一種臂架式起重機吊裝作業(yè)防碰撞方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種防碰撞系統(tǒng)，具體涉及一種臂架式起重機吊裝作業(yè)防碰撞方法及 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 起重機在建筑與運輸行業(yè)被廣泛使用，但涉及起重機吊裝作業(yè)過程的工業(yè)事故卻 頻發(fā)。據(jù)公開資料統(tǒng)計，我國因起重機事故造成的死亡人數(shù)2005年231人，2006年314人， 2007年347人，在所有機械事故死亡人數(shù)中居首位。據(jù)美國勞工安全與健康委員會統(tǒng)計， 從1992年到2001年期間，在美國涉及起重機造成人員死亡事故就有137起。對這些事故 原因調(diào)查發(fā)現(xiàn)，操作不當(dāng)占事故原因48%，其中觀察不周導(dǎo)致的碰撞和起吊過載是主因。
[0003] 在吊裝作業(yè)過程中，由于起重機操作員對吊裝環(huán)境不熟悉，在吊裝作業(yè)過程中，注 意力通常集中在吊重上，而忽視了臂架位置，以致吊臂與障礙物（墻體、柱體、高壓線等）發(fā) 生碰撞，導(dǎo)致高壓觸電、吊物墜落、翻車等惡性事故頻發(fā)。
[0004] 為減少因操作不當(dāng)造成的起重機事故，人們從技術(shù)層面做了不懈努力：
[0005] 針對于起吊過載的情況，在起重機上安裝了力矩限制器，當(dāng)起吊重量超過額定負(fù) 荷時，起重機告警并采取相應(yīng)保護措施；
[0006] 為防止在吊裝過程中起重機與作業(yè)區(qū)的物體發(fā)生碰撞，人們從吊裝前的路徑規(guī)劃 和吊裝過程中的實時控制兩個方面進行了研宄。
[0007] 路徑規(guī)劃就是把起重機看作是一個多自由度的機器手，在其可配置空間內(nèi)采用一 定的算法尋找優(yōu)化防碰撞路徑，但采用的防碰撞搜索算法通常比較復(fù)雜，無法在資源有限 的車載控制器內(nèi)實現(xiàn)。
[0008] 在吊裝過程中，通過在起重機與作業(yè)區(qū)內(nèi)障礙物上安裝各式傳感器，如全球定位 系統(tǒng)、雷達(dá)、超寬帶傳感器、視頻采集卡、無線遠(yuǎn)程射頻卡、紅外檢測儀或三維激光掃描儀 等，檢測起重機作業(yè)區(qū)內(nèi)的人和物體以建立位置系統(tǒng)來實時地避免潛在的碰撞，這種技術(shù) 多應(yīng)用于長時間在相對固定位置作業(yè)的塔式、橋式和履帶式起重機；對于移動式的臂架式 起重機來說，因其機動性強，多用于頻繁變更作業(yè)環(huán)境的吊裝作業(yè)，因此該技術(shù)對其并不適 用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對上述現(xiàn)有【背景技術(shù)】中提出的問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種起重機吊裝 作業(yè)防碰撞系統(tǒng)，使起重機吊裝作業(yè)過程更加安全有效。
[0010] 為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0011] 一種臂架式起重機吊裝作業(yè)防碰撞方法，包括以下步驟：
[0012] 步驟一，建立起重機圓柱坐標(biāo)系
[0013] 以起重機回轉(zhuǎn)中心在地面的投影為原點0,以起重機車身中軸線作為X軸，X軸正 向指向起重機車頭，Y軸與X軸垂直，Y軸正向與X軸正向逆時針夾角90°，Z軸正向為遠(yuǎn) 離地面方向，垂直于XOY平面，建立XYZ坐標(biāo)系；則坐標(biāo)系中的一點P由坐標(biāo)（Φ，d，h)表 示，其中Φ表示點P在XOY平面投影D所形成OD線與X正向軸的逆時針夾角，d表示投影 D到坐標(biāo)原點0的距離，h表示點P到投影D之間的高度；
[0014] 記起重機吊臂臂頭的空間位置為（r，β，冰），其中吊臂長度為r，仰角為β，以X 軸正向為起始位置的回轉(zhuǎn)角度為供，根據(jù)幾何關(guān)系可得到臂頭的空間位置和臂頭在XYZ坐 標(biāo)系中的坐標(biāo)之間的換算關(guān)系；
[0015] 步驟二，扇格化存儲吊裝作業(yè)區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)
[0016] 步驟S20,將吊裝作業(yè)區(qū)按間隔一定的回轉(zhuǎn)角度劃分為多個扇區(qū)，再將每個扇區(qū)依 據(jù)到坐標(biāo)原點〇的距離劃分為多個扇格，建立環(huán)境數(shù)據(jù)表，在表中每個扇區(qū)的每個扇格用 于存放該位置的環(huán)境數(shù)據(jù)；每個扇格中用兩組數(shù)據(jù)記錄，分別表示在該扇格空間中吊臂可 活動區(qū)域的上邊界和下邊界；
[0017] 步驟S21，將吊裝作業(yè)區(qū)中的障礙物按照其外形進行分類；
[0018] 步驟S22,根據(jù)不同類型的障礙物，采集能代表其空間外形結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)信息，將這 些數(shù)據(jù)信息填充到對應(yīng)的扇格中；
[0019] 步驟三，確定吊裝作業(yè)范圍
[0020] 步驟S30,在吊臂的仰角和回轉(zhuǎn)角度一定時，根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)表中在該回轉(zhuǎn)角度下的 扇格區(qū)域中吊臂可活動區(qū)域的上邊界和下邊界，計算出回轉(zhuǎn)角度一定時，不同仰角下吊臂 的臂頭在邊界內(nèi)可達(dá)到的最大臂長，繼而計算出在不同回轉(zhuǎn)角度和仰角下吊臂的最大可伸 長臂長，得到回轉(zhuǎn)角度、仰角與最大可伸長臂長的三維數(shù)據(jù)表；
[0021] 步驟S31，在吊臂的臂長和仰角一定時，依次令吊臂向左、右回轉(zhuǎn)，根據(jù)三維數(shù)據(jù)表 得到吊臂在臂長和仰角一定時的左右回轉(zhuǎn)范圍；
[0022] 步驟S32,在吊臂的臂長與回轉(zhuǎn)角度一定時，根據(jù)三維數(shù)據(jù)表得到吊臂在臂長與回 轉(zhuǎn)角度一定時可上變幅、下變幅的范圍。
[0023] 進一步地，所述的臂架式起重機吊裝作業(yè)防碰撞方法還包括步驟四：
[0024] 步驟四，設(shè)置吊裝作業(yè)實時防碰撞策略
[0025] 步驟S40,將吊臂動作分為伸臂、縮臂、上變幅、下變幅、左回轉(zhuǎn)、右回轉(zhuǎn)與靜止七種 狀態(tài)，循環(huán)記錄吊臂最近一段時刻內(nèi)的位置信息，采用加權(quán)線性回歸模型預(yù)測吊臂動作；
[0026] 步驟S41，根據(jù)步驟S40預(yù)測的吊臂下一時刻的動作，設(shè)置對應(yīng)的控制策略以控制 吊臂安全運作。
[0027] 進一步地，步驟一中所述的換算關(guān)系為：
[0028] φ 二 cp，d = r CQ名β - m'h 二 r ?η β + n (I)
[0029] 上式中，m為吊臂末端與原點O之間的距離，η為起重機車身高度。
[0030] 進一步地，步驟S20中，將吊裝作業(yè)區(qū)按照回轉(zhuǎn)角度每隔0.5°分成720個扇區(qū)，每 個扇區(qū)按每隔0. 2m總長為IOOm分成500個扇格。
[0031] 進一步地，步驟S22的具體步驟如下：對于不同的障礙物，確定能代表該障礙物外 形結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集點，駕駛員操作吊臂使臂頭到達(dá)障礙物數(shù)據(jù)采集點的位置，記錄下此時 吊臂的臂長、仰角和回轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)步驟一所述的換算關(guān)系將此障礙物的外形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化 為XYZ坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，填入到環(huán)境數(shù)據(jù)表中；填充扇格數(shù)據(jù)時，若下邊界有值，則取兩者 的最大值，若上邊界有值，則取兩者最小值。
[0032] 進一步地，步驟S30的具體步驟如下：
[0033] 記吊臂當(dāng)前位置的仰角為，回轉(zhuǎn)角度為（J)ci，吊臂末端與原點O距離為m， 車身高度為η;設(shè)在環(huán)境數(shù)據(jù)表中存儲在轉(zhuǎn)角Φ〇下不同距離為屯的扇格上限值為 Ui，i為扇格數(shù)；下限值為Bi，初始令i = 0，此時吊臂長度為/V/Ai =(/? + △/,.)/ cos /彳,，當(dāng) BiS tan|3 Q · OirKli)+]!彡叩寸，說明臂頭在此位置可以活動，則令i = i+Ι，判斷下一個位 置，直到BiS tan β ^ · (m+cg+η彡Ui不成立或運算結(jié)束；條件不成立的前一個Ma的值即 為在（β C!，Φ(!)下的吊臂最大可伸長臂長；然后建立回轉(zhuǎn)角度、仰角與最大可伸長臂長的三 維數(shù)據(jù)表。
[0034] 進一步地，步驟S31的具體步驟為：設(shè)吊臂當(dāng)前狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)角度為（J)1、仰角為 、臂長為巧，令吊臂左/右回轉(zhuǎn)，則下一個回轉(zhuǎn)角度為θ = (?^?ω，ω為回轉(zhuǎn)步進角， 查詢步驟S30中所述的三維數(shù)據(jù)表，得到在轉(zhuǎn)角為Θ、仰角為^下的最大可伸長臂長為 >ri，則當(dāng)前仰角為β 1、臂長為rI的吊臂可從轉(zhuǎn)角Φ 1左/右回轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)角 Θ下；再令θ = θ+ω，按照前述步驟相同的方法，直到MwaT1或Q-(J)1S 360,則此時 的Θ~（J)1就是吊臂在回轉(zhuǎn)角度為φ i、仰角為、臂長為巧下的左/右回轉(zhuǎn)范圍。
[0035] 進一步地，步驟S32的具體步驟為：設(shè)吊臂當(dāng)前狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)角度為Φ2、仰角為 β2、臂長為1"2，若此時吊臂上/下變幅，設(shè)下一個仰角α = β2± δ，δ為變幅步進值，查詢 步驟S30中所述的三維數(shù)據(jù)表，得到在回轉(zhuǎn)角度為Φ2、仰角α下最大可伸長臂長為Μ## ，若則當(dāng)前回轉(zhuǎn)角度為φ 2、臂長為&的吊臂可從仰角β 2