一种针对臂架的防碰撞方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种针对臂架的防碰撞方法及系统。本发明的方法包括以下步骤：监测所述臂架之间的距离；当任意两个所述臂架之间的距离小于第一预设值大于第二预设值时输出警告提示；当任意两个所述臂架之间的距离等于或小于所述第二预设值时对所述臂架的位移轨迹进行预判并根据预判结果锁定所述臂架的位移轨迹，其中，只有增大臂架之间距离的位移有效其他的位移则被锁定。根据本发明的方法和系统能够有效避免臂架的碰撞从而提高凿岩台车使用的安全性；同时，本发明的方法实施简单，系统硬件成本低，具有很高的推广价值。
【专利说明】
一种针对臂架的防碰撞方法及系统
技术领域
[0001]本发明涉及隧道施工领域，具体说涉及一种针对臂架的防碰撞方法及系统。
【背景技术】
[0002]目前，我国在交通运输、水电基础建设、矿山挖掘中需大量的隧道施工工作。由于工作环境恶劣、劳动强度大、危险系数大、人力需求大，故急需提高施工过程的机械化。而设备的自动化与智能化能大大减轻施工过程中对人的依赖。
[0003]凿岩台车是一种凿岩设备，它能移动并支持多台凿岩机同时进行钻眼作业。因此凿岩台车被用于钻爆法岩石开挖，尤其是在隧道及地下工程采用钻爆法施工的过程中凿岩台车得到了广泛的应用。
[0004]为了支持多台凿岩机同时进行钻眼作业，通常一台凿岩台车上构造有多个臂架。由于每个臂架的作业位置不同，因此在将臂架移动到相应的作业位置的过程中，每个臂架具有不同的位移轨迹。这就导致在臂架进行位移的过程中由于位移轨迹的相交会出现臂架碰撞的情况。臂架的碰撞不仅会造成正常施工的中断，而且会损坏凿岩机。
[0005]因此，为了避免臂架的碰撞，需要一种针对臂架的防碰撞方法。
【发明内容】
[0006]为了避免臂架的碰撞，本发明提供了一种针对臂架的防碰撞方法，所述方法包括以下步骤:
[0007]监测臂架之间的距离；
[0008]当任意两个所述臂架之间的距离小于第一预设值大于第二预设值时输出警告提示；
[0009]当任意两个所述臂架之间的距离等于或小于所述第二预设值时对所述臂架的位移轨迹进行预判并根据预判结果锁定所述臂架的位移轨迹，其中，只有增大臂架之间距离的位移有效其他的位移则被锁定。
[0010]在一实施例中，当任意两个所述臂架之间的距离小于所述第一预设值大于所述第二预设值时监控所述臂架的位移趋势，当所述位移趋势为接近时令所述臂架进入减速位移状态，当所述位移趋势为远离时退出所述减速位移状态。
[0011]在一实施例中，在所述第一预设值与所述第二预设值之间设置一个或多个中间值，针对不同的区间设置不同的警告提示和/或不同的减速位移状态。
[0012]在一实施例中，当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时停止所述臂架的位移。
[0013]在一实施例中，所述方法还包括以下步骤:
[0014]当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时对所述臂架的位移轨迹重新规划所述臂架的位移轨迹。
[0015]在一实施例中，针对每个所述臂架设定相应的位移优先级，当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时保持位移优先级高的所述臂架的位移轨迹不变并重新规划位移优先级低的所述臂架的位移轨迹。
[0016]本发明还提出了一种针对臂架的防碰撞系统，所述系统包括:
[0017]距离监测器，其配置为监测臂架之间的距离；
[0018]报警器，其配置为当任意两个所述臂架之间的距离小于第一预设值大于第二预设值时输出警告提示；
[0019]位移锁定模块，其配置为当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时对所述臂架的位移轨迹进行预判并根据预判结果锁定所述臂架的位移轨迹，其中，只有增大臂架之间距离的位移有效其他的位移则被锁定。
[0020]在一实施例中，所述系统还包含减速控制模块以及位移趋势判断模块，其中:
[0021]所述位移趋势判断模块配置为当任意两个所述臂架之间的距离小于所述第一预设值大于所述第二预设值时监控所述臂架的位移趋势；
[0022]所述减速控制模块配置为当所述位移趋势为接近时令所述臂架进入减速位移状态，当所述位移趋势为远离时退出所述减速位移状态。
[0023]在一实施例中，在所述第一预设值与所述第二预设值之间设置一个或多个中间值，其中:
[0024]所述报警器配置为针对不同的区间设置不同的警告提示；
[0025]所述减速控制模块配置为针对不同的区间设置不同的减速位移状态。
[0026]在一实施例中，所述位移锁定模块配置为当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时停止所述臂架的位移。
[0027]在一实施例中，所述位移锁定模块配置为当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时对所述臂架的位移轨迹重新规划所述臂架的位移轨迹。
[0028]在一实施例中，所述系统还包含位移优先级设定模块，其中:
[0029]所述臂架优先级设定模块配置为针对每个所述臂架设定相应的位移优先级；
[0030]所述位移锁定模块配置为当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时保持位移优先级高的所述臂架的位移轨迹不变并重新规划位移优先级低的所述臂架的位移轨迹。
[0031]根据本发明的方法和系统能够有效避免臂架的碰撞从而提高凿岩台车使用的安全性;同时，本发明的方法实施简单，系统硬件成本低，具有很高的推广价值。
[0032]本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。
【附图说明】
[0033]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0034]图1是根据本发明一实施例的方法流程图；
[0035]图2是根据本发明一实施例系统结构简图。
【具体实施方式】
[0036]以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0037]凿岩台车是一种凿岩设备，它能移动并支持多台凿岩机同时进行钻眼作业。因此凿岩台车被用于钻爆法岩石开挖，尤其是在隧道及地下工程采用钻爆法施工的过程中凿岩台车得到了广泛的应用。
[0038]为了支持多台凿岩机同时进行钻眼作业，通常一台凿岩台车上构造有多个臂架。由于每个臂架的作业位置不同，因此在将臂架移动到相应的作业位置的过程中，每个臂架具有不同的位移轨迹。这就导致在臂架进行位移的过程中由于位移轨迹的相交会出现臂架碰撞的情况。臂架的碰撞不仅会造成正常施工的中断，而且会损坏凿岩机。
[0039]为了避免臂架的碰撞，本发明提出了一种针对臂架的防碰撞方法。首先根据凿岩台车通常的工况确定臂架碰撞发生机率较大的臂架距离区间。即确定两个臂架间的距离接近到什么程度时臂架有较大的几率发生碰撞。在本发明中，首先确定三个距离区间。确定第一预设值以及第二预设值，第一预设值大于第二预设值，臂架距离大于第一预设值为一个距离区间(正常工作距离区间)；在第一预设值与第二预设值之间为一个距离区间(报警距离区间)；小于等于第二预设值为一个距离区间(制动距离区间)。
[0040]在凿岩台车进行作业的过程中，监测臂架之间的距离。当任意两个臂架之间的距离大于第一预设值(正常工作距离区间)时继续正常作业；当任意两个臂架之间的距离小于第一预设值大于第二预设值(报警距离区间)时输出警告提示；当任意两个臂架之间的距离等于或小于第二预设值(制动距离区间)时对所述臂架的位移轨迹进行预判并根据预判结果锁定臂架的位移轨迹，其中，只有增大臂架之间距离的位移有效其他的位移则被锁定。
[0041]根据上述方法流程，不仅可以在臂架有碰撞趋势时及时提醒操作人员注意臂架运行轨迹以避免碰撞，而且可以在极限距离前自动阻止臂架的碰撞，从而提高凿岩台车使用的安全性。
[0042]接下来基于附图详细描述本发明一实施例的具体执行流程。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0043]如图1所示，首先执行步骤S100，距离监测步骤，在凿岩台车进行作业的过程中，监测臂架之间的距离。在步骤SlOO执行的过程中进行臂架间距判断，判断臂架间距是处于正常工作距离区间、报警距离区间或制动距离区间。在臂架间距判断过程中，针对多个臂架中的任意两个进行判断。
[0044]首先执行步骤Slll，判断臂架间距与第一预设值的关系。当任意两个臂架的间距大于等于第一预设值时，该两个臂架的间距处于正常工作距离区间。此时臂架继续正常工作，返回继续执行步骤SI 11，继续再次进行间距判断。
[0045]如果任意两个臂架的间距小于第一预设值时，则该两个臂架的间距处于报警距离区间或制动距离区间。此时需要进一步判断两个臂架的间距是处于报警距离区间还是制动距离区间。
[0046]进一步的，在本实施例中，当任意两个臂架之间的距离处于报警距离区间时监控臂架的位移趋势，当位移趋势为接近时说明臂架的碰撞可能正在逐渐增大，此时令臂架进入减速位移状态。在减速位移状态中，臂架的移动速度小于正常工作时的移动速度，这样就预留出更多反应时间以判断臂架是否会碰撞并进一步阻止臂架碰撞。当位移趋势为远离时说明臂架的碰撞可能正在逐渐减小，此时退出减速位移状态，令臂架以正常工作时的移动速度进行位移。
[0047]进一步的，在本实施例中，将报警距离区间进一步划分为多个小区间(在第一预设值与第二预设值之间设置一个或多个中间值)，针对不同的小区间设置不同的警告提示以及不同的减速位移状态。
[0048]具体的，在第一预设值与第二预设值之间设置第三预设值。即将报警距离区间划分为第一报警距离区间(小于第一预设值且大于等于第三预设值)以及第二报警距离区间(小于第三预设值且大于第二预设值)两个区间。对应第一报警距离区间以及第二报警距离区间分别设置第一警告提示以及第二警告提示，并分别设置第一减速位移状态以及第二减速位移状态。
[0049]例如，将第一警告提示设置为特定间隔的滴滴声，将第二警告提示设置为间隔小于第一警告提示的滴滴声。这样操作人员就可以根据滴滴声的间隔确定当前臂架间距的具体情况。
[0050]又例如，设置第二减速位移状态中臂架的位移速度小于第一减速位移状态中臂架的位移速度。这样就可以实现随着臂架的进一步接近，其位移速度进一步降低，从而更加有效的预留出更多反应时间以判断臂架是否会碰撞并进一步阻止臂架碰撞。
[0051]具体的，如图1所示，当步骤Slll判断臂架间距小于第一预设值后执行步骤S112，判断臂架间距与第三预设值的关系。当臂架间距大于等于第三预设值(且小于第一预设值)(第一报警距离区间)时执行步骤S113，输出第一警告提示。
[0052]然后执行步骤S114，位移趋势判断步骤。当臂架的位移趋势为接近时，执行步骤SI 15，令臂架进入第一减速位移状态。当臂架的位移趋势为远离时，执行步骤S141，令臂架退出减速位移状态。并且，当臂架的位移趋势为远离时，返回继续进行间距判断，重新判断臂架间距。由于臂架位移趋势为远离，此时臂架间距在第一报警距离区间的基础上向正常工作距离区间移动，因此在步骤S141后返回执行步骤S111。
[0053]在步骤S112中，当臂架间距小于第三预设值时，说明臂架间距位于第二报警距离区间或制动距离区间，此时需要进一步判断两个臂架的间距是处于第二报警距离区间还是制动距离区间。因此此时执行步骤S121，判断臂架间距与第二预设值的关系。当臂架间距大于第二预设值(且小于第三预设值)(第二报警距离区间)时执行步骤S122，输出第二警告提不O
[0054]然后执行步骤S123，位移趋势判断步骤。当臂架的位移趋势为接近时，执行步骤S124，令臂架进入第二减速位移状态。当臂架的位移趋势为远离时，执行步骤S142，令臂架退出减速位移状态。并且，当臂架的位移趋势为远离时，返回继续进行间距判断，重新判断臂架间距。由于臂架位移趋势为远离，此时臂架间距在第二报警距离区间的基础上向第一报警距离区间移动，因此在步骤S142后返回执行步骤S112。
[0055]在步骤S121中，当臂架间距小于等于第二预设值时，说明臂架间距位于制动距离区间，此时对所述臂架的位移轨迹进行预判并根据预判结果锁定臂架的位移轨迹，其中，只有增大臂架之间距离的位移有效其他的位移则被锁定。
[0056]在一具体的应用场景中，设定第二预设值为Sl(第一级别碰撞预警值)，第三预设值为S2(第二级别碰撞预警值)，第一预设值为S3(第三级别碰撞预警值碰撞临界值)，S1〈S2〈S3。
[0057]当两臂架之间距离区间介于S3和S2时，系统发出I级警告提示(第一告警提示)，并进入第一减速位移状态(A级轨迹控制模式)，控制执行机构使得臂架的速度减速δνΑ(δνΑ为A级轨迹控制模式下需要降低的速度)，并且执行位移趋势判断。
[0058]在位移趋势判断中，Tl时刻计算Δ Sl，Δ si为Tl时刻臂架间距与S3的差值;Τ2时刻计算Δ S2，Δ s2为T2时刻臂架间距与S3的差值，T2为Tl之后的时刻。如果Δ sl< Δ s2，表明T2时刻两个臂架的距离处于远离状态，以时间T为横坐标，以Δ s为纵坐标，绘制距离变化值曲线，可得知两个臂架远离或靠近的速度，一旦该曲线的斜率K值为负值时，退出减速模式。
[0059]当两臂架之间距离区间介于SI和S2时，系统发出II级警告提示，并且进入第二减速位移状态(B级轨迹控制模式)，控制执行机构使得臂架的速度δνΒ(δνβ为B级轨迹控制模式下需要降低的速度)，并且执行位移趋势判断。
[0060]在位移趋势判断中，Τ3时刻计算Δ S3，Δ s3为Τ3时刻臂架间距与S2的差值;Τ4时刻计算Δ S4，Δ s4为T4时刻臂架间距与S2的差值，T4为T3之后的时刻。如果Δ S3〈A S4，表明T4时刻两个臂架的距离处于远离状态，以时间T为横坐标，以Δ s为纵坐标，绘制距离变化值曲线，可得知两个臂架远离或靠近的速度，一旦该曲线的斜率K值为负值时，退出减速模式。[0061 ]当两臂架之间距离等于SI时，强制停止臂架动作，此时系统进行计算哪些动作可以使得臂架和其他物体的距离增大，即防止碰撞，只有增大臂架之间距离的动作有效其他的动作则被锁定。
[0062]具体的，在本实施例中，首先执行步骤S131，停止臂架的位移从而避免臂架碰撞。然后执行步骤S132，对臂架规划新的位移轨迹(不会发生碰撞的位移轨迹)。最后执行步骤S133，按照新规划的位移轨迹移动臂架。在本实施例中，仅在臂架间距小于等于第二预设值时才验证臂架位移轨迹轨迹(规划新的位移轨迹)。验证轨迹的运算系统消耗大大减小(距离测量系统消耗较少)。
[0063]在正常施工过程中，每个臂架的移动目标不同，其对应的施工目标也是不同的。不同的施工目标具有不同的施工优先级。在本实施例中，针对每个臂架设定相应的移动优先级(施工目标的优先级越高，相应臂架的移动优先级越高)。在步骤S132中，保持位移优先级高的臂架的位移轨迹不变并重新规划位移优先级低的臂架的位移轨迹。这样就可以尽可能的保证施工优先级高的施工目标的施工安排不被打乱。
[0064]进一步的，在步骤S131中，保持位移优先级高的臂架继续位移，仅停止位移优先级低的臂架的位移。
[0065]进一步的，当两个臂架一个正处于钻凿施工另一个处于位移状态时，在步骤S131中维持处于钻凿施工的臂架工作状态不变，停止处于位移状态的臂架的位移并在步骤S132中对处于位移状态的臂架规划新的位移轨迹。
[0066]在步骤S114中，如果臂架的位移趋势为接近，此时臂架间距在第一报警距离区间的基础上向第二报警距离区间移动。因此在步骤S115之后执行步骤S116，判断臂架间距与第三预设值的关系。当臂架间距大于等于第三预设值时执行步骤S113，输出第一警告提示。当臂架间距小于第三预设值时执行步骤S122，输出第二警告提示。
[0067]在步骤S123中，如果臂架的位移趋势为接近，此时臂架间距在第二报警距离区间的基础上向制动距离区间移动。因此在步骤S124之后执行步骤S125，判断臂架间距与第二预设值的关系。当臂架间距大于第二预设值时执行步骤S122，输出第二警告提示。当臂架间距小于等于第二预设值时执行步骤S131。
[0068]基于本发明的方法，本发明还提出了一种针对臂架的防碰撞系统。如图2所示，在本发明一实施例中，系统包括:
[0069]距离监测器201，其配置为监测臂架之间的距离；
[0070]报警器202，其配置为当任意两个臂架之间的距离小于第一预设值大于第二预设值时输出警告提示；
[0071]位移锁定模块203，其配置为当任意两个臂架之间的距离等于第二预设值时对臂架的位移轨迹进行预判并根据预判结果锁定臂架的位移轨迹，其中，只有增大臂架之间距离的位移有效其他的位移则被锁定。
[0072]进一步的，系统还包含减速控制模块212以及位移趋势判断模块211，其中:
[0073]位移趋势判断模块211配置为当任意两个臂架之间的距离小于第一预设值大于第二预设值时监控臂架的位移趋势；
[0074]减速控制模块配置212为当位移趋势为接近时令臂架进入减速位移状态，当位移趋势为远离时退出减速位移状态。
[0075]进一步的，在第一预设值与第二预设值之间设置一个或多个中间值，其中:
[0076]报警器202配置为针对不同的区间设置不同的警告提示；
[0077]减速控制模块212配置为针对不同的区间设置不同的减速位移状态。
[0078]进一步的，位移锁定模块203配置为当任意两个臂架之间的距离等于第二预设值时停止臂架的位移。
[0079]进一步的，位移锁定模块配置为当任意两个臂架之间的距离等于第二预设值时对臂架的位移轨迹重新规划所述臂架的位移轨迹。
[0080]进一步的，系统还包含位移优先级设定模块204，其中:
[0081 ]臂架优先级设定模块203配置为针对每个臂架设定相应的位移优先级；
[0082]位移锁定模块203配置为当任意两个臂架之间的距离等于第二预设值时保持位移优先级高的臂架的位移轨迹不变并重新规划位移优先级低的臂架的位移轨迹。
[0083]在一具体系统中，系统包含1.安装于各臂架上的雷达传感器。2.安装于驾驶室内的控制器。3.安装于驾驶室内的工控机。4.安装于驾驶室内的触摸显示屏。
[0084]本系统为通用性，可以在触摸屏人机交互界面在出厂前对该设备臂架的数量、臂架长度进行出厂设置。在工作时，由操作员对各臂架的目的地进行设置，系统软件可以通过计算，并选择出一条最优运动轨迹，直到操作员点击开始后，各雷达传感器对各臂架和其他物体的距离进行实时监测。当某一臂架和其他物体距离小于等于第二预设值时停止所有动作，并重新进行计算，再选择出一条最优轨迹。直到臂架到达目的地。
[0085]根据本发明的方法和系统能够有效避免臂架的碰撞从而提高凿岩台车使用的安全性;同时，本发明的方法实施简单，系统硬件成本低，具有很高的推广价值。
[0086]虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种针对臂架的防碰撞方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 监测臂架之间的距离； 当任意两个所述臂架之间的距离小于第一预设值大于第二预设值时输出警告提示； 当任意两个所述臂架之间的距离等于或小于所述第二预设值时对所述臂架的位移轨迹进行预判并根据预判结果锁定所述臂架的位移轨迹，其中，只有增大臂架之间距离的位移有效其他的位移则被锁定。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当任意两个所述臂架之间的距离小于所述第一预设值大于所述第二预设值时监控所述臂架的位移趋势，当所述位移趋势为接近时令所述臂架进入减速位移状态，当所述位移趋势为远离时退出所述减速位移状态。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第一预设值与所述第二预设值之间设置一个或多个中间值，针对不同的区间设置不同的警告提示和/或不同的减速位移状态。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时停止所述臂架的位移。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤: 当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时对所述臂架的位移轨迹重新规划所述臂架的位移轨迹。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，针对每个所述臂架设定相应的位移优先级，当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时保持位移优先级高的所述臂架的位移轨迹不变并重新规划位移优先级低的所述臂架的位移轨迹。7.一种针对臂架的防碰撞系统，其特征在于，所述系统包括: 距离监测器，其配置为监测臂架之间的距离； 报警器，其配置为当任意两个所述臂架之间的距离小于第一预设值大于第二预设值时输出警告提示； 位移锁定模块，其配置为当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时对所述臂架的位移轨迹进行预判并根据预判结果锁定所述臂架的位移轨迹，其中，只有增大臂架之间距离的位移有效其他的位移则被锁定。8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包含减速控制模块以及位移趋势判断模块，其中: 所述位移趋势判断模块配置为当任意两个所述臂架之间的距离小于所述第一预设值大于所述第二预设值时监控所述臂架的位移趋势； 所述减速控制模块配置为当所述位移趋势为接近时令所述臂架进入减速位移状态，当所述位移趋势为远离时退出所述减速位移状态。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述第一预设值与所述第二预设值之间设置一个或多个中间值，其中: 所述报警器配置为针对不同的区间设置不同的警告提示； 所述减速控制模块配置为针对不同的区间设置不同的减速位移状态。10.根据权利要求7-9中任一项所述的系统，其特征在于，所述位移锁定模块配置为当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时停止所述臂架的位移。11.根据权利要求7-10中任一项所述的系统，其特征在于，所述位移锁定模块配置为当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时对所述臂架的位移轨迹重新规划所述臂架的位移轨迹。12.根据权利要求7-11中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包含位移优先级设定模块，其中: 所述臂架优先级设定模块配置为针对每个所述臂架设定相应的位移优先级； 所述位移锁定模块配置为当任意两个所述臂架之间的距离等于所述第二预设值时保持位移优先级高的所述臂架的位移轨迹不变并重新规划位移优先级低的所述臂架的位移轨迹。
【文档编号】E21B44/00GK105888644SQ201610206372
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】刘飞香, 彼特·安德森, 程永亮, 郑大桥, 刘在政, 罗建利, 张圣, 方双普
【申请人】中国铁建重工集团有限公司