塔吊或塔吊模型保护区域避让方法、仿真方法及存储介质与流程

1.本发明涉及计算机仿真技术领域，具体地涉及一种塔吊或塔吊模型保护区域避让方法、仿真方法、机器可读存储介质及处理器。


背景技术：

2.在建筑施工之前，特别是大量运用塔吊进行施工的情况下，为了使得塔吊的位置及运行参数设计方案符合施工过程中安全性和经济性的要求，通常需要在搭建塔吊之前先通过塔吊或塔吊模型进行实验，以验证塔吊施工方案。在塔吊施工过程中，根据施工环境的保护区域的位置和大小还需要控制吊钩的位置使之不与保护区域发生干涉。
3.出于施工需要，在真实塔吊周围会有一个或多个特定的保护区域，在对塔吊或塔吊模型进行模拟实验时需要考虑保护区域的大小和位置，避免吊钩与保护区域发生干涉从而影响塔吊工作。
4.然而本技术发明人在实现本发明的过程中发现，通过计算机仿真技术，充分模拟和验证塔吊施工方案的安全性时，缺少必要的吊钩控制算法以避免塔吊或塔吊模型与保护区域发生干涉的情况。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的是提供一种方法，该方法将施工现场的若干个保护区域模拟到塔吊环境中，通过计算吊钩与保护区域的相对位置关系对当前吊钩位置进行控制，以避开所述保护区域。
6.为了实现上述目的，本发明实施例提供一种塔吊保护区域避让方法，包括：
7.以所述塔吊的底座与大臂的交点为原点，以底座平面为xy平面，建立三维直角坐标系；
8.计算在所述三维直角坐标系下吊钩的当前坐标位置；
9.将每个保护区域规划为一个垂直于所述xy平面的四棱柱保护区域；
10.对于每个保护区域：根据相应的四棱柱保护区域的位置和尺寸，获取其在所述xy平面的投影四边形的顶点坐标；根据所述顶点坐标，判断所述吊钩的当前坐标位置是否处于所述投影四边形的范围内；根据判断结果，控制所述吊钩的位置，以避开所述保护区域。
11.优选的，所述计算在当前三维直角坐标系下吊钩的当前坐标位置，包括：
12.根据获取到的所述塔吊的编码器当前数值和所述塔吊的滚筒直径、编码器分辨率，分别计算所述吊钩的起升位置、变幅位置和回转位置；根据所述起升、变幅和回转位置进行坐标系转换，得到当前吊钩的坐标值。
13.进一步的，所述吊钩的起升位置、变幅位置和回转位置分别通过以下公式计算得到：
14.起升位置＝encoder/dis*π*d/2-(encoder0)/dis*π*d/2；
15.变幅位置＝(encoder)/dis*π*d-(encoder0)/dis*π*d；
16.回转位置＝(encoder)*360/dis*20/100-(encoder0)*360/dis*20/100。
17.其中，encoder为所述编码器当前数值；encoder0为起升原点时对应的编码器数值；dis为所述编码器分辨率；d为所述滚筒直径；π为圆周率。
18.进一步的，所述根据所述起升位置、变幅位置和回转位置进行坐标系转换得到当前吊钩的坐标值，通过以下转换公式计算得到：
19.x＝l
swing
*cos(angle)；
20.y＝l
swing
*sin(angle)；
21.z＝l
lift
；
22.angle＝l
turn
*180.0/π。
23.其中，(x,y,z)为根据所述起升、变幅和回转位置得到的相应点的坐标，l
swing
为所述变幅位置，l
lift
为所述起升位置，l
turn
为所述回转位置，π为圆周率，angle为所述大臂的回转角度。
24.优选的，所述根据所述顶点坐标，判断所述吊钩的当前坐标位置是否处于所述投影四边形的范围内，包括：
25.将获取到的所述投影四边形的顶点坐标记为a(x1，y1)，b(x2，y2)，c(x3，y3)，d(x3，y3)；若吊钩的当前坐标(x0,y0)同时满足：xmin《x0《xmax和ymin《y0《ymax，判断结果为是，否则，判断结果为否，
26.其中，xmin＝min(x1，x2，x3，x4)，xmax＝max(x1，x2，x3，x4)，ymin＝min(y1，y2，y3，y4)，ymax＝max(y1，y2，y3，y4)。
27.优选的，所述根据判断结果，控制所述吊钩的位置，以避开所述保护区域，包括：
28.若所述判断结果为是，控制所述吊钩的位置，并获取基于所述吊钩的新的位置的判断结果，直至所述判断结果为否；
29.若判断结果为否，则执行以下操作：
30.将获取到的所述投影四边形的顶点坐标记为a(x1，y1)，b(x2，y2)，c(x3，y3)，d(x3，y3)；
31.分别计算ab、bc、cd、da所在直线l1、l2、l3、l4的方程；
32.控制所述吊钩以使得所述吊钩的坐标位置与所述直线l1、l2、l3、l4的距离都超出预设的阈值范围。
33.另一方面，本发明提供一种塔吊模型保护区域避让方法，用于通过所述塔吊模型验证塔吊施工方案，该方法根据本技术的塔吊保护区域避让方法进行塔吊模型的保护区域避让计算，
34.其中，所述根据相应的四棱柱保护区域的位置和尺寸，获取其在所述xy平面的投影四边形的顶点坐标，包括：
35.通过所述塔吊模型和真塔的比例尺，推算所述四棱柱保护区域在所述xy平面的各顶点坐标值。
36.另一方面，本发明提供一种塔吊仿真方法，根据本技术的塔吊保护区域避让方法进行塔吊的仿真，或者根据本技术的塔吊模型保护区域避让方法进行塔吊模型的仿真。
37.另一方面，本发明提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本技术的塔吊保护区域避让方法或者本技术的塔吊模型保护
区域避让方法。
38.另一方面，本发明提供一种处理器，用于运行程序，其中，所述程序被运行时用于执行本技术的塔吊保护区域避让方法或者本技术的塔吊模型保护区域避让方法。
39.根据本技术的技术方案，将施工现场的若干个保护区域模拟到塔吊环境中，通过计算吊钩与保护区域的相对位置关系，并对吊钩位置进行自动控制，能够有效避开保护区域；通过塔吊或塔吊模型的边缘控制器执行本技术的塔吊保护区域避让方法的算法和指令，以及编码器反馈值，能够实现塔吊或塔吊模型的保护区域的避让模拟仿真，以验证塔吊施工方案的安全性。
40.本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
41.附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
42.图1a和图1b是本发明的塔吊及保护区域的示意图；
43.图2是本发明的塔吊保护区域避让方法一个实施例的流程图；
44.图3是本发明的塔吊保护区域避让方法的三维直角坐标系示意图；以及
45.图4是本发明的塔吊保护区域避让方法一个实施例的一个保护区域在xy平面的投影图。
46.附图标记说明
47.1—塔吊的大臂；
48.2—保护区域。
具体实施方式
49.以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
50.本发明的塔吊及保护区域的示意图请参考说明书附图1a和图1b所示，其中图1a为塔吊及保护区域的俯视图，图1b为塔吊及保护区域的侧视图。如图1a和1b所示，在施工过程中通过塔吊的大臂1上的吊钩可以将建材从地面起升至高处，通过塔吊的大臂1旋转将建材吊转至目标位置的过程中可能会与保护区域2发生干涉，根据本发明的塔吊保护区域避让方法可以计算吊钩与所述保护区域2的距离，并以所述距离控制吊钩的位置以避开所述保护区域。
51.需要说明的是，以上介绍的是在建筑施工过程中，塔吊的吊钩的活动区域与施工环境中的保护区域发生干涉的场景，另一方面，在搭建塔吊之前，进行塔吊施工方案安全性的仿真验证实验时，塔吊模型的吊钩与模拟环境中的保护区域发生干涉的场景，同样都需要对塔吊的吊钩进行避让控制，以下凡涉及塔吊的吊钩的避让方法同样都可以扩展到塔吊模型的吊钩的避让方法，特此合先述明。
52.本发明的塔吊保护区域避让方法一个实施例的流程如说明书附图2所示。其实施步骤如下：
53.步骤1：以塔吊的底座与大臂的交点为原点，以底座平面为xy平面，建立三维直角坐标系；
54.需要说明的是，可以如步骤1所述方式定义三维直角坐标系的原点和xy平面，但本发明不限于此，也可以参照如图3所示的方式进行三维直角坐标系，并在此基础上对计算方法进行适应性调整，只要符合本发明的精神都应视作本发明的保护范围。
55.步骤2：计算在当前三维直角坐标系下吊钩的当前坐标位置；
56.需要说明的是，由于本发明用于塔吊及保护区域的干涉情况的计算机仿真，因此坐标系的数轴的单位长度并不需要对应于真实环境中的单位长度或按照比例缩放的长度，而是可以根据塔吊的编码器的分辨率进行设置以利计算。因此，在当前三维直角坐标系下吊钩的当前坐标位置可以是经过换算的对应于编码器分辨率的自定义长度单位的衡量数值，并不代表常规的长度单位的衡量数值。
57.步骤3：将每个保护区域规划为一个垂直于所述xy平面的四棱柱保护区域；
58.需要说明的是，可以如步骤3所述方式将施工保护区域映射到仿真/计算空间，但本发明不限于此，也可以根据保护区域的实际形状进行规划，并在此基础上对计算顶点和/或距离的方法进行适应性调整，只要符合本发明的精神都应视作本发明的保护范围。
59.此外，实际施工中可能会同时存在若干个不同的保护区域，因此对应于每一个保护区域进行以下步骤4-6的计算吊钩与保护区域的相对位置关系并控制吊钩进行避让。
60.步骤4：根据相应的四棱柱保护区域的位置和尺寸，获取其在所述xy平面的投影四边形的顶点坐标；
61.步骤5：根据所述顶点坐标，判断所述吊钩的当前坐标位置是否处于所述投影四边形的范围内；
62.步骤6：根据判断结果，控制所述吊钩的位置，以避开所述保护区域。
63.根据以上步骤，在塔吊运行过程中，可以控制吊钩不与保护区域发生干涉，还可以在搭建塔吊之前先对塔吊进行计算机仿真实验，可以验证塔吊施工方案是否符合施工过程中安全性和经济性的要求，自动模拟真塔在实际施工中与保护区域发生干涉从而影响塔吊工作的情况。
64.在一些实施方式中，先根据获取到的所述塔吊的编码器当前数值和所述塔吊的滚筒直径、编码器分辨率，分别计算所述吊钩的起升、变幅和回转位置。再根据所述起升、变幅和回转位置进行坐标系转换，得到在当前三维直角坐标系下当前吊钩的坐标值。
65.其中，所述吊钩的起升、变幅和回转位置分别通过以下公式计算得到：
66.起升位置＝encoder/dis*π*d/2-(encoder0)/dis*π*d/2；
67.变幅位置＝(encoder)/dis*π*d-(encoder0)/dis*π*d；
68.回转位置＝(encoder)*360/dis*20/100-(encoder0)*360/dis*20/100，
69.上述公式中，encoder为所述编码器当前数值；encoder0为起升原点时对应的编码器数值；dis为所述编码器分辨率；d为所述滚筒直径；π为圆周率。
70.根据所述起升、变幅和回转位置进行坐标系转换得到当前吊钩的坐标值的计算公式为：
71.x＝l
swing
*cos(angle)；
72.y＝l
swing
*sin(angle)；
73.z＝l
lift
；
74.angle＝l
turn
*180/π，
75.上述公式中，(x,y,z)为根据所述起升、变幅和回转位置得到的相应点的坐标，l
swing
为所述变幅位置，l
lift
为所述起升位置，l
turn
为所述回转位置，π为圆周率，angle为所述大臂的回转角度。
76.在一些实施方式中，应用于塔吊模型的仿真实验或避让控制时，通过所述塔吊模型和真塔的比例尺，推算所述四棱柱保护区域在所述xy平面内的各顶点坐标值。
77.本发明的塔吊保护区域避让方法一个实施例的一个保护区域在xy平面的投影图如图4所示。该四棱柱保护区域在xy平面的投影得到的是图4中的四边形的四个顶点a、b、c、d，四个顶点依次相连得到的四边形可视作该四棱柱保护区域在xy平面的投影图。四边形边缘及内部所有点的横坐标最大值记为xmax、纵坐标最大值记为ymax、横坐标最小值记为xmin、纵坐标最小值记为ymin。
78.对于吊钩的当前坐标位置(xj,yj,zj)，判断下式是否同时成立：
79.xmin《xj《xmax，ymin《yj《ymax
80.若同时成立，则认为吊钩的当前处于四棱柱保护区域在xy平面的投影的范围内，否则，不在该投影的范围内。
81.也即是说，若上述两个不等式同时成立，认为吊钩的当前位置与该保护区域存在干涉情况，必须控制吊钩的位置以避让，否则，不需要控制吊钩的位置或者通过其他判断条件使吊钩距离保护区域保持在一定距离以外。
82.在一些实施方式中，若前述的投影计算和判断结果为是，则控制所述吊钩的位置，并获取基于所述吊钩的新的位置的判断结果，直至所述判断结果为否；若判断结果为否，则控制所述吊钩以使得所述吊钩的坐标位置与所述直线l1、l2、l3、l4的距离都超出阈值范围。
83.其中，直线l1、l2、l3、l4是所述投影四边形的四条边所在的直线；吊钩的坐标位置与直线l1、l2、l3、l4的距离通过点到直线的距离公式计算得到。
84.具体的，上述实施方式的过程可以是：
85.若前述的投影计算和判断结果为是，表明吊钩位置处于所述四棱柱保护区域的垂直领域范围内，需要控制吊钩避开当前区域，在控制吊钩移动过程中，周期性计算和判断吊钩是否已经避开当前区域，直到投影计算和判断结果为否；
86.若前述的投影计算和判断结果为否，则可以通过实时跟踪吊钩的位置分别与直线l1、l2、l3、l4的距离d1-d4，控制吊钩的位置使得d1-d4均大于设定的阈值，以使得吊钩避开保护区域的范围。
87.其中，直线l1、l2、l3、l4是所述投影四边形的四条边所在的直线；所述距离d1—d4通过点到直线的距离公式计算得到。
88.本发明提供一种塔吊模型避让方法，用于通过所述塔吊模型验证塔吊施工方案，该方法根据本技术的塔吊保护区域避让方法进行塔吊模型的避让计算。
89.其中，所述根据相应的四棱柱保护区域的位置和尺寸，获取其在所述xy平面的投影四边形的顶点坐标，包括：通过所述塔吊模型和真塔的比例尺，推算所述四棱柱保护区域在所述xy平面的各顶点坐标值。
90.本发明实施例提供了一种塔吊仿真方法，该方法根据本技术的塔吊保护区域避让
方法进行塔吊的仿真，或者根据本技术的塔吊模型保护区域避让方法进行塔吊模型的仿真。
91.本发明实施例提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本技术的塔吊保护区域避让方法或者本技术的塔吊模型保护区域避让方法。
92.本发明实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行本技术的塔吊保护区域避让方法或者本技术的塔吊模型保护区域避让方法。
93.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
94.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
95.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
96.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
97.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
98.存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。存储器是计算机可读介质的示例。
99.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
100.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
101.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。