臂架式起重机车载控制器内吊装方案实时生成方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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 案实时生成方法及系统。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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体位置与形状进行测 绘，在计算机系统内建立其三维模型。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】
[0004] 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系统，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。
[0005] 为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
[0006] 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：
[0007] 步骤一，建立起重机圆桶坐标系
[0008] 以起重机回转中心在地面的投影为原点0,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0的距离，h表示点P到投影D之间的高度；
[0009] 记起重机吊臂臂头的空间位置为(r, A妁，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P，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；
[0010] 步骤二，扇格化存储吊装作业区环境数据
[0011] 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；
[0012] 步骤S21，将吊装作业区中的障碍物按照其外形进行分类；
[0013] 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；
[0014] 步骤三，吊装方案实时优化
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 步骤S34,计算每个转角下的吊装预选仰角；
[0020] 步骤四，生成吊装方案
[0021] 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。
[0022] 进一步地，步骤S22的具体步骤如下：
[0023] 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。
[0024] 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：
[0025] 记吊装物体源位置的坐标为Ρ。（ Φ。，d。，h。），目标位置的坐标为Pd( Φ d，dd，hd)，最大 变幅位置心若d。> d d，则dm= d。，否则dm= d d。
[0026] 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：
[0027] 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Γ的安全区 间；
[0028] 根据起重机的性能表，查询幅值不小于七的数据行，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。
[0029] 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：
[0030] 记吊臂在源变幅位置d。下的仰角范围为[β min，β_]，从可选臂长中选取最小值 作为预选臂长Q，继而计算出在源变幅位置d。下预选仰角cos β i= d。/!^;
[0031] 若1在[β min，β_]范围内，则1^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Ln并计算新的仰角β n，若0"在[β min，β_]范 围内，则选1^与β η为预选臂长与仰角；若新值β η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[e min，β_]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。
[0032] 进一步地，所述的步骤S34的具体过程如下：
[0033] 设前一转角为，预选仰角为f3b，依据吊臂旋转方向与步进值Φ3，与其相邻的 当前转角为Φ。，Φ。= Φ b+Φ,，吊装过程中初始臂长Li保持不变；
[0034] 依据当前转角Φ。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。位置，验证时通过β b计算出当前位置吊臂变幅值为d。= Li*cos β b，由转角 Φ。所在扇区环境数据决定的在d。位置的仰角范围为[β Min，0。_]，若f3b在此范围内，则 选用eb作为该转角Φ。下的吊装仰角；
[0035] 若I3b不在[β。_，|3。_]范围内，则吊臂按步进〇. 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。；
[0036] 若预选仰角大于等于85°，则吊臂在f3b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，再次进行〇. 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° ；
[0037] 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。