[發(fā)明專利]多障礙環(huán)境中塔機(jī)主動安全作業(yè)方法

在審

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• 申請日: 2015-12-11
• 公開（公告）號: CN105314544A
• 公開（公告）日: 2016-02-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖友剛;申肖雪;楊群;陳江;黃劍鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: B66C23/16
• 分類號: B66C23/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于塔機(jī)安全控制領(lǐng)域，涉及一種多障礙環(huán)境中塔機(jī)主動安全作業(yè)方法。

背景技術(shù)

塔式起重機(jī)在工業(yè)和民用建筑施工中應(yīng)用極其廣泛。為保證塔機(jī)運(yùn)行的安全性，國家質(zhì)檢總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合頒布了《塔式起重機(jī)安全規(guī)程》，禁止塔機(jī)塔臂、塔機(jī)吊鉤與障礙物發(fā)生碰撞，且禁止塔機(jī)吊鉤通過學(xué)校、商業(yè)街、人行道等危險(xiǎn)空域。目前市場出現(xiàn)了一些塔機(jī)防撞產(chǎn)品：如法國SMIE公司的AC30系統(tǒng)，韓國WECON公司的ATC-10系統(tǒng)、新加坡E-Build公司的TAC3000系統(tǒng)、成都新泰起重安全系統(tǒng)有限公司的塔機(jī)區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)、山東富友慧明測控設(shè)備有限公司的空間限制裝置。這些防碰系統(tǒng)都是在通過傳感器獲取塔機(jī)運(yùn)動參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過幾何計(jì)算來判斷塔機(jī)與障礙物是否即將發(fā)生碰撞，如有可能，即停機(jī)避讓，這些技術(shù)由于沒有根據(jù)塔機(jī)的作業(yè)軌跡特點(diǎn)及障礙物的分布情況規(guī)劃塔機(jī)的運(yùn)行路線，只能在機(jī)構(gòu)檢測或塔機(jī)司機(jī)意識到有危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，司機(jī)依靠經(jīng)驗(yàn)改變塔機(jī)的運(yùn)動軌跡，使其避開障礙物。在多障礙環(huán)境中，這種被動的防碰方法常導(dǎo)致操作者在塔機(jī)的回轉(zhuǎn)、變幅、起升運(yùn)動間進(jìn)行多次切換，不僅勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，對塔機(jī)司機(jī)的技術(shù)要求也很高，而且頻繁切換對塔機(jī)造成了較大的沖擊，會縮短塔機(jī)使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決塔機(jī)在多障礙環(huán)境中作業(yè)時(shí)不能主動避開障礙物、作業(yè)效率低、防碰操作技術(shù)要求高，且對塔機(jī)沖擊大的問題，本發(fā)明公布一種多障礙環(huán)境中塔機(jī)主動安全作業(yè)方法，該方法按以下步驟實(shí)施：

步驟1、根據(jù)塔機(jī)運(yùn)動特點(diǎn)，將塔機(jī)作業(yè)環(huán)境中的多個(gè)障礙物用禁行區(qū)集合表示；

將塔機(jī)作業(yè)范圍內(nèi)的障礙物在水平面內(nèi)投影，得到原始禁行區(qū)；根據(jù)塔臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動特點(diǎn)，將不規(guī)則的原始禁行區(qū)修正為扇形；以集合形式表示禁行區(qū)的內(nèi)、外圓弧半徑對塔機(jī)變幅的約束、禁行區(qū)的圓心角對塔臂回轉(zhuǎn)的約束、障礙物高度對塔機(jī)起升高度的約束，并求各集合的交集，得到一個(gè)塔機(jī)禁行區(qū)集合；若有多個(gè)障礙物和塔機(jī)發(fā)生干涉，用同樣方法處理，得到多個(gè)塔機(jī)禁行區(qū)集合；求多個(gè)禁行區(qū)集合的并集，就得到多障礙環(huán)境中的塔機(jī)禁行區(qū)集合；這樣，塔機(jī)作業(yè)環(huán)境中的多個(gè)障礙物就轉(zhuǎn)變?yōu)樗C(jī)禁行區(qū)集合。

步驟2、在塔機(jī)吊鉤目標(biāo)點(diǎn)及禁行區(qū)鄰域，設(shè)置緩沖區(qū)，并以集合形式表示；

為了使塔機(jī)不因慣性作業(yè)進(jìn)入禁行區(qū)，并準(zhǔn)確地停在目標(biāo)點(diǎn)，在塔機(jī)禁行區(qū)鄰域及吊鉤目標(biāo)點(diǎn)，以塔機(jī)變幅、回轉(zhuǎn)、起升機(jī)構(gòu)的制動距離作為塔機(jī)變幅、回轉(zhuǎn)、起升運(yùn)行緩沖區(qū)，求塔機(jī)變幅、回轉(zhuǎn)、起升運(yùn)行緩沖區(qū)的并集，得到塔機(jī)運(yùn)行緩沖區(qū)集合；

步驟3、根據(jù)禁行區(qū)和緩沖區(qū)集合，建立多障礙環(huán)境中塔機(jī)主動安全作業(yè)勢場模型；

為了使塔臂、塔機(jī)吊鉤不進(jìn)入禁行區(qū)，在禁行區(qū)、緩沖區(qū)與塔臂、塔機(jī)吊鉤間設(shè)置斥力勢場，建立禁行區(qū)、緩沖區(qū)與塔臂間的斥力勢場模型，及禁行區(qū)、緩沖區(qū)與塔機(jī)吊鉤間的斥力勢場模型；為了使塔機(jī)吊鉤向目標(biāo)點(diǎn)靠近，在目標(biāo)點(diǎn)與塔機(jī)吊鉤間設(shè)置引力勢場，建立目標(biāo)點(diǎn)與塔機(jī)吊鉤間的相對位置引力勢場模型；綜合斥力勢場模型和引力勢場模型模型，得到多障礙環(huán)境中塔機(jī)主動安全作業(yè)勢場模型。

步驟4、根據(jù)塔機(jī)所受勢場引力和勢場斥力的合力，進(jìn)行塔機(jī)主動安全作業(yè)決策；

求禁行區(qū)、緩沖區(qū)與塔臂間斥力勢場的負(fù)梯度，及禁行區(qū)、緩沖區(qū)與塔機(jī)吊鉤間斥力勢場的負(fù)梯度，得到禁行區(qū)、緩沖區(qū)對塔臂、塔機(jī)吊鉤產(chǎn)生的斥力；求目標(biāo)點(diǎn)與塔機(jī)吊鉤間的引力勢場模型的負(fù)梯度，得到目標(biāo)點(diǎn)到對塔機(jī)吊鉤產(chǎn)生的引力；塔機(jī)所受斥力和引力的合力就決定了塔機(jī)變幅、回轉(zhuǎn)、起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方向，在斥力和引力的共同作用下，塔機(jī)吊鉤就能繞過一系列障礙物，準(zhǔn)確將吊重送到終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)主動安全作業(yè)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是，多障礙環(huán)境中塔機(jī)主動安全作業(yè)方法依靠勢場斥力和勢場引力的綜合作用改變塔機(jī)的運(yùn)動路徑，主動避開障礙物，實(shí)現(xiàn)了塔機(jī)的主動安全；避免了塔機(jī)變幅、回轉(zhuǎn)、起升機(jī)構(gòu)運(yùn)動方向不明確而頻繁地切換塔機(jī)運(yùn)動狀態(tài)，減少了運(yùn)動狀態(tài)切換對塔機(jī)的沖擊，有利于提高塔機(jī)使用壽命，并降低了對塔機(jī)司機(jī)的技術(shù)要求，減輕了司機(jī)的勞動強(qiáng)度，還為塔機(jī)實(shí)現(xiàn)自動化及無人化操作準(zhǔn)備了技術(shù)基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為障礙環(huán)境中塔機(jī)主動安全作業(yè)方法的流程示意圖；

圖2為塔機(jī)吊鉤禁行區(qū)的俯視圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。應(yīng)該說明，這些描述只是示例性的，且省略了對公知技術(shù)的描述，但并非要限制本發(fā)明的范圍。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。