CN115818444A - 一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法，包括多台实体门式起重机、虚拟调试系统和实体控制系统，虚拟调试系统包括碰撞检测单元、虚拟场景单元、运动控制单元；虚拟场景单元实时模拟堆场起重机实体运行场景；碰撞检测单元根据所述虚拟场景模块中虚拟轨道式集装箱门式起重模型的实时运行状态与集装箱模型的实时位置进行碰撞检测；运动控制单元接收到碰撞检测单元数据计算得出安全规划与信息评估后，对轨道式集装箱门式起重机实体进行相应的安全运动控制。本发明所构建的系统对当前的运动任务进行虚拟仿真和调试，验证其安全性，并通过反复调整和迭代优化调整当前的任务，可很大程度上缩短任务设计的时间。

Description

一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法

技术领域

本发明涉及起重机技术领域，具体地说是一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法。

背景技术

轨道式集装箱门式起重机作为港口码头及铁路中心站堆场常见的一种起重运输设备，是集装箱装卸中不可或缺的一环。轨道式集装箱门式起重机进行多机协同作业任务时，多台起重机大车、起升、小车在堆场内运行时，箱区内的集装箱与正在吊起状态下的集装箱之间、轨道上小车与边界物体之间、大车与大车之间存在物理空间位置上的交叉干涉，已用在安全方面的技术有视觉、超声波、激光和机械限位装置，但仍会有发生碰撞的安全隐患。同时，轨道式集装箱门式起重机在执行多机协同的作业任务测试时，也会面临成本高，风险大的问题。

轨道式集装箱门式起重机进行多机协同作业任务时，作业环境相对复杂，作业区域内的大小车、集装箱在物理空间位置上存在干涉。现有的起重机多机协同作业可能会发生的问题是：

1.当作业在夜间或相对干扰性强的时候，且存在吊具遮挡视野盲区，有时操作员/管理员，有时无法及时、完整观察到周围障碍物的情况，出现大车与场内的人、车、设备等障碍物发生碰撞事故。

2.单一的防撞技术(诸如超声波防撞技术、机器视觉防撞技术、激光防撞技术、近场感应防撞技术、红外检测防撞技术等)可能会产生一定的碰撞风险问题。

3.轨道式集装箱门式起重机在执行多机协同的作业任务测试时，也会面临成本高，风险大的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种堆场自动化轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法，与传统的实物调试和纯数字化调试相比，降低了任务测试的成本，方便操作员/管理员直观了解作业任务过程。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统，包括多台实体门式起重机、虚拟调试系统和实体控制系统，其中所述虚拟调试系统包括碰撞检测单元、虚拟场景单元、运动控制单元；

所述虚拟场景单元采用数字化的方式建立虚拟起重机堆场上相应的模型即得到虚拟轨道式集装箱门式起重机，将虚拟轨道式集装箱门式起重机1：1的复制到虚拟场景中；并接受实体门式起重机的运动状态信息，实时模拟堆场起重机实体运行场景，在堆场作业时对轨道吊实体设备进行实时监控；

所述碰撞检测单元根据所述虚拟场景模块中虚拟轨道式集装箱门式起重模型的实时运行状态与集装箱模型的实时位置进行碰撞检测；

所述运动控制单元接收到碰撞检测单元数据计算得出安全规划与信息评估后，确定是否减速、停止操作，将操作起重机的指令数据传输至实体运动控制系统，进而对轨道式集装箱门式起重机实体进行相应的安全运动控制。

进一步地，所述实体门式起重机的大车和小车上分别安装机械物理防撞限位开关和激光或视觉传感器；所述虚拟轨道式集装箱门式起重机上装备有传感器，包括：虚拟激光传感器、虚拟加速度传感器、虚拟姿态传感器，分别用于检测距离、加速度、目标姿态，并将这些数据通过虚拟场景单元下的UI进行显示。

进一步地，所述碰撞检测单元用于对虚拟场景单元中同一轨道上多台轨道式集装箱门式起重机进行碰撞检测，包括大车碰撞检测、小车碰撞检测、吊具碰撞检测，对堆场轨道式集装箱门式起重机提供多机协同作业的防撞预警信息，当检测到碰撞信号时，虚拟场景单元通过UI界面显示虚拟场景中多个重要位置视角的运行情况，供操作员/管理员对堆场多台轨道式集装箱门式起重机的运行进行实时监控，确定是否减速、停止操作，确保多机协同作业的安全控制。

进一步地，所述虚拟场景单元与运动控制单元之间的数据传输连接，将数据通过OPC UA统一架构工业通讯协议发送至虚拟场景单元，虚拟场景单元设置有OPC UA数据传输接口；虚拟场景单元设置有起重机位置，通过读取并不断迭代节点中的数据进行位置更新。

进一步地，所述控制运动单元设置传输关键数据的接口，将响应数据通过通讯协议传输至实体控制系统，进而对轨道式集装箱门式起重机实体进行相应的运动控制，包括路径的规划，加速度、速度与位置的控制。

进一步地，所述安全规划与信息评估包括对起重机大车之间、轨道上小车与边界物体之间、大车箱区内的集装箱与正在吊起状态下的集装箱之间、集装箱与空载状态下的吊具之间是否越过安全距离产生碰撞或是否将要碰撞进行预测并计算碰撞概率。

本发明还提供一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试方法，包括如下步骤：

步骤S1.虚拟场景单元建立与运动控制单元的数据传输连接，虚拟场景单元接受起重机的运动状态信息，实时模拟堆场起重机实体运行场景，在堆场作业时对轨道吊实体设备进行实时监控；

步骤S2.碰撞检测单元根据所述虚拟场景模块中虚拟轨道式集装箱门式起重模型的实时运行状态与集装箱模型的实时位置进行碰撞检测；

步骤S3.碰撞检测单元与机械物理防撞、激光视觉防撞共同组成多层防撞控制，碰撞检测的结果用来测试和验证任务设计和运动是否安全；

步骤S4.运动控制单元接收碰撞检测数据计算得出安全规划与信息评估后，确定是否减速、停止操作，将操作起重机的指令数据传输至起重机实体控制系统，进而对轨实体门式起重机进行相应的安全运动控制。

进一步地，所述步骤S2中的碰撞检测包括大车碰撞检测、小车碰撞检测、吊具碰撞检测，所述大车防撞检测用于检测虚拟轨道式集装箱门式起重机之间的距离、起重机与轨道边界位置的距离，所述小车碰撞检测用于检测虚拟轨道式集装箱门式起重机小车运行机构与边界位置的距离，在计算与边界位置小于安全距离时发出响应数据，并将相应数据传输到UI界面显示；所述吊具碰撞检测用于空载状态、带载状态下吊具与集装箱之间的碰撞检测。

进一步地，所述的大车或小车碰撞检测流程为：

(1)t₀时刻，在建立的空间坐标系中，确定参照物的空间位置(x，y，z)，由大车或小车虚拟激光传感器发射射线至参照物，射线接触到参照物时计算射线长度从而确定n台虚拟轨道式集装箱门式起重机上虚拟激光传感器的空间位置(x_o，y₀，z₀)₁，(x₀，y₀，z₀)₂，(x₀，y₀，z₀)₃……(x_o，y₀，z₀)_n；

(2)Δt时间后再次发射射线确定t₁时刻的n台虚拟激光传感器的空间位置(x₁，y₁，z₁)₁，(x₁，y₁，z₁)₂，(x₁，y₁，z₁)₃……(x₁，y₁，z₁)_n；

(3)以后每隔Δt时间发射射线确定t_i时刻的n台虚拟激光传感器的空间位置，从而确定n台轨道式集装箱门式起重机大车或小车之间的相对距离l_i；

(4)根据控制系统所设定的安全距离l_s，若判断l_s＜l_i，则起重机之间还处于安全距离，若l_s≥l_i，则起重机之间处于非安全距离，系统将在虚拟场景单元下的UI中提醒操作员/管理员，设备存在安全风险。

进一步地，对空载状态、带载状态下吊具与集装箱之间的碰撞检测，需要计算出包含目标模型且同时进行平移、旋转等相对于坐标轴方向的长方体，在三维空间中通过如下公式表示：

R＝{C+ar₁v¹+br₂v²+cr₃v³|a，b，c∈[-1.1]}

其中，R代表长方体在空间坐标系中的区域，C表示中点，r₁、r₂、r₃表示半边长，v¹、v²、v³表示相互垂直的单位向量，a、b、c分别为向量系数；

所述吊具与集装箱之间的碰撞检测流程如下：

(1)首先获取吊具空载或带载的表面上各顶点坐标(x_i，y_i，z_i)；

(2)计算出顶点均值以确定长方体的中心点坐标(x_c，y_c，z_c)，通过计算顶点的协方差矩阵得到基于中心点实对称的三阶矩阵；

协方差计算公式为：

cov(X_i，Y_i)＝E[(X_i-μ_i)(Y_i-μ_j)]

其中，x_i、y_i为协方差公式的两个值，即为各顶点坐标的三维位置坐标值，μ_i、μ_j为各顶点坐标值的均值，A为中心点协方差的值所构成的三阶矩阵；

(3)通过实对称三阶矩阵分别计算特征向量的内积，去内积为零的三个特征向量v₁、v₂、v₃用以确定长方体方向；

(4)遍历目标模型上所有顶点(x_i，y_i，z_i)在3个方向上的投影即可得到长方体的各边长值，以此确定长方体空间位置；

(5)基于分离面来检测长方体是否相交，分离面法向向量所在的直线为分离轴，计算每一个长方体的边线在分离轴上的投影，并检测不同长方体之间边线的投影是否相交，若其中任意一轴上投影发生重合则认长方体之间碰撞。

与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

本发明公开了一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法，通过数字孪生技术，集成堆场轨道式集装箱门式起重机及相关的作业场景在调试系统中，利用该系统和方法可以在堆场作业时对轨道吊实体设备进行实时监控，了解各设备的运行状态，并在传统的激光、视觉、雷达所提供的安全功能上，进一步提供预测与安全保障。在调试系统中载入虚拟场景后，本领域相关人员通过调整配置参数或编写运动程序，去操控虚拟堆场轨道式集装箱门式起重机进行完成动作仿真，验证任务的参数和运动程序可达性与碰撞。与传统的实物调试和纯数字化调试相比，利用该方法所构建的系统对当前的运动任务进行虚拟仿真和调试，验证其安全性(是否会有碰撞风险)，并通过反复调整和迭代优化调整当前的任务，可很大程度上缩短任务设计的时间。

附图说明

图1为本发明提供的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统结构示意图；

图2为本发明提供的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法中多层防撞控制流程示意图；

图3为本发明提供的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法中多层防撞控制的起重机工作示意图；

图4为本发明提供的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法中防撞调试的流程示意图；

图5为本发明包含目标模型的长方体示意图；

图6为本发明提供的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法中用于吊具(带载/空载)长方体碰撞检测的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图、实施例详细说明本发明技术方案。

本实施例提供一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统，包括多台实体门式起重机、虚拟调试系统和实体控制系统，其中所述虚拟调试系统包括碰撞检测单元、虚拟场景单元、运动控制单元；

所述虚拟场景单元采用数字化的方式建立虚拟起重机堆场上相应的模型即得到虚拟轨道式集装箱门式起重机，将虚拟轨道式集装箱门式起重机1：1的复制到虚拟场景中；并接受实体门式起重机的运动状态信息，实时模拟堆场起重机实体运行场景，在堆场作业时对轨道吊实体设备进行实时监控；

所述碰撞检测单元根据所述虚拟场景模块中虚拟轨道式集装箱门式起重模型的实时运行状态与集装箱模型的实时位置进行碰撞检测；

所述运动控制单元接收到碰撞检测单元数据计算得出安全规划与信息评估后，确定是否减速、停止操作，将操作起重机的指令数据传输至实体运动控制系统，进而对轨道式集装箱门式起重机实体进行相应的安全运动控制。

所述实体门式起重机的大车和小车上分别安装机械物理防撞限位开关和激光或视觉传感器；所述虚拟轨道式集装箱门式起重机上装备有传感器，包括：虚拟激光传感器、虚拟加速度传感器、虚拟姿态传感器，分别用于检测距离、加速度、目标姿态，并将这些数据通过虚拟场景单元下的UI进行显示。

碰撞检测单元用于对虚拟场景单元中同一轨道上多台轨道式集装箱门式起重机进行碰撞检测，包括大车碰撞检测、小车碰撞检测、吊具碰撞检测，对堆场轨道式集装箱门式起重机提供多机协同作业的防撞预警信息，当检测到碰撞信号时，虚拟场景单元通过UI界面显示虚拟场景中多个重要位置视角的运行情况，供操作员/管理员对堆场多台轨道式集装箱门式起重机的运行进行实时监控，确定是否减速、停止操作，确保多机协同作业的安全控制。

虚拟场景单元与运动控制单元之间的数据传输连接，将数据通过OPC UA统一架构工业通讯协议发送至虚拟场景单元，虚拟场景单元设置有OPC UA数据传输接口；虚拟场景单元设置有起重机位置，通过读取并不断迭代节点中的数据进行位置更新。

控制运动单元设置传输关键数据的接口，将响应数据通过通讯协议传输至实体控制系统，进而对轨道式集装箱门式起重机实体进行相应的运动控制，包括路径的规划，加速度、速度与位置的控制。

安全规划与信息评估包括对起重机大车之间、轨道上小车与边界物体之间、大车箱区内的集装箱与正在吊起状态下的集装箱之间、集装箱与空载状态下的吊具之间是否越过安全距离产生碰撞或是否将要碰撞进行预测并计算碰撞概率。

本实施例还提供一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试方法，包括如下步骤：

步骤S1.虚拟场景单元建立与运动控制单元的数据传输连接，虚拟场景单元接受起重机的运动状态信息，实时模拟堆场起重机实体运行场景，在堆场作业时对轨道吊实体设备进行实时监控；

步骤S2.碰撞检测单元根据所述虚拟场景模块中虚拟轨道式集装箱门式起重模型的实时运行状态与集装箱模型的实时位置进行碰撞检测；

步骤S3.碰撞检测单元与机械物理防撞、激光视觉防撞共同组成多层防撞控制，碰撞检测的结果用来测试和验证任务设计和运动是否安全；

步骤S4.运动控制单元接收碰撞检测数据计算得出安全规划与信息评估后，确定是否减速、停止操作，将操作起重机的指令数据传输至起重机实体控制系统，进而对轨实体门式起重机进行相应的安全运动控制。

步骤S2中的碰撞检测包括大车碰撞检测、小车碰撞检测、吊具碰撞检测，所述大车防撞检测用于检测虚拟轨道式集装箱门式起重机之间的距离、起重机与轨道边界位置的距离，所述小车碰撞检测用于检测虚拟轨道式集装箱门式起重机小车运行机构与边界位置的距离，在计算与边界位置小于安全距离时发出响应数据，并将相应数据传输到UI界面显示；所述吊具碰撞检测用于空载状态、带载状态下吊具与集装箱之间的碰撞检测。

图1为本发明的堆场自动化轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统结构示意图，其中实体门式起重机、虚拟调试系统和实体控制系统共同组成本实施例的防撞调试系统，虚拟调试系统包括碰撞检测单元、虚拟场景单元、运动控制单元，图2为本发明的起重机多层防撞系统的流程示意图。

具体如下：若虚拟调试系统建立与轨道式集装箱门式起重机实体控制系统的数据传输连接时，系统作为防撞调试系统，了解各设备的运行状态，所述的防撞系统分为三层，分别为虚拟调试系统将操作起重机的指令数据传输至实体运动控制系统进行防撞、实体门式起重机的大车和小车上安装机械物理防撞限位开关进行机械物理防撞和激光或视觉传感器进行防撞，在传统的激光、视觉、雷达和机械防撞所提供的安全功能上，进一步提供预测与安全保障。

上述多层防撞具体包括如下步骤：

1.建立虚拟调试系统，虚拟调试系统作为建立与轨道式集装箱门式起重机控制系统的数据传输连接，虚拟场景单元接受起重机的运动状态信息，包括：供起重机各机构运动的电机状态数据(转速、位置)，并将其计算转换为堆场的起重机的速度、位置数据(大车、小车、起升的速度、位置)，起重机上各传感器的数据(激光、雷达、视觉、姿态等)，实时模拟堆场起重机实体运行场景，在堆场作业时对轨道吊实体设备进行实时监控；

具体的，所述虚拟场景单元中，采用3D MAX等软件进行数字化的方式建立虚拟起重机等堆场上相应的模型(起重机以及上面的设备、轨道、集装箱)，将虚拟模型1：1的复制到虚拟场景中。

进一步的，虚拟场景单元建立的步骤如下：

1.1.将通过Unity 3D建立虚拟场景单元需要显示的模型及场景。

1.2.通过建立三维地图的形式确定模型的三个方向上的位置数据(x,y,z)。

1.3.将虚拟场景中的模型按层级进行分类，便于通过代码对模型进行分类控制。

具体的，所述虚拟场景单元与起重机控制系统之间的数据传输连接，将所述数据通过OPC UA(OPC统一架构)工业通讯协议发送至虚拟场景单元，虚拟场景单元设置有OPCUA数据传输接口，所述OPC UA通讯协议包括对象、节点以及自定义数据的类型、名称；虚拟场景单元设置有起重机位置，通过读取并不断迭代节点中的数据进行位置跟新。

2.所述碰撞检测模块根据所述虚拟场景模块中虚拟轨道式集装箱门式起重模型的实时运行状态与集装箱模型的实时位置进行碰撞检测；

具体的，所述碰撞检测单元用于对虚拟单元中同一轨道上多台轨道式集装箱门式起重机进行碰撞检测，包括大车碰撞检测、小车碰撞检测、吊具碰撞检测，通过相对应的碰撞检测方法对所述堆场轨道式集装箱门式起重机提供多机协同作业的防撞预警信息。当检测到碰撞信号时，虚拟场景单元通过UI界面显示虚拟场景中多个重要位置视角的运行情况，供操作员/管理员对堆场多台轨道式集装箱门式起重机的运行进行实时监控，确定是否减速、停止操作，确保多机协同作业的安全控制。其中：

所述大车防撞检测用于检测虚拟轨道式集装箱门式起重机之间的距离、起重机与轨道边界位置的距离，所述小车碰撞检测用于检测虚拟轨道式集装箱门式起重机小车运行机构与边界位置的距离，在计算与边界位置小于安全距离时发出响应数据，并将相应数据传输到UI界面显示。

具体的，所述的大车碰撞检测流程为：

1.t₀时刻，在建立的空间坐标系中，确定参照物的空间位置(x，y，z)，由虚拟激光传感器发射射线至参照物，射线接触到参照物时计算射线长度从而确定三台虚拟激光传感器的空间位置(x₀，y₀，z₀)₁，(x₀，y₀，z₀)₂，(x₀，y₀，z₀)₃。

2.Δt时间后再次发射射线确定t₁时刻的3台虚拟激光传感器的空间位置(x₁，y₁，z₁)₁，(x₁，y₁，z₁)₂，(x₁，y₁，z₁)₃。

3.以后每隔Δt时间发射射线确定t_i时刻的3台虚拟激光传感器的空间位置，从而确定三台轨道式集装箱门式起重机之间的相对距离l_i。

4.根据控制系统所设定的安全距离L_s，若判断l_s＜l_i，则起重机之间还处于安全距离，若l_s≥l_i，则起重机之间处于非安全距离，系统将在虚拟场景单元下的UI中提醒操作员/管理员，设备存在安全风险。

所述小车的碰撞检测流程与大车相似，只需确定单台轨道吊上虚拟激光传感器的空间位置，根据安全距离进行判断是否有碰撞风险。

所述的碰撞检测还包括对空载状态、带载状态下吊具与集装箱之间的碰撞，图6为本发明提供的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法中用于吊具(带载/空载)长方体碰撞检测的流程示意图，是对空载状态、带载状态下吊具与集装箱之间的碰撞检测，需要计算出包含目标模型且同时进行平移、旋转等相对于坐标轴方向的长方体，在三维空间中通过如下公式表示：

R＝{C+ar₁v¹+br₂v²+cr₃v³|a，b，c∈[-1.1]}

其中，R代表长方体在空间坐标系中的区域，C表示中点，r₁、r₂、r₃表示半边长，v¹、v²、v³表示相互垂直的单位向量，a、b、c分别为向量系数；如图5所示

进一步地，如图6所示，所述碰撞检测的流程为：

1.首先获取吊具(空载、带载)的表面上各顶点坐标(x_i，y_i，z_i)。

2.计算出顶点均值以确定长方体的中心点坐标(x_c，y_c，z_c)，通过计算顶点的协方差矩阵得到基于中心点实对称的三阶矩阵。

协方差计算公式为：

cov(X_i，Y_i)＝E[(X_i-μ_i)(Y_i-μ_j)]

其中，X_i、Y_i为协方差公式的两个值，即为各顶点坐标的三维位置坐标值，μ_i、μ_j为各顶点坐标值的均值，A为中心点协方差的值所构成的三阶矩阵。

3.通过实对称三阶矩阵分别计算特征向量的内积，去内积为零的三个特征向量v₁、v₂、v₃用以确定长方体方向。

4.遍历目标模型上所有顶点(x_i，y_i，z_i)在3个方向上的投影即可得到长方体的各边长值，以此确定长方体空间位置。

5.基于分离面来检测长方体是否相交，分离面法向向量所在的直线为分离轴，计算每一个长方体的边线在分离轴上的投影，并检测不同长方体之间边线的投影是否相交，若其中任意一轴上投影发生重合则认长方体之间碰撞。所述吊具碰撞检测用于检测虚拟轨道式集装箱门式起重机的吊具(带载/空载)在起升和摇摆方向上与堆场的集装箱模型之间的距离，根据运动控制单元中的开闭锁状态，切换吊具的碰撞检测范围，在计算与集装箱等位置小于安全距离时发出响应数据，同样将相应数据传输到UI界面显示。

3.当运动控制单元接收到碰撞检测数据计算得出安全规划与信息评估后，确定是否减速、停止操作，将操作起重机的指令数据(各机构电机的速度、位置等)通过OPC UA通讯协议传输至起重机实体控制系统，进而对轨道式集装箱门式起重机实体进行相应的安全运动控制，实现包括起重机大车之间、轨道上小车与边界物体之间、大车箱区内的集装箱与正在吊起状态下的集装箱之间、集装箱与空载状态下的吊具之间的防撞。所述碰撞检测得到的结果用于进行安全规划与信息评估，用于对轨道式集装箱起重相关领域人员提供安全预警和决策资源，当收到所述碰撞检测的响应信号时，在虚拟场景模块中显示非安全的作业区域以及即将发生碰撞的目标。

具体的，步骤3中的信息评估，包括对起重机大车之间、轨道上小车与边界物体之间、大车箱区内的集装箱与正在吊起状态下的集装箱之间、集装箱与空载状态下的吊具之间是否越过安全距离产生碰撞或是否将要碰撞进行预测并计算碰撞概率。

所述步骤3中的安全运动控制，包括大车、小车是否减速、停止操作，路径的规划，加速度、速度与位置的控制。其中路径的规划可以采用常见的路径规划算法，例如A*算法、Dijkstra算法、遗传算法、蚁群算法等算法规划路径使吊具、吊具与集装箱绕过障碍物(堆场内集装箱)，达到大车箱区内的集装箱与正在吊起状态下的集装箱之间的防撞。

进一步地，所述的运动控制单元设置传输关键数据的接口，将响应数据传输至控制系统，具体的通过通讯协议进行上位机和工控机等实体控制系统进行数据传输，进而对轨道式集装箱门式起重机实体进行相应的运动控制，包括路径的规划，加速度、速度与位置的控制。其中路径的规划可以采用常见的路径规划算法，例如A*算法、Dijkstra算法、遗传算法、蚁群算法等算法规划路径使吊具、吊具与集装箱绕过障碍物(堆场内集装箱)，达到大车箱区内的集装箱与正在吊起状态下的集装箱之间的防撞。本实施例中采用A*算法，通过集装箱贝位地图来进行网格划分，当算法生成路径后，将路径需要的轨道式集装箱门式起重机的大车、小车运动参数传输至控制系统，达到大车箱区内的集装箱与正在吊起状态下的集装箱之间的防撞。

所述防撞调试系统与轨道式集装箱门式起重机控制系统之间通过通讯协议相连接进行数据传输，通讯采用Client/Server(C/S)架构，所述堆场内多台轨道式集装箱门式起重机的控制系统采用客户端结构，虚拟调试系统采用服务器结构。

进一步的，吊具的碰撞预测通过物体模型信息、速度、受力等信息，计算出物体的运动轨迹，与刚体实际运动轨迹完全相符，计算的轨迹显示虚拟场景单元UI，图3中6为本发明提供的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法中用于预测吊具(带载/空载)在作业过程中预测的摇摆的路径。

4.防撞调试系统与机械物理防撞、激光视觉防撞共同组成多层防撞控制，图3为本发明中为多层防撞控制的起重机工作示意图其中1、2、3分别为大车、小车上的机械物理防撞限位开关，4、5分别为安装在大车、小车上的激光或视觉传感器，防撞调试系统通过步骤S1、S2、S3建立后，通过与控制器的互联同样具备防撞功能。图4为本发明提供的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统及方法中防撞调试的流程示意图。

若虚拟调试系统断开与所述控制系统的数据传输连接时，系统可作为虚拟调试系统，供操作员/管理员调试，测试和验证任务设计和运动控制的安全性。具体包括如下步骤：

Ⅰ.系统作为虚拟调试系统，在虚拟环境中调试三台轨道式集装箱门式起重机自动化控制逻辑和调整相关参数，通过以虚拟方式仿真来实现起重机多机协同作业任务。

具体的，如步骤Ⅰ，建立所述的物理制造环境的数字复制品，将虚拟轨道式集装箱门式起重机模型、虚拟传感器模型以及堆场的集装箱模型等1：1的复制到虚拟场景单元中，并在UI上设置相应的模型速度、加速度接口、任务(位置)接口，分别对应控制移动相应的模型。例如，(1，1，1)/(2，3，4)即为吊具抓取第一列，第一行，第一层的集装箱放至堆场第二列，第三行，第四层。

进一步地，所述堆场的集装箱模型通过获取堆场各贝位上集装箱位置信息来生成，位置信息为各集装箱中心的位置坐标。

Ⅱ.所述碰撞检测单元根据所述虚拟场景单元中三台起重机的运行状态与集装箱模型的位置进行碰撞检测。

进一步地，所述步骤Ⅱ中，虚拟场景单元不通过传感器数据获取三台起重机的运行状态，而是通过包括带有动力学属性的虚拟轨道式集装箱门式起重机模型、虚拟传感器模型以及堆场的集装箱模型，通过编写速度、加速度、路程的积分方程函数，使虚拟轨道掉能按照实体的速度、加速度进行运动，用于模拟轨道式集装箱门式起重机实体运动状态及运动场景。所述虚拟轨道式集装箱门式起重机上装备有传感器，包括：虚拟激光传感器、虚拟加速度传感器、虚拟姿态传感器，分别用于检测距离、加速度、目标姿态，并将这些数据通过虚拟场景单元下的UI进行显示。

所述的运动控制单元建立起重机吊摆的动力学模型，通过对吊摆动力学方程的实时解算使虚拟轨道式集装箱门式起重机实时模拟真实起重机运行状态，本实施例根据拉格朗日方程理论，将动力学方程表示为：

其中：L是拉格朗日函数，F_i为广义坐标下的广义力，通过实时解方程得到大车运动方向或小车运动方向摆动的角度，并将摆动的角度数据传入虚拟场景单元中的模型上，使虚拟场景中吊具相对于悬挂点的角度不停的迭代。

Ⅲ.通过碰撞检测的结果来测试和验证任务设计和运动是否安全，若虚拟场景单元中UI显示没有发生碰撞，则任务在虚拟调试系统中可行，可将任务分配传输至控制系统执行任务，降低实际运行的安全风险。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，并不会偏离本发明的精神或者超过所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统，其特征在于，包括多台实体门式起重机、虚拟调试系统和实体控制系统，其中所述虚拟调试系统包括碰撞检测单元、虚拟场景单元、运动控制单元；

所述虚拟场景单元采用数字化的方式建立虚拟起重机堆场上相应的模型即得到虚拟轨道式集装箱门式起重机，将虚拟轨道式集装箱门式起重机1：1的复制到虚拟场景中；并接受实体门式起重机的运动状态信息，实时模拟堆场起重机实体运行场景，在堆场作业时对轨道吊实体设备进行实时监控；

所述碰撞检测单元根据所述虚拟场景模块中虚拟轨道式集装箱门式起重模型的实时运行状态与集装箱模型的实时位置进行碰撞检测；

所述运动控制单元接收到碰撞检测单元数据计算得出安全规划与信息评估后，确定是否减速、停止操作，将操作起重机的指令数据传输至实体运动控制系统，进而对轨道式集装箱门式起重机实体进行相应的安全运动控制。

2.根据权利要求1所述的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统，其特征在于，所述实体门式起重机的大车和小车上分别安装机械物理防撞限位开关和激光或视觉传感器；所述虚拟轨道式集装箱门式起重机上装备有传感器，包括：虚拟激光传感器、虚拟加速度传感器、虚拟姿态传感器，分别用于检测距离、加速度、目标姿态，并将这些数据通过虚拟场景单元下的UI进行显示。

3.根据权利要求1所述的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统，其特征在于，所述碰撞检测单元用于对虚拟场景单元中同一轨道上多台轨道式集装箱门式起重机进行碰撞检测，包括大车碰撞检测、小车碰撞检测、吊具碰撞检测，对堆场轨道式集装箱门式起重机提供多机协同作业的防撞预警信息，当检测到碰撞信号时，虚拟场景单元通过UI界面显示虚拟场景中多个重要位置视角的运行情况，供操作员/管理员对堆场多台轨道式集装箱门式起重机的运行进行实时监控，确定是否减速、停止操作，确保多机协同作业的安全控制。

4.根据权利要求1所述的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统，其特征在于，所述虚拟场景单元与运动控制单元之间的数据传输连接，将数据通过OPC UA统一架构工业通讯协议发送至虚拟场景单元，虚拟场景单元设置有OPC UA数据传输接口；虚拟场景单元设置有起重机位置，通过读取并不断迭代节点中的数据进行位置更新。

5.根据权利要求1所述的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统，其特征在于，所述控制运动单元设置传输关键数据的接口，将响应数据通过通讯协议传输至实体控制系统，进而对轨道式集装箱门式起重机实体进行相应的运动控制，包括路径的规划，加速度、速度与位置的控制。

6.根据权利要求1所述的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试系统，其特征在于，所述安全规划与信息评估包括对起重机大车之间、轨道上小车与边界物体之间、大车箱区内的集装箱与正在吊起状态下的集装箱之间、集装箱与空载状态下的吊具之间是否越过安全距离产生碰撞或是否将要碰撞进行预测并计算碰撞概率。

7.一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1.虚拟场景单元建立与运动控制单元的数据传输连接，虚拟场景单元接受起重机的运动状态信息，实时模拟堆场起重机实体运行场景，在堆场作业时对轨道吊实体设备进行实时监控；

步骤S2.碰撞检测单元根据所述虚拟场景模块中虚拟轨道式集装箱门式起重模型的实时运行状态与集装箱模型的实时位置进行碰撞检测；

步骤S3.碰撞检测单元与机械物理防撞、激光视觉防撞共同组成多层防撞控制，碰撞检测的结果用来测试和验证任务设计和运动是否安全；

步骤S4.运动控制单元接收碰撞检测数据计算得出安全规划与信息评估后，确定是否减速、停止操作，将操作起重机的指令数据传输至起重机实体控制系统，进而对轨道式集装箱门式起重机实体进行相应的安全运动控制。

8.根据权利要求7所述的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试方法，其特征在于，所述步骤S2中的碰撞检测包括大车碰撞检测、小车碰撞检测、吊具碰撞检测，所述大车防撞检测用于检测虚拟轨道式集装箱门式起重机之间的距离、起重机与轨道边界位置的距离，所述小车碰撞检测用于检测虚拟轨道式集装箱门式起重机小车运行机构与边界位置的距离，在计算与边界位置小于安全距离时发出响应数据，并将相应数据传输到UI界面显示；所述吊具碰撞检测用于空载状态、带载状态下吊具与集装箱之间的碰撞检测。

9.根据权利要求8所述的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试方法，其特征在于，所述的大车或小车碰撞检测流程为：

(1)t₀时刻，在建立的空间坐标系中，确定参照物的空间位置(x，y，z)，由大车或小车虚拟激光传感器发射射线至参照物，射线接触到参照物时计算射线长度从而确定n台虚拟轨道式集装箱门式起重机上虚拟激光传感器的空间位置(x_o，y₀，z₀)₁，(x₀，y₀，z₀)₂，(x₀，y₀，z₀)₃……(x₀，y₀，z₀)_n；

(2)Δt时间后再次发射射线确定t₁时刻的n台虚拟激光传感器的空间位置(x₁，y₁，z₁)₁，(x₁，y₁，z₁)₂，(x₁，y₁，z₁)₃……(x₁，y₁，z₁)_n；

(3)以后每隔Δt时间发射射线确定t_i时刻的n台虚拟激光传感器的空间位置，从而确定n台轨道式集装箱门式起重机大车或小车之间的相对距离l_i；

(4)根据控制系统所设定的安全距离l_s，若判断l_s＜l_i，则起重机之间还处于安全距离，若l_s≥l_i，则起重机之间处于非安全距离，系统将在虚拟场景单元下的UI中提醒操作员/管理员，设备存在安全风险。

10.根据权利要求8所述的一种轨道式集装箱门式起重机多机防撞调试方法，其特征在于，

对空载状态、带载状态下吊具与集装箱之间的碰撞检测，需要计算出包含目标模型且同时进行平移、旋转等相对于坐标轴方向的长方体，在三维空间中通过如下公式表示：

R＝{C+ar₁v¹+br₂v²+cr₃v³|a，b，c∈[-1.1]}

其中，R代表长方体在空间坐标系中的区域，C表示中点，r₁、r₂、r₃表示半边长，u¹、v²、v³表示相互垂直的单位向量，a、b、c分别为向量系数；

所述吊具与集装箱之间的碰撞检测流程如下：

(1)首先获取吊具空载或带载的表面上各顶点坐标(x_i，y_i，z_i)；

(2)计算出顶点均值以确定长方体的中心点坐标(x_c，y_c，z_c)，通过计算顶点的协方差矩阵得到基于中心点实对称的三阶矩阵；

协方差计算公式为：

cov(X_i，Y_j)＝E[(X_i-μ_i)(Y_i-μ_j)]

其中，x_i、y_i为协方差公式的两个值，即为各顶点坐标的三维位置坐标值，μ_i、μ_j为各顶点坐标值的均值，A为中心点协方差的值所构成的三阶矩阵；

(3)通过实对称三阶矩阵分别计算特征向量的内积，去内积为零的三个特征向量u₁、u₂、v₃用以确定长方体方向；

(4)遍历目标模型上所有顶点(x_i，y_i，z_i)在3个方向上的投影即可得到长方体的各边长值，以此确定长方体空间位置；

(5)基于分离面来检测长方体是否相交，分离面法向向量所在的直线为分离轴，计算每一个长方体的边线在分离轴上的投影，并检测不同长方体之间边线的投影是否相交，若其中任意一轴上投影发生重合则认长方体之间碰撞。

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