CN104627842B - 一种臂架式起重机吊装作业防碰撞方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种臂架式起重机吊装作业防碰撞方法及***，该***建立障碍物分类模型，采用吊臂臂头自主探测学习方法，准确采集作业区障碍物的外形与位置信息。建立起重机圆柱坐标系，作业区按回转角度分成不同扇区，扇区按距回转中心距离分成不同扇格，以扇格精确存贮作业区环境数据，利用扇格数据生成吊装安全作业三维边界墙。以吊臂最近的20个时刻位置信息，用加权线性回归模型预测下一时刻吊臂的动作与位置参数。针对吊臂的预测动作及与边界墙的不同距离，采取不干预、限速、微动与禁止等吊臂控制策略。实际作业环境下的功能测试表明，该***能有效地防止吊臂与作业区障碍物发生碰撞。

Description

一种臂架式起重机吊装作业防碰撞方法及***

技术领域

本发明涉及一种防碰撞***，具体涉及一种臂架式起重机吊装作业防碰撞方法及***。

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过程的工业事故却频发。据公开资料统计，我国因起重机事故造成的死亡人数2005年231人，2006年314人，2007年347人，在所有机械事故死亡人数中居首位。据美国劳工安全与健康委员会统计，从1992年到2001年期间，在美国涉及起重机造成人员死亡事故就有137起。对这些事故原因调查发现，操作不当占事故原因48％，其中观察不周导致的碰撞和起吊过载是主因。

在吊装作业过程中，由于起重机操作员对吊装环境不熟悉，在吊装作业过程中，注意力通常集中在吊重上，而忽视了臂架位置，以致吊臂与障碍物(墙体、柱体、高压线等)发生碰撞，导致高压触电、吊物坠落、翻车等恶性事故频发。

为减少因操作不当造成的起重机事故，人们从技术层面做了不懈努力：

针对于起吊过载的情况，在起重机上安装了力矩限制器，当起吊重量超过额定负荷时，起重机告警并采取相应保护措施；

为防止在吊装过程中起重机与作业区的物体发生碰撞，人们从吊装前的路径规划和吊装过程中的实时控制两个方面进行了研究。

路径规划就是把起重机看作是一个多自由度的机器手，在其可配置空间内采用一定的算法寻找优化防碰撞路径，但采用的防碰撞搜索算法通常比较复杂，无法在资源有限的车载控制器内实现。

在吊装过程中，通过在起重机与作业区内障碍物上安装各式传感器，如全球定位***、雷达、超宽带传感器、视频采集卡、无线远程射频卡、红外检测仪或三维激光扫描仪等，检测起重机作业区内的人和物体以建立位置***来实时地避免潜在的碰撞，这种技术多应用于长时间在相对固定位置作业的塔式、桥式和履带式起重机；对于移动式的臂架式起重机来说，因其机动性强，多用于频繁变更作业环境的吊装作业，因此该技术对其并不适用。

发明内容

针对上述现有背景技术中提出的问题，本发明的目的在于，提供一种起重机吊装作业防碰撞***，使起重机吊装作业过程更加安全有效。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种臂架式起重机吊装作业防碰撞方法，包括以下步骤：

步骤一，建立起重机圆柱坐标系

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回转角度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回转角度划分为多个扇区，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，确定吊装作业范围

步骤S30，在吊臂的仰角和回转角度一定时，根据环境数据表中在该回转角度下的扇格区域中吊臂可活动区域的上边界和下边界，计算出回转角度一定时，不同仰角下吊臂在边界内可达到的最大臂长，继而计算出在不同回转角度和仰角下吊臂的最大可伸长臂长，得到回转角度、仰角与最大可伸长臂长的三维数据表；

步骤S31，在吊臂的臂长和仰角一定时，依次令吊臂向左、右回转，根据三维数据表得到吊臂在臂长和仰角一定时的左右回转范围；

步骤S32，在吊臂的臂长与回转角度一定时，根据三维数据表得到吊臂在臂长与回转角度一定时可上变幅、下变幅的范围。

进一步地，所述的臂架式起重机吊装作业防碰撞方法还包括步骤四：

步骤四，设置吊装作业实时防碰撞策略

步骤S40，将吊臂动作分为伸臂、缩臂、上变幅、下变幅、左回转、右回转与静止七种状态，循环记录吊臂最近一段时刻内的位置信息，采用加权线性回归模型预测吊臂动作；

步骤S41，根据步骤S40预测的吊臂下一时刻的动作，设置对应的控制策略以控制吊臂安全运作。

进一步地，步骤一中所述的换算关系为：

上式中，m为吊臂末端与原点O之间的距离，n为起重机车身高度。

进一步地，步骤S20中，将吊装作业区按照回转角度每隔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。

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、仰角和回转角度，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，步骤S30的具体步骤如下：

记吊臂当前位置的仰角为β₀，回转角度为φ₀，吊臂与转台的铰接点到Z轴的距离为m，车身高度为n；设在环境数据表中存储在转角φ₀下不同距离为d_i的扇格上限值为U_i，i为扇格数；下限值为B_i，初始令i＝0，此时吊臂长度为 当B_i≤tanβ₀·(m+d_i)+n≤U_i时，说明臂头在此位置可以活动，则令i＝i+1，判断下一个位置，直到B_i≤tanβ₀·(m+d_i)+n≤U_i不成立或 运算结束；条件不成立的前一个的值即为在(β₀,φ₀)下的吊臂最大可伸长臂长；然后建立回转角度、仰角与最大可伸长臂长的三维数据表。

进一步地，步骤S31的具体步骤为：设吊臂当前状态下的回转角度为φ₁、仰角为β₁、臂长为r₁，令吊臂左/右回转，则下一个回转角度为θ＝φ₁±ω，ω为回转步进角，查询步骤S30中所述的三维数据表，得到在转角为θ、仰角为β₁下的最大可伸长臂长为若则当前仰角为β₁、臂长为r₁的吊臂可从转角φ₁左/右回转到转角θ下；再令θ＝θ+ω，按照前述步骤相同的方法，直到或θ-φ₁≥360，则此时的θ～φ₁就是吊臂在回转角度为φ₁、仰角为β₁、臂长为r₁下的左/右回转范围。

进一步地，步骤S32的具体步骤为：设吊臂当前状态下的回转角度为φ₂、仰角为β₂、臂长为r₂，若此时吊臂上/下变幅，设下一个仰角α＝β₂±δ，δ为变幅步进值，查询步骤S30中所述的三维数据表，得到在回转角度为φ₂、仰角α下最大可伸长臂长为若则当前回转角度为φ₂、臂长为r₂的吊臂可从仰角β₂上/下变幅到仰角α下；再令α＝α＋δ，重复上述步骤直到或α≥85，此时的α～β₂就是吊臂在回转角度为φ₂、仰角为β₂、臂长为r₂下可上/下变幅的范围。

本发明还提出一种用于实现臂架式起重机吊装作业防碰撞方法的***，该***包括依次连接的建立起重机圆柱坐标系模块、扇格化存储吊装作业区环境数据模块和确定吊装作业范围模块。

进一步地，所述的建立起重机圆柱坐标系模块按照下述步骤实现功能：

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为其中吊臂长度为r，仰角为β，以X轴正向为起始位置的回转角度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。

进一步地，所述的扇格化存储吊装作业区环境数据模块按照下述步骤实现功能：

步骤S20，将吊装作业区按间隔一定的回转角度划分为多个扇区，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，所述的确定吊装作业范围模块按照下述步骤实现功能：

步骤S30，在吊臂的仰角和回转角度一定时，根据环境数据表中在该回转角度下的扇格区域中吊臂可活动区域的上边界和下边界，计算出回转角度一定时，不同仰角下吊臂在边界内可达到的最大臂长，继而计算出在不同回转角度和仰角下吊臂的最大可伸长臂长，得到回转角度、仰角与最大可伸长臂长的三维数据表；

步骤S31，在吊臂的臂长和仰角一定时，依次令吊臂向左、右回转，根据三维数据表得到吊臂在臂长和仰角一定时的左右回转范围；

步骤S32，在吊臂的臂长与回转角度一定时，根据三维数据表得到吊臂在臂长与回转角度一定时可上变幅、下变幅的范围。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

本发明对汽车起重机在吊装作业过程中的防碰撞技术进行了深入研究，建立了障碍物分类模型，利用起重机吊臂自主探测学习的方法，使吊臂臂头采集障碍物的位置与外形数据，使障碍物数据的采集过程更加简单有效；并以扇格方式进行存贮，这种存储方式集成性好，数据简单易读写，占用存数空间小，仅需要1.4M的存储空间，适合起重机的车载处理器的实际应用需求；建立吊臂安全运 行区间虚拟墙，用三维图像实时跟踪吊臂与障碍物之间的相对位置，采用自适应吊臂运动控制策略，辅助操作员做出决策，避免吊臂与作业区物体碰撞事故的发生。

本发明方法为起重机作业提供了有力的安全保证，经实际作业环境下的功能测试表明，在起重机作业区中94.8％的障碍物可以被采集，障碍物位置信息数据采集误差小于4.7％，采集普通对象外形数据与实际外形的拟合度大于86％，吊臂运动趋势预测准确率大于97.7％，能使起重机在作业过程中有效防止与作业区障碍物发生碰撞。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程图；

图2为本发明中坐标系的建立示意图；

图3为起重机吊装作业过程中***硬件拓扑图；

图4为垂直墙体数据采集与填充示意图；

图5为障碍物数据采集界面截图；

图6防碰撞***监控界面截图；

图7为本发明***的结构连接示意图；

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1所示，本发明提供了一种臂架式起重机吊装作业防碰撞方法以及***，为起重机吊装作业过程提供完善的***与控制策略。

本发明的主要思路是，通过自主学习的方法，对起重机作业区域的障碍物信息进行采集与存储，在这些数据的基础上，计算出起重机实际工作中的安全工作区域，在安全工作区域下起重机可进行快速、有效地作业而不用考虑碰撞问题。

一、臂架式起重机吊装作业防碰撞方法

一种臂架式起重机吊装作业防碰撞方法，如图1所示，包括以下步骤：

对吊装作业区障碍物信息的采集，有的采用红外测距仪，但在室外40米以外时，误差大，需加反光板，实际使用不现实；有的采用图像识别技术，但误差较大，目前车载控制器还无法实时处理视频数据，需离线处理。因此，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，建立起重机圆柱坐标系

针对起重机吊装作业范围是一个圆柱的特点，其半径是吊臂的最大长度，高度是吊臂最大长度加车身高度。结合空间直角坐标系XYZ与球面坐标系，提出一种新的圆柱坐标系(φ,d,h)，新坐标系如图2所示。

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(垂直地面向上)，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即回转角度，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；

对于以点P为臂头的吊臂BP来说，通过臂长r，仰角β与以X轴正向为起始位置的回转角度φ可描述其空间位置其中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：

下文所述的回转角度是以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，格式化存储吊装作业区环境数据

步骤S20，为精确记录吊装作业区障碍物数据，把吊装作业区按间隔一定的回转角度划分为许多个扇区，再把每个扇区依据到坐标原点O的距离划分为许多个扇格，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。

初始化时，每个扇格数据中的下边界初始化为0，上边界初始化为该型号吊车的最大臂长(本方案中填充100)。该表是整个防碰撞***的核心，作业区环境数据采集就是填充这张表，防碰撞控制时读取这张表来获取作业区环境信息。

步骤S21，将吊装作业区中的障碍物按照其外形进行分类；

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。将普通对象分为垂 直着地物体、水平悬挂物体、内倾斜物体和外倾斜物体。外形复杂的障碍物可由若干个简单物体构成。

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；

当用户采集吊装作业区障碍物外形数据时，依据障碍物外形选择合适的障碍物分类模型，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，不同模型所需数据采集点的数量不同。如水平墙体只需采集一个数据点，垂直墙体则需采集两个数据点，垂直着地物体需左边界、右边界、前边界、后边界以及高边界5个数据点，对于倾斜物体除了垂直着地物体5个数据点外，对于倾斜面再多测3个数据点。

采集时，依据数据点的提示，驾驶员操作吊臂使臂头到达障碍物的数据采集点位置，当位置恰当后，操作员按下采集按钮，***自动记录当前吊臂的臂长r、仰角β和回转角度φ三个参数，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。

以垂直墙体为例来说明如何填充数据表，如图4所示，对于垂直墙体，操作吊臂使臂头沿着墙面采集两个点，其空间位置为依据换算关系公式(1)，可得到两个采集点在XYZ坐标系的值P_j(φ_j,d_j,h_j)；其两点在XOY平面垂直投影为Q₁(φ₁,d₁)和Q₂(φ₂,d₂)；通过Q₁与Q₂的直线L的极坐标系方程为式(2)，与最大作业半径圆的交点分别为Q₃(φ₃,100)与Q₄(φ₄,100)：

$\begin{array}{c}A=d_1{\mathrm{sin\φ}}_1(d_2{\mathrm{cos\φ}}_2-d_1{\mathrm{sin\φ}}_1)\\ B=d_1{\mathrm{cos\φ}}_1(d_2{\mathrm{sin\φ}}_2-d_1{\mathrm{sin\φ}}_1)\\ C=\sin \mathrm{\φ}(d_2{\mathrm{cos\φ}}_2-d_1{\mathrm{sin\φ}}_1)\\ D=\cos \mathrm{\φ}(d_2{\mathrm{sin\φ}}_2-d_1{\mathrm{sin\φ}}_1)\\ \mathrm{\ρ}=(A-B)/(C-D)\end{array}---\left(2\right)$

填充数据表时，以φ₁为基点，以0.5°为步进减值，代入式(2)的φ中，计算ρ值，若ρ≤100，即φ₃≤φ≤φ₁，则将该φ值扇面从ρ值到100的扇格下边界值均填充为100，表示在区域吊臂不可达到，直到计算的ρ值大于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，确定吊装作业时吊臂可活动范围

为避免在吊装作业过程中吊臂与障碍物发生碰撞，就需要得到吊臂在当前状态下可活动(伸缩臂、左右回转、上下变幅)空间的边界值，即虚拟墙体，即吊臂只要在这些虚拟墙体所限定区域内活动，就能避免与障碍物发生碰撞。

步骤S30，在吊臂的仰角和回转角度一定时，根据环境数据表中在该回转角度下的扇格区域中吊臂可活动区域的上边界和下边界，计算出回转角度一定时，不同仰角下吊臂在边界内可达到的最大臂长，继而计算出在不同回转角度和仰角下吊臂的最大可伸长臂长，得到回转角度、仰角与最大可伸长臂长的三维数据表，具体为：

吊臂在不同转角与仰角的位置下，可伸臂的最大长度是不同的，因此，需要确定吊臂在某一位置下可伸最大臂长。记吊臂当前位置的仰角为β₀，回转角度为φ₀，吊臂与转台的铰接点到Z轴的距离为m，车身高度为n；设在环境数据表1中存储在转角φ₀下不同距离为d_i(d_i∈0.2,0.4…100)的扇格上限值为U_i，i为扇格数，本例中为500；下限值为B_i，初始令i＝0，时吊臂长度(臂头位置)为 当B_i≤tanβ₀·(m+d_i)+n≤U_i时，说明臂头在此位置可以活动，则令i＝i+1，按照前面相同的方法(将i代入d_i中，并判断B_i≤tanβ₀·(m+d_i)+n≤U_i)，判断下一个位置，直到B_i≤tanβ₀·(m+d_i)+n≤U_i不 成立或运算结束；这里的i＝i+1为赋值运算，即i为变量，将i的值加1后再赋予i；运算结束是指i的值已经从0取值到500但均不满足B_i≤tanβ₀·(m+d_i)+n≤U_i这个条件；这种情况下，说明臂头在这些位置均能活动；而如果条件不成立，条件不成立的前一个的值即为在(β₀,φ₀)下的吊臂最大可伸长臂长。同理，可依据表1计算出吊臂在不同转角与仰角下的最大可伸臂长，形成回转角度、仰角与最大可伸长臂长的三维数据表。

步骤S31，在吊臂的臂长和仰角一定时，依次令吊臂向左、右回转，根据三维数据表得到吊臂在臂长和仰角一定时的左右回转范围，具体为：

吊臂回转时，通常臂长与仰角保持不变，设吊臂当前状态下的回转角度为φ₁、仰角为β₁、臂长为r₁，令吊臂左/右回转，则下一个回转角度为θ＝φ₁+ω，ω为回转步进角，查询步骤S30中所述的三维数据表，得到在转角为θ、仰角为β₁下的最大可伸长臂长为若则当前仰角为β₁、臂长为r₁的吊臂可从转角φ₁左回转到转角θ下；再令θ＝θ+ω，按照前述步骤相同的方法，直到 或θ-φ₁≥360，则此时的θ～φ₁就是吊臂在回转角度为φ₁、仰角为β₁、臂长为r₁下的左回转范围；同样的道理，令下一个回转角度为θ＝φ₁-ω，按照上述过程，可得到右回转范围。

步骤S32，在吊臂的臂长与回转角度一定时，根据三维数据表得到吊臂在臂长与回转角度一定时可上变幅、下变幅的范围，具体为：

吊臂变幅时，通常臂长与转角保持不变。设吊臂当前状态下的回转角度为φ₂、仰角为β₂、臂长为r₂，若此时吊臂上变幅，设下一个仰角α＝β₂+δ，δ为变幅步进值，查询步骤S30中所述的三维数据表，得到在回转角度为φ₂、仰角α下最大可伸长臂长为若则当前回转角度为φ₂、臂长为r₂的吊臂可从仰角β₂上变幅到仰角α下；再令α＝α+δ，重复上述步骤直到或α≥85，85为目前起重臂最大仰角；此时的α～β₂就是吊臂在回转角度为φ₂、 仰角为β₂、臂长为r₂下可上变幅的范围。同样的道理，令下一个仰角α＝β₂-δ，按照上述过程，可得到右回转范围。

按照上述方法建立好环境数据表并计算出吊臂的安全活动范围后，安全活动范围形成了吊装作业“虚拟墙”，吊臂在虚拟墙范围内即可进行工作。

为了使起重机吊臂能更好地工作，减轻驾驶员的操作难度，在起重机实际工作时，还可以根据步骤一至步骤三的结果设置防碰撞策略，以指导驾驶员更好地操作吊臂运作：

步骤四，设置吊装作业实时防碰撞策略

起重机的硬件拓扑图如图3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，因此防碰撞控制策略由上车显示控制器来运行，上车吊装控制器作为该策略的执行机构。上车吊装控制器通过CAN总线收到指令后，结合当前操作控制手柄的状态，向左右回转泵控制阀、变幅油缸控制阀和伸缩主泵变量控制阀等液压执行部件发送控制脉冲，完成相应的控制动作。为避免车身CAN总线网络拥堵延时，在上车显示控制器与上车吊装控制器之间通过一根独立CAN总线连接。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，为减轻CAN总线网络负载，当传感器值的变化超过一定阈值时，将传感器值送车身CAN总线网络。上车显示控制器从CAN总线网络读取传感器值，即可确定当前吊臂准确位置，执行防碰撞控制策略。随车电脑通过CAN总线读取上车显示控制器中存贮的作业区环境数据，进行吊装作业模拟。

步骤S40，建立吊臂运动趋势预测模型

将吊臂动作分为伸臂、缩臂、上变幅、下变幅、左回转、右回转与静止七种状态，循环记录吊臂最近一段时刻内的位置信息，如20个时刻(间隔时间为0.2s)，其回转角度φ_e、仰角β_e和臂长r_e(e∈0～19)，e＝0表示当前时刻，数值权值为20；e＝19表示最远时刻，权值为1。由于吊臂运动惯性，采用加权线性回归模型预测吊臂动作；例如对20个臂长r_e数据进行拟合，通过拟合直线的斜率判断吊臂伸缩臂动作，并预测下一时刻臂长。同理通过φ_e数据可判断左右回转动作及下一时刻的回转角度，通过β_e数据可判断上下变幅动作及下一时刻变 幅角度。若三个预测值都变化微小时，说明吊臂处于静止状态。

步骤S41，根据步骤S40预测的吊臂下一时刻的动作，设置对应的控制策略以控制吊臂安全运作。

设当前时刻吊臂位置参数为回转角度φ_m、仰角β_m和臂长r_m，若吊臂运动趋势预测模型预测吊臂为伸臂动作，下一时刻臂长为r_f。则查询三维数据表，得到在此位置下最大可伸臂长为则控制策略为:

若则为正常控制区，按用户操作伸臂速度进行伸臂，不向吊装控制器发送任何指令；

若则为减速警告区，向吊装控制器发送限速50％指令，操作显示屏进行慢闪图像告警；吊装控制器收到该指令后，把控制手柄上控制电流减少一半送伸缩主泵变量控制阀；

若则为减速警告区，向吊装控制器发送限速25％指令，操作显示屏进行快闪图像告警；控制器收到该指令后，把控制手柄上控制电流减少四分之三送伸缩主泵变量控制阀；

若则为微动控制区，向吊装控制器发送限速10％指令，操作显示屏进行快闪图像告警，并伴随声音告警；控制器收到该指令后，把控制手柄上控制电流减少到十分之一送伸缩主泵变量控制阀；

若则为禁止控制区，由于伸缩主泵存在惯性，向吊装控制器发送停止伸臂指令，操作显示屏进行快闪图像告警，并伴随急促声音告警。控制器收到该指令后，切断送往伸缩主泵变量控制阀电流；

为禁止控制区，由于伸缩主泵存在惯性，向吊装控制器发送停止伸臂指令，操作显示屏进行快闪图像告警，并伴随急促声音告警。控制器收到该指令后，切断送往伸缩主泵变量控制阀电流。

二、臂架式起重机吊装作业防碰撞***

上述的方法可写入硬件***中以实现对应的功能，本发明还提出一种用于实现臂架式起重机吊装作业防碰撞方法的***，该***包括依次连接的建立起重机圆柱坐标系模块、扇格化存储吊装作业区环境数据模块和确定吊装作业范围模 块，如图7所示。

进一步地，所述的建立起重机圆柱坐标系模块按照下述步骤实现功能：

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；

记起重机吊臂长度为r，仰角为β，以X轴正向为起始位置的回转角度为则吊臂的臂头的空间位置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。

进一步地，所述的扇格化存储吊装作业区环境数据模块按照下述步骤实现功能：

步骤S20，将吊装作业区按间隔一定的回转角度划分为多个扇区，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，所述的确定吊装作业范围模块按照下述步骤实现功能：

步骤S30，在吊臂的仰角和回转角度一定时，根据环境数据表中在该回转角度下的扇格区域中吊臂可活动区域的上边界和下边界，计算出回转角度一定时，不同仰角下吊臂在边界内可达到的最大臂长，继而计算出在不同回转角度和仰角下吊臂的最大可伸长臂长，得到回转角度、仰角与最大可伸长臂长的三维数据表；

步骤S31，在吊臂的臂长和仰角一定时，依次令吊臂向左、右回转，根据三维数据表得到吊臂在臂长和仰角一定时的左右回转范围；

步骤S32，在吊臂的臂长与回转角度一定时，根据三维数据表得到吊臂在臂 长与回转角度一定时可上变幅、下变幅的范围。

三、防碰撞方法、***功能验证

在硬件平台上，选用奥地利TTControl公司生产的eVision² 10.4T触摸式显示器，作为起重机上车显示控制器，HY-TTC 200作为上车吊装控制器，在CoDeSys V3.4集成环境下开发了防碰撞***，并将该防碰撞***应用到了某型号臂架式起重机上，其中开发的吊装作业区障碍物数据采集界面如图5所示，***可自动填充作业环境数据表与虚拟墙数据自动生成。

考虑到显示器资源有限，不能显示3D图形，采用俯视图与侧视图两图结合，实时动态显示吊装过程中吊臂与障碍物之间的相对位置，并实时显示吊臂预测行为和临界告警，运行界面如图6所示。

选择6台安装有该防碰撞***臂架式起重机，在每台起重机上安装一台数据记录仪。选取两个测试场地，每个测试场地选取6个吊装点，由6名驾驶员轮流分别操作每台起重机在每个吊装点进行一次吊装作业，用数据记录仪记录起重机吊装过程中的数据，总共可获取6*6*2*6＝432组测试数据。

当起重机进入吊装点开始测试时，首先利用环境数据采集界面采集作业区环境数据，再用人工方式采集环境数据，将两个数据作比较来判断环境数据采集功能的性能。其次在每个作业区选取3个障碍物体，驾驶员操作吊臂逐步地向障碍物体逼近，观察并记录吊臂的运动状态，来测试***中的预测功能与防碰撞功能的性能。

测试过程持续近两周时间，测试完成后对这432组测试数据进行了统计分析，结果显示：在起重机作业区中94.8％的障碍物可以被采集，障碍物位置信息数据采集误差小于4.7％，采集普通对象外形数据与实际外形的拟合度大于86％，吊臂运动趋势预测准确率大于97.7％。操作员普遍反映控制过程比较柔和，在整个测试期间，没有发生一起吊臂与障碍物发生碰撞事故。统计数据也反映，操作员对***使用的熟练程度影响到障碍物数据采集的准确性与完整性。

验证结论：

(1)建立障碍物分类模型，采用起重机吊臂臂头自主探测学习的方式，可以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)建立起重机圆柱坐标系，将作业区分成不同的扇区与扇格，可准确记 录作业区环境数据，并依此数据可生成吊臂伸缩、变幅与回转角度三维边界；

(3)依据吊臂最近运行轨迹，采用加权线性回归模型可准确预测下一时刻吊臂动作与位置参数，依据到边界的不同距离，采用不干预、限速、微动控制和禁止动作等控制策略，保证控制过程柔和。

(4)实际作业环境下的功能测试表明，所开发的***能有效防止吊臂与作业区障碍物发生碰撞。

Claims (6)

1.一种臂架式起重机吊装作业防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立起重机圆柱坐标系

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回转角度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回转角度划分为多个扇区，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，确定吊装作业范围

步骤S30，在吊臂的仰角和回转角度一定时，根据环境数据表中在该回转角度下的扇格区域中吊臂可活动区域的上边界和下边界，计算出回转角度一定时，不同仰角下吊臂在边界内可达到的最大臂长，继而计算出在不同回转角度和仰角下吊臂的最大可伸长臂长，得到回转角度、仰角与最大可伸长臂长的三维数据表；

步骤S31，在吊臂的臂长和仰角一定时，依次令吊臂向左、右回转，根据三维数据表得到吊臂在臂长和仰角一定时的左右回转范围；

步骤S32，在吊臂的臂长与回转角度一定时，根据三维数据表得到吊臂在臂长与回转角度一定时可上变幅、下变幅的范围。

2.如权利要求1所述的臂架式起重机吊装作业防碰撞方法，其特征在于，所述的臂架式起重机吊装作业防碰撞方法还包括步骤四：

步骤四，设置吊装作业实时防碰撞策略

步骤S40，将吊臂动作分为伸臂、缩臂、上变幅、下变幅、左回转、右回转与静止七种状态，循环记录吊臂最近一段时刻内的位置信息，采用加权线性回归模型预测吊臂动作；

步骤S41，根据步骤S40预测的吊臂下一时刻的动作，设置对应的控制策略以控制吊臂安全运作。

3.如权利要求1所述的臂架式起重机吊装作业防碰撞方法，其特征在于，步骤S30的具体步骤如下：

记吊臂当前位置的仰角为β₀，回转角度为φ₀，吊臂与转台的铰接点到Z轴的距离为m，车身高度为n；设在环境数据表中存储在转角φ₀下不同距离为d_i的扇格上限值为U_i，i为扇格数；下限值为B_i，初始令i＝0，此时吊臂长度为当B_i≤tanβ₀·(m+d_i)+n≤U_i时，说明臂头在此位置可以活动，则令i＝i+1，判断下一个位置，直到B_i≤tanβ₀·(m＋d_i)＋n≤U_i不成立或运算结束；条件不成立的前一个的值即为在(β₀,φ₀)下的吊臂最大可伸长臂长；然后建立回转角度、仰角与最大可伸长臂长的三维数据表。

4.如权利要求1所述的臂架式起重机吊装作业防碰撞方法，其特征在于，步骤S31的具体步骤如下：

设吊臂当前状态下的回转角度为φ₁、仰角为β₁、臂长为r₁，令吊臂左/右回转，则下一个回转角度为θ＝φ₁±ω，ω为回转步进角，查询步骤S30中所述的三维数据表，得到在转角为θ、仰角为β₁下的最大可伸长臂长为若则当前仰角为β₁、臂长为r₁的吊臂可从转角φ₁左/右回转到转角θ下；再令θ＝θ＋ω，按照前述步骤相同的方法，直到或θ-φ₁≥360，则此时的θ～φ₁就是吊臂在回转角度为φ₁、仰角为β₁、臂长为r₁下的左/右回转范围。

5.如权利要求1所述的臂架式起重机吊装作业防碰撞方法，其特征在于，步骤S32的具体步骤如下：

设吊臂当前状态下的回转角度为φ₂、仰角为β₂、臂长为r₂，若此时吊臂上/下变幅，设下一个仰角α＝β₂±δ，δ为变幅步进值，查询步骤S30中所述的三维数据表，得到在回转角度为φ₂、仰角α下最大可伸长臂长为若则当前回转角度为φ₂、臂长为r₂的吊臂可从仰角β₂上/下变幅到仰角α下；再令α＝α+δ，重复上述步骤直到或α≥85，此时的α～β₂就是吊臂在回转角度为φ₂、仰角为β₂、臂长为r₂下可上/下变幅的范围。

6.一种用于实现臂架式起重机吊装作业防碰撞方法的***，其特征在于，该***包括依次连接的建立起重机圆柱坐标系模块、扇格化存储吊装作业区环境数据模块和确定吊装作业范围模块；

所述的建立起重机圆柱坐标系模块按照下述步骤实现功能：

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回转角度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；

所述的扇格化存储吊装作业区环境数据模块按照下述步骤实现功能：

步骤S20，将吊装作业区按间隔一定的回转角度划分为多个扇区，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；

所述的确定吊装作业范围模块按照下述步骤实现功能：

步骤S30，在吊臂的仰角和回转角度一定时，根据环境数据表中在该回转角度下的扇格区域中吊臂可活动区域的上边界和下边界，计算出回转角度一定时，不同仰角下吊臂在边界内可达到的最大臂长，继而计算出在不同回转角度和仰角下吊臂的最大可伸长臂长，得到回转角度、仰角与最大可伸长臂长的三维数据表；

步骤S31，在吊臂的臂长和仰角一定时，依次令吊臂向左、右回转，根据三维数据表得到吊臂在臂长和仰角一定时的左右回转范围；

步骤S32，在吊臂的臂长与回转角度一定时，根据三维数据表得到吊臂在臂长与回转角度一定时可上变幅、下变幅的范围。