CN112629549B - 混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法 - Google Patents

混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法 Download PDF

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Abstract

一种混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法，通过提前设定缆机运行曲面，并在该曲面上规划缆机运行轨迹线，实时监测路径中的障碍物，并在监测到障碍物时提前修改最优运行路径，解决现有缆机运行过程中摆动弧度较大，且效率不高的问题，为缆机自动运行的实现提供了现实依据。

Description

混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法
技术领域
本发明涉及混凝土拱坝施工技术领域，具体的是一种混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法。
背景技术
当下的缆机运行过程，主要是通过人工操作控制缆机从装料平台出发，到达仓面卸完料后再返回装料平台，在这个过程中，需要多人拿着对讲机配合完成，其效率低下，且容存在安全隐患。上述过程中，缆机运行过程中常常摆动弧度较大，其摆动较大的原因除了风速等的外界因素的影响，部分原因也是由缆机操作员造成的，如速度控制不当、仓面卸料点未能及时准确定位等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法，解决了传统的人为操控缆机运行轨迹所造成的缆机定位不精准问题，为缆机自动运行的实现提供了现实依据。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法，包括以下步骤：
1)根据混凝土浇筑位置和供料点位置确定缆机的起点和终点，并记录起点的坐标A(xa,ya,zz)和终点的坐标B(xb,yb,zb)；
2)据起点和终点之间各建筑物的高度、缆机横向辐射范围，确定缆机运行时的最高点H(xH,yH,zH)和横向最大范围[Rr,Rl]，其中最高点H(xH,yH,zH)在水平面上的投影位于AB中点上；
3)从直线AB中点H(xH,yH,zH)向右侧做一条长度为Rr的垂线，其端点记为C(xC,yC,zC)；
4)直线AB中点H(xH,yH,zH)向左侧做一条长度为Rl的垂线，其端点记为D(xD,yD,zD)；
5)记录H的投影点H’；
6)分别取线段AH',H'B,H'C,H'D的终点，记为E,F,G,K，点E,F,G,K的X坐标和Y坐标，由点A,B,C,H',D共同决定，而Z坐标可人为控制；
7)根据所确定的控制点A,B,C,D,E,F,G,H,K的空间坐标值，构造缆机运行曲面；
8)在起点A(xa,ya,zz)、终点B(xb,yb,zb)和缆机理想运行曲面S(xi,yi,zi)的基础上，用改进的Dijkstra's algorithm(迪杰斯特拉算法)算法做缆机路径规划；
9)在缆机上安装传感器，实时监测缆机运行路径上的障碍物分布情况；
若监测到前方运行路径上出现障碍物，则传回障碍物所在区域O([x1,x2],[y1,y2],[z1,z2])，缆机控制***根据传回的障碍物分布情况，以缆机当前位置为起点，终点和缆机运行曲面不变的情况下，避开障碍物并重新按照步骤8)进行缆机路径规划；
10)缆机运行***循环执行上述过程，直到缆机到达终点为止。
优选的方案中，所述的步骤1)中，起点A为缆机装料位置，终点B为缆机卸料位置。
优选的方案中，所述的步骤2)中，高点H(xH,yH,zH)为缆机绕过地面障碍物所运行轨迹的最低高度。
优选的方案中，所述的步骤2)中，横向最大范围[Rr,Rl]为缆机横向移动的最大距离，其中Rr为直线AB的右侧最大辐射范围，Rl为直线AB的左侧最大辐射范围。
优选的方案中，所述的步骤5)中，点H’的投影点落在四边形ABCD的形心处。
优选的方案中，所述的步骤7)中，缆机运行曲面构造方法具体如下：
通过调整E,F,G,K的Z坐标，使A,B,C,D,E,F,G,H,K九个点近似分布在一个光滑曲面(半球面)上，以A,B,C,D,E,F,G,H,K九个点的X,Y坐标范围为依据，在XOY平面上构建网格坐标(xi,yi)，再以九个点的实际坐标为依据，用克里金插值算法计算出网格坐标(xi,yi)所对应的Z坐标，得曲面网格坐标S(xi,yi,zi)。
优选的方案中，所述的步骤8)中，改进的迪杰斯特拉算法的改进如下：
通过24邻域搜索代替原迪杰斯特拉算法的坐标点搜寻方式中的逐点搜索，在由24个点构成的邻域中选择下一目标点，然后将剩余23个点全部标记成已被搜索状态。
优选的方案中，所述的24邻域搜索是以当前点为中心，向四周作24条互不重合的射线，在每条射线附近找一点，使其距离中心点最近，从而通过24条射线确定24个点，所确定的24个点构成当前坐标点的邻域。
优选的方案中，所述的步骤9)中，重新按照步骤8)进行缆机路径规划时，改进的迪杰斯特拉算法作避障路径规划过程中，将障碍物所在区域的所有散点坐标默认为已经被搜寻过的点，以此避开障碍物。
本发明所提供的一种混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法，通过采用上述方法,可精准确定缆机运行的最优线路，并且缆机在该路线上运行时，可实现实时监测路径中的障碍物，在监测到障碍物时提前修改最优运行路径，实现了缆机的自动化运行目的，有效提升了混凝土拱坝施工效率，保障了施工过程中的安全以及精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明中缆机运动曲面示意图。
图3为本发明中缆机运动曲面示意图。(含缆机运行起点、终点)
图4为本发明中24邻域构造方法示意图。
图5为本发明中缆机上坝路径规划图。
图6为本发明图5中的XOY平面图。
图7为本发明图5中的XOZ平面图。
图8为本发明图5中的YOZ平面图。
图9为本发明实际工程中的各控制点位置的XOY平面投影图。
图10为本发明实际工程中的各控制点位置的YOZ平面投影图。
图11为本发明实际工程中的各控制点位置的XOZ平面投影图。
图12为本发明实际工程中的各控制点平面相对位置示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法，包括以下步骤：
1)根据混凝土浇筑位置和供料点位置确定缆机的起点和终点，并记录起点的坐标A(xa,ya,zz)和终点的坐标B(xb,yb,zb)；
2)据起点和终点之间各建筑物的高度、缆机横向辐射范围，确定缆机运行时的最高点H(xH,yH,zH)和横向最大范围[Rr,Rl]，其中最高点H(xH,yH,zH)在水平面上的投影位于AB中点上；
3)从直线AB中点H(xH,yH,zH)向右侧做一条长度为Rr的垂线，其端点记为C(xC,yC,zC)；
4)直线AB中点H(xH,yH,zH)向左侧做一条长度为Rl的垂线，其端点记为D(xD,yD,zD)；
5)记录H的投影点H’；
6)分别取线段AH',H'B,H'C,H'D的终点，记为E,F,G,K；
7)根据所确定的控制点A,B,C,D,E,F,G,H,K的空间坐标值，构造缆机运行曲面；
8)在起点A(xa,ya,zz)、终点B(xb,yb,zb)和缆机理想运行曲面S(xi,yi,zi)的基础上，用改进的Dijkstra's algorithm(迪杰斯特拉算法)算法做缆机路径规划；
9)在缆机上安装传感器，实时监测缆机运行路径上的障碍物分布情况；
若监测到前方运行路径上出现障碍物，则传回障碍物所在区域O([x1,x2],[y1,y2],[z1,z2])，缆机控制***根据传回的障碍物分布情况，以缆机当前位置为起点，终点和缆机运行曲面不变的情况下，避开障碍物并重新按照步骤8)进行缆机路径规划；
10)缆机运行***循环执行上述过程，直到缆机到达终点为止。
优选的方案中，所述的步骤2)中，横向最大范围[Rr,Rl]为缆机横向移动的最大距离，其中Rr为直线AB的右侧最大辐射范围，Rl为直线AB的左侧最大辐射范围。
优选的方案中，所述的步骤5)中，点H’的投影点落在四边形ABCD的形心处。
实施例2：
在实施例1的基础上，所述的步骤7)中，缆机运行曲面构造方法具体如下：
通过调整E,F,G,K的Z坐标，使A,B,C,D,E,F,G,H,K九个点近似分布在一个光滑曲面(半球面)上，以A,B,C,D,E,F,G,H,K九个点的X,Y坐标范围为依据，在XOY平面上构建网格坐标(xi,yi)，再以九个点的实际坐标为依据，用克里金插值算法计算出网格坐标(xi,yi)所对应的Z坐标，得曲面网格坐标S(xi,yi,zi)。
优选的方案中，所述的步骤8)中，迪杰斯特拉算法的改进如下：
通过24邻域搜索代替原迪杰斯特拉算法的坐标点搜寻方式中的逐点搜索，在由24个点构成的邻域中选择下一目标点，然后将剩余23个点全部标记成已被搜索状态。
优选的方案中，所述的24邻域搜索是以当前点为中心，向四周作24条互不重合的射线，在每条射线附近找一点，使其距离中心点最近，从而通过24条射线确定24个点，所确定的24个点构成当前坐标点的邻域。
实施例3：
在实施例1的基础上，以某混凝土拱坝工程为例，在某时间段内：
按照步骤1)所述方法，确定缆机吊罐装料点位置坐标为A(589000m,3013042m,700m)，缆机吊罐在施工仓面的卸料点坐标为B(589145m,3012281m,700m)。根据缆机运行起点和终点之间的建筑物的实际高度，确定缆机运行的最高点坐标为H(589073m,30126251m,850m)。
按照步骤2)至步骤6)所述方法，确定各控制点具体坐标，如下表：
控制点空间坐标
控制点 X/m Y/m Z/m
A 589000 3013042 700
B 589145 3012281 700
C 588692 3012589 700
D 589453 3012734 700
E 589036 3012852 820
F 589109 3012471 820
G 588882 3012625 820
H 589073 3012662 850
K 589263 3012698 820
上表中各控制点的位置如附图9-12中所示。
根据步骤7)至步骤8)，利用控制点生成缆机运行网格曲面S(xi,yi,zi)，结果如附图2、3所示。
步骤9)中，当有障碍物出现时，在缆机运行曲面上做缆机路径规划。改进的迪杰斯特拉算法的24邻域构造示意图如附图4所示。
上述路径规划结果如下表所示：
表路径规划结果
编号 X/m Y/m Z/m 编号 X/m Y/m Z/m
A 589000 3013042 700 23 589027 3012462 824
1 589414 3012513 708 24 589015 3012462 823
2 589401 3012513 713 25 589002 3012462 822
3 589389 3012513 718 26 588989 3012462 820
4 589350 3012500 731 27 588976 3012462 818
5 589311 3012488 745 28 588963 3012462 815
6 589272 3012475 757 29 588924 3012475 809
7 589234 3012462 768 30 588886 3012488 796
8 589221 3012462 774 31 588873 3012500 793
9 589208 3012462 779 32 588860 3012513 789
10 589195 3012462 784 33 588847 3012526 784
11 589182 3012462 790 34 588834 3012539 778
12 589169 3012462 795 35 588821 3012552 771
13 589156 3012462 799 36 588808 3012578 765
14 589143 3012462 804 37 588795 3012604 757
15 589131 3012462 808 38 588782 3012629 749
16 589118 3012462 811 39 588769 3012655 740
17 589105 3012462 815 40 588757 3012681 731
18 589092 3012462 817 41 588744 3012707 723
19 589079 3012462 820 42 588731 3012733 715
20 589066 3012462 822 43 588718 3012745 709
21 589053 3012462 823 B 589145 3012281 700
22 589040 3012462 823
由上表可见规划的路径中，共由45个坐标点构成，其中起点即为A点，终点即为B点，将上述路径绘制在缆机运行曲面上，效果附图5-8所示(图中阴影区域为障碍物，黑色线段为缆机路径，黑色线段两端分别为缆机运行的起点A和终点B)。
由附图5-8可见，缆机路径规划时，成功绕开障碍物所在区域，且规划的路径比较平滑，符合缆机运动规律。

Claims (4)

1.一种混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法，其特征在于包括以下步骤：
1)根据混凝土浇筑位置和供料点位置确定缆机的起点和终点，并记录起点的坐标A(xa,ya,zz)和终点的坐标B(xb,yb,zb)，其中，起点A为缆机装料位置，终点B为缆机卸料位置；
2)据起点和终点之间各建筑物的高度、缆机横向辐射范围，确定缆机运行时的最高点H(xH,yH,zH)和横向最大范围[Rr,Rl]，其中最高点H(xH,yH,zH)在水平面上的投影位于AB中点上，其中，高点H(xH,yH,zH)为缆机绕过地面障碍物所运行轨迹的最低高度，横向最大范围[Rr,Rl]为缆机横向移动的最大距离，其中Rr为直线AB的右侧最大辐射范围，Rl为直线AB的左侧最大辐射范围；
3)从直线AB中点H(xH,yH,zH)向右侧做一条长度为Rr的垂线，其端点记为C(xC,yC,zC)；
4)直线AB中点H(xH,yH,zH)向左侧做一条长度为Rl的垂线，其端点记为D(xD,yD,zD)；
5)记录H的投影点H’；
6)分别取线段AH',H'B,H'C,H'D的终点，记为E,F,G,K；
7)根据所确定的控制点A,B,C,D,E,F,G,H,K的空间坐标值，构造缆机运行曲面，缆机运行曲面构造方法具体如下：
通过调整E,F,G,K的Z坐标，使A,B,C,D,E,F,G,H,K九个点近似分布在一个光滑曲面上，以A,B,C,D,E,F,G,H,K九个点的X,Y坐标范围为依据，在XOY平面上构建网格坐标(xi,yi)，再以九个点的实际坐标为依据，用克里金插值算法计算出网格坐标(xi,yi)所对应的Z坐标，得曲面网格坐标S(xi,yi,zi)；
8)在起点A(xa,ya,zz)、终点B(xb,yb,zb)和缆机理想运行曲面S(xi,yi,zi)的基础上，用改进的Dijkstra's algorithm(迪杰斯特拉算法)算法做缆机路径规划；
9)在缆机上安装传感器，实时监测缆机运行路径上的障碍物分布情况；若监测到前方运行路径上出现障碍物，则传回障碍物所在区域O([x1,x2],[y1,y2],[z1,z2])，缆机控制***根据传回的障碍物分布情况，以缆机当前位置为起点，终点和缆机运行曲面不变的情况下，避开障碍物并重新按照步骤8)进行缆机路径规划，重新按照步骤8)进行缆机路径规划时，改进的迪杰斯特拉算法作避障路径规划过程中，将障碍物所在区域的所有散点坐标默认为已经被搜寻过的点，以此避开障碍物；
10)缆机运行***循环执行步骤1)-9)的过程，直到缆机到达终点为止。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法，其特征在于：所述的步骤5)中，点H’的投影点落在四边形□ABCD的形心处。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法，其特征在于所述的步骤8)中，迪杰斯特拉算法的改进如下：
通过24邻域搜索代替原迪杰斯特拉算法的坐标点搜寻方式中的逐点搜索，在由24个点构成的邻域中选择下一目标点，然后将剩余23个点全部标记成已被搜索状态。
4.根据权利要求3所述的一种混凝土拱坝缆机运行轨迹线规划方法，其特征在于：所述的24邻域搜索是以当前点为中心，向四周作24条互不重合的射线，在每条射线附近找一点，使其距离中心点最近，从而通过24条射线确定24个点，所确定的24个点构成当前坐标点的邻域。
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