西安智慧工地之塔吊群作業(yè)防碰撞算法研究

 新聞資訊     |      2024-04-28 12:02
       在工地中塔機(jī)群集體工作時(shí)，可能有碰撞事故發(fā)生。經(jīng)過(guò)對(duì)群塔碰撞事故的分析，把所有的碰撞事故分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)包括與塔機(jī)吊臂有關(guān)的碰撞事故都是發(fā)生在吊臂身上。第二類(lèi)就是碰撞發(fā)生在障礙物與吊繩或者是吊鉤之間[39]。針對(duì)塔吊群作業(yè)時(shí)吊鉤與障礙物的碰撞問(wèn)題，采用算法研究能更有效的判斷各種碰撞可能，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，防止事故的發(fā)生。作為西安智慧工地領(lǐng)導(dǎo)者，我們提出以下解決方案。
1.群塔作業(yè)防碰撞方案設(shè)計(jì)
       塔吊防碰撞系統(tǒng)，可以通過(guò)區(qū)域保護(hù)來(lái)檢測(cè)吊臂與周?chē)ㄖ锘蛘哒系K物，有無(wú)碰撞的可能，對(duì)吊鉤和障礙物的碰撞問(wèn)題，采用其它的運(yùn)算方法計(jì)算出距離，防止塔吊群作業(yè)時(shí)碰撞發(fā)生。塔機(jī)群作業(yè)防碰撞過(guò)程如圖 4-1 所示。

2.防碰撞算法研究
       在塔吊群作業(yè)時(shí)，與塔機(jī)的吊臂碰撞可以直接通過(guò)探測(cè)器解決，但是吊繩吊鉤與障礙物的碰撞問(wèn)題，必須要通過(guò)算法研究來(lái)解決。一系列的算法計(jì)算出吊繩或者吊鉤與障礙物之間的距離，最后判斷碰撞是否發(fā)生。采取變幅和回轉(zhuǎn)的辦法避免碰撞的發(fā)生。目前有多種針對(duì)塔吊作業(yè)時(shí)防碰撞的算法，其中應(yīng)用最廣泛有層次包圍盒法和齊次坐標(biāo)變換兩種方法。
       層次包圍盒法大多用在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中，是一種判斷在某一場(chǎng)景中是否有其它物體的某一部件穿過(guò)的檢測(cè)方法。在塔吊群防碰撞系統(tǒng)中用層次包圍盒方法就是用一個(gè)球體將塔機(jī)或塔機(jī)的一部分包圍起來(lái)，球體代表塔機(jī)或塔機(jī)的一部分。這樣通過(guò)判斷兩球的若有交集則引起碰撞事故。但是，模型簡(jiǎn)化的同時(shí)也造成了準(zhǔn)確度的偏差，需要提高準(zhǔn)確度。采用將大球體分成小圓圈的辦法，檢測(cè)小球體間是否有交集。如此不停的分割檢測(cè)，直到獲得適合半徑的球體為止。這樣可以在分割并分層的思想條件下把準(zhǔn)確的提高。
       齊次變換方法核心是在n+1維空間里解決n維空間的問(wèn)題。具體方法是用 n+1個(gè)元素的向量表示有n個(gè)元素的向量的辦法，在一個(gè)向量乘以一個(gè)比例因子是齊次變換的手段。向量的意義不隨著向量的每個(gè)分量與固定常數(shù)相乘而改變。在齊次變換中，三維圖形的平移、比例及旋轉(zhuǎn)變換是對(duì)二維圖形變換的擴(kuò)展，即三維情況下應(yīng)附加考慮z坐標(biāo)的變換。若想對(duì)三維圖形進(jìn)行擴(kuò)展，需要4*4階變換矩陣。齊次坐標(biāo)變換矩陣T可以完成三維立體圖的伸縮、旋轉(zhuǎn)、平移和透視變換等行為。
       本節(jié)主要判斷吊繩、吊鉤與障礙物的碰撞問(wèn)題，可以采用包圍球與齊次變換相結(jié)合的算法研究，既能減少運(yùn)算量，又能提高防碰撞的精度。在塔機(jī)吊鉤的高度低于障礙物的高度前提下，吊鉤進(jìn)入障礙物的影響區(qū)域即目測(cè)可能發(fā)生碰撞的位置，將障礙物與吊鉤的包圍球投影在水平面上，判斷水平面投影是否有交集，如果沒(méi)有交集則表示吊繩與障礙物沒(méi)有可能發(fā)生碰撞，塔吊可以持續(xù)運(yùn)行。如果有交集對(duì)吊繩進(jìn)行下一層次包圍球的劃分，并且遍歷包圍球。通過(guò)坐標(biāo)的齊次變換計(jì)算出吊繩與障礙物的球心距。若球心距小于兩包圍球的半徑和，則表示障礙物與吊繩或者吊鉤有可能發(fā)生碰撞，需要進(jìn)行坐標(biāo)的具體計(jì)算，預(yù)測(cè)是否有可能發(fā)生碰撞。如果坐標(biāo)值不在安全范圍內(nèi)，則塔機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行回轉(zhuǎn)變幅運(yùn)動(dòng)或者報(bào)警停機(jī)等相應(yīng)的防碰撞措施[42]。具體流程圖如 4-2 所示:

       讓包圍球在水平面上做出投影是判斷兩個(gè)塔吊包圍球是否相交的辦法，若投影到水平面的兩圓有相交的部分，表示塔機(jī)吊臂可能在同一空間工作；下一步繼續(xù)細(xì)化塔機(jī)的外接包圍球，因?yàn)檎系K物模型本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以對(duì)障礙物的包圍球就不需要進(jìn)一步的劃分，如圖4-4所示；對(duì)所有包圍球進(jìn)行相交測(cè)試,完成所有的層次包圍球的遍歷后，如果存在兩個(gè)包圍球在空間相交時(shí)，需要判斷兩球的半徑和與球心距的關(guān)系。本文設(shè)計(jì)的算法研究只對(duì)群塔中有交集的兩部分進(jìn)行算法研究。

3. 齊次變換運(yùn)算
       確定塔吊與障礙物的位置關(guān)系最好辦法是建立一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，在群塔作業(yè)區(qū)域選擇一個(gè)適合的參考坐標(biāo)系O,且坐標(biāo)原點(diǎn)o=[x y z] 以同樣的方式在塔機(jī)上確定O1坐標(biāo)系，并將塔機(jī)與塔臂的交叉點(diǎn)設(shè)為中心，坐標(biāo)o1 =[x1 y1 z1 ]參考系O2設(shè)立在周?chē)恼系K物處，坐標(biāo)o2 =[x2 y2 z2 ]。塔機(jī)上O1坐標(biāo)系相對(duì)于參考坐標(biāo)系是運(yùn)動(dòng)的，故可以得到相對(duì)矩陣
       在塔機(jī)1上可以寫(xiě)出從坐標(biāo)系1經(jīng)過(guò)齊次坐標(biāo)變換到坐標(biāo)系0下的矩陣M01和矩陣M10(表示從參考系0經(jīng)過(guò)齊次坐標(biāo)變換到參考系1內(nèi)的矩陣)。

       其中x01,y01,z01為O1坐標(biāo)系的原點(diǎn)在參考坐標(biāo)系O內(nèi)的坐標(biāo)，jx1,x表示從x1軸按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到x軸的旋轉(zhuǎn)度數(shù)，其它角度按相同原則獲得。

       式中x10,y10,z10表示將參考系的原點(diǎn)通過(guò)某種方式置換到塔機(jī)1坐標(biāo)系中的產(chǎn)生坐標(biāo)。根據(jù)上面的規(guī)則，在坐標(biāo)系O2上可以獲得相近似的矩陣。有M20、M0等。涉及到群塔機(jī)共同作業(yè)的特殊環(huán)境下，可以通過(guò)將障礙物及塔機(jī)的坐標(biāo)系所在的XOY平面對(duì)比工地參考坐標(biāo)系的平面平行的方法，將公式簡(jiǎn)化[46]。以圖4-5為例起重機(jī)吊臂所在的直線為x軸，令x軸的箭頭指向塔吊長(zhǎng)臂方向；高度均由坐標(biāo)z表示，z軸的正方向取垂直地面的方向；在三維坐標(biāo)系中y軸的方向可由右手定則確定。角度的問(wèn)題做了如下規(guī)定：逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)參考坐標(biāo)系的x軸，當(dāng)經(jīng)過(guò)j1角度時(shí)與x1軸重合；旋轉(zhuǎn)到x2軸的角度為j 2。角度j的取值區(qū)間為 0°~360°。


4. 塔吊防碰撞
       根據(jù)塔機(jī)與障礙物的包圍球進(jìn)行相交檢測(cè)后，碰撞系統(tǒng)可以初步的進(jìn)行碰撞判斷；再由上面的齊次變換矩陣基本可以得到兩碰撞可能的塔機(jī)或障礙物相對(duì)位置，下面用障礙物與吊鉤為例來(lái)呈現(xiàn)防碰撞算法的研究過(guò)程，如圖所示。

        假設(shè)塔機(jī)運(yùn)行時(shí)吊鉤低于障礙物，而塔機(jī)吊臂高于障礙物，采用一級(jí)包圍球進(jìn)行相交檢測(cè)，若包圍球有交集，表示吊鉤進(jìn)入障礙物的一級(jí)影響區(qū)域，綠顏色區(qū)域即障礙物與吊鉤一級(jí)包圍球相交的影響區(qū)域。塔機(jī)開(kāi)始緩慢回轉(zhuǎn)進(jìn)行二級(jí)包圍球相交測(cè)試提高精度。若吊鉤與障礙物的二級(jí)包圍球相交表示障礙物有可能發(fā)生碰撞，由此規(guī)劃出障礙物的影響范圍。接下來(lái)采用齊次坐標(biāo)變換的方法將吊鉤和障礙物變換到一個(gè)參考坐標(biāo)系下，算出兩包圍球相切的位置，規(guī)劃出吊鉤的運(yùn)行軌跡。M點(diǎn)為塔機(jī)1吊臂上小車(chē)的運(yùn)行位置，坐標(biāo)為 (x1 y1 z1 ) = (x1m 0 H1 )，由(4-11)式能求得M點(diǎn)在障礙物坐標(biāo)系O2中的位置坐標(biāo)(x2 y2 z2 )。其中 x2 , y2 是碰撞算法所需要的數(shù)據(jù)，當(dāng)MO2 < R時(shí)，碰撞會(huì)在障礙物與起重機(jī)的吊鉤之間發(fā)生。
5. 塔吊防碰撞仿真
       仿真選取塔吊型號(hào)為 QTZ63，起重臂長(zhǎng) 45m。在多塔吊同時(shí)作業(yè)的的工地上，塔吊不可避免的交叉作業(yè)，容易引起碰撞事故。障礙物和塔吊群的三維立體模型圖由三維軟件 3DMAX 構(gòu)建，如圖所示，塔吊布置均高于區(qū)域障礙物，而吊鉤的位置都低于障礙物，所以用防碰撞算法來(lái)避免吊繩與障礙物之間的碰撞問(wèn)題。

       在有多個(gè)障礙物的環(huán)境下塔吊群共同作業(yè)時(shí)，塔吊的碰撞事故更容易發(fā)生，在復(fù)雜的工作環(huán)境下，通過(guò)我們的算法研究塔吊仍然可以順利的避開(kāi)障礙物，到達(dá)目標(biāo)位置。圖 4-8 為三臺(tái)塔機(jī)同時(shí)施工的區(qū)域的俯視圖，顏色深的區(qū)域是障礙物所在的位置，區(qū)域 A、B、C 為塔吊干涉區(qū)域。

       以塔機(jī)T0的目標(biāo)點(diǎn)為(3.4 rad,40 m)為例，塔機(jī) T0 沿逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)到目標(biāo)點(diǎn)，需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)障礙物，之后進(jìn)入 T0 與 T1 的干涉區(qū)域 B 內(nèi)，根據(jù)塔吊防碰撞算法研究，在塔吊逆時(shí)針運(yùn)行的過(guò)程中，始終采用一級(jí)包圍球?qū)⒌趵K和障礙物包圍起來(lái)，不斷的進(jìn)行包圍球的相交測(cè)試。當(dāng) T0 靠近障礙物 1 時(shí)兩個(gè)包圍球相交，塔吊吊臂運(yùn)動(dòng)放緩，進(jìn)行二級(jí)包圍球的相交測(cè)試，并開(kāi)始向外做變幅運(yùn)動(dòng)。當(dāng)二級(jí)包圍球有交集時(shí)，采用齊次坐標(biāo)變換的方法將兩個(gè)二級(jí)包圍球相切的位置轉(zhuǎn)換到參考坐標(biāo)系內(nèi)，利用這兩種算法不停的計(jì)算，求得吊鉤與障礙物相切的軌跡，算出障礙物的影響范圍。根據(jù)障礙物的影響范圍，T0吊鉤為避免和障礙物1發(fā)生碰撞，最好從障礙物1的外圍運(yùn)動(dòng)；對(duì)于障礙物2塔吊的吊鉤只能從障礙物2的內(nèi)側(cè)走過(guò)，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。
        將塔吊群作業(yè)防碰撞的算法進(jìn)行的Matlab仿真。將塔吊與障礙物的模型導(dǎo)入到Matlab中。采用Simulink工具箱內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成塔吊群作業(yè)時(shí)，避免碰撞的虛擬現(xiàn)實(shí)算法仿真。圖4-9為群塔機(jī)作業(yè)的的仿真圖。該模型以塔機(jī)的基座為中心坐標(biāo)，三個(gè)障礙物擺放在固定位置。將塔吊群作業(yè)的算法寫(xiě)入MatlabFunction 模塊中，輸出塔機(jī)的幅度和回轉(zhuǎn)角度；完成塔機(jī)吊臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，和小車(chē)幅度的改變，實(shí)現(xiàn)仿真環(huán)境的真實(shí)化。在Matlab Workspace中存儲(chǔ)幅度和回轉(zhuǎn)角度。在仿真過(guò)程中通過(guò)吊臂的旋轉(zhuǎn)和幅度的變換來(lái)避免與障礙物的碰撞。

       根據(jù)仿真結(jié)果可以看到吊鉤從初始位置向外變幅朝目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)。當(dāng)塔機(jī)運(yùn)動(dòng)到障礙物1的影響范圍時(shí)，吊鉤開(kāi)始向外做變幅運(yùn)動(dòng)，當(dāng)幅度超過(guò)30m到達(dá)40m時(shí)，包圍球之間相切，吊鉤在障礙物1外圍安全運(yùn)動(dòng)，塔機(jī)回轉(zhuǎn)離開(kāi)障礙物1的影響范圍時(shí)，安全避開(kāi)障礙物1繼續(xù)向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)；塔機(jī)繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)靠近障礙物2，吊鉤開(kāi)始向內(nèi)做變幅運(yùn)動(dòng)，同理當(dāng)塔機(jī)回轉(zhuǎn)2.1rad時(shí)，進(jìn)入障礙物2的影響范圍區(qū)域，吊鉤繼續(xù)向內(nèi)做變幅運(yùn)動(dòng)，當(dāng)幅度小于11m時(shí)，吊鉤在障礙物2的內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，塔機(jī)回轉(zhuǎn)至3.4rad塔機(jī)安全避開(kāi)障礙物2繼續(xù)向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)；此時(shí)塔機(jī)T0進(jìn)入干涉區(qū)域B，若干涉區(qū)域內(nèi)有T1塔機(jī)等待塔機(jī)T1離開(kāi)干涉區(qū)域后，塔機(jī)T0繼續(xù)回轉(zhuǎn)變幅至目標(biāo)位置。仿真通過(guò)防碰撞算法作用在三維立體模型中，模擬出塔吊運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景，建立塔機(jī)T0的運(yùn)行軌跡，如果T0能夠順利的躲避各個(gè)固定位置的障礙物和運(yùn)動(dòng)屮的塔機(jī)，防止碰撞的發(fā)生，證明防碰撞算法可行圖4-10為塔吊群作業(yè)時(shí)，T0 塔機(jī)的吊鉤運(yùn)行軌跡。

6.總結(jié)
        本文主要介紹了塔吊群作業(yè)時(shí)防碰撞算法的研究，在塔吊臂安裝探測(cè)器終端的基礎(chǔ)上，采用層次包圍盒算法可以粗略的判斷塔吊之間是否有碰撞的可能，用齊次變換的方法精準(zhǔn)的算出有碰撞可能之間的物體距離，采用兩種算法想結(jié)合的思想來(lái)解決塔吊群作業(yè)時(shí)發(fā)生的碰撞問(wèn)題，使塔吊通過(guò)回轉(zhuǎn)和變幅的方法避免碰撞的發(fā)生。并使用了matlab軟件進(jìn)行防碰撞算法的實(shí)驗(yàn)仿真，確定可行性。
       西安天網(wǎng)云智慧工地解決方案一直致力于推廣西安智慧工地、西安塔吊防碰撞租賃、西安勞務(wù)實(shí)名制、AI視頻檢測(cè)等智慧平臺(tái)相關(guān)技術(shù)，在工程施工階段的應(yīng)用將會(huì)為工地?cái)?shù)字化管理注入源源不斷的強(qiáng)大動(dòng)力。解決現(xiàn)場(chǎng)施工安全問(wèn)題，提高管理效率，有效促進(jìn)了工地管理模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)。