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0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。（ 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。
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Γ的安全区间； 根据起重机的性能表，查询幅值不小于4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。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Li，继而计算出在源变幅位置d。下预选仰角cos β i= d。/!^; 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！^在[β min, βΜΧ]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。
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，预选仰角为eb，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 s，吊装过程中初始臂长Li保持不变； 依据当前转角Φ。所在扇区的环境数据，验证前一转角的预选仰角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Cle=Li^cos |3b，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。_，0。_]，若f3b在此范围内，则选用 作为该转角Φ。下的吊装仰角； 若|3b不在[β。_，β_χ]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]^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. -种用于实现权利要求1所述方法的系统，其特征在于，该系统包括依次连接的建 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所述的系统，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（<i>，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 坐标原点〇的距离，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(r，A的，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所述的系统，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0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所述的系统，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。
【专利摘要】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系统，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，该系统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。
【IPC分类】B66C23-62, B66C13-18
【公开号】CN104528540
【申请号】CN201410722487
【发明人】任卫军, 张燕红, 焦生杰
【申请人】长安大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月1日