一种基于起重机车载控制系统的吊装模拟方法与流程

技术领域

本发明属于起重机车载控制系统领域，具体涉及一种基于起重机车载控制系统的吊装模拟方法。

背景技术：

随着起重机向大型化方向发展，起重机系统越来越复杂，扩展工况越来越多，用户作业难度大幅度提高，对起重机的安全性、作业效率、作业精度要求越来越高；另外，随着吊装工程向大型化、复杂化、精确化方向发展，国内外施工现场对人员、设备、环境的安全标准越来越严格，简单的手工计算已不能满足大型施工单位的需要。针对上述问题，国内外相关企业单位将虚拟仿真技术引入吊装领域，开发了不同版本的吊装模拟方法，但是均基于个人电脑，车载力限器电脑仅能进行起重性能查询和简单的起重机动作，没有吊装仿真功能。

在现有技术条件下，对于吊装模拟都是通过PC电脑进行，基于B/S架构或者C/S架构，没有与起重机控制系统进行数据通讯，吊装模拟过程仅仅作为粗略的方案，精度较低，无法精确保证吊装作业的安全性。另外，现有基于PC电脑的吊装模拟系统，功能较弱，臂架变形显示、碰撞检测、路径规划等功能模拟精度较低、运算时间较长，需要PC电脑具有良好的硬件配置，不适合在如起重机控制系统等硬件配置相对较低的系统上运行。

现有吊装模拟辅助功能的臂架变形仿真方法主要通过力学计算算出相应的每一节臂的挠度和转角，将该计算得到的挠度和转角加载到起重机模型上，但是由于起重机臂架变形涉及制造误差、非线性计算误差，通过力学计算方法得到的数据与实际测量数据有较大的偏差，所以吊装模拟的精度受到限制，不能够精确的指导吊装过程。

1、现有技术方案使用不方便，需要专业的个人电脑进行操作，起重机吊装作业通常在野外进行，缺少网络、高配置的PC电脑支持；

2、现有技术方案功能不全，运行效率低，碰撞检测、臂架变形显示、最小距离测量、路径规划、工况优选等功能相对独立；

3、现有技术方案无法与起重机控制系统进行数据交互，虽然有臂架变形，但是变形量通过力学计算得到，没有系统考虑制造误差、非线性计算误差，吊模方案精确性无法保障；

4、现有技术方案无法对吊装模拟方案与实际吊装过程进行对比、监控，无法保障用户实际操作安全。

技术实现要素：

为了克服上述缺陷，本发明的目的是提供一种运行在起重机车载控制系统上的吊装模拟方法及系统。起重机用户在吊装作业前，可以通过起重机车载控制系统进行吊装仿真，此项技术可以提前判断出吊装作业是否安全有效，并将判断出的有效工况发送给车载控制单元，便于车载控制单元对起重机的吊装过程进行实时而有效地控制。通过此项技术在起重机上的应用，起重机的安全性能和工作效率将得到显著的提升。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种基于起重机车载控制系统的吊装模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）建模：建模分为吊装设备建模与作业环境建模；

（2）工况优选及路径规划：力限器控制器智能处理单元根据建模的吊装需求进行运算，推荐满足吊装需求的工况，工况确定后，力限器控制器智能处理单元进行二次运算对吊装路径进行规划；

（3）吊装仿真：

a. 仿真过程及功能选择: 起重机吊装仿真动作包含：起升、回转、变幅、伸缩、吊钩旋转等动作；包含碰撞检测及最小距离计算、臂架变形显示、仿真过程录像及回放的辅助功能；

b．碰撞检测及最小距离计算：力限器上采用图形颜色差异叠加的算法，根据实时运动仿真计算的结果进行碰撞检测；

c. 臂架变形显示: 力限器控制器中包含通过吊重测试得到的臂架差值曲线的数学模型，通过将仿真模型的臂架的节点坐标代入数学模型计算得出每个节点的挠度及转角，将计算得到的挠度及转角加载到臂架骨骼节点上，完成臂架系统的变形仿真；

d．根据仿真过程中起重机的工况设定、动作顺序、动作方法进行记录，自动回放；根据仿真过程生成能够驱动起重机操作的参数化程序段。

吊装设备建模过程中，在起重机控制系统的显示器上画出对应的吊装设备外形；可对模型进行位置修改。

力限器控制器智能处理单元根据建模的吊装需求进行运算后，如果工况满足不了吊装需求，重新建模或者移动起重机站位，如果依然满足不了吊装需求，推荐其它能够满足需求的起重机型号。

力限器控制器智能处理单元进行二次运算对吊装路径进行规划时，采用蚁群算法，将起重机简化为3自由度机器人，建立相应的C-空间，考虑的因素包括路径最短、起重动作优先级和切换次数、起重机起重性能以及多台起重机协调策略。

碰撞检测及最小距离计算过程中，在包围体层次结构基础上，采用基于穿透率的广义/狭义二阶算法在剔除明显不相交的物体对，然后对可能相交的物体对作碰撞检测；最小距离计算时遍历两模型之间的相近点距离，根据模型位姿将法向相反方向的模型点过滤。

硬件系统组成包括：起重机控制系统的显示器、力限器控制器、吊臂角度传感器、吊臂长度传感器等；仿真模块基于力限器Linux系统，安装在力限器显示器上，实时读取力限器显示器及力限器控制器的数据。

本发明主要有以下优点：

1、目前现有的吊装模拟方法及系统都基于台式电脑或者笔记本电脑，由于台式电脑或者笔记本电脑配置高，吊装模拟系统能够运行，但是台式电脑或者笔记本电脑携带不方便，起重作业大多在户外进行，本发明通过在起重机显示器上进行吊装模拟，提高了吊装模拟的方便性、作业效率；

2、本发明通过精确的计算模拟，包含臂架碰撞检测等方法，提高了作业的安全性；

3、本发明通过仿真程序与起重机控制系统进行数据交互，对臂架系统能够精确的变形显示，极大的提高了作业安全性；

4、本发明通过对仿真过程以及与实际吊装过程的对比、监控，保障了用户实际操作的安全性。

附图说明

图1 系统的功能架构图；

图2臂架变形示意图；

图3臂架变形显示流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

1.硬件系统

本方案硬件系统组成为：起重机控制系统的显示器、力限器控制器、吊臂角度传感器、吊臂长度传感器等，其中吊臂角度传感器以及吊臂长度传感器通过检测，计算出起重机臂架姿态及吊重点坐标。系统的功能架构如图1所示。

其中仿真程序基于力限器Linux系统，采用Flash脚本控制方法编制，安装在力限器显示器上，可以实时读取力限器显示器及力限器控制器的数据。

2.系统架构

本发明以轮式起重机为对象，目的是在起重机控制系统上通过应用虚拟样机技术与虚拟仿真技术，与力限器控制器进行数据交互，协助客户制定、校核、完善吊装方案，进行工况优选，模拟仿真整体吊装过程，以提前发现实际吊装过程中可能存在的隐患(如碰撞、吊重超重、作业空间受限等)，同时也可为客户提供多种可选方案，并择优推荐，同时起重机控制系统记录仿真过程，仿真过程可以视频再现。本发明的逻辑流程见图1所示。

3.建模

建模分为吊装设备建模与作业环境建模。建模方法可以通过参数化数据录入，也可以通过触屏手工绘制，通过多段线、矩形、圆弧、圆、手绘线等方式进行在显示器上画出对应的吊装设备外形。同时为了建模后修改的方便，可以对模型进行位置修改，包含移动、缩放、旋转、修改等功能。

4.工况优选及路径规划

力限器控制器智能处理单元根据建模的吊装需求进行运算，首先推荐可以满足吊装需求的工况，如果满足不了吊装需求，用户可以重新建模，或者移动起重机站位，如果依然满足不了，系统会推荐其它能够满足需求的起重机型号。

用户确定工况后，力限器控制器智能处理单元进行二次运算对吊装路径进行规划，采用改进的蚁群算法，将起重机简化为3自由度机器人，建立相应的C-空间，主要考虑的因素有路径最短、起重动作优先级和切换次数、起重机起重性能以及多台起重机协调策略等，最后用户根据控制器推荐的路径，进行确认。

5. 吊装仿真

5.1 仿真过程及功能选择

起重机吊装仿真动作包含：起升、回转、变幅、伸缩、吊钩旋转等动作；包含碰撞检测及最小距离计算、臂架变形显示、仿真过程录像及回放等辅助功能。

5.2 碰撞检测及最小距离计算

在完成工况优选及路径规划后，系统将对整个吊装过程进行仿真，吊装仿真过程实时反馈当前吊装的状态信息，根据运算结果实时进行碰撞检测和最小距离计算。力限器上采用图形颜色差异叠加的算法，根据实时运动的snapshot进行碰撞检测。为了提高碰撞检测效率，在包围体层次结构基础上，采用基于穿透率的广义/狭义二阶算法在宏观上尽早剔除明显不相交的物体对，然后对可能相交的物体对作更精确的碰撞检测，从而加速碰撞检测速度。最小距离计算时遍历两模型之间的相近点距离，根据模型位姿将法向相反方向的模型点过滤，提高了计算效率。

5.3 臂架变形显示

由于起重机臂架长度越来越长，起重机臂架结构不能够等价于刚体，吊装仿真过程中不能忽略臂架变形的影响，臂架变形如图2所示，另外起重机性能表计算得到的起重性能已经考虑到了起重机臂架变形，所以为了保证吊装安装，仿真过程臂架必须采用变形显示。目前，解决臂架变形模拟的已有方法通过计算起重机的吊臂中每一节臂的挠度及转角，将该计算得到的挠度及转角加载到起重机模型中，完成基于虚拟现实的吊装伸缩臂挠度的仿真，但是实际起重机吊臂由于制造误差的存在，并且现有数据计算模型存在由于滑块间隙等引起的计算误差，所以起重机出厂前都会通过吊重测试进行标定。

本发明通过吊装模拟系统与力限器进行数据交互，解决了臂架变形精度低的问题。力限器控制器中包含了通过吊重测试得到的臂架差值曲线的数学模型，将通过臂架长度及角度传感器得到的臂架的节点坐标代入力限器数学模型计算得出每个节点的挠度及转角，将计算得到的挠度及转角加载到臂架骨骼节点（通过调用骨骼节点计算模块实现）上，完成臂架系统的变形仿真，此方法得到的臂架变形与起重机吊装过程中力限器系统控制的变形量完全一致，误差为零，解决了臂架变形对吊装精度的影响，具体流程如图3所示。由于起重机在出厂前需要对各个臂长的实际起重量和吊臂变形量进行标定，通过实际测量的结果对起重机吊重进行限制（起重机力限器原理），本方案将臂架变形信息与力限器程序相关联，可以很好的解决精度问题，保证吊装模拟与实际操作完全一致。

6.模拟过程起重机动作再现

根据仿真过程中起重机的工况设定、动作顺序、动作方法进行记录，显示器可以进行动作回放，用户根据回放可以进行参数确定或者适当修改，修正仿真模型及相关吊装参数。

吊装模拟：在进行实际吊装前，通过电脑对吊装过程进行二维或者三维模拟仿真，通过模拟验证吊装方案可行性，提高吊装作业安全性的方法。

路径规划：通过对起重机、吊装物体、吊装环境的设置，通过数学、物理运算，寻找到将吊装物体从初始位置移动到吊装目标位置的路径方法。

车载控制系统：通过车载显示器、力矩限制器等硬件装置对起重机各种动作进行控制。

车载显示器：安装在上车操纵室的正前方，是连接操作者与车辆的交互装置。操作者能通过显示器向车辆下发指令，同样显示器也能将上车信息以图像方式反馈给操纵者。

力矩限制器：臂架类起重机重要的安全保护装置，它根据实际的作业状态，按照特定的起吊特性曲线，自动对起重机进行力矩限制，防止起重机向危险方向动作。

车载控制单元：一种可编程逻辑控制器，通电后能下载、运行程序，具有运算处理能力的电子线路板。

车载智能处理单元：包括但不限于车载控制单元、车载交互显示装置。

工况代码：将起重机的各种状态组合（如配重重量、支腿状态、副臂长度、副臂角度等）进行统一编码得到，且车载智能处理单元能够识别的代码。

碰撞检测：起重机吊装过程中，提前对吊重物体与环境或者吊重物体与起重机会产生干涉引起的碰撞进行检测，避免实际吊装过程中由于碰撞带来的危险。

上车显示器：本发明所用起重机控制系统显示器为起重机的人机交互显示单元，支持flash及多媒体，可制作精美的界面，硬件资源强大，具备触摸型电容屏，支持拖动、滑动等操纵。

本发明构思的关键点1、能够运行在起重机显示器上；2、能够进行吊装模拟；3、具备臂架变形显示，保证安全性；4、具备碰撞检测功能，保证安全性。在2.系统架构中可以通过显示器和控制器结合进行模拟；吊臂变形模拟，可以通过其他算法进行模拟；碰撞检测功能，可以通过其他算法进行模拟。

用户将吊装物体及作业环境信息输入起重机车载显示器，起重机车载显示器通过显示器内置的智能处理单元进行运算，推荐给用户相应的优选工况，及作业路径规划，用户根据需要确认后，车载控制系统进行吊装模拟，根据作业环境发现有可能存在的安全问题，同时起重机车载控制系统会对模拟过程进行记录，用户根据吊装模拟结果可以减小作业过程中有可能存在的如吊臂变形带来的碰撞、吊装高度不够等问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。