CN114898540B - 一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，涉及防碰撞预警技术领域，该方法对于基础算力的需求明显低于常见的方法。其不依赖三维几何运算，无须进行复杂的空间几何干涉相交判定，计算维度仅限于点集变换与距离计算，经实际测试验证与应用，只要保证数据通讯链路稳定、设备实时姿态数据稳定有效，即可部署在任意工控机上，且监视效率高，延时低，足以应对真实作业场景下的防碰撞需求。同时，本发明降低了对建模的要求，建模过程无需进行复杂的对设备实际动作的精确描述，而是以抽象连接结构，表达设备在作业过程中的姿态变化。本发明也不依赖于三维场景的搭建，无需对机械结构进行解析，即可确保防碰撞功能的运行。
Description
技术领域
本发明涉及防碰撞预警技术领域，特别是涉及一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法。
背景技术
现今工业现场普遍具有复杂的现场环境，作业设备交叉作业等工况，大型设备的防碰撞问题一直是一项至关重要的现实需求。碰撞检测与防碰撞问题，本质上就是实现检测设备任意点测距问题。
通常为应对防碰撞问题，厂家普遍采取加装测距硬件，如雷达、激光等传感器来实现，此方法不仅受传感器本身工作条件限制，同时受作业设备本身执行动作复杂度影响，传感器只能安装在设备的固定位置，对特定的检测区进行检测，若作业设备本身动作复杂维度高，则只有增加传感器数量，才能对所有可能的碰撞区进行检测。此类解决方案成本高，传感器持续维护也一直困扰着所有使用者。在此背景下，软件防碰撞应运而生。
软件防碰撞解决办法，应对于已知设备三维空间形态与实时姿态变化的场景。常见的软防碰撞解决方案，包括包围盒检测、三维几何图形相交算法等。其中，包围盒是一种求解离散点集最优包围空间的算法，基本思想是用体积稍大且特性简单的几何体(称为包围盒)来近似地代替复杂的几何对象。此类算法基于空间几何运算，通过计算几何体是否相交与几何体间最小距离，来预测碰撞的发生。例如，包围盒的其中一种为包围球，指使用一个虚拟的球体将被检测物体包围，因球与球之间的距离，即为两球圆心之间的距离，计算过程简单迅速。当两球间距离小于一定值时，认为存在碰撞可能性。此办法优势在于运算迅捷，劣势也很明显：当被检测物体非常窄或非常宽时，包围球与实际物体空间形态差异过大，很容易出现误报现象。虽然应对于复杂被测物体形态，在此算法基础上提出了球体树，但随着被测物体形态复杂度提高，球体树的球体数量也会大量提升。同时当被测物体形态发生变化时，需要根据形态重新生成球体树，运算复杂且成本高。
其他软防碰撞解决方案，例如，1、基于行为的多塔机三维空间防碰撞方法(申请号：CN201310404791.X)一种基于行为的多塔机三维空间防碰撞方法，该方法通过分解塔机行为，构建塔机臂架在各种行为下的三维空间姿态模型，在此基础上，利用计算机图形学的干涉计算，对塔机行为的危险状况进行判断，根据情况对塔机实行主动防碰控制。此种方法依赖于对塔机动作行为的熟悉，针对性较强，不具备迁移至其他设备种类与现场的能力。
2、基于二叉树搜索的塔机防碰撞包围球判定方法(收录于《高师理科学刊》)在防碰撞包围球判定方法基础上，研究了二叉树搜索算法在其中的应用.借助空间坐标变换以及位置信息的无线通信交换，详细论述了二叉树搜索算法的实现。该方法提高了碰撞区域判定效率，对于塔机安全运行，有效避免碰撞事故发生具有重要意义。此种方法在表达设备复杂的连接机构在运动时，产生的空间关系变化上，存在天然的困难。并且应对于不同设备形态，包围球的数量会随着设备大小、部件长度大幅增长，增加了对计算资源的需求。
总体来说，现有软防碰，皆基于三维空间几何运算，辅以不同建模方式，通过对几何体最近距离与相交情况，判定碰撞发生的可能性，由于该方法需进行三维几何体空间运算，运算成本高，实际应用中对性能要求较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，解决的技术问题是：实时且高效地对散货厂区现场的堆取料设备间的空间距离进行实时计算，并根据作业逻辑对作业过程中的危险行为下发报警信号，提供设备与设备间、设备与作业场景间防碰撞解决方案。
为此，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，所述方法包括：
S1、根据厂区CAD进行厂区建模，至少包括固定场景、设备走行轨道；
S2、根据设备实际图纸、照片和作业视频，使用基础三维几何体，对所述设备进行抽象，并以树形结构表征各几何体之间的连接关系，形成一个由三维基础几何体组成的设备抽象模型；其中，约定抽象几何体称为部件，部件与部件之间的连接关系称为连接件，连接件与子部件共同组成一组连接结构，所有部件共同组成的设备几何模型称为组合模型；一个组合模型有且只有一个根部件；每个部件包含若干个连接结构，每个连接结构包含一个连接件与一个子部件，并带有父子之间的空间变换关系；连接结构标识子部件的空间姿态如何随父部件的运动而变化，至少包括：旋转轴连接类型与固定连接类型；
S3、利用关键点生成算法，将原始的三维几何体，降维成一个可以代表该几何体空间属性的均匀点集；所述关键点包含三类：顶点、边缘点、表面点；
S4、根据厂区模型建立坐标系，以厂区左下角作为三维坐标系的原点，建立右手坐标系，大机走行方向为X轴向，不同轨道之间的设备作为Y向；
S5、防碰撞软件在设备作业过程中接收来自网关的设备实时姿态数据，并基于所述设备实时姿态数据进行姿态运算；
其中，所述姿态运算包括：当设备运动姿态发生变化时，以所建立模型根部件作为入口，依次对所有部件根据其父子连接结构进行旋转平移变换，从而得到待测设备姿态对应点集的世界坐标；所有关键点世界坐标作为当前时刻设备防碰撞运算点集，用于支持设备间距离运算；
当连接结构为固定连接结构时，代表子部件与父部件刚性连接在一起，随着父部件的运动而运动；当父部件位置发生变化时，子部件任意点坐标需随之平移，其旋转平移矩阵为：
其中x，y，z分别代表三轴方向的偏移量，因固定连接无旋转偏角，故原矩阵为一个单位矩阵；
当连接结构为轴连接结构时，则表征子部件能够进行旋转变化，其旋转平移矩阵为：
；
其中，原始矩阵中的x，y，z分别代表三轴的旋转角度，增广列的x，y，z代表父子部件之间的原点偏移；
子部件上关键点的旋转平移坐标变化，根据其父部件的旋转平移坐标运算得到；
S6、联合所述设备防碰撞运算点集，计算获得设备与设备之间的最近距离；
S7、当两设备之间的最近距离到达普通预警距离时，软件界面给出提示，此时并不下发任何指令；当两设备之间最近距离到达紧急预警距离时，软件界面给出提示，此时下发停止指令。
进一步地，所述设备为具备刚性结构的设备。
进一步地，所述设备为堆取料机。
进一步地，所述三维几何体为长方体；相应地，所述关键点生成算法为：
设长方体长、宽、高分别为a、b、h，点密度为u，则：
顶点数n1＝8；
边缘点数n2＝4(Round(a/u)-1)+4(Round(b/u)-1)+4(Round(h/u)-1)；
表面点数n3＝2((Round(a/u)-1)(Round(b/u)-1))+2((Round(a/u)-1)(Round(h/u)-1))+2((Round(h/u)-1)(Round(b/u)-1))；
其中，Round()为四舍五入取整函数；
经关键点生成算法处理后，原始抽象三维几何体处理成离散在xyz空间内的点集。
进一步地，计算获得设备与设备之间的最近距离包括：
采用欧式距离计算公式获得设备与设备之间的最近距离。
进一步地，所述停止指令包括：走行停止指令和回转停止指令；
走行指令下发时，软件内部会进行预推演，即当两设备间距离小于紧急预警距离时，会预计算设备前进或后退一段距离设置距离后，设备是否依然处于紧急预警距离之内；若前进走行设置距离后，设备仍处于紧急预警距离内，则下发前进停止指令；若设备后退设置距离后，设备仍处于紧急预警距离内，则下发后退停止指令；
回转指令下发时，会在软件内部进行预推演，即当两设备到达紧急预警距离时，会预计算设备顺时针或逆时针旋转设置角度后，设备是否依然处于紧急预警距离之内；若顺时针回转设置角度后，设备仍处于紧急预警距离范围内，则下发顺时针停止指令；若设备逆时针回转设置角度后，设备仍处于紧急预警距离，则下发逆时针停止指令。
本发明的优点和积极效果：
1、与硬件传感器防碰撞方案相比，软件防碰本身具有低成本、低维护、低环境依赖等特点。硬件传感器需要在全周期内进行定期巡检维护，如有损坏则需要更换维修，而软件防碰仅依靠部署前对设备、环境进行测绘，建立1：1数字模型，即可保证所应用设备的防碰功能运行。
2、与其他软件防碰撞方案相比，本发明对于基础算力的需求明显低于常见的方法。不依赖三维几何运算，无须进行复杂的空间几何干涉相交判定，计算维度仅限于点集变换与距离计算，经实际测试验证与应用，只要保证数据通讯链路稳定、设备实时姿态数据稳定有效，即可部署在任意工控机上，且监视效率高，延时低，足以应对真实作业场景下的防碰撞需求。同时，本发明降低了对建模的要求，建模过程无需进行复杂的对设备实际动作的精确描述，而是以抽象连接结构，表达设备在作业过程中的姿态变化。本发明也不依赖于三维场景的搭建，无需对机械结构进行解析，即可确保防碰撞功能的运行。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例中一种大机设备尺寸图；
图2为本发明实施例中设备抽象模型的侧视图；
图3为本发明实施例中抽象设备模型数据结构示意图；
图4为本发明实施例中计算关键点模型示意图；
图5为本发明实施例中堆取料机防碰撞软件界面示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明综合考量了现有软防碰方法的优劣势，并结合实际应用场景需求，提出了一套全新的解决方案，能够应用于工业场景中的堆取料机、刮板机、起重机等具备刚性结构的设备防碰撞预警。本发明通过三个过程实现防碰撞预警：数字化建模过程、碰撞区域安全距离计算以及设备停机控制，其中：
(1)数字化建模过程：
数字化建模过程是指将实际设备抽象化，形成一个可支持核心功能的运算模型。相对于包围盒方法，本发明将三维几何体降维成点集。具体过程包括：
S101、根据厂区CAD进行厂区建模，包括固定场景，设备走行轨道等。
S102、设备基本几何体建模。
根据设备实际图纸、照片、作业视频，以人工的方式，使用基础三维几何体，对设备进行抽象，形成一个由三维基础几何体组成的设备抽象模型。
进一步，以树形结构表征各几何体之间的连接关系。树形结构如图3。约定抽象几何体称为部件，部件与部件之间的连接关系称为连接件，连接件与子部件共同组成一组连接结构，所有部件共同组成的设备几何模型称为组合模型。一个组合模型有且只有一个根部件，如图3“根部件”部分，包含根部件相对于整体组合模型的位置与偏角、基本几何体描述，如图2中P0为抽象的根部件的几何体，Axis_0为P1共同组成了根部件的轴连接结构。每个部件包含若干个连接结构，每个连接结构包含一个连接件与一个子部件，并带有父子之间的空间变换关系。连接结构标识子部件的空间姿态如何随父部件的运动而变化，最常见的即为旋转轴连接类型与固定连接类型。如图“固定连接结构数组”与“轴连接结构数组”部分，每个连接结构包含一个相同类型的连接件，其中描述了自身相对于父部件的位置与偏移(轴连接件包含轴向与偏转角度)。
S103、利用关键点生成算法生成关键点模型。
其他几何体包括长方体、圆柱、线段等，关键点生成算法，是以关键点形式代表设备结构，且关键点尺寸不随设备运动状态而改变。旨在将原始的三维几何体，降维成一个可以代表该几何体空间属性的均匀点集。关键点生成算法生成的数据，即为关键点模型，关键点包含三类：顶点、边缘点、表面点。
具体计算方法以长方体为例：
设长方体长、宽、高分别为a、b、h，点密度为u，则：
顶点数n1＝8；
边缘点数n2＝4(Round(a/u)-1)+4(Round(b/u)-1)+4(Round(h/u)-1)；
表面点数n3＝2((Round(a/u)-1)(Round(b/u)-1))+2((Round(a/u)-1)(Round(h/u)-1))+2((Round(h/u)-1)(Round(b/u)-1))；
其中，Round()为四舍五入取整函数。
经关键点生成算法处理后，原始抽象三维几何体处理成离散在xyz空间内的点集。
(2)防碰撞距离计算过程：
监测过程至在实际运行中，根据设备动作与姿态变化，实时监测设备与设备间最近距离。具体过程包括：
S201、根据厂区模型建立坐标系。
通常以厂区左下角作为三维坐标系的原点，建立右手坐标系，大机走行方向X轴向，不同轨道之间的设备作为Y向。
S202、姿态运算。
当设备运动姿态发生变化时，通过网关将大机设备运动变化的数据，上传至软件，软件内部计算以根部件作为入口，递归式调用全组合模型，运算各个部件相应于设备姿态变化的空间坐标变化。该变化方式相关描述已存储于连接结构中，例如固定连接结构，代表子部件与父部件刚性连接在一起，随着父部件的运动而运动。当父部件位置发生变化时，子部件任意点坐标需随之平移，轴连接结构，则表征子部件可以进行旋转变化。子部件上关键点的旋转平移坐标变化，根据其父部件的旋转平移坐标运算得到。当设备姿态发生变化时，由根部件出发，依次对所有部件根据其父子连接结构进行旋转平移变换，从而得到待测设备姿态对应点集点世界坐标。实际运用中，根据设备实时通讯传递的姿态数据进行实时运算，即可得到设备关键点集的实时世界坐标。
S203、距离监测。
经过姿态运算后，当前所有被测设备对应的点集坐标已与设备实际姿态同步，则联合被测设备点集，即可经过计算轻易获得设备与设备之间的最近距离。
距离
将设备间最短距离与预设的安全距离进行对比，即可获取设备间的碰撞预警信息。
(3)设备停机控制过程：
设备预警距离是可调节的参数，预警等级分为普通预警距离，紧急预警距离，两设备之间的最近距离到达普通预警距离时，软件界面给出提示，此时并不下发任何指令。当两设备之间最近距离到达紧急预警距离时，软件界面给出提示，此时下发停止指令。
走行停止指令：
由于设备作业时是人工操作状态，该操作状态具有不可预知性，因此走行指令下发时，软件内部会进行预推演，即当两设备间距离小于紧急预警距离时，会预计算设备前进或后退一段距离设置距离后，设备是否依然处于紧急预警距离之内。若前进走行设置距离后，设备仍处于紧急预警距离内，则下发前进停止指令；若设备后退设置距离后，设备仍处于紧急预警距离内，则下发后退停止指令。
回转停止指令：
由于设备作业时是人工操作状态，该操作状态具有不可预知性，因此回转指令下发时，会在软件内部进行预推演，即当两设备到达紧急预警距离时，会预计算设备顺时针或逆时针旋转设置角度后，设备是否依然处于紧急预警距离之内。若顺时针回转设置角度后，设备仍处于紧急预警距离范围内，则下发顺时针停止指令；若设备逆时针回转设置角度后，设备仍处于紧急预警距离，则下发逆时针停止指令。
上述基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法已成功应用于堆取料机防碰撞项目中，并经实际现场应用验证，应用过程如下：
S1、根据厂区CAD进行厂区建模，包括固定场景，设备走行轨道等。
S2、以堆取料机为例，根据现场堆取料机实际图纸(如图1)，以人工的方式，使用基础三维几何体，对设备进行抽象，形成一个由三维基础几何体组成的设备抽象模型(如图2)。
其中，P0为堆取料机的走行机构抽象，P1为堆取料机的回转平台，P2为堆取料机悬臂，P3为堆取料机斗轮，P4为堆取料机配重，P5、P6为堆取料机顶部拉绳，Axis_0设备回转轴；Axis_1设备俯仰轴。几何模型中各部分与真实设备尺寸、相对位置完全一致，保证模型的真实性与准确性。
进一步，以树形结构表征各几何体之间的连接关系。树形结构如图3。约定抽象几何体称为部件，部件与部件之间的连接关系称为连接件，连接件与子部件共同组成一组连接结构，所有部件共同组成的设备几何模型称为组合模型。一个组合模型有且只有一个根部件，如图3“根部件”部分，包含根部件相对于整体组合模型的位置与偏角、基本几何体描述，如图2中P0，为抽象的根部件的几何体，Axis_0为P1共同组成了根部件的轴连接结构。每个部件包含若干个连接结构，每个连接结构包含一个连接件与一个子部件，并带有父子之间的空间变换关系。连接结构标识子部件的空间姿态如何随父部件的运动而变化，最常见的即为旋转轴连接类型与固定连接类型。如图“固定连接结构数组”与“轴连接结构数组”部分，每个连接结构包含一个相同类型的连接件，其中描述了自身相对于父部件的位置与偏移(轴连接件包含轴向与偏转角度)。
S3、设置计算关键点模型精度为0.1米，生成基本几何体模型对应的关键点模型。如图5所示。
设置模型精度用来提高防碰撞物体间最小距离的计算精度。
具体计算方法以长方体为例：
设长方体长、宽、高分别为a、b、h，点密度为u，则：
顶点数n1＝8；
边缘点数n2＝4(Round(a/u)-1)+4(Round(b/u)-1)+4(Round(h/u)-1)；
表面点数n3＝2((Round(a/u)-1)(Round(b/u)-1))+2((Round(a/u)-1)(Round(h/u)-1))+2((Round(h/u)-1)(Round(b/u)-1))；
经关键点生成算法处理后，原始抽象三维几何体处理成离散在xyz空间内的点集，示意效果见图4。
S4、根据厂区模型建立坐标系，以厂区左下角作为三维坐标系的原点，建立右手坐标系，大机走行方向X轴向，不同轨道之间的设备作为Y向。
如图5所述，设置堆取料机走行方向正向为X轴正向，回转方向左转为正转，右转为负转，回转角度约定X轴正向为0度，设备左侧角度回转角度区间为[0，180]度，设备右侧回转角度区间为[0，-180]度。
S5、部署软件系统，其中包括设备PLC控制系统，防碰撞自动预警软件，网关程序。PLC控制系统支持远控，网关程序提供上位防碰撞自动预警软件与设备PLC控制系统之间的数据交互。防碰撞软件在设备作业过程中接收来自网关的设备实时姿态数据，并根据预设防碰撞距离给出预警信息。
S6、姿态运算。当设备运动姿态发生变化时，通过网关将大机设备运动变化的数据，上传至上位防碰撞自动预警软件，软件内部计算以所建立模型根部件作为入口，递归式调用全组合模型，运算各个部件相应于设备姿态变化的空间坐标变化。该变化方式相关描述已存储于连接结构中，当为固定连接结构时，代表子部件与父部件刚性连接在一起，随着父部件的运动而运动。当父部件位置发生变化时，子部件任意点坐标需随之平移，其旋转平移矩阵如下所示：
其中x，y，z分别代表三轴方向的偏移量，因固定连接无旋转偏角，故原矩阵为一个单位矩阵。
当为轴连接结构时，则表征了子部件可以进行旋转变化，其旋转平移矩阵如下：
；
其中，原始矩阵中的x，y，z分别代表三轴的旋转角度，增广列的x，y，z代表父子部件之间的原点偏移。
子部件上关键点的旋转平移坐标变化，根据其父部件的旋转平移坐标运算得到。当设备姿态发生变化时，由根部件出发，依次对所有部件根据其父子连接结构进行旋转平移变换，从而得到当次设备姿态对应点集点世界坐标。所有关键点世界坐标作为当前时刻设备防碰撞运算点集，用于支持设备间距离运算。
S7、距离监测。经过姿态运算后，当前所有被测设备对应的点集坐标已与设备实际姿态同步，则联合被测设备点集，即可经过计算轻易获得设备与设备之间的最近距离。
距离
S8、设备停机控制过程。设备预警距离是可调节的参数，预警等级分为普通预警距离，紧急预警距离，两设备之间的最近距离到达普通预警距离时，软件界面给出提示，此时并不下发任何指令。当两设备之间最近距离到达紧急预警距离时，软件界面给出提示，此时下发停止指令。
(1)走行停止指令下发：
由于设备作业时，是人工操作状态，该操作状态具有不可预知性，因此走行指令下发时，软件内部会进行预推演，即当两设备间距离小于紧急预警距离时，会预计算设备前进或后退一段距离设置距离后，设备是否依然处于紧急预警距离之内。若前进走行设置距离后，设备仍处于紧急预警距离内，则下发前进停止指令；若设备后退设置距离后，设备仍处于紧急预警距离内，则下发后退停止指令。
(2)回转停止指令下发：
由于设备作业时，是人工操作状态，该操作状态具有不可预知性，因此回转指令下发时，会在软件内部进行预推演，即当两设备到达紧急预警距离时，会预计算设备顺时针或逆时针旋转设置角度后，设备是否依然处于紧急预警距离之内。若顺时针回转设置角度后，设备仍处于紧急预警距离范围内，则下发顺时针停止指令；若设备逆时针回转设置角度后，设备仍处于紧急预警距离，则下发逆时针停止指令。
本发明实施例中的防碰撞预警方法与其他软件防碰撞方案相比，本发明对于基础算力的需求明显低于常见的方法。不依赖三维几何运算，无须进行复杂的空间几何干涉相交判定，计算维度仅限于点集变换与距离计算，经实际测试验证与应用，只要保证数据通讯链路稳定、设备实时姿态数据稳定有效，即可部署在任意工控机上，且监视效率高，延时低，足以应对真实作业场景下的防碰撞需求。同时，本发明降低了对建模的要求，建模过程无需进行复杂的对设备实际动作的精确描述，而是以抽象连接结构，表达设备在作业过程中的姿态变化。本发明也不依赖于三维场景的搭建，无需对机械结构进行解析，即可确保防碰撞功能的运行。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、根据厂区CAD进行厂区建模，至少包括固定场景、设备走行轨道；
S2、根据设备实际图纸、照片和作业视频，使用基础三维几何体，对所述设备进行抽象，并以树形结构表征各几何体之间的连接关系，形成一个由三维基础几何体组成的设备抽象模型；其中，约定抽象几何体称为部件，部件与部件之间的连接关系称为连接件，连接件与子部件共同组成一组连接结构，所有部件共同组成的设备几何模型称为组合模型；一个组合模型有且只有一个根部件；每个部件包含若干个连接结构，每个连接结构包含一个连接件与一个子部件，并带有父子之间的空间变换关系；连接结构标识子部件的空间姿态如何随父部件的运动而变化，至少包括：旋转轴连接类型与固定连接类型；
S3、利用关键点生成算法，将原始的三维几何体，降维成一个可以代表该几何体空间属性的均匀点集；所述关键点包含三类：顶点、边缘点、表面点；
S4、根据厂区模型建立坐标系，以厂区左下角作为三维坐标系的原点，建立右手坐标系，大机走行方向为X轴向，不同轨道之间的设备作为Y向；
S5、防碰撞软件在设备作业过程中接收来自网关的设备实时姿态数据，并基于所述设备实时姿态数据进行姿态运算；
其中，所述姿态运算包括：当设备运动姿态发生变化时，以所建立模型根部件作为入口，依次对所有部件根据其父子连接结构进行旋转平移变换，从而得到待测设备姿态对应点集的世界坐标；所有关键点世界坐标作为当前时刻设备防碰撞运算点集，用于支持设备间距离运算；
当连接结构为固定连接结构时，代表子部件与父部件刚性连接在一起，随着父部件的运动而运动；当父部件位置发生变化时，子部件任意点坐标需随之平移，其旋转平移矩阵为：
其中x，y，z分别代表三轴方向的偏移量，因固定连接无旋转偏角，故原矩阵为一个单位矩阵；
当连接结构为轴连接结构时，则表征子部件能够进行旋转变化，其旋转平移矩阵为：
；
其中，原始矩阵中的x，y，z分别代表三轴的旋转角度，增广列的x，y，z代表父子部件之间的原点偏移；
子部件上关键点的旋转平移坐标变化，根据其父部件的旋转平移坐标运算得到；
S6、联合所述设备防碰撞运算点集，计算获得设备与设备之间的最近距离；
S7、当两设备之间的最近距离到达普通预警距离时，软件界面给出提示，此时并不下发任何指令；当两设备之间最近距离到达紧急预警距离时，软件界面给出提示，此时下发停止指令；
其中，所述三维几何体为长方体；相应地，所述关键点生成算法为：
设长方体长、宽、高分别为a、b、h，点密度为u，则：
顶点数n1＝8；
边缘点数n2＝4(Round(a/u)-1)+4(Round(b/u)-1)+4(Round(h/u)-1)；
表面点数n3＝2((Round(a/u)-1)(Round(b/u)-1))+2((Round(a/u)-1)(Round(h/u)-1))+2((Round(h/u)-1)(Round(b/u)-1))；
其中，Round()为四舍五入取整函数；
经关键点生成算法处理后，原始抽象三维几何体处理成离散在xyz空间内的点集；所述停止指令包括：走行停止指令和回转停止指令；
走行指令下发时，软件内部会进行预推演，即当两设备间距离小于紧急预警距离时，会预计算设备前进或后退一段距离设置距离后，设备是否依然处于紧急预警距离之内；若前进走行设置距离后，设备仍处于紧急预警距离内，则下发前进停止指令；若设备后退设置距离后，设备仍处于紧急预警距离内，则下发后退停止指令；
回转指令下发时，会在软件内部进行预推演，即当两设备到达紧急预警距离时，会预计算设备顺时针或逆时针旋转设置角度后，设备是否依然处于紧急预警距离之内；若顺时针回转设置角度后，设备仍处于紧急预警距离范围内，则下发顺时针停止指令；若设备逆时针回转设置角度后，设备仍处于紧急预警距离，则下发逆时针停止指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，其特征在于，所述设备为具备刚性结构的设备。
3.根据权利要求2所述的一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，其特征在于，所述设备为堆取料机。
4.根据权利要求1所述的一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，其特征在于，计算获得设备与设备之间的最近距离包括：
采用欧式距离计算公式获得设备与设备之间的最近距离。
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