CN113467469B - 一种基于bim技术的物项吊运空间轨迹规划方法及*** - Google Patents
一种基于bim技术的物项吊运空间轨迹规划方法及*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN113467469B CN113467469B CN202110838413.7A CN202110838413A CN113467469B CN 113467469 B CN113467469 B CN 113467469B CN 202110838413 A CN202110838413 A CN 202110838413A CN 113467469 B CN113467469 B CN 113467469B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lifting
- plane
- dimensional
- planning
- track
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 95
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 75
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 61
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 30
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 43
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 27
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 15
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 15
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 12
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 5
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 6
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
- G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
- G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
- G05D1/0212—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles with means for defining a desired trajectory
- G05D1/0223—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles with means for defining a desired trajectory involving speed control of the vehicle
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
- G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
- G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
- G05D1/0212—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles with means for defining a desired trajectory
- G05D1/0214—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles with means for defining a desired trajectory in accordance with safety or protection criteria, e.g. avoiding hazardous areas
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
- G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
- G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
- G05D1/0212—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles with means for defining a desired trajectory
- G05D1/0221—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles with means for defining a desired trajectory involving a learning process
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control And Safety Of Cranes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法及***，该方法包括：S1：从BIM三维场景模型中获取三维核设施厂房的场景数据，同时获取物项吊运相关参数；S2：对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；S3：根据栅格化的场景参数，物项吊运过程中，进行障碍物数据预处理，得到障碍物栅格矩阵；S4：根据所述障碍物栅格矩阵，采用三维物项吊运空间轨迹A*方法进行物项的吊运空间轨迹规划，得到物项吊运空间轨迹规划结果并输出。本发明解决了当下缺乏物项吊运三维空间轨迹规划方法的困境，有利于提高大型物项吊运作业工艺设计效率，有利于较小物项吊运发生碰撞的风险。
Description
技术领域
本发明涉及物项吊运空间轨迹规划技术领域，具体涉及一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法及***。
背景技术
设备、仪器、物资等物项的吊运轨迹规划是大型吊装方案设计中最为重要的任务之一，吊运的空间轨迹规划不当会导致严重的后果，甚至机毁人亡。物项吊装空间轨迹规划是指在有障碍物的吊运环境中，考虑被吊运物项的实际三维尺寸，通过一定的空间轨迹规划算法计算出便捷、合理、安全的吊运路线。物项吊运空间轨迹规划是一种三维空间路径规划问题，在考虑吊机本身工作特性影响的同时，还要考虑吊机、被吊物项以及作业环境之间的碰撞。
核设施厂房固定设备、仪器、管道种类繁多且密集排布，在核设施维修/退役进行物项吊运时，若发生物体碰撞，极易发生涉核介质泄露，进而造成重大核安全事故。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中缺乏物项吊运三维空间轨迹规划方法的困境，作业中存在物项吊运碰撞风险，存在施工安全风险。本发明目的在于提供一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法及***，本发明以栅格法作为三维建模方法，并利用改进的A*算法在栅格化的三维场景中进行空间轨迹规划；通过合理的三维环境建模手段结合匹配的空间轨迹规划方法，规划出核设施维修/退役过程中安全的物项吊运路径。本发明减小物项吊运碰撞风险，保障施工安全。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法，该方法包括：
S1：从BIM三维场景模型中获取三维核设施厂房的场景数据，同时获取物项吊运相关参数；
S2：对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；
S3：根据栅格化的场景参数，物项吊运过程中，进行障碍物数据预处理，得到障碍物栅格矩阵；
S4：根据所述障碍物栅格矩阵，采用三维物项吊运空间轨迹A*方法进行物项的吊运空间轨迹规划，得到物项吊运空间轨迹规划结果并输出。
根据物项吊运空间轨迹规划结果，将整合的物项吊运空间轨迹输入到BIM***模型中，可实现核设施厂房内物项吊运空间轨迹虚拟模拟。
基于现有技术中缺乏物项吊运三维空间轨迹规划方法的困境，作业中存在物项吊运碰撞风险，存在施工安全风险。本发明设计了一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法，以栅格法作为三维建模方法，并利用改进的A*算法在栅格化的三维场景中进行空间轨迹规划，减小物项吊运碰撞风险，保障施工安全。在实际使用过程中，本发明体现出了以下有益效果：
(1)解决了当下缺乏物项吊运三维空间轨迹规划方法的困境；
(2)有利于提高大型物项吊运作业工艺设计效率；
(3)有利于较小物项吊运发生碰撞的风险。
进一步地，步骤S1中从BIM场景模型中获取三维核设施厂房的场景数据包括核设施厂房三维尺寸大小，核设施厂房内的具体空间布置；具体地：
步骤1.1、定义“factory_size”数组存放实际的核设施厂房三维尺寸大小，包括描述厂房大小的长、宽、高数值，以米为单位；
步骤1.2、定义“obstacle3_bound”数组存放核设施厂房内的具体空间布置，包括核设施内每个固定设施、设备等***的空间形态，对厂房内的***以包围盒形式进行描述，并将包围盒的实际空间形态以矩阵形式存放在“obstacle3_bound”数组中。
步骤S1中获取的物项吊运相关参数包括物项吊运的起始点和终点的具***置坐标，待吊运的物项包围盒的三维尺寸大小；具体地：
步骤2.1、选择物项吊运的起始点和终点的具***置坐标，起点和终点对应实际场景中的X、Y、Z值分别存入“start_3D”和“end_3D”数组中；
步骤2.2、输入待吊运的物项包围盒的三维尺寸大小，将物项包围盒长、宽、高的最大尺寸作为待吊运物体的避障所需空间，并定义“object_size”数组进行存储。
进一步地，步骤S2中对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；包括：
S21、定义“compress”参数为核设施厂房的BIM三维模型场景的栅格化压缩比例，对核设施厂房的场景数据以及待吊运物项的相关参数进行处理，以实际场景参数尺寸和获取的吊运物项相关参数与定义的“compress”参数之比，得到栅格化后的场景参数；所述栅格化的场景参数包括核设施厂房三维模型数据、核设施厂房内三维障碍场矩阵、物项吊运起始点和终点、待吊运物体包围盒尺寸大小等；
S22、对栅格化后的场景参数的尺寸数据，进行简化处理；其中不满一个栅格的部分，通过“ceil”函数向上取整简化处理。
进一步地，步骤S3中进行障碍物数据预处理，包括：
步骤4.1、针对龙门吊特殊的运输方式，物项吊运过程中，吊运的空间轨迹不能通过障碍物的下方区域移动，因此将栅格后的障碍物矩阵下方栅格区域等同于障碍物栅格，即吊运轨迹不可达栅格点；
步骤4.2、物项吊运时，需要考虑到待吊运物体本身的几何形状大小，在物项吊运过程中不能与核设施厂房空间内的设施、设备等发生碰撞，将核设施厂房空间内的设施、设备等视为障碍物，并进行包围盒处理。
进一步地，步骤S4中采用三维物项吊运空间轨迹A*方法进行物项的吊运空间轨迹规划，其中，所述三维物项吊运空间轨迹A*方法为改进的三维A*路径规划算法，基于三维空间数据的数据计算量超级大，影响了计算速度；该方法把三维空间数据降低到二维空间下进行处理，加快计算速度；具体包括：
S41、选择起始Z平面，起始Z平面的选择方式为：选择物项吊运的起始点和终点坐标中Z坐标较大点的Z坐标作为起始Z平面；
S42、将障碍物栅格矩阵进行障碍物矩阵维度变换，障碍物栅格矩阵为三维矩阵，描述了核设施厂房内每个障碍物栅格点的空间坐标，包括X、Y、Z值，对确定Z平面的三维的障碍物栅格矩阵可降维成二维的障碍物矩阵，即对于Z平面的障碍物栅格矩阵可去掉Z坐标，变换成二维栅格点矩阵；
S43、采用二维A*路径规划算法，计算吊运起点、吊运终点在Z平面的最优轨迹；二维A*路径规划算法中采用欧式距离最短为算法代价函数，并且通过“四向”搜索的方式来拓展下一栅格点；
S44、根据二维A*路径规划算法的计算结果来判断当前Z平面是否存在可行吊运路线，若吊运起始点和终点之间存在障碍物栅格点时，则当前Z平面不存在可行吊运路线，阻碍了可行吊运路径时，输出起点、终点之间不可达，即不存在可行的吊运空间轨迹；若当前Z平面存在可行吊运路线时，执行S45；
S45、判断当前Z平面是否到达最大可吊运高度，若当前Z平面大于核设施厂房自身的最大高度时，增加Z的高度将碰撞厂房顶部，算法结束；若当前Z平面小于于核设施厂房自身的最大高度时，执行S46；
S46、Z平面增加Δh，以z＝z+Δh的平面作为新的Z平面继续进行物项吊运的空间轨迹规划；
S47、对起点Z平面，终点Z平面的垂直方向上的吊运轨迹以及最终Z平面的可行轨迹进行整合，形成最终的物项吊运空间轨迹。
进一步地，步骤S47中整合的轨迹包括：起点Z平面到最终Z平面的垂直方向上的拉升吊运，最终Z平面内的二维吊运轨迹，最终Z平面垂直方向上下降到终点位置。
第二方面，本发明还提供了一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划***，该***支持所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法，该***包括：
获取单元，用于从BIM三维场景模型中获取三维核设施厂房的场景数据，同时获取物项吊运相关参数；
栅格化处理单元，用于对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；
障碍物处理单元，用于根据栅格化的场景参数，物项吊运过程中，进行障碍物数据预处理，得到障碍物栅格矩阵；
物项吊运空间轨迹规划单元，用于根据所述障碍物栅格矩阵，采用三维物项吊运空间轨迹A*方法进行物项的吊运空间轨迹规划，得到物项吊运空间轨迹规划结果；
输出单元，用于输出所述物项吊运空间轨迹规划结果。
进一步地，所述物项吊运空间轨迹规划单元的执行过程如下：
选择起始Z平面，起始Z平面的选择方式为：选择物项吊运的起始点和终点坐标中Z坐标较大点的Z坐标作为起始Z平面；
将障碍物栅格矩阵进行障碍物矩阵维度变换，障碍物栅格矩阵为三维矩阵，描述了核设施厂房内每个障碍物栅格点的空间坐标，包括X、Y、Z值，对确定Z平面的三维的障碍物栅格矩阵可降维成二维的障碍物矩阵，即对于Z平面的障碍物栅格矩阵可去掉Z坐标，变换成二维栅格点矩阵；
采用二维A*路径规划算法，计算吊运起点、吊运终点在Z平面的最优轨迹；二维A*路径规划算法中采用欧式距离最短为算法代价函数，并且通过“四向”搜索的方式来拓展下一栅格点；
根据二维A*路径规划算法的计算结果来判断当前Z平面是否存在可行吊运路线，若吊运起始点和终点之间存在障碍物栅格点时，则当前Z平面不存在可行吊运路线，阻碍了可行吊运路径时，输出起点、终点之间不可达，即不存在可行的吊运空间轨迹；若当前Z平面存在可行吊运路线时，执行S45；
判断当前Z平面是否到达最大可吊运高度，若当前Z平面大于核设施厂房自身的最大高度时，增加Z的高度将碰撞厂房顶部，算法结束；若当前Z平面小于于核设施厂房自身的最大高度时，执行S46；
Z平面增加Δh，以z＝z+Δh的平面作为新的Z平面继续进行物项吊运的空间轨迹规划；
对起点Z平面，终点Z平面的垂直方向上的吊运轨迹以及最终Z平面的可行轨迹进行整合，形成最终的物项吊运空间轨迹。
进一步地，所述的对起点Z平面，终点Z平面的垂直方向上的吊运轨迹以及最终Z平面的可行轨迹进行整合，整合的轨迹包括：起点Z平面到最终Z平面的垂直方向上的拉升吊运，最终Z平面内的二维吊运轨迹，最终Z平面垂直方向上下降到终点位置。
第三方面，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法。
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明以栅格法作为三维建模方法，并利用改进的A*算法在栅格化的三维场景中进行空间轨迹规划，减小物项吊运碰撞风险，保障施工安全。
2、本发明解决了当下缺乏物项吊运三维空间轨迹规划方法的困境，有利于提高大型物项吊运作业工艺设计效率；有利于较小物项吊运发生碰撞的风险。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法流程示意图。
图2为本发明改进的三维A*算法具体步骤示意图。
图3为二维传统A*算法具体步骤示意图。
图4为本发明三维场景物项吊运路径规划结果示意图。
图5为本发明一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划***框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1至图4所示，本发明一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法，如图1所示，该方法包括：
S1：从BIM三维场景模型中获取三维核设施厂房的场景数据，同时获取物项吊运相关参数；
S2：对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；
S3：根据栅格化的场景参数，物项吊运过程中，进行障碍物数据预处理，得到障碍物栅格矩阵；
S4：根据所述障碍物栅格矩阵，采用三维物项吊运空间轨迹A*方法进行物项的吊运空间轨迹规划，得到物项吊运空间轨迹规划结果并输出。
本发明一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法采用Catia建立三维模型，C++语言编程实现，改进的三维A*算法进行三维空间轨迹规划，如图1所示，具体实施过程包括：获取BIM模型场景数据；导入物项吊运相关参数；场景数据栅格化；障碍物数据预处理；改进三维A*算法规划物项空间轨迹；输出物项吊运空间轨迹。
本发明采用以下技术方案：
步骤S1中获取BIM三维模型场景数据。
(1)定义“factory_size”数组存放核设施实际厂房三维大小，包括描述厂房大小的长、宽、高数值，以米为单位；如，核设施厂房实际长、宽、高大小为[40米，40米，60米]。
(2)定义“obstacle3_bound”数组存放核设施厂房内的设施、设备、管道、仪器等***的空间布置，包括空间形态，对***的每一个物项以包围盒形式进行描述，并将包围盒的实际空间形态以矩阵形式存放在“obstacle3_bound”数组中。如，核设施厂房内某设备的空间包围盒描述为[x_min,x_max,y_min,y_max,z_min,z_max]，其中六个数值分别描述设备包围盒的X、Y、Z的跨度。
步骤S1中获取物项吊运相关参数。
(1)选择物项吊运的起始点和终点的具***置坐标，起点和终点对应实际场景中的X、Y、Z值分别存入“start_3D”和“end_3D”数组中，如，起点，终点三维坐标为[12.5米，32米，46.5米]，[34米，18米，24.5米]。
(2)输入待吊运的物项包围盒的三维尺寸大小，将物项包围盒长、宽、高的最大尺寸作为待吊运物体的避障所需空间，并定义“object_size”数组进行存储，如待吊运物项的长、宽、高大小分别为[1.5米，2米，1米]，则选择最大尺寸的2米作为避障所需空间。
步骤S2中对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；包括：
(1)定义“compress”参数为核设施厂房的BIM三维模型场景的栅格化压缩比例，对核设施场景参数以及待吊运物项的相关参数进行处理，以实际场景参数尺寸和导入的吊运物项相关尺寸参数与定义的“compress”参数之比得到栅格化后的核设施厂房的三维模型参数。
(2)栅格化的场景参数包括核设施厂房三维模型数据、核设施厂房内三维障碍场矩阵、物项吊运起始点和终点、待吊运物体包围盒尺寸大小等；
(3)对栅格后的尺寸数据，其中不满一个栅格的部分，通过“ceil”函数向上取整简化处理，如，栅格化压缩比例参数定义为“compress＝0.5”，核设施厂房实际长、宽、高大小为[40米，40米，60米]，经过栅格化后为[80，80，120]；物项吊运起点[12.5米，32米，46.5米]，经过栅格化后为[25，64，93]；待吊运物项的长、宽、高大小分别为[1.5米，2米，1米]，选择最大尺寸的2米作为避障所需空间，经栅格化后的避障所需栅格数为4；核设施厂房内某物项的实际空间包围盒为[12.5米，14米，33米，34.8米，6米，8.2米]，由于栅格化后仍不是整数，对于栅格是否为障碍物栅格不能确认，因此通过“ceil”函数进行向上取整操作，栅格化后的结果为[25，28，66，70，12，17]。
步骤S3中进行障碍物数据预处理，包括：
(1)针对龙门吊特殊的运输方式，物项吊运过程中，吊运的空间轨迹不能通过障碍物的下方区域移动，因此将栅格后的障碍物矩阵下方栅格区域等同于障碍物栅格，即吊运轨迹不可达栅格点。如，核设施厂房三维场景栅格化后的空间中，[10，20，5]对应的坐标栅格为障碍物栅格，由于龙门吊特殊的运输方式，物项吊运过程中，吊运的轨迹不能通过障碍物的下方区域移动。因此，需要将坐标为[10，20，1]，[10，20，2]，[10，20，3]，[10，20，4]的栅格都设置为障碍物栅格。
(2)物项吊运时，需要考虑到待吊运物体本身的几何形状大小，在物项吊运过程中不能与核设施厂房空间内的设施、设备等发生碰撞，将核设施厂房空间内的设施、设备等视为障碍物，并进行包围盒处理。如，核设施厂房三维场景栅格化后的空间中，[10，20，5]对应的坐标栅格为障碍物栅格，并且经栅格化后的避障所需栅格数为2，则需要将坐标为[8，18，3]，[8，18，7]，[8，22，3]，[8，22，7]，[12，18，3]，[12，18，7]，[12，22，3]，[12，22，7]的八个顶点内的立方体区域全都设置为障碍物栅格。
步骤S4中根据所述障碍物栅格矩阵，采用三维物项吊运空间轨迹A*方法进行物项的吊运空间轨迹规划，得到物项吊运空间轨迹规划结果。其中，所述三维物项吊运空间轨迹A*方法为改进的三维A*路径规划算法，基于三维空间数据的数据计算量超级大，影响了计算速度；该方法把三维空间数据降低到二维空间下进行处理，加快计算速度；如图2所示，具体包括：
(1)选择起始Z平面，起始Z平面的选择方式为：选择物项吊运的起始点和终点坐标中Z坐标较大点的Z坐标作为起始Z平面。如，吊运起点栅格坐标为[30，20，15]，吊运终点栅格坐标为[30，20，25]，则选择的起始Z平面为Z＝25所在平面。
(2)将障碍物栅格矩阵进行障碍物矩阵维度变换，障碍物栅格矩阵为三维矩阵，描述了核设施厂房内每个障碍物栅格点的空间坐标，包括X、Y、Z值，对确定Z平面的三维的障碍物栅格矩阵可降维成二维的障碍物矩阵，即对于Z平面的障碍物栅格矩阵可去掉Z坐标，变换成二维栅格点矩阵。如，三维障碍物栅格坐标有5个：[30，20，15]，[30，20，20]，[15，20，15]，[15，30，15]，[15，30，20]，而当前选择的Z平面为Z＝15，则其中[30，20，15]，[15，20，15]，[15，30，15]三个障碍物栅格变换成当前选择的Z平面内的障碍物栅格[30，20]，[15，20]，[15，30]。
(3)吊运二维A*路径规划算法，计算吊运起点、吊运终点在Z平面的最优轨迹，A*算法中采用欧式距离最短为算法代价函数，并且通过“四向”搜索的方式来拓展下一栅格点。二维A*算法流程如图3所示。
(4)根据二维A*算法的计算结果来判断当前Z平面是否存在可行吊运路线，当吊运起始点和终点之间存在障碍物栅格点时，判断当前Z平面不存在可行吊运路线，阻碍了可行吊运路径时，输出起点、终点之间不可达，即不存在可行的吊运空间轨迹，若当前Z平面存在可行吊运路线时，执行下一步。
(5)判断当前Z平面是否到达最大可吊运高度，若当前Z平面大于核设施厂房自身的最大高度时，增加Z的高度将碰撞厂房顶部，算法结束，若当前Z平面小于于核设施厂房自身的最大高度时，执行下一步；
(6)Z平面增加Δh，以z＝z+Δh的平面作为新的Z平面继续进行物项吊运的空间轨迹规划。如Δh可设置为5。
(7)整合各段空间轨迹，轨迹共包括三部分：(1)起点Z平面到最终Z平面的垂直方向上的拉升吊运；(2)最终Z平面内的二维吊运轨迹；(3)最终Z平面垂直方向上下降到终点位置。对起点Z平面，终点Z平面的垂直方向上的吊运轨迹以及最终Z平面的可行轨迹进行整合，形成最终的物项吊运空间轨迹。
最后，将整合的物项吊运空间轨迹输入到BIM***模型中，可实现核设施厂房内物项吊运空间轨迹虚拟模拟。
本发明方法采用案例得到的三维核设施厂房物项吊运空间轨迹规划结果如图4所示，其中，黑色方块表示障碍物栅格，标有“start”的小圆圈为吊运起始点，标有“end”的小圆圈为吊运终点，白色折现为三维核设施厂房空间的吊运轨迹规划结果。
本发明解决了当下缺乏物项吊运三维空间轨迹规划方法的困境，有利于提高大型物项吊运作业工艺设计效率；有利于较小物项吊运发生碰撞的风险。
实施例2
如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划***，该***支持实施例1所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法，该***包括：
获取单元，用于从BIM三维场景模型中获取三维核设施厂房的场景数据，同时获取物项吊运相关参数；
栅格化处理单元，用于对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；
障碍物处理单元，用于根据栅格化的场景参数，物项吊运过程中，进行障碍物数据预处理，得到障碍物栅格矩阵；
物项吊运空间轨迹规划单元，用于根据所述障碍物栅格矩阵，采用三维物项吊运空间轨迹A*方法进行物项的吊运空间轨迹规划，得到物项吊运空间轨迹规划结果；
输出单元，用于输出所述物项吊运空间轨迹规划结果。
本实施例中，获取单元中从BIM场景模型中获取三维核设施厂房的场景数据包括核设施厂房三维尺寸大小，核设施厂房内的具体空间布置；具体地：
定义“factory_size”数组存放实际的核设施厂房三维尺寸大小，包括描述厂房大小的长、宽、高数值，以米为单位；
定义“obstacle3_bound”数组存放核设施厂房内的具体空间布置，包括核设施内每个固定设施、设备等***的空间形态，对厂房内的***以包围盒形式进行描述，并将包围盒的实际空间形态以矩阵形式存放在“obstacle3_bound”数组中。
获取单元中获取的物项吊运相关参数包括物项吊运的起始点和终点的具***置坐标，待吊运的物项包围盒的三维尺寸大小；具体地：
选择物项吊运的起始点和终点的具***置坐标，起点和终点对应实际场景中的X、Y、Z值分别存入“start_3D”和“end_3D”数组中；
输入待吊运的物项包围盒的三维尺寸大小，将物项包围盒长、宽、高的最大尺寸作为待吊运物体的避障所需空间，并定义“object_size”数组进行存储。
本实施例中，栅格化处理单元中对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；包括：
定义“compress”参数为核设施厂房的BIM三维模型场景的栅格化压缩比例，对核设施厂房的场景数据以及待吊运物项的相关参数进行处理，以实际场景参数尺寸和获取的吊运物项相关参数与定义的“compress”参数之比，得到栅格化后的场景参数；所述栅格化的场景参数包括核设施厂房三维模型数据、核设施厂房内三维障碍场矩阵、物项吊运起始点和终点、待吊运物体包围盒尺寸大小等；
对栅格化后的场景参数的尺寸数据，进行简化处理；其中不满一个栅格的部分，通过“ceil”函数向上取整简化处理。
本实施例中，障碍物处理单元中进行障碍物数据预处理，包括：
针对龙门吊特殊的运输方式，物项吊运过程中，吊运的空间轨迹不能通过障碍物的下方区域移动，因此将栅格后的障碍物矩阵下方栅格区域等同于障碍物栅格，即吊运轨迹不可达栅格点；
物项吊运时，需要考虑到待吊运物体本身的几何形状大小，在物项吊运过程中不能与核设施厂房空间内的设施、设备等发生碰撞，将核设施厂房空间内的设施、设备等视为障碍物，并进行包围盒处理。
本实施例中，所述物项吊运空间轨迹规划单元的执行过程如下：
选择起始Z平面，起始Z平面的选择方式为：选择物项吊运的起始点和终点坐标中Z坐标较大点的Z坐标作为起始Z平面；
将障碍物栅格矩阵进行障碍物矩阵维度变换，障碍物栅格矩阵为三维矩阵，描述了核设施厂房内每个障碍物栅格点的空间坐标，包括X、Y、Z值，对确定Z平面的三维的障碍物栅格矩阵可降维成二维的障碍物矩阵，即对于Z平面的障碍物栅格矩阵可去掉Z坐标，变换成二维栅格点矩阵；
采用二维A*路径规划算法，计算吊运起点、吊运终点在Z平面的最优轨迹；二维A*路径规划算法中采用欧式距离最短为算法代价函数，并且通过“四向”搜索的方式来拓展下一栅格点；
根据二维A*路径规划算法的计算结果来判断当前Z平面是否存在可行吊运路线，若吊运起始点和终点之间存在障碍物栅格点时，则当前Z平面不存在可行吊运路线，阻碍了可行吊运路径时，输出起点、终点之间不可达，即不存在可行的吊运空间轨迹；若当前Z平面存在可行吊运路线时，执行S45；
判断当前Z平面是否到达最大可吊运高度，若当前Z平面大于核设施厂房自身的最大高度时，增加Z的高度将碰撞厂房顶部，算法结束；若当前Z平面小于于核设施厂房自身的最大高度时，执行S46；
Z平面增加Δh，以z＝z+Δh的平面作为新的Z平面继续进行物项吊运的空间轨迹规划；
对起点Z平面，终点Z平面的垂直方向上的吊运轨迹以及最终Z平面的可行轨迹进行整合，形成最终的物项吊运空间轨迹。
本实施例中，所述的对起点Z平面，终点Z平面的垂直方向上的吊运轨迹以及最终Z平面的可行轨迹进行整合，整合的轨迹包括：起点Z平面到最终Z平面的垂直方向上的拉升吊运，最终Z平面内的二维吊运轨迹，最终Z平面垂直方向上下降到终点位置。
本发明一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划***，以栅格法作为三维建模方法，并利用改进的A*算法在栅格化的三维场景中进行空间轨迹规划，减小物项吊运碰撞风险，保障施工安全。在实际使用过程中，本发明体现出了以下有益效果：解决了当下缺乏物项吊运三维空间轨迹规划方法的困境，有利于提高大型物项吊运作业工艺设计效率，有利于较小物项吊运发生碰撞的风险。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法，其特征在于，该方法包括：
S1：从BIM三维场景模型中获取三维核设施厂房的场景数据，同时获取物项吊运相关参数；
S2：对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；
S3：根据栅格化的场景参数，物项吊运过程中，进行障碍物数据预处理，得到障碍物栅格矩阵；
S4：根据所述障碍物栅格矩阵，采用三维物项吊运空间轨迹A*方法进行物项的吊运空间轨迹规划，得到物项吊运空间轨迹规划结果并输出；
步骤S4中采用三维物项吊运空间轨迹A*方法进行物项的吊运空间轨迹规划，其中，所述三维物项吊运空间轨迹A*方法为改进的三维A*路径规划算法；具体包括：
S41、选择起始Z平面，起始Z平面的选择方式为：选择物项吊运的起始点和终点坐标中Z坐标较大点的Z坐标作为起始Z平面；
S42、将障碍物栅格矩阵进行障碍物矩阵维度变换，对确定Z平面的三维的障碍物栅格矩阵降维成二维的障碍物矩阵，即对于Z平面的障碍物栅格矩阵去掉Z坐标，变换成二维栅格点矩阵；
S43、采用二维A*路径规划算法，计算吊运起点、吊运终点在Z平面的最优轨迹；二维A*路径规划算法中采用欧式距离最短为算法代价函数，并且通过四向搜索的方式来拓展下一栅格点；
S44、根据二维A*路径规划算法的计算结果来判断当前Z平面是否存在可行吊运路线，若吊运起始点和终点之间存在障碍物栅格点时，则当前Z平面不存在可行吊运路线；若当前Z平面存在可行吊运路线时，执行S45；
S45、判断当前Z平面是否到达最大可吊运高度，若当前Z平面大于核设施厂房自身的最大高度时，增加Z的高度将碰撞厂房顶部，算法结束；若当前Z平面小于于核设施厂房自身的最大高度时，执行S46；
S46、Z平面增加Δh，以z＝z+Δh的平面作为新的Z平面继续进行物项吊运的空间轨迹规划；
S47、对起点Z平面，终点Z平面的垂直方向上的吊运轨迹以及最终Z平面的可行轨迹进行整合，形成最终的物项吊运空间轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法，其特征在于，步骤S1中从BIM场景模型中获取三维核设施厂房的场景数据包括核设施厂房三维尺寸大小，核设施厂房内的具体空间布置；
获取的物项吊运相关参数包括物项吊运的起始点和终点的具***置坐标，待吊运的物项包围盒的三维尺寸大小。
3.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法，其特征在于，步骤S2中对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；包括：
S21、定义compress参数为核设施厂房的BIM三维模型场景的栅格化压缩比例，对核设施厂房的场景数据以及待吊运物项的相关参数进行处理，以实际场景参数尺寸和获取的吊运物项相关参数与定义的compress参数之比，得到栅格化后的场景参数；所述栅格化的场景参数包括核设施厂房三维模型数据、核设施厂房内三维障碍场矩阵、物项吊运起始点和终点、待吊运物体包围盒尺寸大小；
S22、对栅格化后的场景参数的尺寸数据，进行简化处理；其中不满一个栅格的部分，通过ceil函数向上取整简化处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法，其特征在于，步骤S47中整合的轨迹包括：起点Z平面到最终Z平面的垂直方向上的拉升吊运，最终Z平面内的二维吊运轨迹，最终Z平面垂直方向上下降到终点位置。
5.一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划***，其特征在于，该***支持如权利要求1至4中任一所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法，该***包括：
获取单元，用于从BIM三维场景模型中获取三维核设施厂房的场景数据，同时获取物项吊运相关参数；
栅格化处理单元，用于对获取的场景数据及物项吊运相关参数进行栅格化处理，得到栅格化的场景参数；
障碍物处理单元，用于根据栅格化的场景参数，物项吊运过程中，进行障碍物数据预处理，得到障碍物栅格矩阵；
物项吊运空间轨迹规划单元，用于根据所述障碍物栅格矩阵，采用三维物项吊运空间轨迹A*方法进行物项的吊运空间轨迹规划，得到物项吊运空间轨迹规划结果；
输出单元，用于输出所述物项吊运空间轨迹规划结果；
所述物项吊运空间轨迹规划单元的执行过程如下：
选择起始Z平面，起始Z平面的选择方式为：选择物项吊运的起始点和终点坐标中Z坐标较大点的Z坐标作为起始Z平面；
将障碍物栅格矩阵进行障碍物矩阵维度变换，对确定Z平面的三维的障碍物栅格矩阵降维成二维的障碍物矩阵，即对于Z平面的障碍物栅格矩阵去掉Z坐标，变换成二维栅格点矩阵；
采用二维A*路径规划算法，计算吊运起点、吊运终点在Z平面的最优轨迹；二维A*路径规划算法中采用欧式距离最短为算法代价函数，并且通过四向搜索的方式来拓展下一栅格点；
根据二维A*路径规划算法的计算结果来判断当前Z平面是否存在可行吊运路线，若吊运起始点和终点之间存在障碍物栅格点时，则当前Z平面不存在可行吊运路线；若当前Z平面存在可行吊运路线时，执行以下判断；
判断当前Z平面是否到达最大可吊运高度，若当前Z平面大于核设施厂房自身的最大高度时，增加Z的高度将碰撞厂房顶部，算法结束；若当前Z平面小于于核设施厂房自身的最大高度时，执行以下操作；
Z平面增加Δh，以z＝z+Δh的平面作为新的Z平面继续进行物项吊运的空间轨迹规划；
对起点Z平面，终点Z平面的垂直方向上的吊运轨迹以及最终Z平面的可行轨迹进行整合，形成最终的物项吊运空间轨迹。
6.根据权利要求5所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划***，其特征在于，所述的对起点Z平面，终点Z平面的垂直方向上的吊运轨迹以及最终Z平面的可行轨迹进行整合，整合的轨迹包括：起点Z平面到最终Z平面的垂直方向上的拉升吊运，最终Z平面内的二维吊运轨迹，最终Z平面垂直方向上下降到终点位置。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的一种基于BIM技术的物项吊运空间轨迹规划方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110838413.7A CN113467469B (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种基于bim技术的物项吊运空间轨迹规划方法及*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110838413.7A CN113467469B (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种基于bim技术的物项吊运空间轨迹规划方法及*** |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113467469A CN113467469A (zh) | 2021-10-01 |
| CN113467469B true CN113467469B (zh) | 2024-01-23 |
Family
ID=77882147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110838413.7A Active CN113467469B (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种基于bim技术的物项吊运空间轨迹规划方法及*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113467469B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017173990A1 (zh) * | 2016-04-07 | 2017-10-12 | 北京进化者机器人科技有限公司 | 一种机器人避障中的最短路径规划方法 |
| WO2018103242A1 (zh) * | 2016-12-09 | 2018-06-14 | 武汉科技大学 | 一种基于运动学习的四旋翼无人机电塔巡检方法 |
| CN108444482A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-08-24 | 东北大学 | 一种无人机自主寻路避障方法及*** |
-
2021
- 2021-07-23 CN CN202110838413.7A patent/CN113467469B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017173990A1 (zh) * | 2016-04-07 | 2017-10-12 | 北京进化者机器人科技有限公司 | 一种机器人避障中的最短路径规划方法 |
| WO2018103242A1 (zh) * | 2016-12-09 | 2018-06-14 | 武汉科技大学 | 一种基于运动学习的四旋翼无人机电塔巡检方法 |
| CN108444482A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-08-24 | 东北大学 | 一种无人机自主寻路避障方法及*** |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 单边矩形扩展A~*算法;李冲;张安;毕文豪;;机器人(第01期);全文 * |
| 李冲;张安;毕文豪.单边矩形扩展A~*算法.机器人.2017,(第01期),全文. * |
| 葛笑寒.融栅格法和人工势场法的机器人三维路径规划.安阳工学院学报.2019,(第02期),全文. * |
| 融栅格法和人工势场法的机器人三维路径规划;葛笑寒;;安阳工学院学报(第02期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113467469A (zh) | 2021-10-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102520718B (zh) | 一种基于物理建模的机器人避障路径规划方法 | |
| CN112669434B (zh) | 一种基于网格与包围盒的碰撞检测方法 | |
| Kang et al. | Planning and visualization for automated robotic crane erection processes in construction | |
| TWI428778B (zh) | 碰撞判定裝置及碰撞判定程式 | |
| Schauer et al. | Collision detection between point clouds using an efficient kd tree implementation | |
| US20160247067A1 (en) | Method and system for intelligent crane lifting | |
| CN107767453B (zh) | 一种基于规则约束的建筑物lidar点云重构优化方法 | |
| CN113593030B (zh) | 基于三维模型的地质剖面图生成方法、***、终端及介质 | |
| CN109472870B (zh) | 一种基于网格重构和多影响域修正的模型匹配方法 | |
| CN104851126A (zh) | 基于广义圆柱体的三维模型分割方法及装置 | |
| CN101866179A (zh) | 三维空间约束下的船舶分段吊装仿真*** | |
| CN110111408A (zh) | 基于图形学的大场景快速求交方法 | |
| CN114633258A (zh) | 一种隧道环境下机械臂运动轨迹的规划方法及相关装置 | |
| CN102799725B (zh) | 一种搬运机器人进行离线码垛时有效码垛区域的确定方法 | |
| CN115795632A (zh) | 一种基于标记点云的自动几何孪生方法和*** | |
| CN104346832B (zh) | 一种三维自锁模型的生成方法 | |
| WO2019033059A1 (en) | AUTOMATED GENERATION OF A MESH | |
| CN113467469B (zh) | 一种基于bim技术的物项吊运空间轨迹规划方法及*** | |
| CN114896666A (zh) | 一种基于bim技术的通航隧洞参数化模型建立方法及*** | |
| CN102208111A (zh) | 群体动画运动控制***及方法 | |
| CN108898679A (zh) | 一种零部件序号自动标注的方法 | |
| CN108986212B (zh) | 一种基于裂缝消除的三维虚拟地形lod模型的生成方法 | |
| Fan et al. | Fast global collision detection method based on feature-point-set for robotic machining of large complex components | |
| CN109583102A (zh) | 一种钢筋混凝土支撑设计的优化方法、装置及*** | |
| CN111862331B (zh) | 一种基于cpu运算的模型体素化效率优化的方法及其*** |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |