[发明专利]基于行为的多塔机三维空间防碰撞方法

权利要求书

1.一种基于行为的多塔机三维空间防碰撞方法，其特点在于：按照以下步骤实施：

步骤1、将塔机运动部件进行分解

将塔机结构中的运动部件分为五个部分：起重臂、平衡臂、斜拉索、小车以及吊绳；

步骤2、将塔机行为进行分解

将塔机工作过程中的运动行为分解为起重臂回转、小车变幅、吊钩起升三种行为；

步骤3、构建基于行为的塔机臂架空间模型

将运动部件在各种行为驱动下的空间模型简化为空间直线、平面、圆面、圆柱面以及圆锥面，构建各个运动部件的空间模型；

步骤4、对塔机运动行为进行干涉计算，并输出相应的控制信号

利用计算机图形学中的干涉算法，利用各种空间模型交点与塔机当前位置之间的关系，判断塔机运动行为的危险性；

塔机行为的干涉计算分为：转动行为的干涉、小车变幅行为的干涉以及吊钩起升行为的干涉。

2.根据权利要求1所述的基于行为的多塔机三维空间防碰撞方法，其特点在于：所述的步骤3中，其中，L为塔机起重臂长度，R₀为当前小车变幅，h₀为吊钩当前高度，θ₀为起重臂当前转角，构建以下函数方程式：

3.1）小车变幅行为

将吊钩钢绳在空间模型设置为空间平面，

该平面法线向量为：n→=[cosθ0,sinθ0,0],]]>

该运动空间模型的平面方程为：cosθ₀x+sinθ₀y＝0；  （1）

3.2）吊钩起升行为

将吊钩钢绳空间模型设置为线段，用端点P(P_x,P_y,P_z)和方向向量来定义，其中P点为线段中的任意点，

L(t)=P+td→,---(2)]]>

即Lx(t)=Px+tdxLy(t)=Py+tdyLz(t)=Pz+tdz,]]>

其中的t为参数变量，0≤t≤1，L为线段长度；

3.3）塔机回转行为

将起重臂的空间模型设置为圆面，该圆面方程为：

x=R0·cosθ0y=R0·sinθ0,---(3)]]>

其中的θ₀为起重臂当前转角，R₀为小车当前幅度；

3.4）塔机回转行为

将吊绳的空间模型设置为圆柱面，则模型方程为：

x²+y²＝R₀²，-h₀≤z≤0，   （4）

3.5）塔机回转行为

将斜拉索的空间模型设置为圆锥面，设为圆锥轴方向向量，V（V_x,V_y,V_z）为圆锥顶点，θ为轴与母线的夹角，且θ∈(0,2π)，圆锥面上任意一点Q满足下式：

a→·((Q-V)||Q-V||)=cosθ,---(5)]]>

上式两边平方后得到：[a→·(Q-V)]2=cos2θ||Q-V||2,]]>

且满足：a→·(Q-V)≥0,]]>

使用矩阵表示为：(Q-V)TM(Q-V)=0a→·(Q-V)≥0,---(6)]]>

且其中M=(a→a→T-r2I),]]>r＝cosθ。

3.根据权利要求1所述的基于行为的多塔机三维空间防碰撞方法，其特点在于：所述的步骤4中，分别进行三种行为的干涉危险计算，系统首先获取塔机当前状态，然后分别进行三种行为的干涉危险计算并输出控制，

4.1）转动行为的防碰撞干涉计算及输出控制

首先判断自身塔机与相关塔机的高度，

若自身塔机高于相关塔机，此时，可能的干涉碰撞情况为：高塔机吊绳在转动过程中与相关塔机起重臂、平衡臂以及斜拉索的碰撞，于是分别计算上述各种碰撞情况，并输出控制；

以高塔机吊绳转动的圆柱面与相关塔机起重臂的干涉为例，相关塔机起重臂空间为线段，利用计算机图形学中的圆柱面与线段相交算法，若计算出无交点则安全，若有交点，则计算出塔机当前位置与交点位置的角度差，即危险角θ，设塔机转动危险控制角为θ₁，如果θ≥θ₁，则塔机转动行为处于安全状态，无控制信号输出；如果θ≤θ₁，则塔机发出控制信号截止塔机继续向危险方向的转动行为；与此类似，分别进行高塔机吊绳与底塔机平衡臂以及斜拉索的干涉计算以及输出；

若塔机自身高度低于相关塔机，则碰撞干涉可能是低塔机起重臂、平衡臂、斜拉索与高塔机吊钩钢绳碰撞；

转动行为下，低塔机起重臂空间模型为圆面，利用圆面与高塔机吊钩钢绳空间线段的相交算法，若计算出无交点则安全，若有交点，则计算出塔机当前位置与交点位置的角度差，即危险角θ，设塔机转动危险控制角为θ₁，如果θ≥θ₁，则塔机转动行为处于安全状态；如果θ≤θ₁，则塔机发出控制信号截止塔机继续向危险方向的转动行为；

4.2）小车变幅行为的防碰撞干涉计算及输出控制

首先判断自身塔机与相关塔机的高度，

若自身高于相关塔机，此时可能的碰撞干涉情况为，高塔机吊绳在小车变幅过程中与相关塔机起重臂、平衡臂以及斜拉索的碰撞，于是分别计算上述各种碰撞情况，并输出控制；

以高塔机吊绳在移动过程中形成的平面与相关塔机起重臂的干涉为例，利用计算机图形学中的平面与线段相交算法，若计算出无交点则安全，若有交点，则计算出塔机当前位置与交点位置的位移差，即危险值L，设塔机移动危险控制值为L₁，如果L≥L₁，则塔机小车变幅行为处于安全状态，无控制信号输出；如果L≤L₁，则塔机发出控制信号截止小车继续向危险方向的变幅行为；与此类似，分别进行高塔机吊绳与底塔机平衡臂以及斜拉索的干涉计算以及输出；

若塔机自身高度低于相关塔机，塔机小车变幅行为处于安全状况；

4.3）吊钩起升行为的防碰撞干涉计算及输出控制

首先判断自身塔机与相关塔机的高度，

若自身高于相关塔机，此时可能的碰撞干涉情况为，高塔机吊绳在吊钩起升过程中与相关塔机起重臂、平衡臂碰撞；

以高塔机吊绳在移动过程中形成的线段与相关塔机起重臂的干涉为例，利用计算机图形学中的线段与线段相交算法，若计算出无交点则安全，若有交点，则计算出塔机吊钩当前位置与交点位置的高度差，即危险值h，设塔机移动危险控制值为h₁，如果h≥h₁，则塔机处于安全状态，无控制信号输出；如果h≤h₁，则塔机发出控制信号截止吊钩继续向危险方向的起升行为；与此类似，进行高塔机吊绳与底塔机平衡臂的干涉计算以及输出；

若塔机自身高度低于相关塔机，塔机的起升行为处于安全状况。