一种起重机搬运作业路径规划方法与流程

本发明涉及起重运输机械领域，尤其涉及一种起重机搬运作业路径规划方法。

背景技术：

目前，全球港口业正在从机械时代向人工智能时代发展，船舶大型化发展趋势和5g智慧港口建设，将推动港口集装箱起重装卸设备新一轮的产品创新和技术升级。另一方面，目前港口普遍面临熟练操作司机不足，港口起重装卸设备装卸作业效率无法满足船舶大型化和智慧港口建设的需求等问题，开发自动化、智能化、能24小时连续作业的自动化作业起重设备成为全行业共同关注的重要研究领域。

起重机作业效率直接影响到搬运系统的生产能力，智能起重机在提升作业效率，减少劳动力投入，实现大规模、连续、高强度、高污染环境作业方面具有显著优势，而要实现起重机作业的智能化，使起重机能像人一样自主进行作业路径规划和路径优化成为需要重点攻克的关键核心技术之一。

此外，以起重机自动化作业为目标，为了实现起重机高效搬运作业，起重机摆动控制、回避障碍物，实现起吊物从原始位置到目的位置搬运的路径规划是不可或缺的关键技术。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种起重机搬运作业路径规划方法，所述技术方案如下：

本发明提供了一种起重机搬运作业路径规划方法，包括以下步骤：

s1、根据搬运作业的起始位置点和目的地位置点，建立垂直平面，使所述垂直平面经过所述起始位置点和目的地位置点；

s2、判断所述垂直平面是否与障碍物空间区域存在交集，若存在交集，则执行s3，若否，则将从所述起始位置点至目的地位置点之间的直线路径设为最优路径；

s3、判断所述障碍物空间区域的高度是否超过起重机的起升作业高度限值，若是，则执行s6-s8，若否，则执行s4-s5；

s4、确定所述障碍物空间区域与所述垂直平面的相交轨迹；

s5、根据所述起始位置点、相交轨迹和目的地位置点，确定最优路径；

s6、对所述垂直平面进行水平面投影得到投影直线，对所述障碍物空间区域进行水平面投影得到投影区域；

s7、比较所述投影区域内的点到所述投影直线的距离，确定在非距离最远的点所在投影直线的一侧进行搬运作业；

s8、根据所述起始位置点、投影区域在搬运作业一侧的外轮廓线及目的地位置点，确定最优路径。

进一步地，在步骤s7之前，还包括进行以下操作：

对所述投影区域进行规则化，得到规则化多边形，使所述投影区域落在所述规则化多边形内；

步骤s7包括：计算所述规则化多边形的各个顶点到所述投影直线的距离，以距离最远的顶点所在投影直线一侧的另一侧作为搬运作业一侧；

步骤s8确定的最优路径的过程包括：确定所述搬运作业一侧的规则化多边形的一个或多个顶点中距所述投影直线偏移率最大的顶点，步骤s8中的最优路径为从所述起始位置点出发，沿着直线水平移动至该顶点，再从该顶点以预设的摆动角度移动至所述目的地位置点。

进一步地，将在所述搬运作业一侧的顶点中与所述起始位置点所在直线与所述投影直线之间的夹角最大的对应顶点作为所述距所述投影直线偏移率最大的顶点。

进一步地，步骤s5中的所述相交轨迹包括与所述起始位置点较近的第一端点和与所述起始位置点较远的第二端点；

步骤s5中的最优路径包括由起始位置点至第一端点，经过所述相交轨迹，再由第二端点至目的地位置点。

进一步地，步骤s1中建立的垂直平面为平行于三维空间坐标中z轴的空间平面，建立垂直平面包括以下操作：

建立三维空间坐标系，以起重机装载起吊物在大、小车运行和垂直下降三个运动方向的极限位置点作为所述三维空间坐标系的原点，以起重机的小车、大车和起升机构的运行方向分别作为所述三维空间坐标系的x、y、z方向，并确定所述起始位置点和目的地位置点的坐标；

通过以下公式计算平面法线：

通过以下公式计算平面法线：

其中，起始位置点的坐标为pi(xpi,ypi,zpi)，目的地位置点的坐标为uj(xuj,yuj,zuj)；

通过以下公式计算得到所述垂直平面：

(yuj-ypi)(x-xpi)-(xuj-xpi)(y-ypi)＝0，其中，xpi,ypi分别为起始位置x、y方向的坐标，xuj,yuj分别为目的地位置x、y方向的坐标。

进一步地，步骤s3中判断所述障碍物空间区域的高度是否超过起重机的起升作业高度限值包括以下操作：

根据以下公式计算的定义域：

{(x,y)|(yuj-ypi)(x-xpi)-(xuj-xpi)(y-ypi)＝0}，其中，xpi,ypi分别为起始位置x、y方向的坐标，xuj,yuj分别为目的地位置x、y方向的坐标；

若起重机的起升作业高度限值落入所述定义域范围，则判定为所述障碍物空间区域的高度超过起重机的起升作业高度限值，否则判定为所述障碍物空间区域的高度不超过起重机的起升作业高度限值。

进一步地，所述步骤s8的搬运作业中需要进行起吊物摆动控制，起重机摆动控制参数在进行步骤s8的搬运作业之前预先计算获得，摆动控制参数计算步骤包括：

通过以下公式确定起重机大、小车运行方向的运动参数：

x＝x10+0.5αx1t²+vx10t(1)

y＝y10+0.5αy1t²+vy10t(2)，其中x,y分别为起重机小车在x、y轴上的位置坐标，x10,y10分别为起重机小车在x、y轴的初始位置坐标，αx1,αy1分别为起重机在x、y轴方向上的移动加速度，αx1,αy1同时分别为起重机在x、y方向的摆动控制参数，vx10,vy10分别为起重机在x、y轴方向上的初始移动速度；

其中，起重机在x、y轴方向上的摆动控制参数αx1,αy1分别通过以下公式计算得到：

其中，vx,vy分别为起重机在x、y轴方向上的移动速度，n为自然数，其中g为重力加速度，l为起重机钢丝绳长度。

进一步地，所述障碍物空间区域为根据起重机的起吊物的形状和大小，以及起吊物与障碍物本体之间预设的安全距离而设置的在障碍物本体实际外形尺寸基础上扩大的保护区域。

进一步地，所述起重机的起吊物在所述三维空间坐标中为质点。

进一步地，所述对所述投影区域进行规则化为在投影面内规划一包含所述投影区域的矩形。

本发明提供的技术方案带来的有益效果为：在起重机搬运系统解析、摆动控制参数求解、摆动控制方法等研究基础上，提出了一种搬运路径规划和优化方法，并通过起重机三维仿真分析系统对提出的方法进行了验证，确认了该方法的有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的起重机搬运作业路径规划策略流程图；

图2为本发明实施例提供的起重机搬运作业路径规划的具体流程图；

图3为本发明实施例提供的从障碍物上方搬运通过的路径规划示意图；

图4为本发明实施例提供的从障碍物侧面绕行的路径规划示意图；

图5为本发明实施例提供的起重机搬运作业第一仿真试验结果三维立体图；

图6为图5中第一仿真试验结果在x方向上的视图；

图7为图5中第一仿真试验结果在z方向上的视图；

图8为本发明实施例提供的起重机搬运作业第二仿真试验结果三维立体图；

图9为图8中第二仿真试验结果在x方向上的视图；

图10为图8中第二仿真试验结果在z方向上的视图；

图11为本发明实施例提供的起重机搬运作业第三仿真试验结果三维立体图；

图12为图11中第三仿真试验结果在x方向上的视图；

图13为图11中第三仿真试验结果在y方向上的视图；

图14为图11中第三仿真试验结果在z方向上的视图；

图15为图11中第三仿真试验结果中起重机搬运的起吊物的移动速度的仿真曲线示意图；

图16为图11中第三仿真试验结果中起重机的钢丝绳摆角的仿真曲线示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，提出了一种起重机能安全回避障碍物并且垂直提升量最小的计算和搜索方法，如图1所示，大体上包括以下流程：

第一步、导入环境数据，所述环境数据包括起吊物装载位置(即搬运作业的起始位置点)、起吊物卸载位置(即目的地位置点)及障碍物情报等；

第二步、建立通过搬运作业的起始位置点、目的地位置点的垂直平面的空间平面方程，所谓垂直平面，即其平行于三维空间内的z轴；

第三步、根据起吊物形状数据和障碍物情报信息计算确定障碍物空间区域，具体地，为了使搬运对象物有效回避障碍物，系统在障碍物周围一定距离范围内设定了起吊物无法接近区域，并将该区域定义为障碍物空间区域，障碍物空间区域已经考虑了起吊物形状、大小以及起吊物接近障碍物时应该保持的安全距离，因此障碍物空间区域是在障碍物的实际外形尺寸基础上扩大的保护区域，在此基础上，起吊物可以作为质点考虑；

第四步、根据障碍物区域与垂直平面的关系，对起重机的搬运路径进行优化。

其中，所述第四步中对起重机的搬运路径进行优化的步骤如图2所示：

s1、根据搬运作业的起始位置点和目的地位置点，建立垂直平面，使所述垂直平面经过所述起始位置点和目的地位置点。

具体地，所述垂直平面为平行于三维空间坐标中z轴的空间平面，建立垂直平面w平面的空间平面方程包括以下操作：

建立三维空间坐标系，以起重机装载起吊物在大、小车运行和垂直下降三个运动方向的极限位置点作为所述三维空间坐标系的原点，以起重机的小车、大车和起升机构的运行方向分别作为所述三维空间坐标系的x、y、z方向，并确定所述起始位置点和目的地位置点的坐标，比如：搬运对象物的装载位置即起始位置点表示为pi(xpi,ypi,zpi)，卸载位置即目的地位置点表示为uj(xuj,yuj,zuj)。

通过以下公式计算平面法线：

其中，起始位置点的坐标为pi(xpi,ypi,zpi)，目的地位置点的坐标为uj(xuj,yuj,zuj)；

通过以下公式计算得到所述垂直平面：

(yuj-ypi)(x-xpi)-(xuj-xpi)(y-ypi)＝0，其中，xpi,ypi分别为起始位置x、y方向的坐标，xuj,yuj分别为目的地位置x、y方向的坐标。

s2、判断所述垂直平面是否与障碍物空间区域存在交集，若存在交集，则执行s3，若否，则将从所述起始位置点至目的地位置点之间的直线路径设为最优路径。

具体地，所述障碍物空间区域为根据起重机的起吊物的形状和大小，以及起吊物与障碍物本体之间预设的安全距离而设置的在障碍物本体实际外形尺寸基础上扩大的保护区域。在此基础上，所述起重机的起吊物在所述三维空间坐标中可作为质点考虑。此外，起重机最大起升高度、最大作业速度等性能参数已在系统里进行了预设。

起重机装载起吊物从起始位置点pi点开始起吊，向目的地位置点uj点搬运，w平面为通过pi和uj两点并垂直于地面的空间平面。如果在起吊物装载和卸载直线区域内没有障碍物，则起重机吊起起吊物直线搬运到目的地位置的路径因距离最短而成为最佳搬运路径。

s3、判断所述障碍物空间区域的高度是否超过起重机的起升作业高度限值，若是，则执行s6-s8，若否，则执行s4-s5。

具体的判断操作如下：

根据以下公式计算的定义域：

{(x,y)|(yuj-ypi)(x-xpi)-(xuj-xpi)(y-ypi)＝0}，其中，xpi,ypi分别为起始位置x、y方向的坐标，xuj,yuj分别为目的地位置x、y方向的坐标；

若起重机的起升作业高度限值落入所述定义域范围，则判定为所述障碍物空间区域的高度超过起重机的起升作业高度限值，否则判定为所述障碍物空间区域的高度不超过起重机的起升作业高度限值。

s4、确定所述障碍物空间区域与所述垂直平面的相交轨迹。

障碍物空间区域的高度没有超过起重机的起升作业高度限值，即表示起重机可以在最大起升高度范围内将吊运的起吊物安全通过障碍物的最高点，在这种情况下系统将自动选择在空间平面w内并从障碍物空间区域顶部越过的搬运路径，障碍物只有一个的情况下顶点搜索数只有两个，障碍物有两个情况下顶点搜索数可以为4个，也就是说，障碍物的外形是规则情况下，顶点搜索数量仅为障碍物数量的2倍，与常规搜索方法相比指数级缩减了搜索计算量，系统可以快速计算并实时为起重机提供控制指令，完成搬运路径优化和安全高效的搬运作业。

s5、根据所述起始位置点、相交轨迹和目的地位置点，确定最优路径。

若在起吊物装载和卸载直线区域内存在障碍物，起重机搬运起吊物使其在空间平面w内移动的搬运路径为能量消耗最少的路径，因此使起吊物在w平面内移动成为获得最佳搬运路径的有效途径之一，图3所示，具体地，所述相交轨迹包括与所述起始位置点较近的第一端点和与所述起始位置点较远的第二端点，步骤s5中的最优路径包括起重机将起吊物从起始位置点垂直提起至距离地面一定安全距离后，起升机构与水平移动机构同时作业，使起吊物绕过第一端点，经过所述相交轨迹，再由第二端点移动至目的地位置点的正上方一端距离，最后垂直下降至所述目的地位置点，这里所说的“垂直提起至距离地面一定安全距离”以及“至目的地位置点的正上方一端距离”是根据起重机作业特点和安全作业要求设定的，具体安全距离数值根据起重机类型和搬运作业工艺确定。s6、对所述垂直平面进行水平面投影得到投影直线，对所述障碍物空间区域进行水平面投影得到投影区域。

障碍物空间区域的高度超过了起重机的起升作业高度限值，即表示起重机在最大起升高度范围内无法将吊运的起吊物安全通过障碍物的最高点，在这种情况下起重机搬运作业路径无法从空间平面w中获得优化结果，系统将选择从外侧避开障碍物的搬运作业路径，此情况下，大、小车水平控制量需要修正和调整，此时系统会搜索最短搬运距离并根据搜索结果实时修正和调整起重机水平搬运作业控制量，完成障碍物绕行搬运路径规划和作业。

s7、比较所述投影区域内的点到所述投影直线的距离，确定在非距离最远的点所在投影直线的一侧进行搬运作业；

进一步地，在步骤s7之前，还包括进行以下操作：

对所述投影区域进行规则化，得到规则化多边形，使所述投影区域落在所述规则化多边形内。

步骤s7包括：计算所述规则化多边形的各个顶点到所述投影直线的距离，以距离最远的顶点所在投影直线一侧的另一侧作为搬运作业一侧。

优选为将所述投影区域规则化为矩形，如图4所示：系统将自动计算并比较障碍物区域op3点和op4点到空间平面w的垂直距离l01和l02，并根据比较结果确定起重机障碍物绕行方向并最终搜索完成最佳搬运路径规划。l01≥l02情况下，系统将在图4所示的起重机x移动方向增加适当的速度修正量，起重机以修正后的水平移动速度绕障碍物op4点侧运行，其搬运路径见图4所示。同样地，l01<l02情况下，系统将在图4所示的起重机y移动方向增加适当的速度修正量，起重机以修正后的水平移动速度绕障碍物op3点侧运行，完成起吊物搬运作业。

s8、根据所述起始位置点、投影区域在搬运作业一侧的外轮廓线及目的地位置点，确定最优路径。

具体地，步骤s8确定的最优路径的过程包括：确定所述搬运作业一侧的规则化多边形的一个或多个顶点中距所述投影直线偏移率最大的顶点，步骤s8中的最优路径为起重机搬运起吊物从所述起始位置点出发，以系统预先计算获得的摆动控制参数实施起吊物摆动控制，并沿着直线水平移动至该顶点，再从该顶点以预先计算获得的摆动控制参数实施起吊物摆动控制，并将起吊物搬运至所述目的地位置点。

进一步地，关于确定所述规则化多边形的一个或多个顶点中距所述投影直线偏移率最大的顶点的方法如下：将在所述搬运作业一侧的顶点中与所述起始位置点所在直线与所述投影直线之间的夹角最大的对应顶点作为所述距所述投影直线偏移率最大的顶点。

进一步地，起重机大、小车运行方向的运动参数和摆动控制参数计算公式如下：

通过以下公式确定起重机大、小车运行方向的运动参数：

x＝x10+0.5αx1t²+vx10t(1)

y＝y10+0.5αy1t²+vy10t(2)，其中x,y分别为起重机小车在x、y轴上的位置坐标(单位为m)，x10,y10分别为起重机小车在x、y轴的初始位置坐标(单位为m)，αx1,αy1分别为起重机在x、y轴方向上的移动加速度(单位为m/s²)，αx1,αy1同时分别为起重机在x、y方向的摆动控制参数，vx10,vy10分别为起重机在x、y轴方向上的初始移动速度(单位为m/s)；

其中，起重机在x、y轴方向上的摆动控制参数αx1,αy1分别通过以下公式计算得到：

其中，vx,vy分别为起重机在x、y轴方向上的移动速度(单位为m/s)，n为自然数，其中g为重力加速度，l为起重机钢丝绳长度(单位为m)。即将公式(3)代入公式(1)，将公式(4)代入公式(2)，即可计算获得起重机在五大搬运作业区域大、小车运动控制参数。

通过以上方法获得的优化搬运作业路径以及优化结果输出的控制量和修正量，可以计算并获取不同搬运区间摆动控制及目标路径追踪控制量，起重机执行优化路径和指令将安全高效完成起吊物搬运作业。本起重机搬运路径优化搜索方法大幅度减少了搜索数量和计算量，具有良好的可执行性，具体地仿真试验及结果如下：

采用本提案的起重机搬运路径优化和搜索方法，模拟实际作业环境条件，进行了起重机路径规划和三维搬运作业仿真试验，重点验证了障碍物相对于空间平面w的三种不同位置状态的路径规划和搬运作业，本路径规划方法的有效性得到试验验证，具体验证结果如下。

搬运作业环境、起重机主要性能参数设定和起重机路径规划仿真试验结果

为了通过数字仿真手段充分验证本方法的有效性，建立仿真模型时与实际起重机主要参数相比特意放大了起重机起升高度、作业速度等主要性能参数。

1)仿真环境条件一：障碍物区域在w平面之外，并不妨碍正常的搬运作业

起吊物初期位置坐标(m)：(6，6，1.5)

起吊物目标位置坐标(m)：(28，28，1.5)

起吊物外形尺寸(m)：2.5×2.5×3

障碍物中心位置坐标(m)：(20，10，3.5)

障碍物外形尺寸(m)：3.5×8×7

起重机x、y、z三方向运行速度(m/s)：0.7，0.7，0.2

起重机搬运作业仿真试验结果见图5-7。

2)仿真环境条件二：障碍物在w平面区域，并且障碍物高度超过了起重机起升作业范围，起重机在最大起升高度范围内无法将吊运的起吊物安全通过障碍物的最高点

起吊物初期位置坐标(m)：(4，6，1.5)

起吊物目标位置坐标(m)：(28，35，1.5)

起吊物外形尺寸(m)：2.5×2.5×3

障碍物中心位置坐标(m)：(20，25，12)

障碍物外形尺寸(m)：4×9×24

起重机x、y、z三方向运行速度(m/s)：0.7，1.5，0.2

起重机搬运作业仿真试验结果见图8-10。

3)仿真环境条件三：起吊物有初摆，搬运现场障碍物数量有四件

钢丝绳初摆角度：θ0＝0.014π；β0＝0.01π

起吊物初期位置坐标(m)：(1.9，8.5，10.25)

起吊物目标位置坐标(m)：(31，81，0.75)

起吊物外形尺寸(m)：1.6×3.2×1.5

障碍物1中心位置坐标(m)：(1.5，8，4.75)

障碍物1外形尺寸(m)：3×8×9.5

障碍物2中心位置坐标(m)：(27，47，10)

障碍物2外形尺寸(m)：4×8×20

障碍物3中心位置坐标(m)：(23.5，65，22.5)

障碍物3外形尺寸(m)：11×10×45

障碍物4中心位置坐标(m)：(35.25，91，17.5)

障碍物4外形尺寸(m)：3.5×12×35

起重机x、y、z三方向运行速度(m/s)：0.6，1.3，1

起重机路径规划和搬运作业仿真试验结果见图11-16。

本发明公开了一种起重机搬运作业路径规划方法，包括：导入环境数据，所述环境数据包括起吊物装载位置、起吊物卸载位置及障碍物情报等；建立通过搬运作业的起始位置点、目的地位置点的垂直平面的空间平面方程；根据起吊物形状数据和障碍物情报信息计算确定障碍物空间区域；根据障碍物区域与垂直平面的关系，对起重机的搬运路径进行优化。本发明以起重机自动化作业为目标，实现起重机摆动控制、回避障碍物，优化起吊物从原始位置到目的位置搬运的路径规划。

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。