一种双起重机协同吊装系统载荷分配计算方法与流程

本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种双起重机协同吊装系统载荷分配计算方法。

背景技术

随着吊装需求越来越复杂，用两台或更多的起重机吊装已成为现代建筑工程的一种趋势，包括港口的运输业和传统石化工业的建筑业。然而，随着被吊物重量的增加，协同起重机吊装时的安全性也越来越受到重视。一般来说，在协同吊装中，每个起重机的载荷分配是安全影响的一个关键因素，它根据起重机的位姿不断变化。因此，在规划吊装路径时，需要考虑合理的负荷分配。

针对起重机在规划路径时的载荷动态分配问题，目前研究提出了多种解决方法。例如，一种基于起重机移动和非完整约束的方法针对履带式起重机采用固定的载荷，能够在短时间内生成高质量路径。一种基于建筑信息模型和遗传算法的方法在优化塔式起重机位置和操作时，同时采用固定的载荷。一种多智能体方法在规划起重机吊装路径时，给出了基于吊臂长度、变幅角和平衡力的载荷图，同时能够避免实时碰撞。一种基于可配置模型的算法设计了一种具有提升装置的提升对象模块，并讨论了不同类型的提升装置对应的物理模型。一种基于多目标并行的遗传算法针对载荷分配问题只给出了吊装时每个起重机的最大变幅角和最小变幅角。但是在现有的研究中，对于单台起重机的吊装规划只考虑了确定的载荷，不需要考虑载荷分配问题，同时，在吊装时没有考虑到载荷比。对于两台甚至多台起重机协同吊装系统，大多数研究只是给出了起重机变幅角的范围来避免与障碍物发生碰撞，没有给出载荷分配与起重机操作之间的关系和实际载荷的计算方法，同时也没有考虑吊装过程中的载荷比是否满足吊装要求。

总之，大多数现有路径规划的方法只是给出确定载荷或起重机变幅角变化范围。这些方法没有给出起重机的操作和每台起重机上实际载荷分配之间的关系。此外，大多数方法都没有考虑吊装过程中起重机的载荷比。由于随着起重机的操作而不断变化的载荷比超过一定范围后，起重机容易发生倾覆等事故，因此在规划吊装路径时需要计算实际载荷分配。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种双起重机协同吊装系统载荷分配计算方法，主要包括以下步骤：

s101：规划双起重机协同吊装路径；

s102：根据规划的吊装路径中每台起重机转台中心坐标，通过变幅和回转操作，得到每台起重机吊臂顶点坐标；

s103：由每台起重机吊臂顶点坐标，得到该台起重机的吊绳与被吊物的连接点坐标；

s104：基于力与力矩的平衡，根据两个连接点位置处和吊绳在静力平衡时的受力情况，计算得到每个吊绳承受的拉力；

s105：根据每个吊绳承受的拉力，得到每台起重机所分配到的载荷。

进一步地，在步骤s101中，在同一坐标系下，起重机转台中心坐标为：ci＝[xci,yci,zci]^t，i＝a,b，a、b分别代表两台起重机；得到的起重机吊臂顶点坐标为：其中，η1＝cosαicosβi，η2＝cosαisinβi，αi为起重机变幅角，βi为起重机回转角，li为吊臂长度，li为吊臂末端到转台中心的距离，i＝a,b,a、b分别代表两台汽车起重机。

进一步地，在步骤s102中，得到的两台起重机的吊绳与被吊物的两个连接点坐标分别为：其中，θi是吊绳偏斜角，hi是吊绳长度。

进一步地，在步骤s103中，两台起重机的吊绳承受的拉力分别为：其中，fa和fb分别是起重机a和起重机b的吊绳承受的拉力，m是被吊物总重量，g为重力加速度，h是被吊物高度。

进一步地，在吊装过程中，允许吊绳发生偏斜|θi|≤θ，θ是吊装过程中允许的最大偏斜角。

进一步地，两台起重机所分配的载荷分别为：

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：通过计算每台起重机分配到的载荷，提高实际吊装过程路径规划的可行性，避免了在吊装过程中复杂操作造成的超载等危险情况，提高了吊装过程的安全性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中一种双起重机协同吊装系统载荷分配计算方法的流程图；

图2是本发明实施例中双起重机协同吊装系统示意图；

图3是本发明实施例中双起重机协同吊装路径示意图；

图4是本发明实施例中起重机a在路径中的操作顺序示意图；

图5是本发明实施例中起重机b在路径中的操作顺序示意图；

图6是本发明实施例中每个起重机上分配的载荷的示意图；

图7是本发明实施例中实际载荷与额定载荷之比的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种双起重机协同吊装系统载荷分配计算方法，其中，两台起重机是同样的汽车起重机。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种双起重机协同吊装系统载荷分配计算方法的流程图，具体包括如下步骤：

s101：规划双起重机协同吊装路径；

s102：根据规划的吊装路径中每台起重机转台中心坐标，通过变幅和回转操作，得到每台起重机吊臂顶点坐标；

s103：由每台起重机吊臂顶点坐标，得到该台起重机的吊绳与被吊物的连接点坐标；

s104：基于力与力矩的平衡，根据两个连接点位置处和吊绳在静力平衡时的受力情况，计算得到每个吊绳承受的拉力；

s105：根据每个吊绳承受的拉力，得到每台起重机所分配到的载荷。

请参考图2，图2为本发明实施例中双起重机协同吊装系统，已知起重机转台中心坐标：ci＝[xci,yci,zci]^t(i＝a,b)。

通过变幅和回转操作，起重机吊臂顶点坐标可以表示为：

其中，η1＝cosαicosβi，η2＝cosαisinβi，αi为起重机变幅角，βi为起重机回转角，li为吊臂长度，li为吊臂末端到转台中心的距离。

根据几何关系，两台起重机的吊绳与被吊物的两个连接点坐标分别为：

其中，θi是吊绳偏斜角，hi是吊绳长度。

通过几何关系，可以得到如下公式：

其中，l是被吊物长度，h是被吊物高度。

通过两个连接点之间的位置几何关系，可以得到如下公式：

综合公式(5)和(6)，可以得到如下公式：

由于双起重机协同吊装过程复杂，因此需要通过缓慢稳定的运行来保证安全。因此，可以通过分析每根吊绳在静力平衡时的受力情况，即力和力矩之和为零，来计算出每台起重机的实际载荷。因此，基于力与力矩的平衡，可以得到如下表达式：

fasinθa＝fbsinθb(8)

facosθa+fbcosθb＝mg(9)

farsin(γa-θa)＝fbrsin(γb-θb)(10)

其中，r为被吊物的重心与连接点之间的距离，fa和fb分别是起重机a和b所受拉力，m是被吊物总重量，g为重力加速度。

在吊装过程中，原则上不允许吊绳发生偏斜。但在实际吊装过程中，由于起重机本身的特性和复杂的吊装环境，在保证安全的条件下，允许吊绳发生一定的偏斜，在允许的范围之内都以吊绳是垂直的情况进行处理。

|θi|≤θ(11)

其中，θ是吊装过程中允许的最大偏斜角。

当吊绳垂直时，公式(7)可以表示为：

根据公式(4)和(12)，可以计算得到：

当吊绳垂直时，公式(10)可以表示为：

其中，

根据公式(9)、(13)、(14)和(15)，可以计算得出吊绳垂直时每个吊绳所受拉力的大小为：

其中：

基于以上公式，每台起重机所承担的实际载荷为：

通过以上公式计算，能够得到每台起重机承担的实际载荷与两台起重机姿态的关系。

请参考图3，图3是本发明实施例中双起重机协同吊装路径示意图，双起重机协同吊装任务是将被吊物从初始位置吊装到目标位置。

请参考图4和图5，图4是本发明实施例中起重机a在路径中的操作顺序示意图，图5是本发明实施例中起重机b在路径中的操作顺序示意图，luffing、slewing和ropelength分别代表路径序列中每一个点对应的变幅角、回转角和吊绳长度，这三个操作状态相较于上一步，哪一个操作状态发生了变化，那么这个序列点就对应的进行了该操作。根据分析可知，起重机每次扩展结点，即路径列中的每增加一个序列点时只进行一种操作，降低了操作的复杂性，保证了整个吊装过程的安全性。

请参考图6，图6是本发明实施例中每个起重机上分配的载荷的示意图，由图6可知，每台起重机的实际负载的变化很小，这意味着被吊物的倾斜角很小。载荷的分配和吊绳的偏斜角是由两个起重机的吊臂顶点的位置、吊绳的长度和被吊物的重量决定的。在两个吊绳偏斜角的限制下，两台起重机所分配的载荷是互补的。由公式(15)可知，当被吊物不发生倾斜时，两台起重机的载荷是相等的。根据公式(20)可知，当吊绳垂直时，两台起重机分配到的载荷是互补的，证明了载荷分配公式的有效性。此外，根据受力分析结果，无论吊绳是否偏斜，只要被吊物不发生倾斜，实际载荷在两个起重机上的分配是相等的。

请参考图7，图7是本发明实施例中实际载荷与额定载荷之比的示意图，实际载荷与额定载荷之比(loadratio)的结果表明，由于每台起重机的荷载比满足实际要求，该协同吊装路径对实际吊装过程具有一定指导意义。合理的载荷比是保证吊装过程安全的关键因素。不合理的载荷比会导致严重的事故，这意味着在规划吊装路径时需要考虑载荷比。

通过计算吊装过程中的动态载荷分配能提高实际吊装过程路径规划的可行性，避免了在吊装过程中复杂操作造成的超载等危险情况。

本发明的有益效果是：通过计算每台起重机分配到的载荷，提高实际吊装过程路径规划的可行性，避免了在吊装过程中复杂操作造成的超载等危险情况，提高了吊装过程的安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。