CN116768062A - 一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法、系统和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法、系统和介质，包括：基于获取的吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、初始位置和目标位置，计算吊件的中间位置；基于预设的第一算法，计算吊件从初始位置到中间位置的水平面吊装路径；基于吊装环境信息，确定吊件从中间位置到目标位置的铅垂面吊装路径；第一算法基于吊件摆动幅度和吊件消摆时间对吊装路径的影响确定；本发明对吊装过程进行分解，将吊装路径规划由三维空间简化为在水平面和铅垂面两个二维平面内的规划问题，降低了路径规划的难度，提高路径规划的效率；考虑吊件摆动幅度和消摆时间对吊装路径的影响自动规划吊装路径，按此路径进行吊装能提高效率和吊件通过狭窄通道的能力。
Description
技术领域
本发明属于输电线路组塔施工领域，具体涉及一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法、系统和介质。
背景技术
塔材吊装路径是保证输电线路铁塔组立施工效率及安全的基础，直接决定了电网的建设质量及工程安全，因此吊装路径规划是施工的关键所在。针对普通吊装设备的路径规划方法有很多，例如快速搜索随机树算法(RRT)、双向快速搜索随机树算法(RRTs)、随机路径图算法(PRM)、人工势场法、遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、强化学习算法等，这些算法均能实现单台/多台流动式起重机、桥式起重机和塔式起重机等吊装设备的吊装路径规划。
由于具有稳定性好、安全性高等特点，双平臂落地抱杆被越来越多的用于输电线路工程施工中。双平臂落地抱杆是根据输电铁塔具有空心结构以及塔件对塔心对称布置的特点研制的一种专用组塔吊装设备，为了提高组塔效率，双平臂落地抱杆组塔采取两侧平衡起吊的方式同时吊装两个相同塔材。如图1双平臂落地抱杆结构示意图所示，双平臂落地抱杆具有两套吊臂、小车和吊钩，一般采用两侧平衡起吊的方式通过吊臂回转、小车变幅和吊钩起升动作同时将两个相同的吊件由地面初始位置吊装至目标位置。两个吊件的初始位置、目标位置及吊装路径中心对称，进行吊装路径规划时，需要同时考虑两侧吊件与障碍物的碰撞问题。双平臂落地抱杆组塔施工前会对施工场地进行平整，其吊装作业区域内的地面水平高度基本一致。如图2吊装路径规划障碍物示意图所示，双平臂落地抱杆吊装路径规划的障碍物包括位于抱杆作业半径范围内的待吊装塔材、工器具、在建铁塔、拉线等。在吊装过程中，为了保障施工安全，抱杆的起升、回转和变幅动作独立进行，不进行联动。双平臂落地抱杆吊装作业时，为保证吊件就位姿态，先在吊件离地1～2m的近地面进行位置和姿态调整，然后用控制绳将吊件与在地面固定位置布置的卷扬机连接，再通过卷扬机与抱杆的协同作业实现吊件的吊装和就位姿态控制，最后将吊件由地面吊装到高空目标位置。所以，普通吊装设备的路径规划方法无法直接适用于双平臂落地抱杆的吊装路径规划。
受限于双平臂落地抱杆的吊装路径规划方法缺失，操作人员只能凭经验进行双平臂落地抱杆的吊装路径规划和塔材的吊装，这样的吊装方式效率低，且吊装过程中吊件与在建铁塔、障碍物等碰撞事故频发，严重影响施工安全。因此，需要提出一种双平臂落地抱杆的吊装路径规划方法。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法，包括：
基于获取的吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、初始位置和目标位置，计算吊件在初始位置和目标位置之间的中间位置；
基于预设的第一算法，计算吊件从所述初始位置到所述中间位置的水平面吊装路径；
基于所述吊装环境信息，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；
其中，所述第一算法基于吊件摆动幅度和吊件消摆时间对吊装路径的影响确定。
优选的，所述基于获取的吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、初始位置和目标位置，计算吊件在初始位置和目标位置之间的中间位置，包括：
基于所述初始位置和目标位置，在世界坐标系下确定所述初始位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标；
基于所述吊件信息和初始位置的高度坐标，通过计算吊件的安全距离确定所述中间位置的高度坐标；
基于所述吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、中间位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标，计算所述中间位置的角度坐标和径向坐标；
其中，所述安全距离为吊件到吊装环境信息中的障碍物的距离。
优选的，所述基于所述吊件信息和初始位置的高度坐标，通过计算吊件的安全距离确定所述中间位置的高度坐标，包括：
基于吊件尺寸和吊件最大摆动幅度确定吊件的安全距离；
基于吊件挂载高度、所述安全距离和初始位置的高度坐标，计算所述中间位置的高度坐标；
其中，所述吊件信息包括吊件尺寸、吊件最大摆动幅度和吊件挂载高度。
优选的，所述基于所述吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、中间位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标，计算所述中间位置的角度坐标和径向坐标，包括：
基于所述目标位置的角度坐标，确定所述中间位置的角度坐标；
基于所述中间位置的高度坐标确定中间位置的高度坐标对应的水平面，并在所述中间位置的高度坐标对应的水平面中，确定铁塔在所述中间位置的角度坐标方向上的尺寸；
基于吊件挂载的最大自转半径、所述安全距离和铁塔在所述中间位置的角度坐标方向上的尺寸，确定所述中间位置的径向坐标；
其中，所述吊件信息包括吊件挂载的最大自转半径，所述吊装环境信息包括铁塔的尺寸。
优选的，所述基于预设的第一算法，计算吊件从所述初始位置到所述中间位置的水平面吊装路径，包括：
基于所述中间位置的高度坐标对应的抱杆信息、安全距离、吊装环境信息和吊装环境信息中的障碍物，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上构建栅格环境模型；
将所述初始位置和中间位置投影到所述栅格环境模型中；
基于所述第一算法，在所述栅格环境模型中计算吊件从所述初始位置投影到所述中间位置投影的水平面吊装路径。
优选的，所述基于所述中间位置的高度坐标对应的抱杆信息、安全距离、吊装环境信息和吊装环境信息中的障碍物，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上构建栅格环境模型，包括：
基于抱杆的最大变幅边界、铁塔拉线在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上的投影、和铁塔在所述中间位置的高度坐标的边界围成的区域，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上，建立双平臂落地抱杆双侧的吊装路径规划区域；
将所述双侧的吊装路径规划区域内所述中间位置的高度坐标对应的障碍物，通过中心对称合并到同一吊装路径规划区域，并基于合并的吊装路径规划区域中铁塔和障碍物周围安全距离内的区域，建立避让区；
以获取的抱杆的最大变幅幅度为外径，以获取的铁塔的根开为内径，对合并的吊装路径规划区域进行拓展，得到吊装路径规划扇环；
通过在所述扇环的径向和圆周方向将所述扇环等分为若干栅格，构建栅格环境模型；
其中，所述抱杆信息包括抱杆的最大变幅边界和最大变幅幅度；所述吊装环境信息包括铁塔根开、铁塔拉线在各高度水平面上的投影和铁塔在各高度的边界。
优选的，所述第一算法的设定，包括：
以吊装动作变化一次时的通行成本最小为目标，以吊装通行方向的一致性和所述避让区为约束，基于A*算法通过欧几里得距离估算栅格环境模型中各栅格到所述中间位置投影的通行成本，确定启发函数；
计算从所述初始位置投影到所述各栅格的实际通行成本和相邻栅格间的吊装通行成本，并基于所述实际通行成本、启发函数和相邻栅格间的吊装通行成本，确定估价函数；
以所述估价函数为第一算法；
其中，所述吊装动作变化一次时的通行成本，通过将吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期输入到预设的摆动时间公式中，并通过计算输入后所述吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期与所述摆动时间公式的契合度，确定所述吊装动作变化一次时的通行成本，所述吊装动作变化一次时的通行成本用于反映吊装动作产生的吊件摆动幅度和吊件消摆时间；
所述吊装通行方向的一致性，基于相邻栅格的角度坐标、相邻栅格的径向坐标、栅格的内外径差和栅格的左右边界角度差，通过计算相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量表示，用于反映吊装动作。
优选的，相邻栅格间的吊装通行成本的计算，包括：
基于所述相邻栅格的角度坐标、相邻栅格的径向坐标、吊装动作变化一次时的通行成本和相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量，对相邻栅格间的吊装通行成本进行计算。
优选的，所述相邻栅格间的吊装通行成本，按下式表示：
式中，栅格d为栅格b的相邻栅格，hbd为从栅格b到栅格d的通行成本，rd为栅格d的径向坐标，rb为栅格b的径向坐标，θd为栅格d的角度坐标，θb为栅格b的角度坐标，κ为吊装动作变化一次时的通行成本，ω为从栅格b到栅格d的吊装通行方向一致性参量；
其中，所述从栅格b到栅格d的吊装通行方向一致性参量ω，按下式表示：
式中，栅格a为栅格b的父节点栅格和相邻栅格，ra为栅格a的径向坐标，θa为栅格a的角度坐标，Δr为栅格的内外径差，Δθ为栅格的左右边界角度差；
所述栅格的内外径差Δr，按下式表示：
式中，为抱杆的最大变幅幅度，L为铁塔的根开尺寸，m为栅格环境模型中径向栅格数量；
所述栅格的左右边界角度差Δθ，按下式表示：
式中，θright为栅格环境模型中右拉线的投影，θleft为栅格环境模型中左拉线的投影，n为栅格环境模型中圆周方向栅格数量。
优选的，摆动时间公式的设定，包括：
基于吊装动作对应的抱杆信息和吊件摆动周期，设定摆动时间公式；
其中，所述吊装动作对应的抱杆信息，包括抱杆执行变幅动作时小车的移动速度、抱杆执行变幅动作时小车的移动加速度、抱杆执行变幅动作时小车的移动距离、抱杆执行回转动作时吊臂的回转角速度、抱杆执行回转动作时吊臂的回转角加速度和抱杆执行回转动作时吊臂的回转角度。
优选的，所述摆动时间公式，按下式表示：
式中，为抱杆执行变幅动作时小车的移动速度，/>为抱杆执行变幅动作时小车的移动加速度，Δρ为抱杆执行变幅动作时小车的移动距离，/>为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角速度，/>为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角加速度，Δψ为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角度，T为吊件摆动周期，α、β、η和λ均为吊件摆动次数。
优选的，所述基于所述吊装环境信息，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径，包括：
基于所述中间位置到所述目标位置的吊装环境信息中的障碍物，确定吊装动作的顺序；
基于所述吊装动作的顺序，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；
其中，所述吊装动作包括提升、变幅和回转。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种双平臂落地抱杆吊装路径规划系统，包括：中间位置模块、水平面路径模块和铅垂面路径模块；
所述中间位置模块，用于基于获取的吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、初始位置和目标位置，计算吊件在初始位置和目标位置之间的中间位置；
所述水平面路径模块，用于基于预设的第一算法，计算吊件从所述初始位置到所述中间位置的水平面吊装路径；
所述铅垂面路径模块，用于基于所述吊装环境信息，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；
其中，所述第一算法基于吊件摆动幅度和吊件消摆时间对吊装路径的影响确定。
优选的，所述中间位置模块，包括：坐标系单元、高度坐标单元和角度及径向坐标单元；
所述坐标系单元，用于基于所述初始位置和目标位置，在世界坐标系下确定所述初始位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标；
所述高度坐标单元，用于基于所述吊件信息和初始位置的高度坐标，通过计算吊件的安全距离确定所述中间位置的高度坐标；
所述角度及径向坐标单元，用于基于所述吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、中间位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标，计算所述中间位置的角度坐标和径向坐标；
其中，所述安全距离为吊件到吊装环境信息中的障碍物的距离。
优选的，所述高度坐标单元，具体用于：
基于吊件尺寸和吊件最大摆动幅度确定吊件的安全距离；
基于吊件挂载高度、所述安全距离和初始位置的高度坐标，计算所述中间位置的高度坐标；
其中，所述吊件信息包括吊件尺寸、吊件最大摆动幅度和吊件挂载高度。
优选的，所述角度及径向坐标单元，具体用于：
基于所述目标位置的角度坐标，确定所述中间位置的角度坐标；
基于所述中间位置的高度坐标确定中间位置的高度坐标对应的水平面，并在所述中间位置的高度坐标对应的水平面中，确定铁塔在所述中间位置的角度坐标方向上的尺寸；
基于吊件挂载的最大自转半径、所述安全距离和铁塔在所述中间位置的角度坐标方向上的尺寸，确定所述中间位置的径向坐标；
其中，所述吊件信息包括吊件挂载的最大自转半径，所述吊装环境信息包括铁塔的尺寸。
优选的，所述水平面路径模块，包括：栅格环境模型单元、投影单元和第一算法单元；
所述栅格环境模型单元，用于基于所述中间位置的高度坐标对应的抱杆信息、安全距离、吊装环境信息和吊装环境信息中的障碍物，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上构建栅格环境模型；
所述投影单元，用于将所述初始位置和中间位置投影到所述栅格环境模型中；
所述第一算法单元，用于基于所述第一算法，在所述栅格环境模型中计算吊件从所述初始位置投影到所述中间位置投影的水平面吊装路径。
优选的，所述栅格环境模型单元，具体用于：
基于抱杆的最大变幅边界、铁塔拉线在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上的投影、和铁塔在所述中间位置的高度坐标的边界围成的区域，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上，建立双平臂落地抱杆双侧的吊装路径规划区域；
将所述双侧的吊装路径规划区域内所述中间位置的高度坐标对应的障碍物，通过中心对称合并到同一吊装路径规划区域，并基于合并的吊装路径规划区域中铁塔和障碍物周围安全距离内的区域，建立避让区；
以获取的抱杆的最大变幅幅度为外径，以获取的铁塔的根开为内径，对合并的吊装路径规划区域进行拓展，得到吊装路径规划扇环；
通过在所述扇环的径向和圆周方向将所述扇环等分为若干栅格，构建栅格环境模型；
其中，所述抱杆信息包括抱杆的最大变幅边界和最大变幅幅度；所述吊装环境信息包括铁塔根开、铁塔拉线在各高度水平面上的投影和铁塔在各高度的边界。
优选的，所述第一算法单元，具体用于：
以吊装动作变化一次时的通行成本最小为目标，以吊装通行方向的一致性和所述避让区为约束，基于A*算法通过欧几里得距离估算栅格环境模型中各栅格到所述中间位置投影的通行成本，确定启发函数；
计算从所述初始位置投影到所述各栅格的实际通行成本和相邻栅格间的吊装通行成本，并基于所述实际通行成本、启发函数和相邻栅格间的吊装通行成本，确定估价函数；
以所述估价函数为第一算法；
其中，所述吊装动作变化一次时的通行成本，通过将吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期输入到预设的摆动时间公式中，并通过计算输入后所述吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期与所述摆动时间公式的契合度，确定所述吊装动作变化一次时的通行成本，所述吊装动作变化一次时的通行成本用于反映吊装动作产生的吊件摆动幅度和吊件消摆时间；
所述吊装通行方向的一致性，基于相邻栅格的角度坐标、相邻栅格的径向坐标、栅格的内外径差和栅格的左右边界角度差，通过计算相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量表示，用于反映吊装动作。
优选的，所述第一算法单元中相邻栅格间的吊装通行成本的计算，包括：
基于所述相邻栅格的角度坐标、相邻栅格的径向坐标、吊装动作变化一次时的通行成本和相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量，对相邻栅格间的吊装通行成本进行计算。
优选的，所述第一算法单元中相邻栅格间的吊装通行成本，按下式表示：
式中，栅格d为栅格b的相邻栅格，hbd为从栅格b到栅格d的通行成本，rd为栅格d的径向坐标，rb为栅格b的径向坐标，θd为栅格d的角度坐标，θb为栅格b的角度坐标，κ为吊装动作变化一次时的通行成本，ω为从栅格b到栅格d的吊装通行方向一致性参量；
其中，所述从栅格b到栅格d的吊装通行方向一致性参量ω，按下式表示：
式中，栅格a为栅格b的父节点栅格和相邻栅格，ra为栅格a的径向坐标，θa为栅格a的角度坐标，Δr为栅格的内外径差，Δθ为栅格的左右边界角度差；
所述栅格的内外径差Δr，按下式表示：
式中，rp max为抱杆的最大变幅幅度，L为铁塔的根开尺寸，m为栅格环境模型中径向栅格数量；
所述栅格的左右边界角度差Δθ，按下式表示：
式中，θright为栅格环境模型中右拉线的投影，θleft为栅格环境模型中左拉线的投影，n为栅格环境模型中圆周方向栅格数量。
优选的，所述第一算法单元中摆动时间公式的设定，包括：
基于吊装动作对应的抱杆信息和吊件摆动周期，设定摆动时间公式；
其中，所述吊装动作对应的抱杆信息，包括抱杆执行变幅动作时小车的移动速度、抱杆执行变幅动作时小车的移动加速度、抱杆执行变幅动作时小车的移动距离、抱杆执行回转动作时吊臂的回转角速度、抱杆执行回转动作时吊臂的回转角加速度和抱杆执行回转动作时吊臂的回转角度。
优选的，所述第一算法单元中摆动时间公式，按下式表示：
式中，为抱杆执行变幅动作时小车的移动速度，/>为抱杆执行变幅动作时小车的移动加速度，Δρ为抱杆执行变幅动作时小车的移动距离，/>为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角速度，/>为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角加速度，Δψ为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角度，T为吊件摆动周期，α、β、η和λ均为吊件摆动次数。
优选的，所述铅垂面路径模块，具体用于：
基于所述中间位置到所述目标位置的吊装环境信息中的障碍物，确定吊装动作的顺序；
基于所述吊装动作的顺序，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；
其中，所述吊装动作包括提升、变幅和回转。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现所述一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现所述一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
1.本发明提供了一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法和系统，包括：基于获取的吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、初始位置和目标位置，计算吊件在初始位置和目标位置之间的中间位置；基于预设的第一算法，计算吊件从所述初始位置到所述中间位置的水平面吊装路径；基于所述吊装环境信息，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；其中，所述第一算法基于吊件摆动幅度和吊件消摆时间对吊装路径的影响确定；本发明通过对吊装过程进行分解，将吊装路径规划由三维空间规划简化为在水平面和铅垂面两个二维平面内的规划问题，降低吊装路径规划的难度，提高路径规划的效率；
2.本发明通过考虑吊件摆动幅度和消摆时间对吊装路径的影响，可自动规划吊装路径，按照规划的吊装路径进行吊装能够提高吊装效率和吊件通过狭窄通道的能力；基于吊装环境规划吊装路径，按照规划的吊装路径进行吊装可降低吊件碰撞事故发生率，进而保障线路施工的效率和安全性。
附图说明
图1为背景技术中双平臂落地抱杆结构示意图；
图2为背景技术中双平臂落地抱杆吊装路径规划障碍物示意图；
图3为本发明提供的双平臂落地抱杆的单侧吊件系统广义坐标示意图；
图4为双平臂落地抱杆吊装作业中吊件初始位姿示意图；
图5为双平臂落地抱杆吊装作业中吊装到吊件姿态调整位置示意图；
图6为双平臂落地抱杆吊装作业中吊件调整姿态示意图；
图7为双平臂落地抱杆吊装作业中吊装到吊件目标位置示意图；
图8为本发明提供的一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法的流程示意图；
图9为本发明提供的双平臂落地抱杆的两个吊装路径规划区域示意图；
图10为本发明提供的双平臂落地抱杆合并后的吊装路径规划区域示意图；
图11为本发明提供的吊装路径规划区域范围拓展示意图；
图12为本发明提供的吊装路径规划区域栅格化示意图；
图13为本发明提供的吊装路径规划区域的栅格化环境模型及环境矩阵示意图；
图14为本发明提供的利用第一算法进行水平面吊装路径规划的流程图；
图15为本发明提供的铅垂面吊装路径规划流程图；
图16为本发明提供的双平臂落地抱杆吊装路径规划思路流程图；
图17为本发明提供的一个双平臂落地抱杆吊装路径规划实施例示意图；
图18为采用本发明提供的方法建立的吊件水平面的栅格化环境模型示意图；
图19为采用本发明提供的方法规划的吊装路径示意图；
图20为本发明提供的一种双平臂落地抱杆吊装路径规划系统的基本结构示意图；
附图标号说明：
1-吊件，2-卷扬机。
具体实施方式
吊件通过双平臂落地抱杆(下述也简称抱杆)的起升、回转和变幅运动实现位置转移，在回转和变幅过程中，吊件会在惯性力的作用下产生摆动。因此，抱杆单次变幅或回转动作可分为加速-匀速-减速-停止消摆四个过程。吊件摆动的摆幅决定了吊件与障碍物之间的安全距离，影响吊件通过狭窄通道的能力。同时，吊件消摆所需的时间与吊件的摆动周期和摆幅相关，影响吊装的效率。在进行吊装路径规划之前需要对吊件进行动力学分析，以考虑吊件摆动对路径规划的影响。
根据双平臂落地抱杆的特点，建立如图3所示的广义坐标系O-xyz，图中系统广义坐标(ψ,ρ,l,)，ψ表示抱杆吊臂回转角度，ρ表示小车到抱杆回转中心的距离，l表示吊臂与吊件间的钢丝绳长度，图中M处小车的位置坐标为(x0,y0,z0)，/>表示M处钢丝绳在径向铅垂面的投影与铅垂线的夹角(定义为径向摆角)，/>表示M处钢丝绳与径向铅垂面的夹角(定义为切向摆角)。
在上述广义坐标系下建立吊件的拉格朗日动力学方程，通过对方程进行分析可知吊件的摆动受小车位置、变幅速度、变幅加速度、吊臂回转速度、回转加速度、钢丝绳长度和摆角的初值(初始幅度)等相关，与小车和吊件质量无关。
使用商业软件建立抱杆单侧吊件动力学仿真模型，采用控制变量法仿真分析各因素对吊件摆动特性的影响。通过大量的仿真分析可知，单次抱杆动作过程中，消摆消耗大量的时间，消摆时长与吊件的摆动频率和摆动幅度有关。
吊件的摆动频率越大(摆动频率可用周期表示，摆动频率越大即周期越小)，吊件摆动幅度的衰减速度越快，消摆的时长越短；吊件的摆动幅度越小，消摆的时长越短；吊件的摆动频率只受钢丝绳绳长影响，绳长越短，吊件的摆动频率越大(即周期越小)。
吊件的摆动幅度影响因素较多：
抱杆变幅时，加速和减速变幅阶段吊件的径向摆角的摆幅都只与/>的初始幅度和加速度正相关；匀速变幅阶段和小车停止后/>的摆幅只与初始幅度正相关；抱杆变幅时吊件的切向摆角/>恒为零，不受任何因素影响；
抱杆回转时，加速回转阶段的摆幅与/>的初始幅度、绳长、小车位置和回转加速度正相关，/>的摆幅与/>的初始幅度、小车位置和回转加速度正相关；匀速回转阶段、减速回转阶段和吊臂停止回转后，/>的摆幅与/>的初始幅度、绳长、小车位置、回转速度和加速度正相关，/>的摆幅与/>的初始幅度、小车位置、回转速度和回转加速度正相关；其中，吊件摆动的初始幅度对其摆幅影响很大，当初始幅度趋向于0时，吊件在该运动阶段的摆幅也趋向于0。
本发明在上述动力学仿真的基础上，考虑吊件摆动幅度和消摆时间对吊装路径的影响，提出了一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法，实现了输电线路组塔施工的吊装路径自动规划，有效缩短吊装时间和降低吊件碰撞事故发生率，保障线路施工的效率和安全性。本发明将抱杆的吊装过程分解为近地面位置调整阶段、近地面姿态调整阶段和高空吊装就位阶段。如图4为吊件的初始位姿态示意图，图中吊件1经抱杆回转和变幅等动作进行近地面位置调整，并吊装到近地面姿态调整位置，如图5为吊装到吊件姿态调整位置示意图。此过程中通过在近地面的水平面内将吊件1回转到姿态调整位置，减少甚至避免在高空对吊件进行回转，降低吊件高空就位姿态控制难度，降低事故发生率。如图6所示为吊件调整姿态示意图，近地面姿态调整首先将控制绳一端绑扎在吊件1上，再将控制绳另一端与卷扬机2连接，通过卷扬机2拖曳控制绳调整吊件1姿态，以避免在高空进行吊件姿态调整。如图7所示为吊装到吊件目标位置示意图，高空吊装就位主要进行起升和变幅动作，将吊件1按调整后的姿态由地面吊装到高空目标位置。
对吊装过程进行分解，实质上也是对吊装路径规划做了分解，将吊装路径规划由三维空间中的路径寻优问题简化为在水平面(近地面位置调整阶段)和铅垂面(高空吊装就位阶段)两个二维平面内的路径寻优问题，很大程度上降低了吊装路径规划的难度，提高了路径搜索的效率。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
本发明提供的一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法，其流程示意图如图8所示，包括：
步骤1：基于获取的吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、初始位置和目标位置，计算吊件在初始位置和目标位置之间的中间位置；
步骤2：基于预设的第一算法，计算吊件从所述初始位置到所述中间位置的水平面吊装路径；
步骤3：基于所述吊装环境信息，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；
其中，所述第一算法基于吊件摆动幅度和吊件消摆时间对吊装路径的影响确定；所述中间位置即姿态调整位置。
步骤1具体包括：
基于所述初始位置和目标位置，在世界坐标系下确定所述初始位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标；
在路径规划时，需建立统一的世界坐标系用于描述环境信息和规划的路径，该坐标系为符合右手定则的圆柱坐标系(r,θ,z)，以图3中坐标系O-xyz的原点和z轴为圆柱坐标系的原点和z轴，抱杆吊臂回转角度ψ＝0为θ＝0方向。
在该坐标系中，平衡起吊的两个吊件的初始位置分别记为(rs,θs,zs)和(rs,θs+180°,zs)，目标位置分别记为(rg,θg,zg)和(rg,θg+180°,zg)，吊件(挂载在吊钩上时)的高度记为h，吊件(挂载在吊钩上时)最大自转半径记为Rmax，抱杆最大变幅幅度记为根开尺寸(塔腿间距)记为L，待吊装塔材、工器具(包括但不限于纹磨或卷扬机)、在建铁塔、拉线等障碍物占据的空间位置记为Ωi，i表示障碍物编号。
为了保障吊装安全，吊件需与障碍物、拉线和铁塔边界等保持一定的安全距离S，安全距离可基于吊件尺寸和吊件最大摆动幅度等吊件信息设定；基于吊件挂载高度(吊件的高度)h、安全距离S和初始位置的高度坐标zs，计算所述中间位置的高度坐标zm：
z＝z+h+S
ms
基于所述目标位置的角度坐标θg，确定所述中间位置的角度坐标θm：
θ＝θ
mg
基于吊件信息中吊件挂载的最大自转半径(吊件最大自转半径)Rmax、吊装环境信息中的铁塔的尺寸(包括所述中间位置的高度坐标zm所在水平面中铁塔在所述吊件中间位置的角度θm或θm+180°的尺寸dt，dt的确定过程如下：基于所述中间位置的高度坐标确定中间位置的高度坐标对应的水平面，并在所述中间位置的高度坐标对应的水平面中，确定铁塔在所述中间位置的角度坐标方向上的尺寸)和所述安全距离S，确定所述中间位置的径向坐标rm：
步骤2具体包括：
以吊件初始位置为起点，以近地面姿态调整位置为终点，进行吊件近地面位置调整的过程中，吊件的径向位置不能超过抱杆最大变幅幅度同时吊件和吊件上方的吊绳不能碰撞铁塔和拉线(拉线按需打设)，所以吊件的路径规划区域如图9所示。图9为在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上建立的双平臂落地抱杆双侧的吊装路径规划区域，该区域基于抱杆的最大变幅边界、铁塔拉线在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上的投影和铁塔在所述中间位置的高度坐标的边界围成的区域构建，图中还标记了避让区域、边界、障碍物、初始位置1(即图中IP1)、初始位置2(即图中IP2)、中间位置1(即图中MP1)和中间位置2(即图中MP2)。/>
由于双平臂落地抱杆采用两侧平衡起吊，两个吊件的起点、终点和路径必须中心对称，但是两个路径规划区域内的障碍物位置不同。为了便于路径规划，通过将两个吊件的吊装路径规划区域内的障碍物中心对称到同一吊装路径规划区域，即将如图9所示的两个吊件的路径规划问题简化成如图10所示的一个吊件的路径规划问题。同时，为了保障吊装安全，吊件需与障碍物、拉线和铁塔边界保持一定的安全距离，即图10中的避让区域宽度。
进行路径规划前，需要对路径规划区域进行环境建模，使用环境矩阵对该区域空间、障碍物等进行描述。首先将原吊装区域扩展成如图11所示的扇环，扇环的外径等于抱杆最大变幅幅度内径等于根开L的一半，扇环的圆周方向边界为该区域的左右两根拉线θleft和θright在中间位置的高度坐标对应的水平面上的投影。同时，将扇环区域内的障碍物和扩张的区域统一设置为吊件避让区域，得到吊装路径规划扇环。
然后，如图12所示，对扇环区域进行栅格化，在径向和圆周方向将扇环等分为m×n个小扇环(m为径向扇环数量，n为圆周方向扇环数量)，小扇环(即栅格)的内外径之差Δr，按下式表示：
式中，为抱杆的最大变幅幅度，L为铁塔的根开尺寸，m为栅格环境模型中径向栅格数量；
所述栅格的左右边界角度差Δθ，按下式表示：
式中，θright为栅格环境模型中右拉线的投影，θleft为栅格环境模型中左拉线的投影，n为栅格环境模型中圆周方向栅格数量。
最后，如图13所示，建立表示路径规划区域环境的m×n矩阵A，m和n越大，栅格数量越多，环境矩阵A的误差越小。图中该矩阵的元素aij表示径向第i个圆周方向第j个栅格(ri,θj,zm)位置处的环境情况。该栅格的径向坐标ri和角度坐标θj，按下式计算：
当(ri,θj)位置是吊件避让区域时，aij＝0；否则，aij＝1。
根据吊装过程及吊装特征可知，在单次抱杆动作过程中，消摆消耗大量的时间，在进行吊件路径规划时，首先需考虑减少抱杆动作变化次数，以降低吊装过程中吊件消摆消耗的时间，提高吊装效率。
通过前述动力学仿真分析可知，缩短钢丝绳长度能够提高吊件的摆动频率，减少吊件消摆时长和降低回转时吊件的径向摆动幅度；减小小车幅度能够降低回转时吊件的径向和切向摆动幅度。因此，在进行吊件路径规划时，可按照缩短钢丝绳长度方向、减小小车幅度方向、回转、增大小车幅度方向、增长钢丝绳长度方向的优先级顺序进行路径搜索，降低吊件摆动对吊装路径的影响。
吊件摆动的初始幅度趋向于0时，吊件在该运动阶段的摆幅也趋向于0。消摆时吊件的初始幅度取决于吊件的摆动周期、加速时间、匀速时间和减速时间。通过仿真发现，当吊件的摆动周期与单个动作的速度、加速度满足摆动时间公式所示的关系时，吊件消摆时的初始摆动幅度很小甚至约等于零，这样就能很大程度上减少吊件消摆消耗的时间。
所述摆动时间公式，按下式表示：
式中，为抱杆执行变幅动作时小车的移动速度，/>为抱杆执行变幅动作时小车的移动加速度，Δρ为抱杆执行变幅动作时小车的移动距离，/>为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角速度，/>为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角加速度，Δψ为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角度，T为吊件摆动周期，α、β、η和λ均为吊件摆动次数。
摆动周期T，其表达式为：
式中，g为重力加速度，l为吊绳长度。
基于上述摆动时间公式，以A*算法为基础设计第一算法：
首先将所述初始位置和中间位置投影到所述栅格环境模型中；使用欧几里得距离估算所有栅格点(下述又称栅格、节点栅格)到终点(即所述中间位置投影)的通行成本(即距离)，作为启发函数(以栅格c到终点的通行成本可表示为h(c))。即以吊装动作变化一次时的通行成本最小为目标，以吊装通行方向的一致性和所述避让区为约束，通过欧几里得距离估算栅格环境模型中各栅格到所述中间位置投影的通行成本，确定启发函数；
结合起点(即所述初始位置投影)到节点栅格c的实际通行成本g(c)，建立由起点经过节点栅格c到达终点的通行成本估价函数f(c)＝g(c)+h(c)，并以所述估价函数为第一算法；
所述吊装通行方向的一致性，基于相邻栅格的角度坐标、相邻栅格的径向坐标、栅格的内外径差和栅格的左右边界角度差，通过计算相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量ω表示。
基于所述第一算法，在所述栅格环境模型中计算吊件从所述初始位置投影到所述中间位置投影的水平面吊装路径。由于第一算法是在A*算法的基础上设计的，因此采用第一算法进行路径规划的过程与A*算法进行路径搜索的过程相同。下面结合图14，对第一算法计算水平面吊装路径的具体过程进行说明：
首先建立算法的Open和Close列表，Open列表用于保存将要遍历搜索的栅格，Close列表用于保存已经被遍历搜索的栅格(或避让区域栅格)。开始路径搜索时，先将表示起点的栅格添加到Open列表，将避让区域的栅格添加到Close列表；
在栅格环境模型中，计算h(c)、g(c)和f(c)，并判断此时Open列表是否为空集；计算启发函数h(c)，即估算所述各栅格到所述中间位置投影的通行成本；计算从所述初始位置投影到所述各栅格的实际通行成本g(c)，通过将h(c)和g(c)相加，得到每个栅格的通行成本估价函数f(c)；
当判断Open列表是空集时，即所有已生成的节点均考察完毕，则路径搜索失败；否则从Open列表中选出使f(c)值最小的栅格b，将其加入Close列表，并判断栅格b是否为终点；
当判断栅格b为终点，则搜索完毕，输出此时的最佳路径为水平面吊装路径；否则，依次将栅格b的四邻域栅格(即相邻栅格)中的不属于Close列表的栅格加入到Open列表，并更新新加入到Open列表的栅格的g(c)和f(c)；由于栅格b到其邻域栅格d的通行成本hbd受路径规划影响因素(即吊件消摆时间和摆动幅度)、约束和目标影响，考虑抱杆吊装动作的限制，本实施例设定在进行水平面吊装路径规划时，吊件只能从当前栅格(例如栅格b)运动到与它相邻的四个联通栅格(例如栅格b的邻域栅格d)，所以在扩充Open列表时，仅选取栅格的四邻域栅格；依次选取栅格b的四邻域栅格，以栅格b的邻域栅格d为例，令gbd＝g(b)+hbd，式中gbd为从所述初始位置投影出发经由栅格b到达栅格d的实际通行成本，g(b)为从所述初始位置投影到栅格b的实际通行成本；如果gbd<g(d)，g(d)为从所述初始位置投影到栅格d的实际通行成本(经过或未经过栅格b)，则更新g(d)＝gbd和f(d)＝gbd+h(d)，h(d)为栅格d到终点的通行成本启发函数，f(d)为由起点经过栅格d到达终点的通行成本，同时将栅格b记为栅格d的父节点栅格；如果gbd≥g(d)，则保持g(d)和f(d)不变；
最后，无论g(c)和f(c)是否更新，都要进一步判断Open列表是否为空集，并进行下一个循环，直到得到水平面吊装路径或路径搜索失败为止。
在计算由栅格b到d的通行成本hbd时，首先需要考虑栅格b到d的距离。进行吊件近地面位置调整时，按照先减小小车幅度后回转的优先级顺序进行路径搜索时可搜索出总长度更短的吊装路径，且能减小吊件摆动。同时需要考虑栅格b到d的方向与栅格a(b的父节点栅格)到b的方向的一致性，即考虑吊件由栅格b到d和由栅格a到b的是否进行吊装动作的变化，降低吊件消摆消耗的时间。综上所述，hbd的表达式为：
式中，rd为栅格d的径向坐标，rb为栅格b的径向坐标，θd为栅格d的角度坐标，θb为栅格b的角度坐标，κ为吊装动作变化一次时的通行成本，ω为从栅格b到栅格d的吊装通行方向一致性参量；
其中，所述从栅格b到栅格d的吊装通行方向一致性参量ω，按下式表示：
式中，ra为栅格a的径向坐标，θa为栅格a的角度坐标，Δr为栅格的内外径差，Δθ为栅格的左右边界角度差；
其中，所述吊装动作变化一次时的通行成本κ为常数，通过将吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期输入到预设的摆动时间公式中，并通过计算输入后所述吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期与所述摆动时间公式的契合度，确定所述吊装动作变化一次时的通行成本，所述吊装动作变化一次时的通行成本用于反映吊装动作时的吊件摆动幅度和确定吊件消摆时间；κ的取值与吊件消摆时间有关，当吊装动作满足摆动时间公式的关系时，吊件的初始摆动幅度很小，吊件消摆时间减少，κ取值变小；
相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量ω，表示栅格b到d的方向与栅格a到b的方向的一致性与否；当ω＝0时，栅格b到d的方向与栅格a到b的方向一致；当ω＝1时，栅格b到d的方向与栅格a到b的方向不一致。
步骤3具体包括：
完成吊件经过近地面位置调整和吊件姿态调整之后，再将吊件从近地面姿态调整位置吊装到目标位置。在吊装过程中，高空障碍物较少且位置分布清晰，按固定吊装动作顺序进行吊装即可避开所有障碍物完成吊装。考虑环境特点和吊装动力学特性，在进行高空吊装就位时，严格按照缩短钢丝绳长度方向、减小小车幅度方向、回转的优先级顺序进行吊装。高空吊装就位的流程如图15所示，即获取数据(如所述中间位置到所述目标位置的吊装环境信息中的障碍物)，基于所述中间位置到所述目标位置的吊装环境信息中的障碍物，确定吊装动作的顺序(起升、变幅、回转的优先级顺序)；基于所述吊装动作的顺序，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径。
具体的吊装过程为：首先执行抱杆起升动作，将吊件由中间位置的高度提升到目标位置的高度；然后进行抱杆变幅，使吊件径向坐标减小，直至与目标位置的径向坐标一致。最后回转抱杆，微调吊件角度坐标，直至与目标位置角度坐标一致。
下面采用如图16所示的吊装路径规划思路流程图，对如图17所示的双平臂落地抱杆组塔吊装施工进行路径规划。所述吊装路径规划思路包括：
(1)获取并输入抱杆、在建铁塔和吊件等信息；
(2)计算吊件姿态调整位置：根据抱杆、在建铁塔和吊件等信息，计算吊件的姿态调整位置；
(3)近地面位置调整路径规划：以吊件初始位置为起点，以吊件的姿态调整位置为终点，在水平面内规划近地面位置调整路径；
(4)高空吊装就位路径规划：以吊件姿态调整位置为起点，以吊件的目标位置为终点，在铅垂面内规划高空吊装就位路径。
如图17所示，图中吊件分别位于初始位置1和初始位置2(即图中IP1和IP2)，高空为目标位置1和目标位置2(即图中TP1和TP2)，图中的圆柱体即近地面的障碍物。
确定初始位置1和2所在的双侧的吊装路径规划区域，并将两侧的障碍物通过中心对称合并到一起，随后对初始位置1和2所在的双侧的吊装路径规划区域进行栅格化处理，得到如图18所示的水平面的栅格化环境模型，图中若干个小栅格组成的区域即水平面的吊装路径规划区域，其中的空白处为障碍物周边划定的避让区域，图中另建立了直角坐标系XY，以米为单位表示路径的距离。
之后，基于第一算法对吊件的近地面位置调整路径进行自动规划，在此基础上根据吊件的动力学特性，规划吊件高空吊装就位路径，规划出如图19所示的吊装路径，并在上述直角坐标系XY中，以米为单位表示路径的距离，图中MP1为初始位置1和目标位置1之间的中间位置，MP2为初始位置2和目标位置2之间的中间位置。
本发明将吊装路径规划由三维空间中的路径寻优问题简化为在水平面和铅垂面两个二维平面内的路径寻优问题，并将双侧平衡起吊的两个吊件的吊装路径规划区域内的障碍物中心对称到同一吊装路径规划区域，很大程度上降低了吊装路径规划的难度，提高了路径搜索的效率；本发明在进行输电线路双平臂落地抱杆组塔吊装施工动力学仿真的基础上，确定了按缩短钢丝绳长度方向、减小小车幅度方向、回转、增大小车幅度方向、增长钢丝绳长度方向的吊装动作优先级顺序，按此顺序进行吊装可使吊件摆动幅度最小和消摆时间最短；考虑吊件摆动幅度和消摆时间对吊装路径的影响设计了第一算法，通过第一算法计算水平面的吊装路径，按搜索水平面的吊装路径进行水平面吊装，能够提高吊装效率和吊件通过狭窄通道的能力；本发明实现了输电线路组塔施工的吊装路径自动规划，能够有效缩短吊装路径规划时间和吊装时间，降低吊件碰撞事故发生率，保障线路施工的效率和安全性。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种双平臂落地抱杆吊装路径规划系统，其基本结构示意图如图20所示，包括：中间位置模块、水平面路径模块和铅垂面路径模块；
所述中间位置模块，用于基于获取的吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、初始位置和目标位置，计算吊件在初始位置和目标位置之间的中间位置；
所述水平面路径模块，用于基于预设的第一算法，计算吊件从所述初始位置到所述中间位置的水平面吊装路径；
所述铅垂面路径模块，用于基于所述吊装环境信息，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；
其中，所述第一算法基于吊件摆动幅度和吊件消摆时间对吊装路径的影响确定。
优选的，所述中间位置模块，包括：坐标系单元、高度坐标单元和角度及径向坐标单元；
所述坐标系单元，用于基于所述初始位置和目标位置，在世界坐标系下确定所述初始位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标；
所述高度坐标单元，用于基于所述吊件信息和初始位置的高度坐标，通过计算吊件的安全距离确定所述中间位置的高度坐标；
所述角度及径向坐标单元，用于基于所述吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、中间位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标，计算所述中间位置的角度坐标和径向坐标；
其中，所述安全距离为吊件到吊装环境信息中的障碍物的距离。
优选的，所述高度坐标单元，具体用于：
基于吊件尺寸和吊件最大摆动幅度确定吊件的安全距离；
基于吊件挂载高度、所述安全距离和初始位置的高度坐标，计算所述中间位置的高度坐标；
其中，所述吊件信息包括吊件尺寸、吊件最大摆动幅度和吊件挂载高度。
优选的，所述角度及径向坐标单元，具体用于：
基于所述目标位置的角度坐标，确定所述中间位置的角度坐标；
基于所述中间位置的高度坐标确定中间位置的高度坐标对应的水平面，并在所述中间位置的高度坐标对应的水平面中，确定铁塔在所述中间位置的角度坐标方向上的尺寸；
基于吊件挂载的最大自转半径、所述安全距离和铁塔在所述中间位置的角度坐标方向上的尺寸，确定所述中间位置的径向坐标；
其中，所述吊件信息包括吊件挂载的最大自转半径，所述吊装环境信息包括铁塔的尺寸。
优选的，所述水平面路径模块，包括：栅格环境模型单元、投影单元和第一算法单元；
所述栅格环境模型单元，用于基于所述中间位置的高度坐标对应的抱杆信息、安全距离、吊装环境信息和吊装环境信息中的障碍物，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上构建栅格环境模型；
所述投影单元，用于将所述初始位置和中间位置投影到所述栅格环境模型中；
所述第一算法单元，用于基于所述第一算法，在所述栅格环境模型中计算吊件从所述初始位置投影到所述中间位置投影的水平面吊装路径。
优选的，所述栅格环境模型单元，具体用于：
基于抱杆的最大变幅边界、铁塔拉线在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上的投影、和铁塔在所述中间位置的高度坐标的边界围成的区域，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上，建立双平臂落地抱杆双侧的吊装路径规划区域；
将所述双侧的吊装路径规划区域内所述中间位置的高度坐标对应的障碍物，通过中心对称合并到同一吊装路径规划区域，并基于合并的吊装路径规划区域中铁塔和障碍物周围安全距离内的区域，建立避让区；
以获取的抱杆的最大变幅幅度为外径，以获取的铁塔的根开为内径，对合并的吊装路径规划区域进行拓展，得到吊装路径规划扇环；
通过在所述扇环的径向和圆周方向将所述扇环等分为若干栅格，构建栅格环境模型；
其中，所述抱杆信息包括抱杆的最大变幅边界和最大变幅幅度；所述吊装环境信息包括铁塔根开、铁塔拉线在各高度水平面上的投影和铁塔在各高度的边界。
优选的，所述第一算法单元，具体用于：
以吊装动作变化一次时的通行成本最小为目标，以吊装通行方向的一致性和所述避让区为约束，基于A*算法通过欧几里得距离估算栅格环境模型中各栅格到所述中间位置投影的通行成本，确定启发函数；
计算从所述初始位置投影到所述各栅格的实际通行成本和相邻栅格间的吊装通行成本，并基于所述实际通行成本、启发函数和相邻栅格间的吊装通行成本，确定估价函数；
以所述估价函数为第一算法；
其中，所述吊装动作变化一次时的通行成本，通过将吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期输入到预设的摆动时间公式中，并通过计算输入后所述吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期与所述摆动时间公式的契合度，确定所述吊装动作变化一次时的通行成本，所述吊装动作变化一次时的通行成本用于反映吊装动作生成的吊件摆动幅度和吊件消摆时间；
所述吊装通行方向的一致性，基于相邻栅格的角度坐标、相邻栅格的径向坐标、栅格的内外径差和栅格的左右边界角度差，通过计算相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量表示，用于反映吊装动作。
优选的，所述第一算法单元中相邻栅格间的吊装通行成本的计算，包括：
基于所述相邻栅格的角度坐标、相邻栅格的径向坐标、吊装动作变化一次时的通行成本和相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量，对相邻栅格间的吊装通行成本进行计算。
优选的，所述第一算法单元中相邻栅格间的吊装通行成本，按下式表示：
式中，栅格d为栅格b的相邻栅格，hbd为从栅格b到栅格d的通行成本，rd为栅格d的径向坐标，rb为栅格b的径向坐标，θd为栅格d的角度坐标，θb为栅格b的角度坐标，κ为吊装动作变化一次时的通行成本，ω为从栅格b到栅格d的吊装通行方向一致性参量；
其中，所述从栅格b到栅格d的吊装通行方向一致性参量ω，按下式表示：
式中，栅格a为栅格b的父节点栅格和相邻栅格，ra为栅格a的径向坐标，θa为栅格a的角度坐标，Δr为栅格的内外径差，Δθ为栅格的左右边界角度差；
所述栅格的内外径差Δr，按下式表示：
式中，为抱杆的最大变幅幅度，L为铁塔的根开尺寸，m为栅格环境模型中径向栅格数量；
所述栅格的左右边界角度差Δθ，按下式表示：
式中，θright为栅格环境模型中右拉线的投影，θleft为栅格环境模型中左拉线的投影，n为栅格环境模型中圆周方向栅格数量。
优选的，所述第一算法单元中摆动时间公式的设定，包括：
基于吊装动作对应的抱杆信息和吊件摆动周期，设定摆动时间公式；
其中，所述吊装动作对应的抱杆信息，包括抱杆执行变幅动作时小车的移动速度、抱杆执行变幅动作时小车的移动加速度、抱杆执行变幅动作时小车的移动距离、抱杆执行回转动作时吊臂的回转角速度、抱杆执行回转动作时吊臂的回转角加速度和抱杆执行回转动作时吊臂的回转角度。
优选的，所述第一算法单元中摆动时间公式，按下式表示：
式中，为抱杆执行变幅动作时小车的移动速度，/>为抱杆执行变幅动作时小车的移动加速度，Δρ为抱杆执行变幅动作时小车的移动距离，/>为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角速度，/>为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角加速度，Δψ为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角度，T为吊件摆动周期，α、β、η和λ均为吊件摆动次数。
优选的，所述铅垂面路径模块，具体用于：
基于所述中间位置到所述目标位置的吊装环境信息中的障碍物，确定吊装动作的顺序；
基于所述吊装动作的顺序，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；
其中，所述吊装动作包括提升、变幅和回转。
本实施例通过对吊装过程进行分解，将吊装路径规划由三维空间规划简化为在水平面和铅垂面两个二维平面内的规划问题，降低吊装路径规划的难度，提高路径规划的效率；通过考虑吊件摆动幅度和消摆时间对吊装路径的影响，可自动规划吊装路径，按照规划的吊装路径进行吊装能够提高吊装效率和吊件通过狭窄通道的能力；基于吊装环境规划吊装路径，按照规划的吊装路径进行吊装可降低吊件碰撞事故发生率，进而保障线路施工的效率和安全性。
实施例3：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法的步骤。
通过本实施例提供的计算机设备，实现一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法，通过对吊装过程进行分解，将吊装路径规划由三维空间规划简化为在水平面和铅垂面两个二维平面内的规划问题，降低吊装路径规划的难度，提高路径规划的效率；通过考虑吊件摆动幅度和消摆时间对吊装路径的影响，可自动规划吊装路径，按照规划的吊装路径进行吊装能够提高吊装效率和吊件通过狭窄通道的能力；基于吊装环境规划吊装路径，按照规划的吊装路径进行吊装可降低吊件碰撞事故发生率，进而保障线路施工的效率和安全性。
实施例4：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法的步骤。
通过本实施例提供的存储介质，实现一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法，通过对吊装过程进行分解，将吊装路径规划由三维空间规划简化为在水平面和铅垂面两个二维平面内的规划问题，降低吊装路径规划的难度，提高路径规划的效率；通过考虑吊件摆动幅度和消摆时间对吊装路径的影响，可自动规划吊装路径，按照规划的吊装路径进行吊装能够提高吊装效率和吊件通过狭窄通道的能力；基于吊装环境规划吊装路径，按照规划的吊装路径进行吊装可降低吊件碰撞事故发生率，进而保障线路施工的效率和安全性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。
Claims (19)
1.一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法，其特征在于，包括：
基于获取的吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、初始位置和目标位置，计算吊件在初始位置和目标位置之间的中间位置；
基于预设的第一算法，计算吊件从所述初始位置到所述中间位置的水平面吊装路径；
基于所述吊装环境信息，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；
其中，所述第一算法基于吊件摆动幅度和吊件消摆时间对吊装路径的影响确定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于获取的吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、初始位置和目标位置，计算吊件在初始位置和目标位置之间的中间位置，包括：
基于所述初始位置和目标位置，在世界坐标系下确定所述初始位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标；
基于所述吊件信息和初始位置的高度坐标，通过计算吊件的安全距离确定所述中间位置的高度坐标；
基于所述吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、中间位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标，计算所述中间位置的角度坐标和径向坐标；
其中，所述安全距离为吊件到吊装环境信息中的障碍物的距离。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述吊件信息和初始位置的高度坐标，通过计算吊件的安全距离确定所述中间位置的高度坐标，包括：
基于吊件尺寸和吊件最大摆动幅度确定吊件的安全距离；
基于吊件挂载高度、所述安全距离和初始位置的高度坐标，计算所述中间位置的高度坐标；
其中，所述吊件信息包括吊件尺寸、吊件最大摆动幅度和吊件挂载高度。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、中间位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标，计算所述中间位置的角度坐标和径向坐标，包括：
基于所述目标位置的角度坐标，确定所述中间位置的角度坐标；
基于所述中间位置的高度坐标确定中间位置的高度坐标对应的水平面，并在所述中间位置的高度坐标对应的水平面中，确定铁塔在所述中间位置的角度坐标方向上的尺寸；
基于吊件挂载的最大自转半径、所述安全距离和铁塔在所述中间位置的角度坐标方向上的尺寸，确定所述中间位置的径向坐标；
其中，所述吊件信息包括吊件挂载的最大自转半径，所述吊装环境信息包括铁塔的尺寸。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于预设的第一算法，计算吊件从所述初始位置到所述中间位置的水平面吊装路径，包括：
基于所述中间位置的高度坐标对应的抱杆信息、安全距离、吊装环境信息和吊装环境信息中的障碍物，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上构建栅格环境模型；
将所述初始位置和中间位置投影到所述栅格环境模型中；
基于所述第一算法，在所述栅格环境模型中计算吊件从所述初始位置投影到所述中间位置投影的水平面吊装路径。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述中间位置的高度坐标对应的抱杆信息、安全距离、吊装环境信息和吊装环境信息中的障碍物，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上构建栅格环境模型，包括：
基于抱杆的最大变幅边界、铁塔拉线在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上的投影、和铁塔在所述中间位置的高度坐标的边界围成的区域，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上，建立双平臂落地抱杆双侧的吊装路径规划区域；
将所述双侧的吊装路径规划区域内所述中间位置的高度坐标对应的障碍物，通过中心对称合并到同一吊装路径规划区域，并基于合并的吊装路径规划区域中铁塔和障碍物周围安全距离内的区域，建立避让区；
以获取的抱杆的最大变幅幅度为外径，以获取的铁塔的根开为内径，对合并的吊装路径规划区域进行拓展，得到吊装路径规划扇环；
通过在所述扇环的径向和圆周方向将所述扇环等分为若干栅格，构建栅格环境模型；
其中，所述抱杆信息包括抱杆的最大变幅边界和最大变幅幅度；所述吊装环境信息包括铁塔根开、铁塔拉线在各高度水平面上的投影和铁塔在各高度的边界。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一算法的设定，包括：
以吊装动作变化一次时的通行成本最小为目标，以吊装通行方向的一致性和所述避让区为约束，基于A*算法通过欧几里得距离估算栅格环境模型中各栅格到所述中间位置投影的通行成本，确定启发函数；
计算从所述初始位置投影到所述各栅格的实际通行成本和相邻栅格间的吊装通行成本，并基于所述实际通行成本、启发函数和相邻栅格间的吊装通行成本，确定估价函数；
以所述估价函数为第一算法；
其中，所述吊装动作变化一次时的通行成本，通过将吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期输入到预设的摆动时间公式中，并通过计算输入后所述吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期与所述摆动时间公式的契合度，确定所述吊装动作变化一次时的通行成本，所述吊装动作变化一次时的通行成本用于反映吊装动作产生的吊件摆动幅度和吊件消摆时间；
所述吊装通行方向的一致性，基于相邻栅格的角度坐标、相邻栅格的径向坐标、栅格的内外径差和栅格的左右边界角度差，通过计算相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量表示，用于反映吊装动作。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，相邻栅格间的吊装通行成本的计算，包括：
基于所述相邻栅格的角度坐标、相邻栅格的径向坐标、吊装动作变化一次时的通行成本和相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量，对相邻栅格间的吊装通行成本进行计算。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述相邻栅格间的吊装通行成本，按下式表示：
式中，栅格d为栅格b的相邻栅格，hbd为从栅格b到栅格d的通行成本，rd为栅格d的径向坐标，rb为栅格b的径向坐标，θd为栅格d的角度坐标，θb为栅格b的角度坐标，κ为吊装动作变化一次时的通行成本，ω为从栅格b到栅格d的吊装通行方向一致性参量；
其中，所述从栅格b到栅格d的吊装通行方向一致性参量ω，按下式表示：
式中，栅格a为栅格b的父节点栅格和相邻栅格，ra为栅格a的径向坐标，θa为栅格a的角度坐标，Δr为栅格的内外径差，Δθ为栅格的左右边界角度差；
所述栅格的内外径差Δr，按下式表示：
式中，为抱杆的最大变幅幅度，L为铁塔的根开尺寸，m为栅格环境模型中径向栅格数量；
所述栅格的左右边界角度差Δθ，按下式表示：
式中，θright为栅格环境模型中右拉线的投影，θleft为栅格环境模型中左拉线的投影，n为栅格环境模型中圆周方向栅格数量。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，摆动时间公式的设定，包括：
基于吊装动作对应的抱杆信息和吊件摆动周期，设定摆动时间公式；
其中，所述吊装动作对应的抱杆信息，包括抱杆执行变幅动作时小车的移动速度、抱杆执行变幅动作时小车的移动加速度、抱杆执行变幅动作时小车的移动距离、抱杆执行回转动作时吊臂的回转角速度、抱杆执行回转动作时吊臂的回转角加速度和抱杆执行回转动作时吊臂的回转角度。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述摆动时间公式，按下式表示：
式中，为抱杆执行变幅动作时小车的移动速度，/>为抱杆执行变幅动作时小车的移动加速度，Δρ为抱杆执行变幅动作时小车的移动距离，/>为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角速度，/>为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角加速度，Δψ为抱杆执行回转动作时吊臂的回转角度，T为吊件摆动周期，α、β、η和λ均为吊件摆动次数。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述吊装环境信息，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径，包括：
基于所述中间位置到所述目标位置的吊装环境信息中的障碍物，确定吊装动作的顺序；
基于所述吊装动作的顺序，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；
其中，所述吊装动作包括提升、变幅和回转。
13.一种双平臂落地抱杆吊装路径规划系统，其特征在于，包括：中间位置模块、水平面路径模块和铅垂面路径模块；
所述中间位置模块，用于基于获取的吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、初始位置和目标位置，计算吊件在初始位置和目标位置之间的中间位置；
所述水平面路径模块，用于基于预设的第一算法，计算吊件从所述初始位置到所述中间位置的水平面吊装路径；
所述铅垂面路径模块，用于基于所述吊装环境信息，确定吊件从所述中间位置到所述目标位置的铅垂面吊装路径；
其中，所述第一算法基于吊件摆动幅度和吊件消摆时间对吊装路径的影响确定。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述中间位置模块，具体用于：
基于所述初始位置和目标位置，在世界坐标系下确定所述初始位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标；
基于所述吊件信息和初始位置的高度坐标，通过计算吊件的安全距离确定所述中间位置的高度坐标；
基于所述吊件信息、抱杆信息、吊装环境信息、中间位置的高度坐标、目标位置的角度坐标和径向坐标，计算所述中间位置的角度坐标和径向坐标；
其中，所述安全距离为吊件到吊装环境信息中的障碍物的距离。
15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述水平面路径模块，具体用于：
基于所述中间位置的高度坐标对应的抱杆信息、安全距离、吊装环境信息和吊装环境信息中的障碍物，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上构建栅格环境模型；
将所述初始位置和中间位置投影到所述栅格环境模型中；
基于所述第一算法，在所述栅格环境模型中计算吊件从所述初始位置投影到所述中间位置投影的水平面吊装路径。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述水平面路径模块中栅格环境模型的构建，包括：
基于抱杆的最大变幅边界、铁塔拉线在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上的投影、和铁塔在所述中间位置的高度坐标的边界围成的区域，在所述中间位置的高度坐标对应的水平面上，建立双平臂落地抱杆双侧的吊装路径规划区域；
将所述双侧的吊装路径规划区域内所述中间位置的高度坐标对应的障碍物，通过中心对称合并到同一吊装路径规划区域，并基于合并的吊装路径规划区域中铁塔和障碍物周围安全距离内的区域，建立避让区；
以获取的抱杆的最大变幅幅度为外径，以获取的铁塔的根开为内径，对合并的吊装路径规划区域进行拓展，得到吊装路径规划扇环；
通过在所述扇环的径向和圆周方向将所述扇环等分为若干栅格，构建栅格环境模型；
其中，所述抱杆信息包括抱杆的最大变幅边界和最大变幅幅度；所述吊装环境信息包括铁塔根开、铁塔拉线在各高度水平面上的投影和铁塔在各高度的边界。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述水平面路径模块中第一算法的设定，包括：
以吊装动作变化一次时的通行成本最小为目标，以吊装通行方向的一致性和所述避让区为约束，基于A*算法通过欧几里得距离估算栅格环境模型中各栅格到所述中间位置投影的通行成本，确定启发函数；
计算从所述初始位置投影到所述各栅格的实际通行成本和相邻栅格间的吊装通行成本，并基于所述实际通行成本、启发函数和相邻栅格间的吊装通行成本，确定估价函数；
以所述估价函数为第一算法；
其中，所述吊装动作变化一次时的通行成本，通过将吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期输入到预设的摆动时间公式中，并通过计算输入后所述吊装动作对应的抱杆信息和摆动周期与所述摆动时间公式的契合度，确定所述吊装动作变化一次时的通行成本，所述吊装动作变化一次时的通行成本用于反映吊装动作产生的吊件摆动幅度和吊件消摆时间；
所述吊装通行方向的一致性，基于相邻栅格的角度坐标、相邻栅格的径向坐标、栅格的内外径差和栅格的左右边界角度差，通过计算相邻栅格间的吊装通行方向一致性参量表示，用于反映吊装动作。
18.一种计算机设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如权利要求1至12中任一项的一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法。
19.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如权利要求1至12中任一项的一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310618278.4A CN116768062A (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法、系统和介质 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310618278.4A CN116768062A (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 一种双平臂落地抱杆吊装路径规划方法、系统和介质 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN116768062A true CN116768062A (zh) | 2023-09-19 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117289705A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-26 | 国网天津市电力公司电力科学研究院 | 路径确定方法和装置 |
-
2023
- 2023-05-30 CN CN202310618278.4A patent/CN116768062A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117289705A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-26 | 国网天津市电力公司电力科学研究院 | 路径确定方法和装置 |
| CN117289705B (zh) * | 2023-11-17 | 2024-03-26 | 国网天津市电力公司电力科学研究院 | 路径确定方法和装置 |
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