CN113697697B - 海上基座式吊机3d区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法 - Google Patents

Abstract

一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法，包括：吊机、设置在吊机上的起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈；其中，吊机上设有吊机的网格化覆盖区域；起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈上设有编码器、周围障碍物信息的数据采集装置；并与PLC控制器和报警器相连；通过PLC控制器和编码器来对吊机的回转角度、臂架角度和起升高度进行检测和计算，计算出吊机在起升、变幅和回转三个维度上的运行范围，当达到报警输出条件时，报警器进行输出报警，并得出吊机与障碍物的动态防碰撞的数值。本发明在进入限制区域附近时，可以不考虑吊机的相对位置，便能够轻松操作，安全的把吊载货物送到指定地点，有效地避免平台吊机与其它障碍物发生碰撞。

Description

海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法

技术领域

本发明属于海洋石油工程领域，尤其涉及海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法。

背景技术

目前，海上平台常用的吊机，一般是海上基座式吊机，但是，由于其吊臂较长，作业覆盖半径广，变幅幅度大(15°—80°)，旋转范围360°，再加上海上平台顶层甲板修井设备较多等原因，使操作者受限于操作环境的影响，在某些时候、某些区域，并不能准确的判断出吊机与障碍物之间的相对位置；因此，导致海上基座式吊机的吊臂容易与其他设备发生碰撞，出现安全事故，从而造成事故，令吊机瘫痪。

海上基座式吊机的防碰撞，主要是解决以下几个方面的问题：

1)在吊机回转过程中，臂架与障碍物，臂架与吊钩及其钢丝绳和障碍物之间，在回转方向上与障碍物的碰撞；

2)在吊机起升下放过程中，吊钩与障碍物的碰撞；

3)在吊机变幅过程中，臂架与两个方向上的障碍物的碰撞；

上述碰撞问题的本质，实际上是空间位置与空间位置的重合，因此，如能够准确计算出吊机在任意时刻的空间位置(即：臂架角度/幅度、回转角度、吊钩起升高度)，并且，吊机的控制系统能够获取海上平台作业区域障碍物的空间信息，那么，其就能够通过空间位置的对比来防止吊机与障碍物之间发生碰撞。

发明内容

本发明目的在于提供一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法,以解决能够准确计算出吊机在任意时刻的空间位置；且通过空间位置的对比来防止吊机与障碍物之间发生碰撞的技术问题。

为实现上述目的，本发明的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置的具体技术方案如下：

一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，包括：吊机、设置在吊机上起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈；其中，

吊机在转动时，设置有设定的吊机的网格化覆盖区域；

起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈上，分别增设有编码器、周围障碍物信息的数据采集装置；该编码器、周围障碍物信息的数据采集装置分别与PLC控制器相连，PLC控制器与报警器相连；通过PLC控制器和编码器来对吊机的回转角度、臂架角度和起升高度进行检测和计算，并和系统预存的空间网格区域位置进行对比，用以计算出吊机在起升、变幅和回转三个维度上的运行范围，当达到报警输出条件时，报警器进行输出报警，从而，得出吊机与障碍物的动态防碰撞的数值。

进一步，所述网格化覆盖区域为：吊机的网格化覆盖区域，该网格化覆盖区域建立的条件是根据吊机在海上平台的环境，对不同网格的吊高进行不同限制，其能够将动态测量运动部件位置信息与静态环境位置信息进行实时比较，来产生报警和关断信号，以避免碰撞事故的发生；且还能够保护1个或者几个形状不同的栈桥管线、海上修井设备。

进一步，所述起升卷筒上的编码器为绝对值编码器，并安装于起升卷筒高度行程限位器一侧位置；用以测量起升卷筒的高度；安装时，为了保证吊机吊钩位于刚接触地面位置或高度下限限制位置，编码器输出电阻为初始值；并选择合适位置焊接支架，以保证高度行程限位器输出轴与编码器的输入轴同轴，其误差不超过1mm。

进一步，所述监测旋转角度的编码器为绝对值编码器，并安装于回转支承侧面，回转齿轮上方位置，令编码器的输入齿轮与回转支承大齿圈相啮合，且编码器的初始值处于中间位置。

进一步，所述周围障碍物信息的数据采集装置是基于海上平台现场操作空间和海上工况环境的限制，现场一般采用激光测距仪或红外测距仪进行数据采集。

本发明还提供了一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞的方法，设置有如上面所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，采用以下步骤：

第一步：建立海上基座式吊机的简化模型，并在简化模型上设置有：吊机的门架顶部变幅滑轮、变幅绞车、臂架根部绞点、臂架头部变幅滑轮、门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距、门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度和门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度；其中，

门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距和门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度值为固定值；门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度为变化值；

第二步：计算吊机的门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距，相对于已知点的长度变化与变幅绞车相对已知位置卷入钢丝绳的长度的关系式为：ΔL₄＝L_L÷n(1)

同时，根据余弦定理：

即能够计算出臂架角度为：

第三步：在吊机前后方向上安装传感器；

①若当前绞车到吊机在前后方向上的倾斜角为B，且以前倾为正方向，则臂架的准确角度为：

②起升高度的变化与臂架角度和起升绞车收放钢丝绳相关，其中，臂架角度的变化引起的起升高度的变化为：

第四步：利用绝对值的编码器与起升绞车轴端同轴连接，减速比选择1:1，假设：当前卷筒上钢丝绳的圈数为N_H0，此位置编码器的位置信号假设为Sig_H0，则在任意变幅位置下，变幅绞车上钢丝绳的圈数为：

N_H＝N_H0+(Sig_H-Sig_H0)÷N (4)。

进一步，所述第二步中，ΔL₄＝L_L÷n的式中，△L4为：相对于已知点的长度变化与变幅绞车相对已知位置卷入钢丝绳的长度的关系；n-门架顶部变幅滑轮与臂架头部幅滑轮4之间的变幅钢丝绳倍率，且其为固定值。

进一步，所述第三步中，传感器为倾角传感器，倾角传感器的精度为0.01°。

进一步，所述第四步中，公式(4)T_H为：起升卷筒的每一层能够容纳的钢丝绳圈数；D_H0为：起升卷筒的每一层钢丝绳的直径；臂架在任意位置时，相对于已知位置，起升绞车卷入的钢丝绳的长度，且为：正为收绳、负为放绳时：

式中：

q—吊钩与臂架头部幅滑轮之间的变幅钢丝绳倍率，其为固定值；

假设在臂架角度A_L0时，起升高度为H₀；同时，由于目前小吨位的平台吊机的起升绞车的出绳一般不经过门架直接到臂架头部的起升滑轮，因此，起升高度的计算为：

假设回转编码器的减速比是1:N₁，即：吊机回转1圈，编码器旋转N₁圈，并且，定义吊机在回转的某一点，此位置编码器的位置信号假设为Sig_S0，回转角度为A_S0，那么，吊机在任意回转位置的实时角度的计算如下：

A_S＝A_S0+360°×(Sig_S-Sig_S0)÷N÷N₁

式中：

Sig_S——当前位置检测到的编码器位置信号；

N——绝对值编码器旋转一圈产生的信号值增量的绝对值。

本发明的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞方法具有以下优点：

本发明在吊机司机在进入限制区域附近工作时，可以不考虑吊机的相对位置、吊机的惯性等因素，便能够轻松操作，安全的把吊载货物送到指定地点，有效地避免平台吊机与其它障碍物发生碰撞；而且，还能够有效地提高吊装效率及吊装安全性，可以适合大规模推广。

附图说明

图1为本发明海上基座式吊机的模型示意图；

图2.1为本发明结构的第一界面俯视示意图；

图2.2为本发明结构的第一界面主视示意图；

图3.1为本发明结构的第二界面俯视示意图；

图3.2为本发明结构的第二界面主视示意图；

图4.1为本发明结构的第三界面俯视示意图；

图4.2为本发明结构的第三界面主视示意图；

图5.1为本发明结构的第四界面俯视示意图。

图5.2为本发明结构的第四界面主视示意图。

图6为本发明结构连接示意图。

图中标记说明：

1、门架顶部变幅滑轮；2、变幅绞车；3、臂架根部绞点；4、臂架头部变幅滑轮；L1、门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距；L2、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距；L3、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距；L4、门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距；A1、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度；A2、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度；10、吊机；11、起升卷筒；12、变幅卷筒；13、回转齿圈；15、编码器；16、周围障碍物信息的数据采集装置；17、PLC控制器；18、报警器。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法做进一步详细的描述。

如图1-图6所示，本发明包括：吊机10、设置在吊机上的起升卷筒11、变幅卷筒12和回转齿圈13；其中，

吊机10在转动时，设置有设定的吊机10履盖的网格化覆盖区域；在吊机的起升卷筒11、变幅卷筒12和回转齿圈13上，分别增设编码器15、周围障碍物信息的数据采集装置16，该编码器15、周围障碍物信息的数据采集装置16分别与PLC控制器17相连，PLC控制器17与报警器18相连；通过PLC控制器17和编码器15来对吊机10的回转角度、臂架角度和起升高度进行检测和计算，并和系统预存的空间网格区域位置进行对比，用以计算出吊机10在起升、变幅和回转三个维度上的运行范围，当达到报警输出条件时，报警器18进行输出报警，从而，得出吊机10与障碍物的动态防碰撞的数值。

上述网格化覆盖区域为：吊机的网格化覆盖区域，该网格化覆盖区域建立的条件是根据吊机在海上平台的环境，对不同网格的吊高进行不同限制，其可以将动态测量运动部件位置信息与静态环境位置信息进行实时比较，来产生报警和关断信号，以避免碰撞事故的发生。同时，本系统还可以保护1个或者几个形状不同的栈桥管线、海上修井设备等。

上述位于起升卷筒上的编码器15为绝对值编码器，用以测量起升卷筒11的高度；并安装于起升卷筒11高度行程限位器一侧位置。安装时，为了保证吊机吊钩位于刚接触地面位置或高度下限限制位置，编码器15输出电阻为初始值；并选择合适位置焊接支架，以保证高度行程限位器输出轴与编码器15的输入轴同轴，其误差不超过1mm。

上述监测旋转角度的编码器15为绝对值编码器，并安装于回转支承侧面，回转齿轮上方位置，令编码器15的输入齿轮与回转支承大齿圈相啮合。编码器15的初始值处于中间位置。

上述周围障碍物信息的数据采集装置16是基于海上平台现场操作空间和海上工况环境的限制，现场一般采用激光测距仪或红外测距仪进行数据采集。

如图1-图5.2所示，实施时，海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置采用以下步骤：

如图1所示，第一步：建立海上基座式吊机的简化模型，并在简化模型上设置有：吊机的门架顶部变幅滑轮1、变幅绞车2、臂架根部绞点3、臂架头部变幅滑轮4、门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距L1、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距L2、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距L3、门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距L4、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度A1和门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度A2；其中，上述门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距L1、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距L2、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距L3和门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度A1值为固定值；门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距L4、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度A2为变化值；

第二步：计算吊机的门架顶部变幅滑轮1与臂架头部变幅滑轮4的中心距L4，相对于已知点的长度变化与变幅绞车2相对已知位置卷入钢丝绳的长度的关系式为：ΔL₄＝L_L÷n (1)

式中，

△L4为：相对于已知点的长度变化与变幅绞车2相对已知位置卷入钢丝绳的长度的关系；

n-门架顶部变幅滑轮1与臂架头部幅滑轮4之间的变幅钢丝绳倍率，且其为固定值；

同时，根据余弦定理：

即可计算出臂架角度为：

第三步：在吊机前后方向上安装传感器，该传感器为倾角传感器，倾角传感器的精度为0.01°；

⑴若当前绞车到吊机在前后方向上的倾斜角为B(以前倾为正方向)，则臂架的准确角度为：

⑵起升高度的变化与臂架角度和起升绞车收放钢丝绳相关，其中，臂架角度的变化引起的起升高度的变化为：

第四步：利用绝对值的编码器15与起升绞车轴端同轴连接，减速比选择1:1，假设：当前卷筒上钢丝绳的圈数为N_H0(此位置编码器15的位置信号假设为Sig_H0)，则在任意变幅位置下，变幅绞车2上钢丝绳的圈数为：

N_H＝N_H0+(Sig_H-Sig_H0)÷N (4)

其中，起升卷筒11的每一层能够容纳的钢丝绳圈数为T_H，起升卷筒11的每一层钢丝绳的直径是D_H0，D_H1……D_HH。

首先就可以计算出，臂架在任意位置时，相对于已知位置，起升绞车卷入的钢丝绳的长度(正为收绳、负为放绳)：

其中：

q—吊钩与臂架头部幅滑轮之间的变幅钢丝绳倍率，其为固定值；

假设在臂架角度A_L0时，起升高度为H₀；同时，由于目前小吨位的平台吊机的起升绞车的出绳一般不经过门架直接到臂架头部的起升滑轮，因此，起升高度的计算为：

假设回转编码器的减速比是1:N₁(吊机回转1圈，编码器旋转N₁圈)，并且，定义吊机在回转的某一点(此位置编码器的位置信号假设为Sig_S0，回转角度为A_S0)，那么，吊机在任意回转位置的实时角度的计算如下：

A_S＝A_S0+360°×(Sig_S-Sig_S0)÷N÷N₁

其中：

Sig_S——当前位置检测到的编码器位置信号；

N——绝对值编码器旋转一圈产生的信号值增量的绝对值。

如图2.1-图2.2所示，为曹妃甸6-4CEPA平台加装碰撞的第一界面，当起重机臂架障碍物时，该第一界面会自动弹出，当起重机远离障碍物时，该第一界面会自动消失。

第一界面中右边的部分为障碍物，第一界面的作业和右侧分别标示了障碍物相对于起重机所在的回转角度、臂架幅度和高度，当障碍物处于臂架逆时针方向时，第一界面右侧的画面会呈现出图2.1-图2.2的视图，当障碍物处于臂架顺时针方向时，界面右侧的画面会成选出图2.1-图2.2的第一界面，同时，第一界面上会提示为了防止臂架碰撞而需要臂架抬升到的角度。

如图3.1-图4.2所示，当吊钩在回转方向上接近障碍物时，会弹出第二界面或第三界面，当吊钩在回转方向远离障碍物时，界面消失。

当吊钩在起升方向上接近障碍物时，会弹出第二界面，当吊钩在起升方向远离障碍物时，第二界面消失，同时，第二界面上会提示为了防止吊钩碰撞而需要吊钩提升到的高度。

如图5.1-图5.2所示，当障碍物处于吊钩逆时针方向时，第四界面右侧的画面会呈现出图2.1-图2.2的视图，当障碍物处于吊钩顺时针方向时，第四界面右侧的画面会成选出图2.1-图2.2的界面，同时，第四界面上会提示为了防止吊钩碰撞而需要吊钩提升到的高度。

上述吊机、起升卷筒、变幅卷筒、回转齿圈、编码器、PLC控制器、报警器、激光测距仪、红外测距仪为现有技术，未作说明的技术为现有技术，故不再赘述。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，其特征在于，包括：吊机、设置在吊机上的起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈；其中，吊机在转动时，设置有设定的吊机的网格化覆盖区域；起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈上，分别增设有编码器、周围障碍物信息的数据采集装置；该编码器、周围障碍物信息的数据采集装置分别与PLC控制器相连，PLC控制器与报警器相连；通过PLC控制器和编码器来对吊机的回转角度、臂架角度和起升高度进行检测和计算，并和系统预存的空间网格区域位置进行对比，用以计算出吊机在起升、变幅和回转三个维度上的运行范围，当达到报警输出条件时，报警器进行输出报警，从而，得出吊机与障碍物的动态防碰撞的数值。

2.根据权利要求1所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，其特征在于，所述网格化覆盖区域为：吊机的网格化覆盖区域，该网格化覆盖区域建立的条件是根据吊机在海上平台的环境，对不同网格的吊高进行不同限制，其能够将动态测量运动部件位置信息与静态环境位置信息进行实时比较，来产生报警和关断信号，以避免碰撞事故的发生；且还能够保护1个或者几个形状不同的栈桥管线、海上修井设备。

3.根据权利要求1所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，其特征在于，所述起升卷筒上的编码器为绝对值编码器，并安装于起升卷筒高度行程限位器一侧位置；用以测量起升卷筒的高度；安装时，为了保证吊机吊钩位于刚接触地面位置或高度下限限制位置，编码器输出电阻为初始值；并选择合适位置焊接支架，以保证高度行程限位器输出轴与编码器的输入轴同轴，其误差不超过1mm。

4.根据权利要求1所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，其特征在于，所述编码器为绝对值编码器，并安装于回转支承侧面，回转齿轮上方位置，令编码器的输入齿轮与回转支承大齿圈相啮合，且编码器的初始值处于中间位置。

5.根据权利要求1所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，其特征在于，所述周围障碍物信息的数据采集装置是基于海上平台现场操作空间和海上工况环境的限制，现场一般采用激光测距仪或红外测距仪进行数据采集。

6.一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞的方法，其特征在于，设置有如权利要求1-权利要求5的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，采用以下步骤：

第一步：建立海上基座式吊机的简化模型，并在简化模型上设置有：吊机的门架顶部变幅滑轮、变幅绞车、臂架根部绞点、臂架头部变幅滑轮、门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距、门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度和门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度；其中，

门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距和门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度值为固定值；门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度为变化值；

第二步：计算吊机的门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距，相对于已知点的长度变化与变幅绞车相对已知位置卷入钢丝绳的长度的关系式为：ΔL₄＝L_L÷n(1)

同时，根据余弦定理：

即能够计算出臂架角度为：

第三步：在吊机前后方向上安装传感器；

⑴若当前绞车到吊机在前后方向上的倾斜角为B，且以前倾为正方向，则臂架的准确角度为：

⑵起升高度的变化与臂架角度和起升绞车收放钢丝绳相关，其中，臂架角度的变化引起的起升高度的变化为：

第四步：利用绝对值的编码器与起升绞车轴端同轴连接，减速比选择1:1，假设：当前卷筒上钢丝绳的圈数为N_H0，此位置编码器的位置信号假设为Sig_H0，则在任意变幅位置下，变幅绞车上钢丝绳的圈数为：

N_H＝N_H0+(Sig_H-Sig_H0)÷N (4)。

7.根据权利要求6所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞的方法，其特征在于，所述第二步中，ΔL₄＝L_L÷n的式中，△L4为：相对于已知点的长度变化与变幅绞车相对已知位置卷入钢丝绳的长度的关系；n-门架顶部变幅滑轮与臂架头部幅滑轮4之间的变幅钢丝绳倍率，且其为固定值。

8.根据权利要求6所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞的方法，其特征在于，所述第三步中，传感器为倾角传感器，倾角传感器的精度为0.01°。

9.根据权利要求6所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞的方法，其特征在于，所述第四步中，公式(4)T_H为：起升卷筒的每一层能够容纳的钢丝绳圈数；D_H0为：起升卷筒的每一层钢丝绳的直径；臂架在任意位置时，相对于已知位置，起升绞车卷入的钢丝绳的长度，且为：正为收绳、负为放绳时：

式中：

q—吊钩与臂架头部幅滑轮之间的变幅钢丝绳倍率，其为固定值；

假设在臂架角度A_L0时，起升高度为H₀；同时，由于目前小吨位的平台吊机的起升绞车的出绳一般不经过门架直接到臂架头部的起升滑轮，因此，起升高度的计算为：

假设回转编码器的减速比是1:N₁，即：吊机回转1圈，编码器旋转N₁圈，并且，定义吊机在回转的某一点，此位置编码器的位置信号假设为Sig_S0，回转角度为A_S0，那么，吊机在任意回转位置的实时角度的计算如下：

A_S＝A_S0+360°×(Sig_S-Sig_S0)÷N÷N₁

式中：

Sig_S——当前位置检测到的编码器位置信号；

N——绝对值编码器旋转一圈产生的信号值增量的绝对值。