塔机智能控制系统的路径规划与动态避让方法

1.本发明属于塔式起重机智能控制技术领域，涉及一种塔机智能控制系统的路径规划与动态避让方法。


背景技术：

2.塔式起重机(简称塔机)是建设房屋和桥梁的主要吊装工具，由于高空作业，塔机司机注意力需要高度集中，劳动强度大，容易疲劳，是施工现场重大的安全隐患，实现塔机的无人驾驶的智能控制一直是人们最求的目标，塔机智能控制也成为人们关注的重点，塔机的工作是将物料从一个位置，调运到另一个位置，因此，塔机智能控制需要解决塔机吊运的路径规划与跟踪问题。
3.目前，对全局路径规划已有的研究方法是以现场精确的三维模型为基础，主要考虑静态避障问题，大都借鉴机器人路径规划算法，算法复杂难以快速收敛，不适应塔机的运动控制。考虑塔机在施工现场的作业工况，空间运行范围大，运行中除了存在行程限制、超载限制以及吊钩限行等静态障碍外，还要处理群塔相互碰撞等突发的动态障碍，而现有的文献以及专利文件中都没有涉及吊装的动态避让问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种塔机智能控制系统的路径规划与动态避让方法，解决了现有技术在塔机智能控制中，难以有效实现路径规划与动态避让的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，一种塔机智能控制系统的路径规划与动态避让方法，按照以下步骤实施：
6.步骤1、坐标转换，
7.通过塔机运行状态监测与定位模块，利用北斗网络对塔机吊装位置进行定位，得到施工现场笛卡尔全局坐标，再将起吊与落钩位置的笛卡尔全局坐标转化为以塔机为原点的极坐标；
8.步骤2、全局路径规划，
9.步骤3、路径跟踪，
10.塔机驱动控制模块控制塔机按照规划路线运行，并通过塔机运行状态监测与定位模块实时监测塔机当前位置，塔机在路径跟踪过程中，利用塔机安全防护模组中预置的群塔防碰撞算法以及塔机控制经验采取动态避让措施，直到塔机到达目标位置。
11.本发明的有益效果是，构建了塔机智能控制系统的功能模块，在此基础上，基于塔机吊装行为特点以及驾驶员的操作经验，实现塔机智能控制的全局路径规划与群塔碰撞的动态避让，算法计算效率高，适用于塔机吊运的实时工况，为塔机智能控制提供了可靠的基础。
附图说明
12.图1是本发明方法采用的塔机智能控制系统的功能组成；
13.图2是本发明方法实施全局路径规划与跟踪的流程简图；
14.图3是本发明方法实施塔机转向确定的流程简图；
15.图4是本发明方法实施塔机吊钩避开限行区域的流程简图；
16.图5是本发明方法实施塔机全局路径规划的案例简图；
17.图6是本发明方法实施塔机转动碰撞避让的流程简图；
18.图7是本发明方法实施例对两台塔机协同作业的全局路径规划与跟踪原理简图。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
20.参照图1，本发明方法采用的塔机智能控制系统的功能架构是，包括依次连接的四大模块，即塔机运行状态监测与定位模块、塔机安全防护模组、全局路径规划与跟踪模块、塔机驱动控制模块；其中，塔机运行状态监测与定位模块用于实时获取塔机吊重、转角、变幅、高度以及风速的状态，并通过网络实现吊装位置的定位，为塔机智能控制提供基础信息；塔机安全防护模组内部包括限位保护子模块、限行区域保护子模块、群塔防碰撞子模块以及超载保护子模块，分别实现限位保护、限行区域保护、群塔防碰撞以及超载保护的功能，共同实现塔机运行中的安全防护；全局路径规划与跟踪模块用于实现塔机吊装过程中的路径规划与跟踪控制；塔机驱动控制模块用于实现塔机主体三大运行机构的驱动控制。
21.与塔机智能控制系统配套的外围设备还包括：用于监测塔机运行状态的各类传感器(包括吊重传感器、高度传感器、幅度传感器、回转传感器、风速传感器)、用于吊钩运行位置定位的北斗网络、实现群塔防碰撞的无线通讯(模块)、以及塔机驱动器，接收驱动控制器的信号，实现塔机的运动。
22.上述的各类传感器均与塔机运行状态监测与定位模块信号连接，驱动控制器与塔机驱动控制模块信号连接；无线通信(模块)与限行区域保护子模块信号连接。
23.参照图2，本发明的方法，利用上述的模块架构，结合塔机的行为特点，按照以下步骤实施：
24.步骤1、坐标转换，
25.通过塔机运行状态监测与定位模块，利用北斗网络对塔机吊装位置(即吊钩初始起吊位置、最终落钩位置)进行定位，得到施工现场笛卡尔全局坐标，而塔机的行为是转动、变幅以及起升，为了便于塔机智能控制，需要将起吊与落钩位置的笛卡尔全局坐标(x，y)转化为以塔机为原点的极坐标，极坐标的角度为θ、极坐标的幅度为r；
26.步骤2、全局路径规划，
27.在施工现场，塔机一般比较高，吊装作业是将物料从料场吊运到施工作业面，根据塔机工作原理，塔机通过转动、变幅以及吊钩起升三个行为完成一个吊运任务。塔机吊装工作包括起吊、变幅、回转、落钩4个过程。其中，起吊与落钩过程只是吊钩高度的变化，不存在大范围运动；塔机大范围运动则是通过转动与变幅两个行为完成物料从一个位置运输到另外一个位置。考虑塔机在施工现场都是位于高处，为了塔机智能控制系统在实际现场的使用效率，全局路径规划一般是指塔机起吊运动将物料起升到相对高的位置后，对塔机转动
与变幅的规划。
28.全局路径规划塔机安全防护功能利用塔机行程限位、超载保护以及吊钩运行区域对塔机行为进行约束，避免塔机发生倾翻事故；静态障碍是施工作业面上阻碍塔机吊运的静止障碍，主要指塔机的行程限位，如角度限位是限制塔机转动的范围，幅度限位是限制塔机变幅运动的范围；还有，停止在碰撞区域的施工现场协同作业塔机，以及吊运范围中限制塔机吊钩进入的区域(以下简称吊钩限行区域)都形成了塔机运动的静态障碍。因此，全局路径规划与跟踪模块中的全局路径规划功能就需要保证塔机避开相关的这些静态障碍。
29.全局路径规划时，按以下两个小步骤进行：
30.2.1)转向确定，
31.塔机从起吊位置到落钩位置，根据情况左转或右转，塔机的转向取决于以下几点：1)是否有转角限位，是否有禁止塔机转动的角度范围；2)是否有可能碰撞的塔机静止的碰撞区；3)转动角度大小；该三条优先级递减；
32.参照图3，是本发明方法实施塔机转向确定的流程简图，首先看转角限位，直接确定转向；如果没有转角限位，则判断是否有静态障碍，如果有，则放弃该方向；最后，在没有转角限位，以及静态障碍的前提下，根据塔机转动角度小的方向确定转向。
33.2.2)吊钩避让限行区域，
34.限行区域为限制塔机吊钩进入的区域，在塔机智能控制系统中，一般通过一个多边形来定义，系统设置多边形的顶点，从而确定限行区域。
35.参照图4，是本发明方法智能塔机吊钩避开限行区域流程图，流程如下：判断塔机转动方向是否有限行区域；如果无限行区域，再判断起吊点的幅度与落钩点的幅度，如果起吊点的幅度大于落钩点的幅度，则塔机先变幅到落钩点的幅度，再转动；如果有限行区域，则找到该限行区域所有顶点幅度最小值，如果塔机当前小车幅度大于限行区域幅度最小值，则吊钩先变幅运动到幅度小于限行区域顶幅度最小值的位置，然后，再转动；至此，完成塔机全局路径规划。
36.参照图5，是本发明方法进行全局路径规划的实施例，在塔机的工作范围有转角限位θ1：θ2(见图5中的扇形阴影区域)，且有一个三角形限行区域，该三角形限行区域的顶点分别标示为1，2，3；塔机需要从起吊点a(ra,θa)运行到落钩点b(rb,θb)。根据塔机全局路径规划原则，由于转角限位，塔机从起吊点出发只能进行左转；在左转范围内，有三角形限行区域，该三角形限行区域的最小幅值点为1点，该点幅度小于起吊点的幅值ra，为了避让三角形限行区域，塔机的运行路径需要先变幅运动到小于三角形限行区域顶点1的幅值，然后再进行转动。于是，得到上述工况条件下塔机的全局路径规划，即从起吊点a出发先变幅运动到c点，然后塔机逆时针转动到d点，最后，从d点变幅运动到落钩点b，具体路线如图5中的实线所示。
37.步骤3、路径跟踪，
38.全局路径规划完成后，塔机驱动控制模块控制塔机按照规划路线运行，并通过塔机运行状态监测与定位模块实时监测塔机当前位置，确保塔机按预定的路径行走，称为塔机跟踪路径。塔机在路径跟踪过程中，由于群塔工作可能发生塔机之间可能碰撞的突发事件，塔机需要利用塔机安全防护模组中预置的群塔防碰撞算法以及塔机控制经验采取动态避让措施，从而避免碰撞事故的发生，直到塔机到达目标位置。
39.在全局路径规划与跟踪模块实施过程中，由于群塔工作可能发生塔机之间的碰撞，在塔机安全防护模组中预置有群塔防碰撞算法(“基于行为的多塔机三维空间防碰撞方法”专利号zl201310404791.x，公告号cn103466458a，公告日2013.12.25，专利权人西安丰树电子科技发展有限公司)和(或)塔机控制经验，进行动态避让。
40.群塔防碰撞算法可以对塔机不同行为进行碰撞风险判断，因此，塔机的碰撞避让也基于行为进行。由于塔机的变幅运动控制准确性高，而且变幅碰撞的概率相对小，因此，变幅碰撞避让的原则为等待避让，直到碰撞风险解决，则继续变幅运动到规划位置。
41.由于塔机的起重臂惯性大，转动的精准控制难，且对塔机的影响大，塔机转动碰撞避让则需要基于塔机驾驶员的经验，当塔机转动可能发生碰撞，塔机之间的避让原则为：1)后进入碰撞区域的塔机避让先进入的塔机(简称后塔避让先入塔)；2)轻载塔机避让重载塔机；3)动塔避让静塔。基于上述经验及原则，见图6，智能塔机转动碰撞避让的流程如下：
42.3.1)当塔机发生碰撞风险，如果本机静止，根据动塔让静塔，本机不采取避让行为；
43.3.2)本机运行中，且相碰撞的塔机静止，则本机采取避让行为。首先依据高塔让低塔原则，本机高，则本机采取变幅避让行为，直到吊钩退出碰撞区域；如果本机低，则采取反向转动的避让行为退出碰撞区等待；
44.3.3)如果相碰撞的两个塔机都在运动，则按先进让后进的原则，如果本机不在碰撞区域，则本机等待碰撞危险解除；如果本机在碰撞区域，相关塔机也在碰撞区域，则按轻载让重载，以及高塔让低塔的原则，轻载塔机如果高则变幅避让，轻载塔机且低则反转退出碰撞区避让。
45.实施例
46.参照图7，该施工现场的两台塔机均采用智能控制系统，利用本发明方法对两台塔机协同作业的全局路径规划与跟踪，塔机tc1的工作范围有一个角度限位区θ1：θ2，还有一个三角形限行区域，顶点为1、2、3，塔机tc2的工作范围内没有什么静态障碍；塔机tc1与tc2存在交叉碰撞区域，塔机tc1比tc2低。
47.设塔机tc2在图7中实线m的位置，塔机tc1要从起吊点a处将物料吊运到落钩点b处，按本发明方法的要求，首先，为了避开角度限制区θ1：θ2，塔机tc1只能逆时针进行左转；然后，在左转范围有三角形限行区域，比较起吊点a的幅度ra小于限行区域的幅值，同时，相关塔机tc2不在碰撞区域，于是，塔机tc1的全局路径如图7中的点划线所示，塔机tc1的路径为先转动，最后变幅运动。
48.在塔机tc1的运动过程中，对塔机tc1开始轨迹跟踪，当塔机tc1到达位置d的时候，同时检测到此时塔机tc2已经进入碰撞区l位置，塔机安全防护模组中的群塔防碰撞算法监测到tc1与tc2有碰撞危险，根据碰撞避让原则，塔机tc1将会在d位置停止，等待；塔机tc2则继续运动，当群塔防碰撞算法监测到两塔机没有碰撞危险后，塔机tc1继续转动，直到位置e，然后再变幅到落钩点b的位置，完成本次路径跟踪。
49.综上所述，现有技术以现场精确的三维模型为基础，主要考虑静态避障问题，大都借鉴机器人路径规划算法，难以快速收敛。考虑塔机在施工现场特殊的作业工况，塔机的路径与普通机器人不同，在塔机完成吊装作业过程中，除了避免各种误操作、静态障碍之外，还要处理各种空间突发情况，而目前的公开技术中都没有研究吊装的动态避让问题。本发
明方法基于塔机行为特点，借鉴塔机吊装驾驶员的操作经验，利用专家系统设计全局路径规划，并且采用现有技术的碰撞避让算法，给出了塔机智能控制系统的功能模块，解决了塔机智能控制中的路径规划与跟踪问题，安全可靠的实现了塔机的智能避障。

技术特征：
1.一种塔机智能控制系统的路径规划与动态避让方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1、坐标转换，通过塔机运行状态监测与定位模块，利用北斗网络对塔机吊装位置进行定位，得到施工现场笛卡尔全局坐标，再将起吊与落钩位置的笛卡尔全局坐标转化为以塔机为原点的极坐标；步骤2、全局路径规划，步骤3、路径跟踪，塔机驱动控制模块控制塔机按照规划路线运行，并通过塔机运行状态监测与定位模块实时监测塔机当前位置，塔机在路径跟踪过程中，利用塔机安全防护模组中预置的群塔防碰撞算法以及塔机控制经验采取动态避让措施，直到塔机到达目标位置。2.根据权利要求1所述的塔机智能控制系统的路径规划与动态避让方法，其特征在于：所述的全局路径规划，按以下两个小步骤进行：2.1)转向确定，塔机从起吊位置到落钩位置，根据情况左转或右转，塔机的转向取决于以下几点：1)是否有转角限位，是否有禁止塔机转动的角度范围；2)是否有可能碰撞的塔机静止的碰撞区；3)转动角度大小；该三条优先级递减；2.2)吊钩避让限行区域，限行区域为限制塔机吊钩进入的区域，在塔机智能控制系统中，通过一个多边形来定义，系统设置多边形的顶点，从而确定限行区域。3.根据权利要求2所述的塔机智能控制系统的路径规划与动态避让方法，其特征在于：所述的吊钩避让限行区域的具体流程如下：判断塔机转动方向是否有限行区域；如果无限行区域，再判断起吊点的幅度与落钩点的幅度，如果起吊点的幅度大于落钩点的幅度，则塔机先变幅到落钩点的幅度，再转动；如果有限行区域，则找到该限行区域所有顶点幅度最小值，如果塔机当前小车幅度大于限行区域幅度最小值，则吊钩先变幅运动到幅度小于限行区域顶幅度最小值的位置，再转动；完成全局路径规划。4.根据权利要求1所述的塔机智能控制系统的路径规划与动态避让方法，其特征在于：在步骤3中，在塔机安全防护模组中预置有群塔防碰撞算法，结合塔机控制经验，进行动态避让，塔机之间避让的原则为：1)后进入碰撞区域的塔机避让先进入的塔机；2)轻载塔机避让重载塔机；3)动塔避让静塔。5.根据权利要求4所述的塔机智能控制系统的路径规划与动态避让方法，其特征在于：所述的塔机之间避让的具体流程如下：3.1)当塔机发生碰撞风险，如果本机静止，根据动塔让静塔，本机不采取避让行为；3.2)本机运行中，且相碰撞的塔机静止，则本机采取避让行为。首先依据高塔让低塔原则，本机高，则本机采取变幅避让行为，直到吊钩退出碰撞区域；如果本机低，则采取反向转动的避让行为退出碰撞区等待；3.3)如果相碰撞的两个塔机都在运动，则按先进让后进的原则，如果本机不在碰撞区域，则本机等待碰撞危险解除；如果本机在碰撞区域，相关塔机也在碰撞区域，则按轻载让
重载，以及高塔让低塔的原则，轻载塔机如果高则变幅避让，轻载塔机且低则反转退出碰撞区避让。

技术总结
本发明公开了一种塔机智能控制系统的路径规划与动态避让方法，步骤包括：1)坐标转换，通过塔机运行状态监测与定位模块，利用北斗网络对塔机吊装位置进行定位，得到施工现场笛卡尔全局坐标，再将笛卡尔全局坐标转化为以塔机为原点的极坐标；2)全局路径规划；3)路径跟踪，塔机驱动控制模块控制塔机按照规划路线运行，并通过塔机运行状态监测与定位模块实时监测塔机当前位置，在路径跟踪过程中，利用塔机安全防护模组中预置的群塔防碰撞算法以及塔机控制经验采取动态避让措施，直到塔机到达目标位置。本发明的方法，实现塔机智能控制的全局路径规划与群塔碰撞的动态避让，算法计算效率高，为塔机智能控制提供了可靠的基础。为塔机智能控制提供了可靠的基础。为塔机智能控制提供了可靠的基础。


技术研发人员：杨静
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8