多障碍环境中塔机主动安全作业方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于塔机安全控制领域，设及一种多障碍环境中塔机主动安全作业方法。
【背景技术】
[0002] 塔式起重机在工业和民用建筑施工中应用极其广泛。为保证塔机运行的安全性， 国家质检总局、国家标准化管理委员会联合颁布了《塔式起重机安全规程》，禁止塔机塔臂、 塔机吊钩与障碍物发生碰撞，且禁止塔机吊钩通过学校、商业街、人行道等危险空域。目前 市场出现了一些塔机防撞产品：如法国SMIE公司的AC30系统，韩国WEC0N公司的ATC-10 系统、新加坡E-Build公司的TAC3000系统、成都新泰起重安全系统有限公司的塔机区域保 护系统、山东富友慧明测控设备有限公司的空间限制装置。运些防碰系统都是在通过传感 器获取塔机运动参数的基础上，通过几何计算来判断塔机与障碍物是否即将发生碰撞，如 有可能，即停机避让，运些技术由于没有根据塔机的作业轨迹特点及障碍物的分布情况规 划塔机的运行路线，只能在机构检测或塔机司机意识到有危险发生时，司机依靠经验改变 塔机的运动轨迹，使其避开障碍物。在多障碍环境中，运种被动的防碰方法常导致操作者在 塔机的回转、变幅、起升运动间进行多次切换，不仅劳动强度大，作业效率低，对塔机司机的 技术要求也很高，而且频繁切换对塔机造成了较大的冲击，会缩短塔机使用寿命。
【发明内容】
[0003] 为了解决塔机在多障碍环境中作业时不能主动避开障碍物、作业效率低、防碰操 作技术要求高，且对塔机冲击大的问题，本发明公布一种多障碍环境中塔机主动安全作业 方法，该方法按W下步骤实施：
[0004] 步骤1、根据塔机运动特点，将塔机作业环境中的多个障碍物用禁行区集合表示；
[0005] 将塔机作业范围内的障碍物在水平面内投影，得到原始禁行区；根据塔臂的回转 运动特点，将不规则的原始禁行区修正为扇形；W集合形式表示禁行区的内、外圆弧半径对 塔机变幅的约束、禁行区的圆屯、角对塔臂回转的约束、障碍物高度对塔机起升高度的约束， 并求各集合的交集，得到一个塔机禁行区集合；若有多个障碍物和塔机发生干设，用同样方 法处理，得到多个塔机禁行区集合；求多个禁行区集合的并集，就得到多障碍环境中的塔机 禁行区集合；运样，塔机作业环境中的多个障碍物就转变为塔机禁行区集合。
[0006] 步骤2、在塔机吊钩目标点及禁行区邻域，设置缓冲区，并W集合形式表示；
[0007] 为了使塔机不因惯性作业进入禁行区，并准确地停在目标点，在塔机禁行区邻域 及吊钩目标点，W塔机变幅、回转、起升机构的制动距离作为塔机变幅、回转、起升运行缓冲 区，求塔机变幅、回转、起升运行缓冲区的并集，得到塔机运行缓冲区集合；
[0008] 步骤3、根据禁行区和缓冲区集合，建立多障碍环境中塔机主动安全作业势场模 型；
[0009] 为了使塔臂、塔机吊钩不进入禁行区，在禁行区、缓冲区与塔臂、塔机吊钩间设置 斥力势场，建立禁行区、缓冲区与塔臂间的斥力势场模型，及禁行区、缓冲区与塔机吊钩间 的斥力势场模型；为了使塔机吊钩向目标点靠近，在目标点与塔机吊钩间设置引力势场，建 立目标点与塔机吊钩间的相对位置引力势场模型；综合斥力势场模型和引力势场模型模 型，得到多障碍环境中塔机主动安全作业势场模型。
[0010] 步骤4、根据塔机所受势场引力和势场斥力的合力，进行塔机主动安全作业决策；
[0011] 求禁行区、缓冲区与塔臂间斥力势场的负梯度，及禁行区、缓冲区与塔机吊钩间斥 力势场的负梯度，得到禁行区、缓冲区对塔臂、塔机吊钩产生的斥力；求目标点与塔机吊钩 间的引力势场模型的负梯度，得到目标点到对塔机吊钩产生的引力；塔机所受斥力和引力 的合力就决定了塔机变幅、回转、起升机构的运动方向，在斥力和引力的共同作用下，塔机 吊钩就能绕过一系列障碍物，准确将吊重送到终点，实现塔机主动安全作业。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是，多障碍环境中塔机主动安全作业方法依 靠势场斥力和势场引力的综合作用改变塔机的运动路径，主动避开障碍物，实现了塔机的 主动安全；避免了塔机变幅、回转、起升机构运动方向不明确而频繁地切换塔机运动状态， 减少了运动状态切换对塔机的冲击，有利于提高塔机使用寿命，并降低了对塔机司机的技 术要求，减轻了司机的劳动强度，还为塔机实现自动化及无人化操作准备了技术基础。
【附图说明】
[0013] 图1为障碍环境中塔机主动安全作业方法的流程示意图；
[0014] 图2为塔机吊钩禁行区的俯视图。
【具体实施方式】
[0015] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合附图与具体实施方 式，对本发明进行详细描述。应该说明，运些描述只是示例性的，且省略了对公知技术的描 述，但并非要限制本发明的范围。下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0016] 参照图1，本发明的多障碍环境中塔机主动安全作业方法，具体包括如下几个步 骤：
[0017] 步骤1、根据塔机运动特点，将塔机作业环境中的多障碍物用禁行区集合表示； 阳01引 化塔机回转中屯、0为坐标原点，W正西方向为X轴正向，正北方向为Y轴正向，竖 直向下为Z轴正向，建立柱坐标系。W塔机起重臂在正西方向的回转角为基准零度。并规 定：在塔机运动过程中，塔机塔臂顺时针回转速度为负，逆时针回转速度为正；塔机小车向 内变幅速度为负，向外变幅速度为正；塔机吊钩向下运动速度为负，向上运动速度为正。
[0019] 根据障碍物的特点，将障碍物在水平面X0Y上的投影分为塔臂禁行区与吊钩禁行 区，塔臂禁行区通过限制塔臂的回转运动来规避障碍物，对于塔机吊钩禁行区，在吊钩进入 禁行区之前，可W通过吊钩的向上起升或者变幅运动两种方式来主动规避障碍物。但在塔 机工作区域内，若存在学校、商业街、人行道、铁路时，禁止塔机所吊重物进入其上空，W免 重物掉落伤及行人或损毁设备，因此当塔机经过运类障碍物时采用变幅运动来规避障碍 物。
[0020] 在塔机作业范围内，若某障碍物i的俯视图为如图2所示的不规则区域，根据塔机 运动特点，对由该不规则区域围成的原始禁行区i进行如下处理塔机的回转中屯、为起 点，画最左、最右两条边界线，与塔机作业范围内的原始禁行区i的最左、最右端相接，得到 新禁行区i的最小方位角与最大方位角θ"_，再W塔机回转中屯、为圆屯、，W回转中 屯、到原始禁行区i的最短距离rmiM和最长距离r"_为半径，画两圆弧与原始禁行区i的最 左、最右边界相交，然后将由两条边界线与内、外圆弧围成的区域拉伸到障碍物i的最大高 度山。《，形成禁行区Pi，如图2所示。
[0021] 根据塔机工作特点，将塔机运动分解为小车变幅、塔臂回转及吊钩起升运动，为避 免碰撞，塔机各运动机构都不允许进入禁行区。用Pi(Pfi，Pei，Pj表示禁行区中的任一点， 则PfiE[；Tmini，rmaxi]、P0lE[Θmini, 0maxi]、PhiE[0,hmaxi];禁行区中所有点的集合构成禁行 区Pi，可用P"、Pei、Phi的交集表示，即Pi=P"nPeiHPhi;对于塔机吊钩的禁行空域Pi， 用P。、Pe，的交集表示，即P=PuHPe若塔机作业范围内有η个障碍物，则塔机禁行区 可W用运些障碍物对应的禁行区的并集表示，即Ρ=PiU…UΡ1U…UΡ。。
[0022] 步骤2、在塔机吊钩目标点及禁行区邻域，设置缓冲区，并W集合形式表示；
[0023] 将塔机在制动后因惯性作用滑行的距离定义为制动距离。假定塔机当前角速度为 ω，塔机在回转制动力矩T的作用下，因惯性作用滑行的距离为Ze。根据动能定理，得：
[00%]式中：J。为塔臂转动惯量，r为塔机小车变幅，m为吊重物质量。
[0027] 同理可求得塔机的变幅制动距离Zf、起升制动距离Zh:
[0030] 式中：Vr为小车变幅速度，Fr为小车制动力，Vh为吊钩运行速度，Fh为起升机构制 动力，g为当地重力加速度。
[0031] 为了使塔机不因惯性作用进入禁行区P，并准确地停在目标点，在塔机禁行区邻域 及吊钩目标点，设置缓冲区Q，其区间长度为制动距离。用Q(Qf'，Qe'，Qh'）表示禁行区中的 任一点，则当塔机小车向内变幅时，Qr'e[；Tmin，：rmin+Zr)，向外变幅时，Qr'e[；Tmax-Zr，；rmax); 当塔机逆时针回转时，Qe'E[0mh-Ze，0mJ，顺时针回转时，Qe'e[0max, 0max+Ze);当塔 机吊钩起升时，Qh' =比max-Zh，hmJ，下降时，Qh' = [0，hb);对于在目标点XgOg，0g，hg)处 设置的缓冲区，]"。1。=]"。。,=]"目，0。1。=0">。=<=0目，山。^=11目;用缓冲区中所有点的集合表 示缓冲区Q，则变幅缓冲区为Qf=Qf'nPeOPh;回转缓冲区为Qe=Qe'nPfHPh;起升 缓冲区为Qh=Qh'ηPfHPe，整个缓冲区为Q=QfUQeUQh;若塔机作业范围内有η个 缓冲区，则所述的塔机缓冲区集合可W用运些缓冲区的并集表示，即Q=QiU…UQ1U… UPn。
[0032] 步骤3、根据禁行区和缓冲区集合，建立多障碍环境中塔机主动安全作业势场模 型。
[0033] 所述的多障碍环境中塔机主动安全作业势场模型，其特征在于，W塔机吊钩、塔臂 (包括起重臂和平衡臂）作为受控目标，w塔机吊运货物的停放点作为目标点，为了使塔机 吊钩及塔臂不进入禁行区，在禁行区、缓冲区与塔机吊钩及塔臂间设置斥力势场，建立禁行 区、缓冲区与塔机吊钩间的斥力势场模型，及禁行区、缓冲区与塔臂间的斥力势场模型；为 了使塔机吊钩向目标点靠近，在目标点与塔机吊钩间设置引力势场，建立目标点与塔机吊 钩间的引力势场模型。
[0034] 所述禁行区、缓冲区与塔机吊钩间设置斥力势场模型，由下式定义：
[0035]
[0036] 式中：X=虹9，h]T为塔机吊钩的当前位置，X"= [r。，Θμ、]τ为禁行区P中距 塔机吊钩最近的