一种基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及塔机自动控制技术领域，具体公开了一种基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法及装置，方法包括：建立柱坐标下施工场地的三维网格模型，并生成网格节点集合；根据施工场地内的障碍物以及网格节点集合，生成障碍物点集；获取柱坐标下吊运起点的坐标以及吊运终点的坐标；根据吊运起点、吊运终点、网格节点集合、障碍物点集以及预设的吊运路径规划策略，规划吊运起点至吊运终点的吊运路径等步骤。本发明专利技术优化了集合数据结构，大幅度缩减了计算时间，提高了路径规划的效率，通过生成障碍物点集，避免人工驾驶中存在的视觉盲区问题，采用特定的启发函数，使得规划得出的吊运路径更加符合塔机工作场景和吊运逻辑，提高了吊运安全性以及效率。吊运安全性以及效率。吊运安全性以及效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法及装置


[0001]本专利技术涉及塔机自动控制
，尤其涉及一种基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法及装置。

技术介绍

[0002]塔吊是建筑工作中关键的机械设备，在楼宇修建的场所塔吊随处可见，可以有效的节省人力、降低建设成本和提高施工进度。但由于塔机驾驶室位置较高，塔机操作员视野受到很大限制，场地又内存在建筑、障碍物的遮挡，经常出现盲吊、隔山吊的情况，驾驶员仅能结合地面人员的指令，凭经验进行工作，盲目性、操作难度高，存在一定安全隐患，与此同时，塔机驾驶员在狭小的高空驾驶室中长时间重复劳动，容易出现疲劳，对塔机吊运作业的安全生产造成较大影响。为解决该问题，现有技术主要通过设置塔机运行监控系统，通过采集塔机运行的参数及视频图像，为驾驶员提供辅助，减少视觉盲区。但塔机驾驶受人为因素影响大，驾驶员疲劳驾驶的问题依然存在。因此，自动驾驶的无人塔机是目前新型塔机研发的重要方向。
[0003]专利技术专利申请CN110182696A、CN110482409A和CN109610850A分别提出用SLAM算法、快速搜索随机树(RRT)算法、蚁群算法进行吊运路径的搜索。除此以外，A*算法也是实现路径规划的一种算法，但塔机工作场景下使用常规的A*算法进行路径规划，存在算法效率低、起吊高度低等问题，实用性和安全性有待提高。
[0004]因此本领域人员亟需寻找一种新的技术方案来解决上述的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的技术问题，本专利技术提供一种基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法及装置。
[0006]本专利技术公开了一种基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法，包括：
[0007]建立柱坐标下施工场地的三维网格模型，并生成网格节点集合；
[0008]根据施工场地内的障碍物以及网格节点集合，生成障碍物点集U0；
[0009]获取柱坐标下吊运起点S的坐标以及吊运终点G的坐标，分别为(r
S
,θ
S
,h
S
)和(r
G
,θ
G
,h
G
)；
[0010]根据吊运起点S、吊运终点G、网格节点集合、障碍物点集U0以及预设的吊运路径规划策略，规划吊运起点S至吊运终点G的吊运路径；
[0011]其中，吊运路径规划策略包括：
[0012]S101：建立可到达点集合open list与无需关注点集合close list；
[0013]S102：将吊运起点S放入可到达点集合open list中，令吊运起点S的总代价f(S)和实际代价g(S)为0，令其父节点为自己；
[0014]S103：在可到达点集合open list中，选取总代价f(n)最小的节点n，将节点n从可到达点集合open list中删除；其中，节点n的坐标为(r
n
,θ
n
,h
n
)，节点n的总代价f(n)＝g(n)
+h(n)，g(n)为节点n的实际代价，h(n)为节点n的启发函数，且h(n)＝k1(h
mid
‑
h
n
)+k2+k3(|r
n
‑
r
G
|+|θ
n
‑
θ
G
|)+k4|h
n
‑
h
G
|，k1,k2,k3,k4为预设的权函数，h
mid
为预设的大幅度水平移动前需确保的安全高度值；
[0015]S104：获取节点n相邻的节点m，并判断节点m是否属于障碍物点集U0或无需关注点集合close list；其中，节点m的坐标为(r
m
,θ
m
,h
m
)；若否，
[0016]S105：判断节点m是否已经在可到达点集合open list中；
[0017]S106：若节点m不在可到达点集合open list中，则将节点m加入到可到达点集合open list中，并将节点n设置为节点m的父节点，计算节点m的总代价f(m)＝g(m)+h(m)，其中，g(m)代表从吊运起点S经由其父节点n移动至节点m的实际代价，g(m)＝g(n)+|r
m
‑
r
n
|+r
n
·
|θ
m
‑
θ
n
|+|h
m
‑
h
n
|，h(m)为节点m的启发函数，且h(m)＝k1(h
mid
‑
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)+k2+k3(|r
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|+|θ
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|)+k4|h
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‑
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|；
[0018]S107：若节点m已经在可到达点集合open list中，则计算从吊运起点S经由非父节点n到达节点m的代价l(m,n)＝g(n)+|r
m
‑
r
n
|+r
n
·
|θ
m
‑
θ
n
|+|h
m
‑
h
n
|，将代价l(m,n)与实际代价g(m)进行对比，若l(m,n)<g(m)，则将节点n设置为节点m的父节点，且令实际代价g(m)＝l(m,n)，并更新总代价f(m)；
[0019]通过S104至S107遍历节点n所有相邻的节点m后，执行S108；
[0020]S108：将节点n加入到无需关注点集合close list中；
[0021]重复S103至S108，直至从可到达点集合open list中选中的节点为吊运终点G；
[0022]S109：从吊运终点G开始，沿着每个节点的父节点回溯，直至吊运起点S，将回溯节点依次连接，即为吊运路径。
[0023]进一步的，建立柱坐标下施工场地的三维网格模型，并生成网格节点集合，包括：
[0024]以塔机塔身的中轴线作为柱坐标的纵轴，将角度坐标θ以设定步长等分为a份；
[0025]将所有节点的角度坐标θ转化为0至a
‑
1之间的整数；
[0026]以节点的角度坐标作为一级列表的索引，将节点的半径坐标r和高度坐标h作为二级列表。
[0027]进一步的，设定步长为1
°
，将角度坐标θ等分为360份。
[0028]进一步的，S104中：判断节点m是否属于障碍物点集或无需关注点集合close list，包括：
[0029]以节点m的角度坐标θ
m
在障碍物点集或无需关注点集合close list中的一级列表中进行索引，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法，其特征在于，包括：建立柱坐标下施工场地的三维网格模型，并生成网格节点集合；根据施工场地内的障碍物以及所述网格节点集合，生成障碍物点集U0；获取柱坐标下吊运起点S的坐标以及吊运终点G的坐标，分别为(r
S
,θ
S
,h
S
)和(r
G
,θ
G
,h
G
)；根据所述吊运起点S、吊运终点G、网格节点集合、障碍物点集U0以及预设的吊运路径规划策略，规划吊运起点S至吊运终点G的吊运路径；其中，所述吊运路径规划策略包括：S101：建立可到达点集合open list与无需关注点集合close list；S102：将所述吊运起点S放入所述可到达点集合openlist中，令所述吊运起点S的总代价f(S)和实际代价g(S)为0，令其父节点为自己；S103：在所述可到达点集合open list中，选取总代价f(n)最小的节点n，将节点n从所述可到达点集合openlist中删除；其中，节点n的坐标为(r
n
,θ
n
,h
n
)，节点n的总代价f(n)＝g(n)+h(n)，g(n)为节点n的实际代价，h(n)为节点n的启发函数，且h(n)＝k1(h
mid
‑
h
n
)+k2+k3(|r
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r
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|+|θ
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|)+k4|h
n
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h
G
|，k1,k2,k3,k4为预设的权函数，h
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为预设的大幅度水平移动前需确保的安全高度值；S104：获取节点n相邻的节点m，并判断节点m是否属于所述障碍物点集或所述无需关注点集合close list；其中，节点m的坐标为(r
m
,θ
m
,h
m
)；若否，S105：判断节点m是否已经在所述可到达点集合open list中；S106：若节点m不在所述可到达点集合openlist中，则将节点m加入到所述可到达点集合open list中，并将节点n设置为节点m的父节点，计算节点m的总代价f(m)＝g(m)+h(m)，其中，g(m)代表从吊运起点S经由其父节点n移动至节点m的实际代价，g(m)＝g(n)+|r
m
‑
r
n
|+r
n
·
|θ
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|+|h
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|，h(m)为节点m的启发函数，且h(m)＝k1(h
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|+|θ
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|)+k4|h
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|；S107：若节点m已经在所述可到达点集合open list中，则计算从吊运起点S经由非父节点n到达节点m的代价l(m,n)＝g(n)+|r
m
‑
r
n
|+r
n
·
|θ
m
‑
θ
n
|+|h
m
‑
h
n
|，将代价l(m,n)与实际代价g(m)进行对比，若l(m,n)<g(m)，则将节点n设置为节点m的父节点，且令实际代价g(m)＝l(m,n)，并更新总代价f(m)；判断是否对节点n的所有相邻的节点m进行了上述步骤的运算，如果是，则执行S108，如果否，则对其他相邻节点m进行步骤S104至S107的处理。故通过S104至S107遍历节点n所有相邻的节点m后，执行S108；S108：将节点n加入到所述无需关注点集合close list中；重复S103至S108，直至从所述可到达点集合openlist中选中的节点为所述吊运终点G；S109：从所述吊运终点G开始，沿着每个节点的父节点回溯，直至所述吊运起点S，将回溯节点依次连接，即为吊运路径。2.如权利要求1所述的基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法，其特征在于，所述建立柱坐标下施工场地的三维网格模型，并生成网格节点集合，包括：以塔机塔身的中轴线作为柱坐标的纵轴，将角度坐标θ以设定步长等分为a份；将所有节点的角度坐标θ转化为0至a
‑
1之间的整数；
以节点的角度坐标作为一级列表的索引，将节点的半径坐标r和高度坐标h作为二级列表。3.如权利要求2所述的基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法，其特征在于，所述设定步长为1
°
，将角度坐标θ等分为360份。4.如权利要求2所述的基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法，其特征在于，S104中：判断节点m是否属于所述障碍物点集或所述无需关注点集合close list，包括：以节点m的角度坐标θ
m
在所述障碍物点集或所述无需关注点集合close list中的一级列表中进行索引，找到对应的二级列表；在对应的二级列表中寻找对应的(r
m
,h
m
)。5.如权利要求2所述的基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法，其特征在于，所述建立柱坐标下施工场地的三维网格模型，并生成网格节点集合，还包括：建立直角坐标下施工场地的三维模型；将所述三维模型转化为所述三维网格模型，并以设定平面网格精度确定出所述网格节点集合。6.如权利要求1所述的基于A*算法改进的塔机吊运路径规划方法，其特征在于，权函数k1的表达式为：其中，d(n,S)表示节点n与吊运起点S之...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎杰明，陈航，胡贺松，唐孟雄，邵泉，陈喜生，杨才广，
申请(专利权)人：广州建筑股份有限公司，
类型：发明
国别省市：