CN104528540A - 臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法及***，采用吊臂臂头自主探测学习的方法，准确采集作业区障碍物的外形与位置信息，以扇格数据表精确存贮作业区环境数据；采用吊臂臂头采集吊装物体的源位置与目标位置信息，依据吊装作业区环境数据表，再结合起重机吊装性能表，在车载控制器内实时生成包括吊臂长度、旋转方向以及每个转角下仰角等参数的吊装方案，并对生成的吊装方案进行优化与仿真。实际吊装应用表明，该***能准确采集作业区内的环境数据，并能优化生成的吊装方案。

Description

臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法及***

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法及***。

背景技术

起重机在建筑与运输行业被广泛使用，但涉及起重机吊装作业的安全事故却频发。如我国2012年与2013年涉及起重机械的重大安全事故分别有76和61起，占整个特种设备安全事故的33.3％和26.87％，死亡人数占整个特种设备事故死亡人数的44.2％和29.07％。而对轮式起重机来说，由于其既具有汽车的移动性，又具有吊车的吊装特性，因此相对其它类型起重机来说，更容易造成安全事故。

吊装作业前的吊装方案规划与仿真是预防吊装作业发生安全事故的重要环节。吊装方案规划是把起重机看作为多自由度的机器操作手，在其定义的起重机可配置空间内，采取蚁群算法、概率路标法、快速探索随机树等搜索算法，查找从吊装物体源位置到目标位置的无碰撞无过载的优化路径。吊装仿真是依据被吊物、障碍物的外形尺寸和坐标数据，在CAD平台上建立对应的作业区三维吊装仿真环境，并采用起重机虚拟样机，观测一台或多台起重机在吊装过程中是否发生碰撞，此外如Lift Plan,Cranimation和ranXpert等一些商业吊装规划软件也被开发出来。这种方式需要事先对吊装作业区内物***置与形状进行测绘，在计算机***内建立其三维模型。三维模型的建立、吊装路径的搜索与优化算法复杂，通常需要借助专业软件，难以在资源有限的车载控制器内实现，适用于吊装作业区内环境较小变动的非实时情况下吊装过程的前期准备,而对于频繁变更其吊装环境的轮式起重机来说，并不适用。

发明内容

针对上述现有技术中提出的问题，本发明提供一种方法以及***，采用轮式起重机吊臂臂头自主探测学习方法，准确采集作业区障碍物外形与位置信息，以扇格数据表方式精确存贮作业区环境数据，采用吊臂臂头采集吊装物体的源位置与目标位置信息，依据采集的环境数据并结合起重机吊装性能表，在车载控制器内实时生成吊装方案，并对生成的吊装方案进行优化与仿真。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法，包括以下步骤：

步骤一，建立起重机圆桶坐标系

以起重机回转中心在地面的投影为原点O，以起重机车身中轴线作为X轴，X轴正向指向起重机车头，Y轴与X轴垂直，Y轴正向与X轴正向逆时针夹角90°，Z轴正向为远离地面方向，垂直于XOY平面，建立XYZ坐标系；则坐标系中的一点P由坐标(φ,d,h)表示，其中φ表示点P在XOY平面投影D所形成OD线与X正向轴的逆时针夹角，d表示投影D到坐标原点O的距离，h表示点P到投影D之间的高度；

记起重机吊臂臂头的空间位置为其中吊臂长度为r，仰角为β，以X轴正向为起始位置的转角为根据几何关系可得到臂头的空间位置和臂头在XYZ坐标系中的坐标之间的换算关系；

步骤二，扇格化存储吊装作业区环境数据

步骤S20，将吊装作业区按间隔一定的转角划分为多个扇区，再将每个扇区依据到坐标原点O的距离划分为多个扇格，建立环境数据表，在表中每个扇区的每个扇格用于存放该位置的环境数据；每个扇格中用两组数据记录，分别表示在该扇格空间中吊臂可活动区域的上边界和下边界；

步骤S21，将吊装作业区中的障碍物按照其外形进行分类；

步骤S22，根据不同类型的障碍物，采集能代表其空间外形结构的数据信息，将这些数据信息填充到对应的扇格中；

步骤三，吊装方案实时优化

步骤S30，采集吊装物体的源位置、目标位置的空间位置信息，并转化为XYZ坐标系中的坐标；

步骤S31，按照从源位置到目标位置的吊臂转动量最小的方法确定吊臂的旋转方向；

步骤S32，计算吊臂的最大变幅位置，根据最大变幅位置扇区内的环境数据和该起重机的性能表，确定吊装时吊臂的可选臂长范围；

步骤S33，计算吊臂在源变幅位置下的仰角范围、从步骤S32确定的可选臂长范围中选择预选臂长并计算在源变幅位置下的预选仰角，继而判断并确定合适的预选仰角和臂长；

步骤S34，计算每个转角下的吊装预选仰角；

步骤四，生成吊装方案

根据确定的吊臂旋转方向，以吊臂从吊装物体源位置到目标位置仰角变化次数最小者为最优方案；变化次数相同时，选择臂长最短者为最优方案。

进一步地，步骤S22的具体步骤如下：

对于不同的障碍物，确定能代表该障碍物外形结构的数据采集点，驾驶员操作吊臂使臂头到达障碍物数据采集点的位置，记录下此时吊臂的臂长、仰角和转角，并根据步骤一所述的换算关系将此障碍物的外形数据转化为XYZ坐标系中的坐标，填入到环境数据表中；填充扇格数据时，若下边界有值，则取两者的最大值，若上边界有值，则取两者最小值。

进一步地，所述的步骤S32中，计算吊臂最大变幅位置的过程为：

记吊装物体源位置的坐标为P_o(φ_o,d_o,h_o)，目标位置的坐标为P_d(φ_d,d_d,h_d)，最大变幅位置d_m；若d_o＞d_d，则d_m＝d_o，否则d_m＝d_d。

进一步地，所述的步骤S32中，确定吊装时吊臂的可选臂长范围的具体过程为：

根据环境数据表中最大变幅位置所在扇区的环境数据，确定吊臂在最大变幅位置下可活动的仰角范围，继而计算出吊臂的臂长范围；计算时仰角要留出至少1°的安全区间；

根据起重机的性能表，查询幅值不小于d_m的数据行，并查询额定吊装重量不小于吊装物体预估重量的所有臂长范围；用这个臂长范围和前述计算出的臂长范围的交集作为可选臂长范围。

进一步地，所述的步骤S33中，判断并确定合适的预选仰角和臂长的具体过程如下：

记吊臂在源变幅位置d_o下的仰角范围为[β_min,β_max]，从可选臂长中选取最小值作为预选臂长L_i，继而计算出在源变幅位置d_o下预选仰角cosβ_i＝d_o/L_i；

若β_i在[β_min,β_max]范围内，则L_i与β_i为预选仰角和臂长；若不在此范围内，则从可选臂长范围中重新选择新的预选臂长L_n并计算新的仰角β_n，若β_n在[β_min,β_max]范围内，则选L_n与β_n为预选臂长与仰角；若新值β_n仍不在上述范围内，则再次重新选取新的预选臂长并计算仰角，直到所选的预选臂长和计算出的仰角在[β_min,β_max]范围内；若可选臂长范围中所有臂长均不能满足要求，则无法生成合适的吊装方案。

进一步地，所述的步骤S34的具体过程如下：

设前一转角为φ_b，预选仰角为β_b，依据吊臂旋转方向与步进值φ_s，与其相邻的当前转角为φ_c，φ_c＝φ_b+φ_s，吊装过程中初始臂长L_i保持不变；

依据当前转角φ_c所在扇区的环境数据，验证前一转角φ_b的预选仰角β_b是否适用当前转角φ_c位置，验证时通过β_b计算出当前位置吊臂变幅值为d_c＝L_i*cosβ_b，由转角φ_c所在扇区环境数据决定的在d_c位置的仰角范围为[β_cmin,β_cmax]，若β_b在此范围内，则选用β_b作为该转角φ_c下的吊装仰角；

若β_b不在[β_cmin,β_cmax]范围内，则吊臂按步进0.5°进行上变幅动作，重新计算新的预选仰角是否在其对应的仰角范围内，若在则将新的预选仰角作为吊装仰角；否则再次步进0.5°进行上变幅动作并计算，直到找到合适的预选仰角或预选仰角大于等于85°；

若预选仰角大于等于85°，则吊臂在β_b基础上按步进0.5°进行下变幅动作，计算并判断新的预选仰角是否在其对应的仰角范围内，若在范围内，则查询起重机性能表并比较，如果额定吊装重量大于吊装物体预估重量，则将新的预选仰角作为吊装仰角；若不满足条件，再次进行0.5°下变幅并计算，直到找到合适的预选仰角或预选仰角小于等于5°；

若预选仰角小于等于5°，则重新选择臂长并计算吊装物体源位置预选仰角；如果可供选择的臂长均不满足要求，则按照原设定的吊臂旋转方向的反方向重新选择臂长，重新计算源位置的初始仰角和按反方向计算每个转角的吊装仰角；若仍找不到合适的臂长与仰角，则在此吊装环境下，不能生成吊装方案。

本发明还提供了一种用于实现上述方法的***，该***包括依次连接的建立起重机圆桶坐标系模块、扇格化存储吊装作业区环境数据模块、吊装方案实时优化模块和生成吊装方案模块。

进一步地，所述的建立起重机圆桶坐标系模块按照下述步骤实现其功能：

以起重机回转中心在地面的投影为原点O，以起重机车身中轴线作为X轴，X轴正向指向起重机车头，Y轴与X轴垂直，Y轴正向与X轴正向逆时针夹角90°，Z轴正向为远离地面方向，垂直于XOY平面，建立XYZ坐标系；则坐标系中的一点P由坐标(φ,d,h)表示，其中φ表示点P在XOY平面投影D所形成OD线与X正向轴的逆时针夹角，d表示投影D到坐标原点O的距离，h表示点P到投影D之间的高度；

记起重机吊臂臂头的空间位置为其中吊臂长度为r，仰角为β，以X轴正向为起始位置的转角为根据几何关系可得到臂头的空间位置和臂头在XYZ坐标系中的坐标之间的换算。

进一步地，所述的扇格化存储吊装作业区环境数据模块按下述步骤实现其功能：

步骤S20，将吊装作业区按间隔一定的转角划分为多个扇区，再将每个扇区依据到坐标原点O的距离划分为多个扇格，建立环境数据表，在表中每个扇区的每个扇格用于存放该位置的环境数据；每个扇格中用两组数据记录，分别表示在该扇格空间中吊臂可活动区域的上边界和下边界；

步骤S21，将吊装作业区中的障碍物按照其外形进行分类；

步骤S22，根据不同类型的障碍物，采集能代表其空间外形结构的数据信息，将这些数据信息填充到对应的扇格中。

进一步地，吊装方案实时优化模块按照下述步骤实现其功能：

步骤S30，采集吊装物体的源位置、目标位置的空间位置信息，并转化为XYZ坐标系中的坐标；

步骤S31，按照从源位置到目标位置吊臂转动量最小的方法确定吊臂的旋转方向；

步骤S32，计算吊臂的最大变幅位置，根据最大变幅位置扇区内的环境数据和该起重机的性能表，确定吊装时吊臂的可选臂长范围；

步骤S33，计算吊臂在源变幅位置下的仰角范围、从步骤S32确定的可选臂长范围中选择预选臂长并计算在源变幅位置下的预选仰角，继而判断并确定合适的预选仰角和臂长；

步骤S34，计算每个转角下的吊装预选仰角。

进一步地，生成吊装方案模块按照下述步骤实现其功能：

根据确定的吊臂旋转方向，以吊臂从吊装物体源位置到目标位置仰角变化次数最小者为最优方案；变化次数相同时，选择臂长最短者为最优方案。

本发明与现有技术相比，具有以下技术特点：

本发明对起重机在吊装作业过程中吊装方案的生成过程进行了深入研究，采用吊臂臂头自主探测学习的方法，建立了障碍物分类模型，准确采集作业区障碍物的外形与位置信息，以扇格数据表精确存贮作业区环境数据，使障碍物数据的采集过程更加简单有效，并且存储方式集成性更好；本发明能利用车载控制器内有限的处理资源，结合采集存储的吊装作业区环境数据，以不同的策略，在车载控制器内实时生成包括吊臂长度、旋转方向以及每个转角下仰角等参数的吊装方案，并对生成的吊装方案进行优化与仿真，从而为后续的实际吊装过程提供了有力的安全保证，有效地防止了吊装过程中吊装事故的发生；

经实际作业测试表明，本发明方法中，障碍物分类模型能够采集作业区物体的数量占总数量的96.8％，障碍物到起重机之间距离的相对误差平均值为3.27％，相对误差平均偏差为1.47％；测量的障碍物外形数据换算为体积后其相对误差为5.63％，其相对误差平均偏差为3.42％；通过对生成的吊装方案与作业区环境数据进行比对，并请吊装专家对生成的吊装方案进行评判打分，对评判得分进行统计，其平均值为83.6，本***依据作业区环境数据生成的吊装方案实时性强，适用性高，对吊装作业具有很好的参考价值。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程图；

图2为起重机XYZ坐标系的示意图；

图3(a)和图3(b)为垂直墙体数据采集与填充示意图；

图4(a)和图4(b)为最大变幅位置下的仰角范围计算示意图；

图5(a)、图5(b)和图5(c)为源位置预选臂长与仰角位置示意图；

图6(a)、图6(b)和图6(c)为转角下仰角的计算过程示意图；

图7为吊装方案实时优化***硬件拓扑图；

图8为本发明***的结构示意图；

图9为本发明方法开发的***作业区环境数据采集界面；

图10为本发明方法开发的***吊装方案生成与优化界面；

具体实施方式

起重机吊装作业前，如能进行吊装过程的路径优化和模拟，无疑会极大地提升后续吊装过程的安全性。传统的吊装规划软件受到起重机车载控制器的硬件限制，难以移植到车载控制器中，在实际过程中并不实用。为此，本发明根据实际作业环境中客观的数据和起重机车载控制器的实际硬件条件，建立环境数据表，通过自主学习的方法，对起重机作业区内的障碍物信息进行采集和存储，转化为后续计算过程中容易利用和读取的数据，在此基础上，给出最优的吊装方案规划，使起重机可安全有效地开展工作，并且该方法和***无需建立复杂的模型，数据处理过程简单，完全满足车载控制器的使用要求，具有良好的实际使用意义。

一、在臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法

一种臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法，如图1所示，包括以下步骤：

在起重机上安装摄像头、红外测距仪、超声波以及超宽带定位仪等设备，虽然能实时采集到吊装作业区内环境数据，但是一方面增加了起重机成本，另一方面除视频方式外均需要在作业区内物体上安装相应传感器，对于频繁变换吊装作业区的轮式起重机来说，每到一个作业区需要重新布设传感器，显得非常不适用。而对视频识别方式来说，车载控制器无法处理视频数据，需要另外安装专用处理器，并且识别精度目前还不高。因此，本文采用起重臂自主探测学习的方法，通过吊臂臂头接近障碍物，获取障碍物外形与位置信息。因此，在本发明中，采用起重臂自主探测学习的方法，通过臂头接近障碍物，获取障碍物外形与位置信息。

步骤一，建立起重机圆桶坐标系

针对起重机吊装作业区是一个圆桶的特点，如图2左图所示，其半径是吊臂最大长度，高度是吊臂最大长度再加车身高度。

以起重机回转中心在地面的投影为原点O，以起重机车身中轴线作为X轴，X轴正向指向起重机车头，Y轴与X轴垂直，Y轴正向与X轴正向逆时针夹角90°，Z轴正向为远离地面方向，垂直于XOY平面，建立XYZ坐标系；则坐标系中的一点P由坐标(φ,d,h)表示，其中φ表示点P在XOY平面投影D所形成OD线与X正向轴的逆时针夹角，d表示投影D到坐标原点O的距离，h表示点P到投影D之间的高度；而坐标系中的一点P可看做是处于圆桶坐标系中；

以点P为臂头的吊臂BP来说，记起重机吊臂臂头的空间位置为为其中吊臂长度为r，仰角为β，以X轴正向为起始位置的转角为其中B为臂架与上车铰链点，C为变幅缸与上车铰链点，A为变幅缸与臂架铰链点，臂末端B距回转中心O距离为m，车身高度为n，由于臂架俯仰铰链点B与上车回转中心O不在同一点，则由几何关系可得，空间位置臂头在XYZ坐标系中的坐标之间的换算关系为：

下文所述的转角是以X轴正方向为起始位置，吊臂在XOY平面内沿逆时针转动形成的角度。

步骤二，扇格化存储吊装作业区环境数据

步骤S20，为了精确记录吊装作业区障碍物数据，将吊装作业区按间隔一定的转角划分为多个扇区，再将每个扇区依据到坐标原点O的距离划分为多个扇格，每个扇格记录其内部的环境数据，划分得越细，环境数据记录的精度越高；建立如表1所示的环境数据表，记录每个扇格环境数据。

表1以扇格记录吊装作业区环境数据表

在一个较佳的划分实例中：

为平衡上车显示控制器内数据存贮容量与作业区环境数据的记录精度，将作业区按转回转角度每隔0.5°分成720个扇区，每个扇区按每隔0.2m总长为100m分成500个扇格，整个作业区分成720*500＝360000扇格；在表中每个扇区的每个扇格用于存放该位置的环境数据；每个扇格中用两组数据记录，分别表示在该扇格空间中吊臂可活动区域的上边界和下边界，精度为0.1m，每组数据整型化后用两个字节存贮，该表需要存贮空间约为1.4MB字节。

环境数据表依次按扇区号、扇格号存贮，对每个扇格数据的存取可按扇格号直接进行。如表1中第二行第一列至第二列的数据可解释为：在转角0.5°～1.0°的扇区内，离回转中心0.4m范围内，地面无障碍物，顶部有离地面70m高的悬挂障碍物，如天花板、水平墙体等，吊臂起升幅度不能超过70m；在0.4～0.8m范围内，地面有10.8m障碍物，顶部有距地面70m的悬挂障碍物，即吊臂在该区间内的活动幅度为10.8-70米之间；离回转中心99.6米处，吊臂不可到达。(本文假定吊臂最大长度为100米)。

步骤S21，将吊装作业区中的障碍物按照其外形进行分类，建立障碍物分类模型：

起重机吊装作业环境复杂，可能遇到各种各样的障碍物，如电线、树木、建筑物等。为采集环境数据时操作简易，依照障碍物外形大小，分为墙体对象和普通对象。

墙体对象是指在起重机作业区内，外形比较大、结构简单的障碍物，如大型建筑物的墙体等，若外形超过吊臂作业范围的墙体均可看作无限墙体，构成吊装作业区基本环境。依墙体形状与位置，将墙体对象分为水平墙体、垂直墙体、外倾斜墙体和内倾斜墙体四种。

普通对象是指在起重机吊臂最大作业范围内，相互独立、外形较小且相对简单的障碍物，如电线、树木、杆状物、柱状物、低矮物体等。将普通对象分为高空悬挂物体、柱状物体、方形物体和带斜面物体。

外形复杂的障碍物可由若干个简单的物体构成。

步骤S22，根据不同类型的障碍物，采集能代表其空间外形结构的数据信息，将这些数据信息填充到对应的扇格中；

当需要采集吊装作业区障碍物外形与位置数据时，首先依据所采集的障碍物外形与大小，选择合适的障碍物分类模型，再依据该模型所规定的数据采集点的个数与位置，例如水平墙体需要采集一个数据点，垂直墙体需要采集两个不同数据点，柱状物体需要采集左边界、右边界和高边界三个点等，操作起重机吊臂，使吊臂臂头接近障碍物的相应位置点后，按下“采集”按钮，此时位置点的当前吊臂臂头的转角、臂长、仰角三个参数会被***自动记录。当障碍物所需数据点采集完成后，根据步骤一所述的换算关系将此障碍物的外形数据转化为XYZ坐标系中的坐标，填入到环境数据表中。

填充扇格数据时，若下边界有值，则取两者的最大值，若上边界有值，则取两者最小值。若转角度数为两量化角度之间，如73.8°，为最大限度保证安全，则向73.5°与74°两个扇区中均填充值，同理，若得的位置数值为两个扇格之间，如25.9m，则向25.8m和26m两个扇格均填充值。

下面以垂直墙体障碍物为例说明。

对于垂直墙体，如图驾驶员操作吊臂使臂头沿着墙面采集两个点依据坐标系变换公式(1)，可得到两个采集点的桶形坐标系值P_j(φ_j,d_j,h_j)，如图3(a)所示，其两点在XOY平面垂直投影为Q₁(φ₁,d₁,0)和Q₂(φ₂,d₂,0)；通过Q₁与Q₂的直线L的极坐标系方程式(2)，与最大作业半径圆的交点分别为Q₃(φ₃,100,0)与Q₄(φ₄,100,0)，计算ρ值：

$\mathrm{\ρ}=\frac{d_1\sin {\mathrm{\φ}}_1(d_2\cos {\mathrm{\φ}}_2-d_1\sin {\mathrm{\φ}}_1)-d_1\cos {\mathrm{\φ}}_1(d_2\sin {\mathrm{\φ}}_2-d_1\sin {\mathrm{\φ}}_1)}{\sin \mathrm{\φ}(d_2\cos {\mathrm{\φ}}_2-d_1\sin {\mathrm{\φ}}_1)-\cos \mathrm{\φ}(d_2\sin {\mathrm{\φ}}_2-d_1\sin {\mathrm{\φ}}_1)}---\left(2\right)$

填充数据表时，以φ₁为基点，以0.5°为步进减值，如图3(b)所示，代入式(2)的φ中，即φ＝φ₁-0.5°，可计算出当前φ下的ρ值，若ρ≤100，说明φ₃≤φ≤φ₁，将该φ值的扇面从该ρ值到100的扇格下边界值均填充为100，表示在该区域吊臂不可到达，再φ＝φ-0.5°，计算ρ值，填充数据表，直到ρ＞100；再以φ₁为基点，以0.5°为步进增值，即φ₁≤φ≤φ₄，按上述方法再次计算填充数值。

步骤三，吊装方案实时优化

采用吊臂臂头采集吊装物体的源位置与目标位置信息，依据采集的环境数据并结合起重机吊装性能表，在车载控制器内实时生成吊装方案，并对生成的吊装方案进行优化与仿真。

步骤S30，采集吊装物体的源位置、目标位置的空间位置信息，并转化为XYZ坐标系中的坐标；

操作员操作吊臂使臂头伸到吊装物体源位置的正上方，当臂头位置点合适后，进行数据采集，采集的数据为通过公式(1)变换后，可得到桶形坐标系下的值P_o(φ_o,d_o,h_o)。同理，可采集到在桶形坐标系下吊装物体目标位置的值P_d(φ_d,d_d,h_d),并预估出吊装物体的重量W_L和高度H_L；与此同时，将所用轮式起重机吊装性能表存贮到车载控制器中，该表给出了该型起重机在吊臂不同变幅值与臂长下的相应最大额定起吊重量。

步骤S31，将吊臂按照从源位置到目标位置的转角最小的方法确定吊臂的旋转方向；

(1)初始化吊装方案表

吊装方案表由一个大小为360，记录吊臂旋转角度与其相对应的吊臂仰角的二维数组组成，开始时该二维数组被初始化为0；后续计算出的旋转角度和吊臂仰角，填充到该吊装方案表中，作为规划的吊装方案。

(2)判断吊装时吊臂旋转方向

以吊装过程中吊臂旋转角度数最小为原则，确定吊臂从吊装物体源位置(转角φ_o)到目标位置(转角φ_d)的旋转方向，若φ_d≥φ_o并φ_d-φ_o≤180°，为顺时针旋转，旋转角度数φ_n＝φ_d-φ_o+1；若φ_d≥φ_o并φ_d-φ_o＞180°，为逆时针旋转，旋转角度数φ_n＝360°-(φ_d-φ_o)+1；若φ_d＜φ_o并φ_d-φ_o≤180°，为逆时针旋转，旋转角度数φ_n＝φ_d-φ_o+1；否则为顺时针旋转，旋转角度数φ_n＝360°-(φ_d-φ_o)+1。若为顺时针旋转，置旋转步进φ_s＝0.5°，否则φ_s＝-0.5°。

步骤S32，计算吊臂的最大变幅位置，根据最大变幅位置扇区内的环境数据和该起重机的性能表，确定吊装时吊臂的可选臂长范围，具体过程如下：

第一步，依据吊装物体源位置与目标位置变幅值，得到最大变幅位置d_m：若d_o＞d_d，则d_m＝d_o，否则d_m＝d_d。

第二步，依据环境数据表中最大变幅位置所在扇区的环境数据，确定吊臂在该扇区内最大的可伸臂长；例如，在该扇区内，设地面有O₁,O₂和O₃三个障碍物，顶部有O₄障碍物，如图4(a)所示，则吊臂在幅值d_m的位置下臂长可活动的仰角范围为[β_min,β_max]，则由仰角范围可计算出臂长范围[L_min,L_max]；若在d_m位置处有障碍物，计算时还要充分考虑吊装物体的高度H_L、吊钩高度H_h以及索具高度H_s，如图4(b)所示，同时仰角要留出1度的安全区间，即L_min＝d_m/cos(β_min+1)和L_max＝d_m/cos(β_max-1)。

第三步，依据起重机性能表查询吊装时臂长范围。依据最大变幅值d_m，先查询起重机性能表，找到幅值大于或等于d_m的数据行，再查询额定吊装重量大于或等于吊装物体预估重量W_L的所有臂长范围[L′_min,L′_max]。

最后，依据上述计算的[L_min,L_max]和[L′_min,L′_max],计算它们的交集，则为可选臂长范围；对插销式起重机吊臂来说，其臂长变化不是连续的。若交集为空，说明没有可选臂长，不能生成吊装方案。

步骤S33，计算吊臂在源变幅位置下的仰角范围、从步骤S32确定的可选臂长范围中选择预选臂长并计算在源变幅位置下的预选仰角，继而判断并确定合适的预选仰角和臂长，具体过程如下：

第一步，依据吊装物体源位置φ_o对应的扇区环境数据，计算吊臂在变幅位置d_o下的仰角范围[β_min,β_max]，如图5(a)所示；

第二步，选择预选臂长：在整个吊装期间，臂长通常保持不变，在可选臂长范围内依次选择最小值作为备选臂长L_i；

第三步，依据预选臂长L_i，计算出在源变幅位置d_o下的预选仰角β_i，cosβ_i＝d_o/L_i；

第四步，判断预选仰角是否满足要求：若β_i在[β_min,β_max]范围内，如图5(a)所示，则选L_i与β_i为预选吊装仰角与臂长；若不在此范围内，如图5(b)所示，退回第二步从可选臂长范围中重新选择新臂长L_n并计算新仰角β_n；若β_n在[β_min,β_max]范围内，则选L_n与β_n为预选臂长与仰角。若新值β_n仍不在上述范围内，如图5(c)所示，再次重新选取新臂长L′_n和计算新β′_n，按照与前面相同的方法计算，直到它们在[β_min,β_max]范围内或可选臂长范围中无新臂长可选；若无新臂长可选，则说明无法生成适合的吊装方案。

步骤S34，计算每个转角下的吊装预选仰角；

设前一转角为φ_b，预选仰角为β_b，依据吊臂旋转方向与步进值φ_s，与其相邻的当前转角为φ_c，φ_c＝φ_b+φ_s，吊装过程中初始臂长L_i保持不变；

依据当前转角φ_c所在扇区环境数据，先验证前一转角φ_b的预选仰角β_b是否适用当前转角φ_c位置，验证时先选用β_b，则计算出当前位置吊臂变幅值d_c＝L_i*cosβ_b，由转角φ_c所在扇区环境数据决定的在d_c位置的仰角范围为[β_cmin,β_cmax]，若β_b在此范围内，如图6(a)所示，则选用β_b作为该转角φ_c下的吊装仰角，即β_c＝β_b；

若β_b不在[β_cmin,β_cmax]范围内，则吊臂按步进0.5°进行上变幅动作，重新计算新的预选仰角是否在其对应的仰角范围内，即β_n＝β_b+0.5°，由L_i与β_n计算新变幅值d_n，计算转角φ_c所对应环境数据在d_n位置下仰角范围[β_nmin,β_nmax]，若β_n在此范围内，选β_n为转角φ_c下的吊装仰角，即β_c＝β_n，如图6(b)所示。若仍不在此范围内，再次步进0.5°进行上变幅动作并计算，重复上述计算，直到找到合适的预选仰角β_n或β_n≥85°，85°为吊臂的最大上变幅角度；

若β_n≥85°，说明通过上变幅不能选择到适合的仰角，则吊臂在β_b基础上按步进0.5°进行下变幅动作，即β_n＝β_b-0.5°，如图6(c)所示，同理由L_i与β_n计算新d_n与仰角范围[β_nmin,β_nmax]，若β_n在此范围内并由L_i和d_n查询起重机性能表得到的额定吊装重量大于吊装物体预估重量W_L，则β_n作为该转角下的吊装仰角；若不满足上述条件，再次进行下变幅动作，β_n＝β_n-0.5°，重复上述计算，直到选到合适的β_n或者β_n≤5°，5°为吊臂下变幅的最小角度。

若β_n≤5°，则说明在该臂长L_i下通过上下变幅均找不到适合转角φ_c下的吊装仰角，需要选择新的臂长，则重新选择臂长并计算吊装物体源位置预选仰角；若可供选择的臂长均不满足要求时，则需要按原设定的吊臂旋转方向的反方向，重新选择臂长，重新计算源位置的初始仰角和按反方向计算每个转角的吊装仰角。若仍找不到合适的臂长与仰角，则说明在此吊装环境下，不能生成吊装方案。

若在臂长L_i下，能够找到从吊装物体源位置到目标位置每个转角φ_c下合适的吊装仰角β_c，说明在L_i下可以生成一个吊装方案，将转角和吊装仰角存储在前述的吊装方案表中，供模拟和指导吊臂运动使用。

步骤四，生成吊装方案

根据吊装方案表，若在确定旋转方向下，有多个臂长值均能生成吊装方案，则统计每个吊装方案从源位置到目标位置仰角变化的次数，即吊臂上下变幅的次数，变化次数最小者为最优方案，若变化次数相同者，则臂长最短者为最优方案，最优方案选定后，依据该方案臂长值，选取该臂长所推荐的臂长组合、倍率、吊钩类型以及吊钩重量等参数。

二、用于实现在臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法的***

本发明还提供一种用于实现前述吊装方案实时生成方法的***，如图8所示，该***包括依次连接的建立起重机圆桶坐标系模块、扇格化存储吊装作业区环境数据模块、吊装方案实时优化模块和生成吊装方案模块，可移植在臂架式起重机的车载控制器中或其他控制器中使用。

上述的模块分别按照以下步骤实现其功能：

建立起重机圆桶坐标系模块：

以起重机回转中心在地面的投影为原点O，以起重机车身中轴线作为X轴，X轴正向指向起重机车头，Y轴与X轴垂直，Y轴正向与X轴正向逆时针夹角90°，Z轴正向为远离地面方向，垂直于XOY平面，建立XYZ坐标系；则坐标系中的一点P由坐标(φ,d,h)表示，其中φ表示点P在XOY平面投影D所形成OD线与X正向轴的逆时针夹角，d表示投影D到坐标原点O的距离，h表示点P到投影D之间的高度；

记起重机吊臂臂头的空间位置为其中吊臂长度为r，仰角为β，以X轴正向为起始位置的转角为根据几何关系可得到臂头的空间位置和臂头在XYZ坐标系中的坐标之间的换算。

扇格化存储吊装作业区环境数据模块：

步骤S20，将吊装作业区按间隔一定的转角划分为多个扇区，再将每个扇区依据到坐标原点O的距离划分为多个扇格，建立环境数据表，在表中每个扇区的每个扇格用于存放该位置的环境数据；每个扇格中用两组数据记录，分别表示在该扇格空间中吊臂可活动区域的上边界和下边界；

步骤S21，将吊装作业区中的障碍物按照其外形进行分类；

步骤S22，根据不同类型的障碍物，采集能代表其空间外形结构的数据信息，将这些数据信息填充到对应的扇格中。

吊装方案实时优化模块：

步骤S30，采集吊装物体的源位置、目标位置的空间位置信息，并转化为XYZ坐标系中的坐标；

步骤S31，依据从源位置到目标位置吊臂转动量最小的方法确定吊臂的旋转方向；

步骤S32，计算吊臂的最大变幅位置，根据最大变幅位置扇区内的环境数据和该起重机的性能表，确定吊装时吊臂的可选臂长范围；

步骤S33，计算吊臂在源变幅位置下的仰角范围、从步骤S32确定的可选臂长范围中选择预选臂长并计算在源变幅位置下的预选仰角，继而判断并确定合适的预选仰角和臂长；

步骤S34，计算每个转角下的吊装预选仰角。

生成吊装方案模块：

根据确定的吊臂旋转方向，以吊臂从吊装物体源位置到目标位置仰角变化次数最小者为最优方案；变化次数相同时，选择臂长最短者为最优方案。

本方案的***可以在现有的轮式起重机设备上运行，不需要增添其他硬件设备，其硬件拓扑图如图7所示：

上车吊装控制器承担着整个吊装过程控制，任务繁重，内部资源有限，因此吊装方案实时优化***由上车显示控制器来运行，上车吊装控制器通过向左右回转泵控制阀等液压执行部件发送控制脉冲，完成吊装作业控制动作。力矩限制器实时读取回转中心角度传感器、伸缩臂长度传感器和伸缩臂角度传感器等值送CAN总线。上车显示控制器从CAN总线上读取这些值，即可确定当前吊臂准确位置，并执行作业区环境数据采集任务。随车电脑通过CAN总线读取上车显示控制器中吊装作业环境数据，可进行非实时性吊装规划与作业模拟。

三、在线仿真、***实现和验证

为了验证本方法和***所生成吊装方案的合理性，在车载显示控制器上，由侧视图和俯视图合起来显示吊装作业区的立体环境，观察吊臂以及吊装物体在该吊装环境中从源位置到目标位置之间的模拟运动过程，判断所生成吊装方案的合理性。

吊装方案实时优化***在某型号的全地面起重机上进行了测试，其车载显示控制器采用奥地利TTControl公司生产的eVision210.4T显示控制器。开发的作业区环境数据采集界面如图9所示，其最上一栏实时显示吊臂当前位置臂长、仰角与转角参数，左上方显示作业区障碍物分类模型，当用户选中某分类模型后，***会自动在图右方显示该模型的数据采集界面，当前图显示的是柱状着地物体的采集界面，在图的左下方用作业区环境俯视图显示当前已经采集到的障碍物位置与外形图，通过“采集修删”功能可对已采集到的障碍物信息进行修改与删除。

开发的吊装方案优化与仿真界面如图10所示，在图下方显示着已优化生成的吊装方案，包括吊臂的旋转方向、吊臂臂长以及每个转角下吊臂仰角等参数，在图的左上方显示的是作业区环境侧视图，在图的右上方显示的是作业区环境俯视图，通过这两个二维图来立体显示吊臂在作业区内的运动情况，并对吊装方案进行模拟仿真。

为了验证吊装方案实时优化***的功能，选取6辆装有该***的起重机和6名操作员，在每辆车上安装数据记录仪，测试场地分别选择企业调试场与某一建筑工地，各场地各选三个具有不同环境的吊装作业区。在测试过程中，首先各台起重机轮流依次驶入所选吊装作业区，通过人工方式测量各作业区物体的外形以及与起重机之间的相对位置数据。其次，启动***数据采集模块采集吊装作业区环境数据，进行吊装方案的生成、优化与仿真，用数据记录仪进行记录。每名操作员分别操作每一辆起重机在每一个测试场地的每一个吊装作业区进行一次完整测试，总计有6*6*2*3＝216组测试数据。

对每一组测试数据中记录仪记录的数据与人工测量的数据进行对比发现，障碍物分类模型能够采集作业区物体的数量占总数量的96.8％，障碍物到起重机之间距离的相对误差平均值为3.27％，相对误差平均偏差为1.47％。测量的障碍物外形数据换算为体积后其相对误差为5.63％，其相对误差平均偏差为3.42％。同时也可以看出，操作员操作本***的熟练程度影响到障碍物的采集精度。通过对生成的吊装方案与作业区环境数据进行比对，并请吊装专家对生成的吊装方案进行评判打分。对评判得分进行统计，其平均值为83.6，专家给出的意见是吊装方案优化***依据作业区环境数据生成的吊装方案实时性强，适用性高，对吊装作业具有很好的参考价值。

四、结论

(1)采用起重机吊臂臂头自主探测学习的方法，能准确采集作业区障碍物外形与位置信息，不增加起重机成本。

(2)采用扇格方式准确记录作业区环境数据，并用侧视图与俯视图在车载显示控制器上立体显示作业区环境数据。

(3)依据采集的环境数据并结合起重机吊装性能表，在车载控制器内实时生成吊装方案，并对生成的吊装方案进行优化与仿真。

Claims (10)

1.一种臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立起重机圆桶坐标系

以起重机回转中心在地面的投影为原点O，以起重机车身中轴线作为X轴，X轴正向指向起重机车头，Y轴与X轴垂直，Y轴正向与X轴正向逆时针夹角90°，Z轴正向为远离地面方向，垂直于XOY平面，建立XYZ坐标系；则坐标系中的一点P由坐标(φ,d,h)表示，其中φ表示点P在XOY平面投影D所形成OD线与X正向轴的逆时针夹角，d表示投影D到坐标原点O的距离，h表示点P到投影D之间的高度；

记起重机吊臂臂头的空间位置为其中吊臂长度为r，仰角为β，以X轴正向为起始位置的转角为根据几何关系可得到臂头的空间位置和臂头在XYZ坐标系中的坐标之间的换算关系；

步骤二，扇格化存储吊装作业区环境数据

步骤S20，将吊装作业区按间隔一定的转角划分为多个扇区，再将每个扇区依据到坐标原点O的距离划分为多个扇格，建立环境数据表，在表中每个扇区的每个扇格用于存放该位置的环境数据；每个扇格中用两组数据记录，分别表示在该扇格空间中吊臂可活动区域的上边界和下边界；

步骤S21，将吊装作业区中的障碍物按照其外形进行分类；

步骤S22，根据不同类型的障碍物，采集能代表其空间外形结构的数据信息，将这些数据信息填充到对应的扇格中；

步骤三，吊装方案实时优化

步骤S30，采集吊装物体的源位置、目标位置的空间位置信息，并转化为XYZ坐标系中的坐标；

步骤S31，按照从源位置到目标位置吊臂转动量最小的方法确定吊臂的旋转方向；

步骤S32，计算吊臂的最大变幅位置，根据最大变幅位置扇区内的环境数据和该起重机的性能表，确定吊装时吊臂的可选臂长范围；

步骤S33，计算吊臂在源变幅位置下的仰角范围、从步骤S32确定的可选臂长范围中选择预选臂长并计算在源变幅位置下的预选仰角，继而判断并确定合适的预选仰角和臂长；

步骤S34，计算每个转角下的吊装预选仰角；

步骤四，生成吊装方案

根据确定的吊臂旋转方向，以吊臂从吊装物体源位置到目标位置仰角变化次数最小者为最优方案；变化次数相同时，选择臂长最短者为最优方案。

2.如权利要求1所述的臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法，其特征在于，步骤S22的具体步骤如下：

对于不同的障碍物，确定能代表该障碍物外形结构的数据采集点，驾驶员操作吊臂使臂头到达障碍物数据采集点的位置，记录下此时吊臂的臂长、仰角和转角，并根据步骤一所述的换算关系将此障碍物的外形数据转化为XYZ坐标系中的坐标，填入到环境数据表中；填充扇格数据时，若下边界有值，则取两者的最大值，若上边界有值，则取两者最小值。

3.如权利要求1所述的臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法，其特征在于，所述的步骤S32中，计算吊臂最大变幅位置的过程为：

记吊装物体源位置的坐标为P_o(φ_o,d_o,h_o)，目标位置的坐标为P_d(φ_d,d_d,h_d)，最大变幅位置d_m；若d_o＞d_d，则d_m＝d_o，否则d_m＝d_d。

4.如权利要求3所述的臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法，其特征在于，所述的步骤S32中，确定吊装时吊臂的可选臂长范围的具体过程为：

根据环境数据表中最大变幅位置所在扇区的环境数据，确定吊臂在最大变幅位置下可活动的仰角范围，继而计算出吊臂的臂长范围；计算时仰角要留出至少1°的安全区间；

根据起重机的性能表，查询幅值不小于d_m的数据行，并查询额定吊装重量不小于吊装物体预估重量的所有臂长范围；用这个臂长范围和前述计算出的臂长范围的交集作为可选臂长范围。

5.如权利要求1所述的臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法，其特征在于，所述的步骤S33中，判断并确定合适的预选仰角和臂长的具体过程如下：

记吊臂在源变幅位置d_o下的仰角范围为[β_min,β_max]，从可选臂长中选取最小值作为预选臂长L_i，继而计算出在源变幅位置d_o下预选仰角cosβ_i＝d_o/L_i；

若β_i在[β_min,β_max]范围内，则L_i与β_i为预选仰角和臂长；若不在此范围内，则从可选臂长范围中重新选择新的预选臂长L_n并计算新的仰角β_n，若β_n在[β_min,β_max]范围内，则选L_n与β_n为预选臂长与仰角；若新值β_n仍不在上述范围内，则再次重新选取新的预选臂长并计算仰角，直到所选的预选臂长和计算出的仰角在[β_min,β_max]范围内；若可选臂长范围中所有臂长均不能满足要求，则无法生成合适的吊装方案。

6.如权利要求1所述的臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法，其特征在于，所述的步骤S34的具体过程如下：

设前一转角为φ_b，预选仰角为β_b，依据吊臂旋转方向与步进值φ_s，与其相邻的当前转角为φ_c，φ_c＝φ_b+φ_s，吊装过程中初始臂长L_i保持不变；

依据当前转角φ_c所在扇区的环境数据，验证前一转角φ_b的预选仰角β_b是否适用当前转角φ_c位置，验证时通过β_b计算出当前位置吊臂变幅值为d_c＝L_i*cosβ_b，由转角φ_c所在扇区环境数据决定的在d_c位置的仰角范围为[β_cmin,β_cmax]，若β_b在此范围内，则选用β_b作为该转角φ_c下的吊装仰角；

若β_b不在[β_cmin,β_cmax]范围内，则吊臂按步进0.5°进行上变幅动作，重新计算新的预选仰角是否在其对应的仰角范围内，若在则将新的预选仰角作为吊装仰角；否则再次步进0.5°进行上变幅动作并计算，直到找到合适的预选仰角或预选仰角大于等于85°；

若预选仰角大于等于85°，则吊臂在β_b基础上按步进0.5°进行下变幅动作，计算并判断新的预选仰角是否在其对应的仰角范围内，若在范围内，则查询起重机性能表并比较，如果额定吊装重量大于吊装物体预估重量，则将新的预选仰角作为吊装仰角；若不满足条件，再次进行0.5°下变幅并计算，直到找到合适的预选仰角或预选仰角小于等于5°；

若预选仰角小于等于5°，则重新选择臂长并计算吊装物体源位置预选仰角；如果可供选择的臂长均不满足要求，则按照原设定的吊臂旋转方向的反方向重新选择臂长，重新计算源位置的初始仰角和按反方向计算每个转角的吊装仰角；若仍找不到合适的臂长与仰角，则在此吊装环境下，不能生成吊装方案。

7.一种用于实现权利要求1所述方法的***，其特征在于，该***包括依次连接的建立起重机圆桶坐标系模块、扇格化存储吊装作业区环境数据模块、吊装方案实时优化模块和生成吊装方案模块。

8.如权利要求7所述的***，其特征在于，所述的建立起重机圆桶坐标系模块按照下述步骤实现其功能：

以起重机回转中心在地面的投影为原点O，以起重机车身中轴线作为X轴，X轴正向指向起重机车头，Y轴与X轴垂直，Y轴正向与X轴正向逆时针夹角90°，Z轴正向为远离地面方向，垂直于XOY平面，建立XYZ坐标系；则坐标系中的一点P由坐标(φ,d,h)表示，其中φ表示点P在XOY平面投影D所形成OD线与X正向轴的逆时针夹角，d表示投影D到坐标原点O的距离，h表示点P到投影D之间的高度；

记起重机吊臂臂头的空间位置为其中吊臂长度为r，仰角为β，以X轴正向为起始位置的转角为根据几何关系可得到臂头的空间位置和臂头在XYZ坐标系中的坐标之间的换算。

9.如权利要求7所述的***，其特征在于，所述的扇格化存储吊装作业区环境数据模块按下述步骤实现其功能：

步骤S20，将吊装作业区按间隔一定的转角划分为多个扇区，再将每个扇区依据到坐标原点O的距离划分为多个扇格，建立环境数据表，在表中每个扇区的每个扇格用于存放该位置的环境数据；每个扇格中用两组数据记录，分别表示在该扇格空间中吊臂可活动区域的上边界和下边界；

步骤S21，将吊装作业区中的障碍物按照其外形进行分类；

步骤S22，根据不同类型的障碍物，采集能代表其空间外形结构的数据信息，将这些数据信息填充到对应的扇格中。

10.如权利要求7所述的***，其特征在于，吊装方案实时优化模块按照下述步骤实现其功能：

步骤S30，采集吊装物体的源位置、目标位置的空间位置信息，并转化为XYZ坐标系中的坐标；

步骤S31，将吊臂按照从源位置到目标位置的转角最小的方法确定吊臂的旋转方向；

步骤S32，计算吊臂的最大变幅位置，根据最大变幅位置扇区内的环境数据和该起重机的性能表，确定吊装时吊臂的可选臂长范围；

步骤S33，计算吊臂在源变幅位置下的仰角范围、从步骤S32确定的可选臂长范围中选择预选臂长并计算在源变幅位置下的预选仰角，继而判断并确定合适的预选仰角和臂长；

生成吊装方案模块按照下述步骤实现其功能：

根据确定的吊臂旋转方向，以吊臂从吊装物体源位置到目标位置仰角变化次数最小者为最优方案；变化次数相同时，选择臂长最短者为最优方案。