专利名称：起重机吊装物路径规划方法
技术领域：
本发明涉及起重机吊运领域，具体而言，涉及一种起重机吊装物路径规划方法。
背景技术：
随着社会的加速发展，石油、化工、冶金、电力、海洋工程、桥梁建设等快速的发展， 吊装工程也向复杂化发展。在吊装现场，先是由吊装工作人员依据吊装现场的场景制定初步吊装方案，然后地面吊装指导人员依据真实吊装修正初步吊装路径，最后由地面吊装指导人员依据修正后的吊装路径指导完成吊装。该种吊装方案中吊装路径是依据经验制定， 没有合理的理论推导机制，没有依据吊装原则进行吊装路径规划。因此，现在的吊装路径规划存在以下不足(1)可执行度不高，场景中障碍物对吊装路径的影响考虑不充分；(2)规划路径不一定是最优路径，没有对路径规划进行最优搜索。在专利
公开日为“2009年5月27日”，公开号为“CN101441736A”，发明名称为“汽车起重机机器人路径规划方法”的中国发明专利中，新乡市起重机厂有限公司提出了一种汽车起重机机器人路径规划方法。该路径规划方法是涉及汽车起重机机器人的路径规划方法，该方法基于神经网络能量函数的自主移动机器人路径规划算法，该方法定义路径总能量函数为碰撞函数罚函数与相应于路径长度部分能量函数加权和。通过检测路径点的出发点与目标点是否都在障碍物的轴线上，随即选择一个路径点，适当改变路径点坐标后再进行路径规划。在路径规划过程中检测路径点的位置是否在障碍物内，依据路径点位于障碍物内外的不同位置用不同的动态运动方程移动路径点的位置，使其朝着使总能量函数的函数值减小的方向运动，最终规划出最短的避障路径。上述的路径规划方法存在以下问题该方法将障碍物物假设为很简单的物体，没有充分考虑障碍物高度因素；该方法搜索的是最短路径，而在实践中需要的依据现场实用的吊装规则进行吊装路径搜索；该方法是基于神经网络算法，属于智能算法，该方法的收敛性以及稳定性较差。
发明内容
本发明旨在提供一种起重机吊装物路径规划方法，能够快速高效地计算出障碍物之间的距离，精确地寻找吊装规划路径，提高吊装物吊运的安全性和可靠性。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种起重机吊装物路径规划方法，起重机包括起重机转台和变幅机构，该方法包括将障碍物在起重机工作平面上进行投影；对投影进行极径化处理，将障碍物的坐标表达形式转换为极坐标表达形式；对位于吊装物路径上的障碍物进行分析，确定吊装物可通过路径；根据吊装原则确定吊装路径。进一步地，将障碍物在起重机工作平面上进行投影包括确定吊装物的工作区域； 对工作区域内的障碍物高度进行分析，确定需要进行投影的障碍物；选定起重机工作平面， 确定投影基准面；将需要进行投影的障碍物在投影基准面上进行投影。进一步地，将障碍物在起重机工作平面上进行投影之后，对投影进行极径化处理之前还包括对投影在投影基准面上的障碍物投影进行规则化处理，使该障碍物投影形成预定的图形形状，该图形形状为正多边形，矩形、圆形、或椭圆形。进一步地，对投影进行极径化处理，将障碍物的坐标表达形式转换为极坐标表达形式包括以起重机转台中心为回转中心，以回转中心距离吊装起点和吊装终点的距离中较大值为半径，确定吊装物的吊装区域；对吊装区域内的障碍物进行极径化处理。进一步地，对位于吊装物路径上的障碍物进行分析包括通过极坐标将吊装区域进行网格化处理，确定障碍物所在区域；建立网格化区域数据存储表，确定可行吊装工作区域；建立障碍物标识网格数据表。进一步地，通过极坐标将吊装区域进行网格化处理包括将吊装区域按照极径方向和极角变化方向分割为多个网格点；确定障碍物所在区域包括检验网格点是否在障碍物区域内，并将位于障碍物区域内的网格点标示为相应的障碍物编号；建立障碍物标识网格数据表包括将标示后的障碍物编号对应填入网格化区域数据存储表内，建立障碍物标识网格数据表。进一步地，检验网格点是否在障碍物区域内包括确定网格化区域内障碍物的极坐标范围，并将网格点转换为极坐标；将网格点转换的极坐标与障碍物的极坐标范围进行比较，确定网格点是否位于障碍物极坐标网格化区域范围内。进一步地，建立障碍物标识网格数据表之后，根据吊装原则确定吊装路径之前还包括分析障碍物标识网格数据表，建立吊装物在可行吊装工作区域内的变幅穿行直径表。进一步地，建立吊装物在可行吊装工作区域内的变幅穿行直径表之后，根据吊装原则确定吊装路径之前还包括分析障碍物标识网格数据表，建立吊装物在可行吊装工作区域内的回转穿行直径表。进一步地，建立吊装物在可行吊装工作区域内的回转穿行直径表之后，根据吊装原则确定吊装路径之前还包括比较吊装物的变幅穿行直径表和回转穿行直径表，确定吊装物的可穿行直径表。进一步地，根据吊装原则确定吊装路径中的吊装原则包括最短路径原则、最安全原则和需跨越障碍物的吊装路径规划。进一步地，根据吊装原则确定吊装路径包括根据确定的吊装原则选择吊装路径参数和参数权重，确定吊装路径。进一步地，当吊装原则为最短路径原则时，从吊装起点向吊装终点搜索路径，使吊装物进行回转运动；当遇到障碍物或者穿行半径小于吊装物时，路径朝靠近吊装终点方向变幅运动一格；再搜索新的路径，并测试此时的可穿行半径是否大于吊装物直径值；重复上述步骤。进一步地，当吊装原则为最安全原则时，从吊装起点使吊装物变幅到最小幅度；当遇到障碍物或者穿行半径小于吊装物时，路径朝变幅增大方向运动一格；搜索新的路径，并测试此时的可穿行半径是否大于吊装物直径值；重复上述步骤。进一步地，当进行需跨越障碍物的吊装路径规划时，首先对吊装路径进行搜索；当遇到必须跨越的障碍物区域时，将该障碍物取值标示为最大可穿行半径；重新进行路径规划，确定可行吊装路径。应用本发明的技术方案，起重机吊装物路径规划方法包括将障碍物在起重机工作平面上进行投影；对投影进行极径化处理，将障碍物的坐标表达形式转换为极坐标表达形式；对位于吊装物路径上的障碍物进行分析，确定吊装物可通过路径；根据吊装原则确定吊装路径。通过将障碍物进行极径化处理，使障碍物转换为极坐标，更加便利于表达同一回转中心的变幅运动，表达更加准确，从而保证吊装路径规划方法的收敛性更好，吊装物的吊装路径规划更加精确，吊装精度更高，安全性和可靠性更好。通过对吊装区域内的障碍物在投影基准面上的投影进行规则化处理，更加便于对障碍物的形状和位置进行分析、归纳和总结，使障碍物之间的关系更加规则化，便于对吊装物的可能吊装路径进行分析，使吊装路径规划更加易于实现，从而保证吊装物吊运时避开障碍物，并能够根据吊装原则确定所需的吊装路径。
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1示出了根据本发明的实施例的起重机吊装物路径规划方法的投影规则化示意图；图2示出了根据本发明的实施例的起重机吊装物路径规划方法的场景投影图；图3示出了根据本发明的实施例的起重机吊装物路径规划方法的实现流程图；图4示出了根据本发明的实施例的起重机吊装物路径规划方法的吊装区域划分示意图；图5示出了根据本发明的实施例的起重机吊装物路径规划方法的极坐标化的吊装区域示意图；图6示出了根据本发明的实施例的起重机吊装物路径规划方法的网格化吊装区域示意图；图7示出了根据本发明的实施例的起重机吊装物路径规划方法中障碍物为矩形时的网格化结构示意图；图8示出了根据本发明的实施例的起重机吊装物路径规划方法中障碍物为圆形时的网格化结构示意图；以及图9示出了根据本发明的实施例的起重机吊装物路径规划方法的吊装路径选择流程图。
具体实施例方式下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。如图1至图9所示，根据本发明的实施例，起重机包括起重机转台和变幅机构，起重机吊装物路径规划方法以起重机转台的旋转轴心为圆心，将吊装物从吊装起点到吊装终点所经过的区域进行划分，以极径坐标作为参考，将在吊装物吊装路径上的障碍物进行分析和投影，通过调整变幅机构实现吊装物的顺利吊装。请结合参见图1至图3所示，在起重机施工场景中，存在不同的障碍物，高度低的障碍物，可以跨越过去，该类障碍物不需要进行投影分析；对于高障碍物，需要采用绕开或穿行障碍物间隙。因此，在进行吊装路径规划之前需要首先确定吊装物的工作区域，然后对工作区域内的障碍物的高度进行分析，确定哪些障碍物需要进行投影，哪些障碍物可以直接跨越而无需进行投影。在确定需要进行投影的障碍物之后，选定起重机的工作平面，一般该工作平面为与水平面平行的起重机底面。在选定起重机工作平面之后，确定该工作平面为投影基准面，然后将需要进行投影的障碍物在投影基准面上进行投影。常规的障碍物间距采用计算两个三维障碍物空间间距，该方法计算复杂，成本较高。在工程使用允许一定的误差前提下，本发明的实施例采用投影方法进行障碍物距离计算，本实施例选择与水平面平行的起重机底面作为基准投影面，将起重机回转中心、障碍物、吊装起始点、吊装终止点投影到投影基准面；同时将不规则的障碍物进行规则化处理，使该障碍物投影形成预定的图形形状，该图形形状可以为正多边形，矩形、圆形、或椭圆形，并加上一定的安全距离。如图1所示，对投影在投影基准面上的障碍物投影进行规则化处理包括将与矩形相近的障碍物规则化为矩形、将与圆形相近的障碍物规则化为圆形、将与椭圆相近的障碍物规则化为椭圆形等。之后在投影基准面上对整体场景进行投影，包括对起重机转台中心、吊装物起始点、吊装物终点和障碍物进行投影。如图2所示，投影后的投影基准面上包括回转中心0、吊装起始点B、吊装终止点A和障碍物1至6。工程实际中的吊装，吊装物可能会和障碍物发生干涉的部位在障碍物边缘，因此将吊装工作区域进行平面化，将障碍物投影到平面区域；对平面区域的障碍物投影，在极坐标下分析同角度极径上两个障碍物之间距离，将该距离与吊装物可穿行直径(对于长方体物体该参数为长度值或宽度值，对于圆形为直径值，对于椭圆就是采用的长轴值)对比，若两障碍物间距大于吊装物直径，则该区域为吊装可穿越区域，若小于吊装物可穿行直径，则该区域为吊装物不可穿越区域。通过对吊装区域中的可穿越区域进行分析，并依据客户需要的不同的原则，可以选择不同的路径完成吊装规划。路径规划实现流程图如下图3所示。 在实际操作过程中，需要对吊装物短轴进行分析，例如分析椭圆短轴值、长方形的宽度值作为吊装物穿行直径，此时需要时时分析障碍物整体都能够穿过穿行路径，吊装物旋转或者平移都要求吊装物每个部分都不能与障碍物投影区域进行碰撞。因此，在此处，为了简便起见，可使用吊装物可穿行直径来表示吊装物的穿行值。起重机吊装过程，是将吊装物从吊装起点B吊到吊装终点A，如图4所示，以吊装起点B到回转中心0的距离OB和吊装终止点A到回转中心0的距离OA中的较大值为半径， 以回转中心0为圆心，以0Α、0Β为母线进行画弧，得到一个扇形区域0ADB。在吊装过程中， 常采用回转和变幅相结合的方式进行吊装，为安全起见，常将吊装操作变幅到较小的值，然后回转进行吊装作业，因此将最大幅度设置为OA与OB的较大值。图4得到的区域OADB可以看成吊装物经过的区域，也是本发明的实施例中讨论的吊装区域，其他区域的路径与障碍物则不进行分析讨论。因此，与本实施例的吊装路径相关的障碍物为障碍物1至4，障碍物5和障碍物6则不在吊装物的吊装区域内，可予以排除。在直角坐标中，每个障碍物的外形都有表达式，而在极坐标系中，其表达式又有不同。本发明的实施例当中需要进行投影表达式的转换，并得出极坐标系中表达式、极径长度范围和角度范围。在极坐标系中，圆心在Ονφ)半径为a的圆的方程为r2-2rrQCOS(e-cp)+rQ2=a2; rQ的范围为[!^r2]，φ的范围为[φι,φ2];而长方形可以看出四条线段组成的函数集合，将长方形表达式转化为四条直线表达式。转换坐标系后的吊装区域投影如图5所示其中的圆形和长方形分别代表不同的障碍物规则化之后在吊装区域内的投影。为计算同角度极径上的两障碍物间间距，将图5区域进行以网格化，将极径与角度等分，网格化吊装区域，为进行网格化数据处理，将障碍物进行标号，标号后的吊装区域图如图6所示。由于障碍物4位于有效吊装区域的最小极径之外，因此可以将障碍物4排除出吊装物吊装过程中所要考虑的障碍物之外。为获取网格化吊装区域对应的数据信息，建立与网格化区域对应的数据存储表， 数据存储表的形式如下所示
\Γ~~Θ Il I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 I 7 I 8 I 9 I 10 I 11 I 12 I 13 I 14 I 15 I 16 I 17 I ... I ^
^\___________________
R1-__0 0 0 0 0__0__0__0 0 0__0__0__0__0__0__0__0__0 0
κ,+m 0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~
K,n+A2R 0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~湖0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0_
0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~ 0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~ 0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~ I·0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~
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K1^m 0~~0~~0~~0~~0 0~~0 0~~0~~0 0 0 0 0 0 0 0 0~~0~ ^n+i4AR0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0__0_
κ,,+ism 0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~ ... 0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~ _5]|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o表1网格数据存储原始表其中Rmin代表吊装区域的最小极径值，Δ R代表单个网格的极径增加值，Θ·χ代表吊装区域的最大极角。通过以上表格，将可行区域划分为区域块，以此来进行区域分析。例如，网格化后，将吊装作业区域分为了 N个角度来划分区域，也将极径划分为M 段来进行网格化划分。1-17表示N中的从1-17网格区域，1-15表示M中的从1_15网格区域。R表示为极径，AR表示每个极径分段后的长度值；整个表表示为将吊装作业区域用M 个极径与N个角度划分后，障碍物在网格中区域的位置信息。分析图6中网格化后的吊装区域，每个角度对应网格点可能在不同的阴影投影区域，故要求分析网格点在投影区域的位置，若在投影区域，则将该点值标识为投影区域的标号，若不在则该值不变。如图7所示，当障碍物投影为长方形时，在极坐标系中，其re线段表达式为
P = ^-:, θ e [β, Y]，FC线段表达式ρ = +, θ e [α , y]；同理可以推导CD、⑶表 cos θSinfe1
达式。当校验网格点E是否在矩形GTOD障碍物投影范围内时，假设已知OE的角度为θ。，幅度为0E，计算线段FC与GD在θ = θ ^时的极径^与，校核此时OE的极径是否在 [rGD, rFC]内，同理校核OE*co/o θ q是否在[d，c]范围内，若OE在[rGD, rFC]内，且ΟΕ、ο/0 在[d，c]内，则可判定E点在障碍物区域内。若其中一个条件不满足，则网格点E不在障碍物区域内。网格点E代表等分的多个极径形成的弧度与多个极角所在极径的交点。如图8所示，校核网格点E是否在圆形阴影区域内时，若已知点E处对应的角度为 α，极径为0E，α角度对应的阴影区域的极径值为OM与0Ν，分析α是否在阴影图形对应的角度范围内，若在则继续分析此时OE是否在在
内，若在则说明此点在该阴影区域内。通过以上方法，对各网格点E进行校验，并将位于障碍物区域内的网格点E标示为其所在的相应障碍物编号，并对应表一上所在的网格点，按照障碍物编号进行标示。对于未在障碍物区域内的各网格点E，则继续保持该表中原始值(原始值为0)，可以得到表2
K~Γ1Γ1|~4Γ~5Γ~6p7|~8|~9I 10 I 11 I 12 I 13 I 14 I 15 I ... I 6' ________________二
权利要求
1.一种起重机吊装物路径规划方法，起重机包括起重机转台和变幅机构，其特征在于， 该方法包括将障碍物在起重机工作平面上进行投影；对投影进行极径化处理，将障碍物的坐标表达形式转换为极坐标表达形式； 对位于吊装物路径上的障碍物进行分析，确定吊装物可通过路径； 根据吊装原则确定吊装路径。
2.根据权利要求1所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，将障碍物在起重机工作平面上进行投影包括确定吊装物的工作区域；对工作区域内的障碍物高度进行分析，确定需要进行投影的障碍物； 选定起重机工作平面，确定投影基准面； 将需要进行投影的障碍物在投影基准面上进行投影。
3.根据权利要求1所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，将障碍物在起重机工作平面上进行投影之后，对投影进行极径化处理之前还包括对投影在投影基准面上的障碍物投影进行规则化处理，使该障碍物投影形成预定的图形形状，该图形形状为正多边形，矩形、圆形、或椭圆形。
4.根据权利要求1所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，对投影进行极径化处理，将障碍物的坐标表达形式转换为极坐标表达形式包括以起重机转台中心为回转中心，以回转中心距离吊装起点和吊装终点的距离中较大值为半径，确定吊装物的吊装区域；对吊装区域内的障碍物进行极径化处理。
5.根据权利要求1所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，对位于吊装物路径上的障碍物进行分析包括 通过极坐标将吊装区域进行网格化处理，确定障碍物所在区域； 建立网格化区域数据存储表，确定可行吊装工作区域； 建立障碍物标识网格数据表。
6.根据权利要求5所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，通过极坐标将吊装区域进行网格化处理包括将吊装区域按照极径方向和极角变化方向分割为多个网格点； 确定障碍物所在区域包括检验网格点是否在障碍物区域内，并将位于障碍物区域内的网格点标示为相应的障碍物编号；建立障碍物标识网格数据表包括将标示后的障碍物编号对应填入网格化区域数据存储表内，建立障碍物标识网格数据表。
7.根据权利要求6所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，检验网格点是否在障碍物区域内包括确定网格化区域内障碍物的极坐标范围，并将网格点转换为极坐标； 将网格点转换的极坐标与障碍物的极坐标范围进行比较，确定网格点是否位于障碍物极坐标网格化区域范围内。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，建立障碍物标识网格数据表之后，根据吊装原则确定吊装路径之前还包括分析障碍物标识网格数据表，建立吊装物在可行吊装工作区域内的变幅穿行直径表。
9.根据权利要求8所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，建立吊装物在可行吊装工作区域内的变幅穿行直径表之后，根据吊装原则确定吊装路径之前还包括分析障碍物标识网格数据表，建立吊装物在可行吊装工作区域内的回转穿行直径表。
10.根据权利要求9所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，建立吊装物在可行吊装工作区域内的回转穿行直径表之后，根据吊装原则确定吊装路径之前还包括比较吊装物的变幅穿行直径表和回转穿行直径表，确定吊装物的可穿行直径表。
11.根据权利要求1所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，根据吊装原则确定吊装路径中的吊装原则包括最短路径原则、最安全原则和需跨越障碍物的吊装路径规划。
12.根据权利要求11所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，根据吊装原则确定吊装路径包括根据确定的吊装原则选择吊装路径参数和参数权重，确定吊装路径。
13.根据权利要求12所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，当吊装原则为最短路径原则时，从吊装起点向吊装终点搜索路径，使吊装物进行回转运动；当遇到障碍物或者穿行半径小于吊装物时，路径朝靠近吊装终点方向变幅运动一格； 再搜索新的路径，并测试此时的可穿行半径是否大于吊装物可穿行直径；重复上述步骤
14.根据权利要求12所述的起重机吊装物路径规划方法，其特征在于，当吊装原则为最安全原则时，从吊装起点使吊装物变幅到最小幅度；当遇到障碍物或者穿行半径小于吊装物时，路径朝变幅增大方向运动一格； 搜索新的路径，并测试此时的可穿行是否大于吊装物可穿行直径； 重复上述步骤。
15.根据权利要求12所述的吊装物路径规划方法，其特征在于，当进行需跨越障碍物的吊装路径规划时，首先对吊装路径进行搜索；当遇到必须跨越的障碍物区域时，将该障碍物取值标示为最大可穿行半径； 重新进行路径规划，确定可行吊装路径。
全文摘要
本发明提供了一种起重机吊装物路径规划方法。该起重机吊装物路径规划方法包括将障碍物在起重机工作平面上进行投影；对投影进行极径化处理，将障碍物的坐标表达形式转换为极坐标表达形式；对位于吊装物路径上的障碍物进行分析，确定吊装物可通过路径；根据吊装原则确定吊装路径。根据本发明的起重机吊装物路径规划方法，能够快速高效地计算出障碍物之间的距离，精确地寻找吊装规划路径，提高吊装物吊运的安全性和可靠性。
文档编号G06Q10/04GK102542361SQ20121000741
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者曾杨, 胡玉茹, 范卿, 黄文华 申请人:中联重科股份有限公司