起重机大型工程吊装方案规划系统设计

走过路过不要错过作者：范卿 曾杨 胡玉茹 段军 郭芙摘 要： 针对起重机多种工况， 提出了面向吊装方案规划的仿真系统总体设计方案， 满足了3 种方式吊装 路径规划的需求， 实现了仿真过程中碰撞检测和标尺显示等效果。 利用OSG实现了包括三维场景建模和起重机 运动演示的仿真系统， 通过某一吊装场景的演示， 验证了系统的可用性。引言随着计算机技术、信息技术、现代管理技术等在工业界的广泛应用，虚拟现实技术(VRT)集成仿真技术的广阔应用前景日益引起各国的高度重视。尤其在国外工业发达国家，虚拟现实集 成仿真技术在航空、航天、军事、汽车等领域都 获得成功的应用。十二五规划以来，我国政府加大了对企业信息化、自动化技术发展的力度，虚拟现实集成仿真技术作为企业信息化、智能化发 展的重要组成部分越来越得到各大企业的重视。虚拟现实集成仿真技术是数字化辅助施工技 术的主要内容，是实现工程机械自动化、智能化 作业的基础，是建设机械关键技术国家重点实验室的一大研究方向。起重机大型工程吊装方案规划系统是基于虚拟现实技术开发的起重机在三维 作业场景中进行吊装模拟和作业指导的虚拟仿真 平台，是典型的数字化辅助施工技术的应用。该 系统对中联起重机大型吊装工程在风电、核电、 火电、港口、化工、建筑和冶金等8 个作业场景 的真实施工现场进行吊装模拟和作业指导而开发 的仿真系统。作为数字化辅助施工技术，本系统 囊括了工程管理、场景搭建、起重机工况选型、 运动仿真、吊装方案输出等5 大模块。该系统几乎涵盖了真实吊装过程的所有因素，能够有效地为施工现场提供吊装作业指导，提高了施工效率， 填补了施工与管理之间的鸿沟。1系统总体设计本系统利用OSG与VC++相结合对起重机进 行三维图形建模、起重机组装、仿真及路径规划 等功能，生动形象地再现了真实吊装场景中的各 个细节［1］。仿真系统的总体目标是创建一个满足 键盘交互、 自动规划和自动路径规划3种路径规划方式，能够三维动态而逼真地仿真规划的路径，并在仿真过程中实时地显示起重机参数和碰撞预警及距离检测的空间虚拟环境。系统由工程管理 系统、况选型专家系统、路径规划系统、实时检测系统、运动仿真系统总控制台、数据库访问 层及后台数据库等主要部分组成，其总体结构框架如图1所示，各子系统主要功能如下。图1 总体结构框架图1）工程管理系统 该系统包括新建工程、打开工程、保存工程、另存为、退出等5 大功能， 主要采取OSG和数据库的编程的原理和方法来进 行实现，其运行界面类似于Office中的Word文档 中的文件菜单栏。设计方法主要包括OSG图形的 处理和数据库的读写与存储2部分内容。2）图形显示系统 该系统包含作业场景建 模、场景漫游和运动信息显示等内容。其中，作 业场景建模负责三维吊装场景的搭建，是将本吊装工程过程中所需要的常见作业场景模型、起重 机模型及场景相关模型库（包括场景模型、吊装 物模型、障碍物模型、吊索具模型等），以可视化的形式表示在作业场景中［2］。对于模型库模型 应用位置变换矩阵、大小变换矩阵，实现参数化 建模及在线参数化修改；进而对此参数化模型进 行平移、旋转、删除等人机交互操作；作业场景 模型包括风电、建筑、核电、火电、港口、化 工、桥梁、冶金和晴天、阴天2 种天气状况，并 为相应背景设置泥土、沙地、水泥等地形条件。场景漫游主要实现了8 个漫游动作和5 个视图模 式，用户通过OSG中的相机视角置身于虚拟环境中，通过鼠标和键盘控制视点和行动路线。在这 种交互情况下，不需要进行任何的预处理过程， 场景分析和路径计算都在漫游的过程中行进的；在初始化函数InitOSC（）里面添加4个摄像机（camera、camera2、camera3、camera4），并相应的 设置4个相机的参数，使之能与4个视图的消息响 应对应起来［3］。3）工况选型专家系统 该系统包含起重量表 维护与管理和工况选择2 大模块，重量表维护与 管理模块旨在通过VisualC++环境实现将数据从 Excel数据表中转化到Access数据库中的功能，把Excel表中的起重机数据分别导入到Access数据库起重量表（如QAY500）和型号表中，起重量表和型号表是工况查询和路径规划、仿真的基础表， 是最原始的起重量数据。工况选择模块就是为起 重机建模、组装、运动仿真和路径规划提供所需 的数据，具体方法是通过建立Access数据库连接， 对起重机起重量表数据进行匹配分析和对比计算， 最终筛选出最优的数据供用户使用。4）路径规划系统 路径规划包括人工设定、 键盘交互和自动规划3 种方式，人工设定路径规 划是通过键盘顺序地为起重机各运动节点设定动 作方式和增量来规划吊装路径的目的。键盘交互路径规划是系统人机交互的平台，它通过键盘响应驱动起重机的运动完成路径的规划。自动路径规划根据选定的一个或多个工况计算每个工况下 所有吊装物的吊装路径，依从路径锯齿最少、运动幅度最小，同时融合操作员习惯、工程特性的标准，最终自动地为每个存在可行性路径的吊装 物输出一个最优的吊装路径。5）运动仿真系统控制台 负责接路径信 息并在逐帧动画中生成各种指令控制各关节的 运动，实现吊装路径的仿真过程6） 实时检测系统 需要实时检测的包括 碰撞检测、 运动保护和标识显示与隐藏3 部分。碰撞检测是指吊装物与臂架、 吊装物与障碍物、 臂架与障碍物之间的碰撞干涉进行实时检测， 实现方式主要是采用层次包围盒技术来近似表示实体模型的几何特征， 然后对包围盒进行相交测试来判断实体模型之间是否发生碰 撞。 运动保护包括力矩保护和过载保护2 个方面， 主要从幅度的上限和下限、 吊装高度的上限和下限和负载率的大小来限制起重机的运 动。 标识显示与隐藏是通过更新回调函数实时获取当前起重机在整个场景中的3 个对应数据信息， 包括工作半径、 起重机最大高度、 吊钩 离地高度， 当用户触发了标尺显示或隐藏的消息响应函数， 则程序自动调用OSG中的OnBcdis-play（ ）， 此函数负责将上述3 个数据信息显示（ 隐藏）在场景中［4］ 。7）数据库访问层及后台数据库 系统数据库 访问层为系统内部数据的安全传输提供流畅的通 路，并确保数据流通中的正确性。后台数据库用 于存储和管理起重机各种参数信息，包括起重机 各部件的外形尺寸参数、起重机吊载的性能参数及各部件质心位置参数等，为前台的仿真提供真实可靠的数据。2 运动仿真模块2.1 基于精确位置的起重机自动组装起重机自动组装的目标是实现根据指定工况类型（主臂工况或塔臂工况等）自动组装该工况起重机模型的功能。要求组装部件模型正确，臂架位置精确，起重机具体组装策略如下。1） 基本单元 下车体、 转台、 7 节主臂、 第 一标准节、 第二标准节、 副臂连接节1， 副臂连接 节2、 过渡节、 变幅架、 塔臂底节臂、 顶节臂、 塔臂连接架1 （ 包含前撑杆）、 塔臂连接架2 （ 包含 后撑杆）、 吊绳、 吊钩。2）以OSG节点形式组织各部件 首先将各部 件位置参数变换到起重机根节点的相对坐标系下， 之后开始构建起重机节点树结构，如图2所示。图 2 起重机节点组织形式3）自动组装时，每进行一步组装后都要进行 精确计算，得出下步需组装的部件的相对位置参 数，逐步完成整个起重机的组装，流程如图3 所示。2.2 逐帧动画仿真的实现起重机节点运动的动画效果通过节点的回调实现，其仿真过程是通过逐帧调用更新回调函数 来实现动画效果。起重机按照事先设置好的路径做自动仿真运动的方法：事先设置好的路径信息保存在路径信息表，起重机做一个吊装物的吊装 仿真运动之前首先将路径信息表中的路径读出， 存入某个变量中，同时另一个变量用于起重机仿 真运动路径的积累量；然后通过更新回调，在每 一帧循环中起重机运动一个步长并累积到积累量 中，当运动的路径积累量等于从表中读出的路径 时，则表示该路径已经全部完成；之后进入下一 个吊装物的仿真循环。图 3 起重机自动组装流程图起重机自身运动相对简单，但是由于系统建立OSG节点树中吊装物节点初始是作为场景节点的子节点存在，因此，起重机的运动不能即时影响吊装物的空间运动。本系统采用在运动仿真过程中，首先将吊装物节点从场景节点下删除，随 后将吊装物节点作为起重机中的吊绳节点的子节 点加入起重机节点的模型树中，之后通过控制起重机的转台回转、主臂变幅、吊绳卷扬即可使得吊装物跟随做相应的运动，当吊装物到达目的地之后，再将吊装物节点放回到场景节点中，从而实现起重机整个吊装仿真运动［5］。2.3 运动保护1）变幅运动限位 起重机工况确定后，通过 查询当前工况下的起重量表就获得了在当前工作 状态下能够达到的最大、最小幅度。2）回转运动限位 一般在支腿全伸的情况下（打开第5支腿），起重机能够360作业，但如果当前工况没有打开第5 支腿，起重机的回转运动限制在后方作业区（此时严禁进行前方作业），如图4所示。图 4 回转限位图（a）主臂结构 （b）主+副臂结构 图5 起升限位图4）过载限位负载率=（当前载荷／额定载荷）×100%当前载荷=吊重值+吊索具自重，额定载荷 即额定起重量，通过插值方法查询在当前工况与当前工作幅度下的起重机性能表即可获得。当负 载率大于90%时，会提示“危险，即将过载！”；当负载率大于95%时，会提示“负载率达到危险系数，强制切断！”。3 路径规划功能实现方法3.1 人工设定路径规划人工设定路径的实现： 第1 步要选择工况，这里一次规划只能选择一条工况， 但是， 可以在一次规划操作中同时完成场景中所有吊装物的规 划。 第2 步， 设计手动制定路径的界面。其中吊装物下拉框是从场景信息表中读出的当前场景中的所有吊装物名称的列表；动作下拉框根据当前工况信息，列出可以实现的起重机动作。第3步，保存路径边退出。3.2 键盘交互规划键盘交互路径规划实际上是提供给用户一个实时操作虚拟起重机运动并同时自动记录下路径 的平台，键盘交互路径规划实现方法如下。1）键盘交互规划准备工作在针对每个吊装物开始规划前，将吊装物节点从场景节点中移除， 添加到起重机的吊绳节点下，保证吊装物与起重 机同时运动。2）键盘交互操作响应 主要使用OSG的交互 事件接口。分别为卷扬上升、卷扬下落、上车左转、上车右转、主臂向上变幅、主臂向下变幅、 塔臂（动臂）向上变幅和塔臂（动臂）向下变幅 设置相应的交互响应事件（键盘按钮），操作者每 次按键，得到相应的消息响应，在该响应下使得 起重机做相应的一个步长运动操作［6]。3.3 自动路径规划自动路径规划输出的路径不仅要满足起重机力矩正常和臂架、吊装物与障碍物之间无碰撞检测的条件，同时还要在保证安全的情况下尽量减 小臂架吊装幅度，且为符合实际吊装时的习惯。根据场景中障碍物属性特点（可跨和不可跨两 种）和起重机臂架组合形式（主臂、副臂、塔臂和动臂4 种），本系统所采用的具体算法思路如下。1） 划分路径区域， 删除工作区域之外的障碍物来简化计算， 如图6 所示。图 6 工作空间O为起重机回转中心，A为起吊点，B为目标点， OC为工况选型中起重机所能达到的最小幅长，OD为工况选型中起重机所能达到的最大幅 长。规定障碍物E、F分别在工作区域1内和工作区域2内，G不在工作空间内。优先选择区域1较 小回转角度来缩短吊装时间。在点A起始位置起 重机首先运动到求解的目标姿态，在区域1 吊装范围内起重机保持目标姿态直至回转到OB终止 边，然后求解出将吊装物放至目标点的最终姿态， 最后将起重机从目标姿态运动到最终姿态；若区 域1无可行性路径，则转到区域2进行求解，求解 过程同上［7]。2）起重机通过普通障碍物的方式无特殊要求， 以动臂工况为例，具体求解方法如下：首先求解关节1 （主臂变幅关节）可能导致臂 架与障碍物不发生碰撞且不超力矩的运动范围（a1，a2）；然后在主臂的a1位置推导出关节2（动臂变幅关节）与障碍物不发生碰撞、不超出最大变幅范围且不超力矩的运动范围（β1，β2）。若 无法得到动臂可行性位置，则在（a1，a2）范围 内从小到大以一定步长遍历计算动臂的可行性运 动范围（β1，β3 ），记下当前主臂运动范围（a3，a2）。在主臂和动臂的a3、β3 位置计算吊装物与障 碍物、臂架和地面不发生碰撞所要达到的高度要 求。若吊装物在最高位置仍与障碍物碰撞，则在（β1，β3）和（a3，a2）范围内依次从大到小和从小到大迭代计算吊装物不碰撞的位置；若主臂、 副臂分别在a2和β1 位置时，吊装物仍发生碰撞， 则该工况无可行性路径。3）不可跨障碍物是由用户按具体施工环境自 己定制的障碍物区域，如居民区、贵重物品等高 危险区域。为防止意外，要求起重机通过该区域时不可使之至于吊装物或臂架之下，只能从其靠近起重机回转中心的一侧绕过（前绕）该区域。具体方法为：首先计算使吊装物能前绕通过该区 域的主臂角、辅助臂角，然后根据碰撞检测的条 件调整吊装物高度即可；若不能使吊装物前绕通过该区域，则表明该工况无可行性路径。4 实例本文以某一吊装场景为例， 根据场景信息查询出合适的工况， 对选定工况进行3 种方式的路径规划， 接着对规划出来的路径进行仿真验证， 最后成功地通过方案输出模块输出该场景的吊装方案。 如图7 所示。图 7 场景的吊装方案5 结论大型吊装工程作业环境复杂，吊装的安全性、 可靠性要求也越来越高。本文设计了一套起重机 大型工程吊装方案规划系统，并详细介绍了系统框架结构、运动仿真及3 种路径规划方法等主要 功能模块，并通过实例分析验证了本系统的有效 性。本系统可以实现吊装过程的预规划和仿真验 证，可以直观形象地提前反复验证吊装设计方案 的正确性、安全性，提高吊装过程中风险的可预 见性，降低施工风险，提高工程施工的自动化、 智能化水平。同时，本系统与车载控制器系统相结合，还可以实现起重机自动吊装作业控制，提 高工程机械的智能化水平END举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 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