CN111348559B - 缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统及控制方法 - Google Patents

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CN111348559B CN202010120947.1A CN202010120947A CN111348559B CN 111348559 B CN111348559 B CN 111348559B CN 202010120947 A CN202010120947 A CN 202010120947A CN 111348559 B CN111348559 B CN 111348559B
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Abstract

本发明涉及领域缆式起重机技术，是指缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统及控制方法，解决了现有技术中缆机和门机碰撞风险高、无法自动化控制、且运输效率低的问题。本发明包括缆机和门机，包括信息感知系统和无线传输系统；微处理器；预警信号装置；所述微处理器通过无线传输系统分别连接信息感知系统和预警信号装置；本发明通过设置可实时获取的缆机和门机大臂位置的信息感知装置、GPS基准站和BDS基准站和微处理器，精确预测缆机和门机的碰撞几率；通过自动控制装置实现防碰撞的自动化；在不紧急制动的情况下保障运输现场有条不紊，降低碰撞、防碰撞紧急制动和人为操作失误带来的安全隐患；提高运输效率。

Description

缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及领域缆式起重机技术，特别是指缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统及控制方法。
背景技术
在大型工程项目建设中，吊装运输设备往往布置密集，类型不一。其中缆索式运输机，即缆机，速度快、作业范围广，在很多大型复杂的工程中都有所使用。但是缆机与门座式起重机，即门机，在同一个有限的作业空间内运行，碰撞风险极大，严重影响项目建设进度，同时安全隐患突出。
现有的防碰撞方法集中在当检测到存在碰撞的危险时，进行预警提醒与制动控制，或者是操作员通过监控观察吊装设备之间的距离进行碰撞避免。这种实现防碰撞的方式会频繁启动和制动运输设备，导致机身存在自身稳定安全问题，同时这也较大的影响了吊装运输效率。另一方面由于缆机速度比较快，操作员需要反应时间，完全靠人工控制是无法完全避免缆机与门机的碰撞事故发生的。
亟待出现一种可解决上述问题的新型的缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统及控制方法。
发明内容
本发明提出缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统及控制方法，解决了现有技术中缆机和门机碰撞风险高、无法自动化控制、且运输效率低的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统，包括缆机和门机，包括设置于缆机和门机上的信息感知系统和无线传输系统；用于接收信息感知系统的信息并进行信息处理的微处理器；用于提醒门机操作员的预警信号装置；所述微处理器通过无线传输系统分别连接信息感知系统和预警信号装置。
进一步地，所述信息感知系统包括设置于缆机小车上的速度传感器和加速度传感器；设置于门机大臂端点的三轴陀螺仪和三维加速度传感器。
优选地，所述缆机和门机上还设置有用于控制速度的自动控制装置；所述自动控制装置包括缆机小车上的PLC和变流器、门机上的PLC和紧急制动装置。
进一步地，所述微处理器包括连接信息感知系统的数据接收模块、用于对信息进行分析和计算的信息处理模块、用于执行预警方案的决策模块；所述决策模块连接预警信号装置和自动控制装置；所述信息处理模块具体的是：
在t时刻，门机大臂端点位置：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
缆机运送的物料位置：
Figure 668512DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
表示当前时刻定位的大臂端点位置，
Figure 183807DEST_PATH_IMAGE004
为当前时刻大臂的幅角，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为当前时刻大臂的回转角，
Figure 169080DEST_PATH_IMAGE006
为三轴陀螺仪在当前时刻的值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 541156DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
为三轴陀螺仪在X、Y、Z轴上的分量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
为门机大臂角加速度的值，
Figure 408618DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 462024DEST_PATH_IMAGE014
分别为门机大臂角加速度在X、Y、Z轴上的分量，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
为门机大臂的臂长，
Figure 301804DEST_PATH_IMAGE016
为t时刻门机大臂端点的坐标；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
为当前时刻物料的坐标，
Figure 844781DEST_PATH_IMAGE018
为t时刻物料的坐标，V为物料的当前速度值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 462189DEST_PATH_IMAGE020
为物料速度分别在Y、Z轴上的分量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
为物料的加速度；
Figure 53707DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
物料加速度在Y、Z轴上的分量；其中
Figure 13573DEST_PATH_IMAGE024
为吊钩绳长。
进一步地，所述决策模块包括安全距离设定单元、包围体设定单元、决策方案存储单元；所述安全距离设定单元和包围体设定单元分别连接决策方案存储单元；所述决策方案存储单元包括：距离小于包围体的一级预警决策元和进入安全距离但未达到包围体的二级预警决策元；所述一级预警决策元为刹车制动。
进一步地，所述二级预警决策元包括判断元和执行元：用于判断门机与缆机到达包围体的时间的判断元；执行元包括门机首入执行方案和缆机首入执行方案。
优选地，还包括设置于空地的GPS基准站和BDS基准站。
本发明公开一种缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统的控制方法，包括以下步骤：A 建立施工运输模型：包括施工场景大小、门机缆机的数量、位置、缆机主副塔端高度，门机位置、门机的机身高度、大臂长度；获取门机与缆机的实时状态信息：包括高度、位置、速度、加速度；B信息收集及处理：将步骤A中的信息通过无线传输系统发送至微处理器，微处理器进行数据计算；C 根据计算结果做出防碰撞决策。
进一步地，步骤B具体的是：在t时刻，门机大臂端点位置和缆机运送的物料位置；门机大臂和缆机同时出现在包围体范围内的时间。
进一步地，步骤C具体地是：通过步骤B中位置和时间的计算；当门机首先进入包围体，微处理器通过PLC控制缆机小车的变流器，对速度进行减速控制；使得缆机的平均速度低于：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
t为缆机预测到达包围体中心的时间；同时微处理器通过安装在门机上的预警信号装置提醒门机操作员提速，加速门机离开包围体的时间；当缆机首先进入包围体，对缆机的速度进行自动控制，进行提速控制；使得缆机的平均速度高于：
Figure 727451DEST_PATH_IMAGE026
，t为门机预测进入包围体的时间；其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
表示缆机距离进入包围体中心点的距离函数，
Figure 507188DEST_PATH_IMAGE028
表示门机距离进入包围体中心点的距离函数；P为包围体中心点，a为包围体的长轴长，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
为缆机速度。
本发明公开的缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统及控制方法，通过设置可实时获取的缆机和门机大臂位置的信息感知装置、GPS基准站和BDS基准站和微处理器，精确预测缆机和门机的碰撞几率；通过自动控制装置实现防碰撞的自动化；在不紧急制动的情况下保障运输现场有条不紊，降低碰撞、防碰撞紧急制动和人为操作失误带来的安全隐患；提高运输效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明模块示意图；
图2：本发明执行流程图；
图3：单缆机和单门机结构作业示意图；
图4：三缆机和双门机作业示意图；
图5：运输路径平面俯视图与包围体结构；
其中：1.1、缆机；1.2、缆机二；1.3缆机三；2.1、门机；2.2、门机二；3、吊绳； 4、大臂；5、缆绳；6、危险区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开的缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统及控制方法，缆机1.1与门机2.1的碰撞预测与避免系统，包括缆机1.1和门机2.1，包括设置于缆机1.1和门机2.1上的信息感知系统和无线传输系统；用于接收信息感知系统的信息并进行信息处理的微处理器；用于提醒门机2.1操作员的预警信号装置；所述微处理器通过无线传输系统分别连接信息感知系统和预警信号装置。
进一步地，所述信息感知系统包括设置于缆机1.1小车上的速度传感器和加速度传感器；设置于门机2.1大臂4端点的三轴陀螺仪和三维加速度传感器。
优选地，所述缆机1.1和门机2.1上还设置有用于控制速度的自动控制装置；所述自动控制装置包括缆机1.1小车上的PLC和变流器、门机2.1上的PLC和紧急制动装置。
进一步地，所述微处理器包括连接信息感知系统的数据接收模块、用于对信息进行分析和计算的信息处理模块、用于执行预警方案的决策模块；所述决策模块连接预警信号装置和自动控制装置；所述信息处理模块具体的是：
在t时刻，门机2.1大臂4端点位置：
Figure 964714DEST_PATH_IMAGE001
缆机1.1运送的物料位置：
Figure 779087DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 601549DEST_PATH_IMAGE003
表示当前时刻定位的大臂端点位置，
Figure 868582DEST_PATH_IMAGE004
为当前时刻大臂的幅角，
Figure 67482DEST_PATH_IMAGE005
为当前时刻大臂的回转角，
Figure 798678DEST_PATH_IMAGE006
为三轴陀螺仪在当前时刻的值，
Figure 792042DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 546371DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 548962DEST_PATH_IMAGE009
为三轴陀螺仪在X、Y、Z轴上的分量；
Figure 72348DEST_PATH_IMAGE011
为门机大臂角加速度的值，
Figure 236613DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 540555DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 81258DEST_PATH_IMAGE014
分别为门机大臂角加速度在X、Y、Z轴上的分量，
Figure 459150DEST_PATH_IMAGE015
为门机大臂的臂长，
Figure 59895DEST_PATH_IMAGE016
为t时刻门机大臂端点的坐标；
Figure 523238DEST_PATH_IMAGE017
为当前时刻物料的坐标，
Figure 929948DEST_PATH_IMAGE018
为t时刻物料的坐标，V为物料的当前速度值，
Figure 162346DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 933993DEST_PATH_IMAGE020
为物料速度分别在Y、Z轴上的分量；
Figure 946949DEST_PATH_IMAGE021
为物料的加速度；
Figure 829454DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 244255DEST_PATH_IMAGE023
物料加速度在Y、Z轴上的分量；其中
Figure 186803DEST_PATH_IMAGE024
为吊钩绳长。
进一步地，所述决策模块包括安全距离设定单元、包围体设定单元、决策方案存储单元；所述安全距离设定单元和包围体设定单元分别连接决策方案存储单元；安全距离根据作业环境进行预设定，包围体由图5所示，是以椭圆为底面的柱体，上底面坐标为缆绳5与门机2.1运动轨迹模型的交点，高为货物吊绳3加
Figure 624738DEST_PATH_IMAGE030
的和，椭圆长轴为a米，短轴为b米，
Figure 310934DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure DEST_PATH_IMAGE033
的值根据货物大小进行自定义设置。所述决策方案存储单元包括：距离小于包围体的一级预警决策元和进入安全距离但未达到包围体的二级预警决策元；所述一级预警决策元为刹车制动。
进一步地，所述二级预警决策元包括判断元和执行元：用于判断门机2.1与缆机1.1到达包围体的时间的判断元；执行元包括门机2.1首入执行方案和缆机1.1首入执行方案。
优选地，还包括设置于空地的GPS基准站和BDS基准站。
本发明公开一种缆机1.1与门机2.1的碰撞预测与避免方法，包括以下步骤：A 建立施工运输模型：包括施工场景大小、门机2.1缆机1.1的数量、位置、缆机1.1主副塔端高度，门机2.1位置、机身高度、大臂4长度；获取门机2.1与缆机1.1的实时状态信息：包括高度、位置、速度、加速度；B信息收集及处理：将步骤A中的信息通过无线传输模块发送至微处理器，微处理器进行数据计算；C 根据计算结果做出防碰撞决策。
进一步地，步骤B具体的是：在t时刻，门机2.1大臂4端点位置和缆机1.1运送的物料位置；门机2.1大臂4和缆机1.1同时出现在包围体范围内的时间。
进一步地，步骤C具体地是：通过步骤B中位置和时间的计算；
当门机2.1首先进入包围体，微处理器通过PLC控制缆机1.1小车的变流器，对速度进行减速控制；使得缆机1.1的平均速度低于：
Figure 583171DEST_PATH_IMAGE034
t为缆机1.1预测到达包围体中心的时间；同时微处理器通过安装在门机2.1上的预警信号装置提醒门机2.1操作员提速，加速门机2.1离开包围体的时间；
当缆机1.1首先进入包围体，对缆机1.1的速度进行自动控制，进行提速控制；使得缆机1.1的平均速度高于：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，t为门机2.1预测进入包围体的时间；
其中，
Figure 696620DEST_PATH_IMAGE036
表示缆机距离进入包围体中心点的距离函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
表示门机距离进入包围体中心点的距离函数；P为包围体中心点，a为包围体的长轴长，
Figure 684168DEST_PATH_IMAGE029
为缆机速度。
如图3单缆机1.1和单门机2.1结构作业示意图所示，缆机1.1通过缆绳5对货物进行搬运，在某一时刻，缆机1.1小车的速度传感器和加速度传感器及门机2.1大臂4端点的三轴陀螺仪和三维加速度传感器将信息，并通过微处理器测量到门机2.1大臂4与缆绳5上的货物小于安全距离，信息处理模块根据数据接收模块收集到的位置信息、速度信息等对门机2.1大臂4与缆机1.1的货物进行碰撞计算，并通过决策模块和自动控制装置通过降低或提升门机2.1或缆机1.1速度，产生速度差，避免门机2.1与缆机1.1同时出现在包围体区域。
如图4三缆机和双门机作业示意图所示，门机2.1与缆机1.1存在空间上的交叉，在图中标出了四个存在碰撞的危险区域6，门机二2.1与缆机二1.2同样存在碰撞危险。以门机二2.2 为例介绍防碰撞过程，在A点处缆机二1.2的货物从右侧调运至左侧，门机二2.2在缆机二1.2下方作业，当货物运送到与门机二2.2之间的距离小于安全距离时，二级预警决策单元根据运输方向确定将可能在哪个危险区相碰撞，之后计算分别到达的时间t1和t2，门机二2.2驾驶员根据二级预警决策单元的预警指示灯对门机二2.2进行加减速，缆机二1.2通过PLC控制单元进行刹车或提速，实现了门机二2.2与缆机二1.2的防碰撞。
本发明公开的缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统及控制方法，通过设置可实时获取的缆机和门机大臂4位置的信息感知装置、GPS基准站和BDS基准站和微处理器，精确预测缆机和门机的碰撞几率；通过自动控制装置实现防碰撞的自动化；在不紧急制动的情况下保障运输现场有条不紊，降低碰撞、防碰撞紧急制动和人为操作失误带来的安全隐患；提高运输效率。
当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统，包括缆机和门机，其特征在于：包括设置于缆机和门机上的信息感知系统和无线传输系统；用于接收信息感知系统的信息并进行信息处理的微处理器；用于提醒门机操作员的预警信号装置；所述微处理器通过无线传输系统分别连接信息感知系统和预警信号装置；
所述信息感知系统包括设置于缆机小车上的速度传感器和加速度传感器；设置于门机大臂端点的三轴陀螺仪和三维加速度传感器；
所述缆机和门机上还设置有用于控制速度的自动控制装置；所述自动控制装置包括缆机小车上的PLC和变流器、门机上的PLC和紧急制动装置；
所述微处理器包括连接信息感知系统的数据接收模块、用于对信息进行分析和计算的信息处理模块、用于执行预警方案的决策模块；所述决策模块连接预警信号装置和自动控制装置；
所述信息处理模块具体的是：
在t时刻，门机大臂端点位置：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
缆机运送的物料位置：
Figure 274230DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示当前时刻定位的大臂端点位置，
Figure 325363DEST_PATH_IMAGE004
为当前时刻大臂的幅角，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为当前时刻大臂的回转角，
Figure 250593DEST_PATH_IMAGE006
为三轴陀螺仪在当前时刻的值，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 474901DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为三轴陀螺仪在X、Y、Z轴上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为门机大臂角加速度的值，
Figure 474081DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 758432DEST_PATH_IMAGE014
分别为门机大臂角加速度在X、Y、Z轴上的分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为门机大臂的臂长，
Figure 108642DEST_PATH_IMAGE016
为t时刻门机大臂端点的坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为当前时刻物料的坐标，
Figure 136641DEST_PATH_IMAGE018
为t时刻物料的坐标，V为物料的当前速度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 318223DEST_PATH_IMAGE020
为物料速度分别在Y、Z轴上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为物料的加速度；
Figure 445579DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为物料加速度在Y、Z轴上的分量；其中
Figure 345402DEST_PATH_IMAGE024
为吊钩绳长。
2.根据权利要求1所述的缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统，其特征在于：所述决策模块包括安全距离设定单元、包围体设定单元、决策方案存储单元；所述安全距离设定单元和包围体设定单元分别连接决策方案存储单元；
所述决策方案存储单元包括：距离小于包围体的一级预警决策元和进入安全距离但未达到包围体的二级预警决策元；所述一级预警决策元为刹车制动。
3.根据权利要求2所述的缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统，其特征在于：所述二级预警决策元包括判断元和执行元：
用于判断门机与缆机到达包围体的时间的判断元；
执行元包括门机首入执行方案和缆机首入执行方案。
4.根据权利要求1所述的缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统，其特征在于：还包括设置于空地的GPS基准站和BDS基准站。
5.一种权利要求2所述的缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
A 建立施工运输模型：包括施工场景大小、门机缆机的数量、位置、缆机主副塔端高度，门机位置、门机的机身高度、大臂长度；获取门机与缆机的实时状态信息：包括高度、位置、速度、加速度；
B信息收集及处理：将步骤A中的信息通过无线传输系统发送至微处理器，微处理器进行数据计算；
C 根据计算结果做出防碰撞决策。
6.根据权利要求5所述的缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统的控制方法，其特征在于：步骤B具体的是：
在t时刻，门机大臂端点位置和缆机运送的物料位置；
门机大臂和缆机同时出现在包围体范围内的时间。
7.根据权利要求5所述的缆机与门机的碰撞预测与避免的控制系统的控制方法，其特征在于：步骤C具体地是：
通过步骤B中位置和时间的计算；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
当门机首先进入包围体，微 处理器通过PLC控制缆机小车的变流器，对速度进行减速控制；使得缆机的平均速度低于：
t为缆机预测到达包围体中心的时间；同时微处理器通过安装在门机上的预警信号装置提醒门机操作员提速，加速门机离开包围体的时间；
当缆机首先进入包围体，对缆机的速度进行自动控制，进行提速控制；使得缆机的平均速度高于：
Figure 869704DEST_PATH_IMAGE026
，t为门机预测进入包围体的时间；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
表示缆机距离进入包围体中心点的距离函数，
Figure 171372DEST_PATH_IMAGE028
表示门机距离进入包围体中心点的距离函数；P为包围体中心点，a为包围体的长轴长，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为缆机速度。
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