑白格各交界点的像素坐标m、n和对应的与探测器图像关联的地面测量坐标系中该交界点X、Y值。
根据轮胎吊的当前行驶方向，从探测器图像中的路面行进线上任意选取两点，根据上述标定关系，由两点确定的直线与地面测量坐标系的关系确定轮胎吊当前位置偏差和角度偏差。
6、关机判定
满足下列任一一条停机判断条件，则停机：
1、最大位置偏差|Sy max|＜YZ且|Δd|始终增加；YZ＝abs(Kp-D制动max-Ddelay),Kp为制动保护距离
2、左右轮组预设时间段内(例如3秒)没有达到预定车速；
3、角度偏差在满载tall或空载teqal时间内始终大于Δαmax。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种轮胎吊自动纠偏控制停机判断方法，其特征在于通过下述方式实现：
根据轮胎吊行进时的车轮与地面安全区域和危险区域的关系，确定出轮胎吊行进时角度最大偏差Δαmax及制动期间轮胎吊位置偏差最大值D制动max；
根据轮胎吊行进时角度最大偏差确定图像处理延时对轮胎吊行进位置偏差影响，确定影响距离Ddelay；
根据制动期间轮胎吊位置偏差最大值及影响距离，确定轮胎吊制动保护距离阈值YZ；
根据轮胎吊运动轨迹的解析表达式，根据给定的位置偏差，结合两种探测器可能的角度偏差，使用K-S检测方法确定轮胎吊行进实际轨迹；
根据实际轨迹确定轮胎吊行进过程中的最大偏差，根据该最大偏差与轮胎吊制动保护距离阈值的关系结合行进过程中的车速确定轮胎吊是否停机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述角度最大偏差计算公式如下：
Figure FDA0002296598420000011
其中，轮胎吊处于最大角度偏差时，后轮组处于黄线外边缘，其位置偏差K1米；前轮组处于假定最大偏差线上，其位置偏差为K2米，L为轮胎吊前后轮组距离。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述制动期间轮胎吊位置偏差最大值计算公式如下：
D制动max＝0.5×(vt+5％vt)×t制动max×sin(Δαmax)
其中，
Figure FDA0002296598420000012
vt为当前轮胎吊速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述轮胎吊运动轨迹的解析表达式通过下述方式确定：
根据给定的轮胎吊的位置偏差确定轮胎吊自动纠偏策略；所述的策略采用差速控制方法改变位置偏差，即先加速单侧轮组，再反向加速另侧轮组使退出差速纠偏的时刻的位置偏差和角度偏差为0；
根据轮胎吊行驶时纵向动力学数学模型，推导出轮胎吊差速控制期间加速度及转向角速度；
根据上述差速控制期间加速度及转向角速度结合给定的位置偏差、角度偏差，推导出轮胎吊差速控制期间轮胎吊运动轨迹的解析表达式。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的轮胎吊自动纠偏策略具体为：
当位置偏差Δd＞0时，先左侧轮组加速，加速时长T1；右侧轮组速度不变，利用正差速纠偏，直到位置偏差满足预设条件，该阶段时长T2；左右侧轮组差速为零；再右侧轮组加速，结束时刻记t1,左侧轮组速度不变，利用负差速纠偏，使位置偏差和角度偏差同时满足要求；
当位置偏差Δd＜0时，先右侧轮组加速，加速时长T1；左侧轮组速度不变，利用正差速纠偏，直到位置偏差满足预设条件，该阶段时长T2；左右侧轮组差速为零；再左侧轮组加速，结束时刻记t1,右侧轮组速度不变，利用负差速纠偏，使位置偏差和角度偏差同时满足要求。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：正差速为Δv＝(0.05～0.5)V0，V0为加速轮组未纠偏前的速度；
负差速Δv(t1)根据负差速开始加速时刻t0的位置偏差Δd(t0)和角度偏差Δα(t0)计算，计算公式如下：
Figure FDA0002296598420000021
其中，
Figure FDA0002296598420000022
Figure FDA0002296598420000023
L为轮胎吊左右轮组之间的间距；
Δd(t1)、Δα(t1)为负差速由0变为Δv”(t1)时的位置偏差和角度偏差。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的解析表达式如下：
Figure FDA0002296598420000031
其中，t0为时间起点，T′为时间终点；Δd(t0)为t0时刻轮胎吊位置偏差，Sy为t0+T′时刻轮胎吊位置偏差，Sx为t0至t0+T′期间轮胎吊在行进线方向行驶距离，Δα(t)为t时刻的角度偏差，w(t)为t时刻的转向角速度、V(t)为t时刻的轮胎吊的速度；
采用数值逼近的方法来求解加速T1期间解析表达式的近似解析解；
将T1加速结束时刻记为t0，以t0为时间起点，通过积分确定t0+T2时刻所述解析表达式的解析解。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的近似解析解表达方式如下：
Figure FDA0002296598420000032
其中，T为采样周期，Δc(t0)为轮胎吊轮组在t0时刻前进方向的位置；
所述解析解的表达方式如下：
Figure FDA0002296598420000033
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：两种探测器可能的角度偏差为Δα＝0、
Figure FDA0002296598420000034
位置偏差按照预设时间点给定，具体位置偏差值为将预设采样点的实际探测值的均值。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：满足下列任一一条停机判断条件，则停机：
最大位置偏差|Symax|＜YZ且|Δd|始终增加；YZ＝abs(Kp-D制动max-Ddelay),Kp为制动保护距离
左右轮组预设时间段内没有达到预定车速；
角度偏差在满载tall或空载teqal时间内始终大于Δαmax。
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