一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法技术

本发明专利技术提供了一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，涉及防碰撞预警技术领域，该方法对于基础算力的需求明显低于常见的方法。其不依赖三维几何运算，无须进行复杂的空间几何干涉相交判定，计算维度仅限于点集变换与距离计算，经实际测试验证与应用，只要保证数据通讯链路稳定、设备实时姿态数据稳定有效，即可部署在任意工控机上，且监视效率高，延时低，足以应对真实作业场景下的防碰撞需求。同时，本发明专利技术降低了对建模的要求，建模过程无需进行复杂的对设备实际动作的精确描述，而是以抽象连接结构，表达设备在作业过程中的姿态变化。本发明专利技术也不依赖于三维场景的搭建，无需对机械结构进行解析，即可确保防碰撞功能的运行。的运行。的运行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法


[0001]本专利技术涉及防碰撞预警
，特别是涉及一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法。

技术介绍

[0002]现今工业现场普遍具有复杂的现场环境，作业设备交叉作业等工况，大型设备的防碰撞问题一直是一项至关重要的现实需求。碰撞检测与防碰撞问题，本质上就是实现检测设备任意点测距问题。
[0003]通常为应对防碰撞问题，厂家普遍采取加装测距硬件，如雷达、激光等传感器来实现，此方法不仅受传感器本身工作条件限制，同时受作业设备本身执行动作复杂度影响，传感器只能安装在设备的固定位置，对特定的检测区进行检测，若作业设备本身动作复杂维度高，则只有增加传感器数量，才能对所有可能的碰撞区进行检测。此类解决方案成本高，传感器持续维护也一直困扰着所有使用者。在此背景下，软件防碰撞应运而生。
[0004]软件防碰撞解决办法，应对于已知设备三维空间形态与实时姿态变化的场景。常见的软防碰撞解决方案，包括包围盒检测、三维几何图形相交算法等。其中，包围盒是一种求解离散点集最优包围空间的算法，基本思想是用体积稍大且特性简单的几何体(称为包围盒)来近似地代替复杂的几何对象。此类算法基于空间几何运算，通过计算几何体是否相交与几何体间最小距离，来预测碰撞的发生。例如，包围盒的其中一种为包围球，指使用一个虚拟的球体将被检测物体包围，因球与球之间的距离，即为两球圆心之间的距离，计算过程简单迅速。当两球间距离小于一定值时，认为存在碰撞可能性。此办法优势在于运算迅捷，劣势也很明显：当被检测物体非常窄或非常宽时，包围球与实际物体空间形态差异过大，很容易出现误报现象。虽然应对于复杂被测物体形态，在此算法基础上提出了球体树，但随着被测物体形态复杂度提高，球体树的球体数量也会大量提升。同时当被测物体形态发生变化时，需要根据形态重新生成球体树，运算复杂且成本高。
[0005]其他软防碰撞解决方案，例如，1、基于行为的多塔机三维空间防碰撞方法(申请号：CN201310404791.X)一种基于行为的多塔机三维空间防碰撞方法，该方法通过分解塔机行为，构建塔机臂架在各种行为下的三维空间姿态模型，在此基础上，利用计算机图形学的干涉计算，对塔机行为的危险状况进行判断，根据情况对塔机实行主动防碰控制。此种方法依赖于对塔机动作行为的熟悉，针对性较强，不具备迁移至其他设备种类与现场的能力。
[0006]2、基于二叉树搜索的塔机防碰撞包围球判定方法(收录于《高师理科学刊》)在防碰撞包围球判定方法基础上，研究了二叉树搜索算法在其中的应用.借助空间坐标变换以及位置信息的无线通信交换，详细论述了二叉树搜索算法的实现。该方法提高了碰撞区域判定效率，对于塔机安全运行，有效避免碰撞事故发生具有重要意义。此种方法在表达设备复杂的连接机构在运动时，产生的空间关系变化上，存在天然的困难。并且应对于不同设备形态，包围球的数量会随着设备大小、部件长度大幅增长，增加了对计算资源的需求。
[0007]总体来说，现有软防碰，皆基于三维空间几何运算，辅以不同建模方式，通过对几
何体最近距离与相交情况，判定碰撞发生的可能性，由于该方法需进行三维几何体空间运算，运算成本高，实际应用中对性能要求较高。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，解决的技术问题是：实时且高效地对散货厂区现场的堆取料设备间的空间距离进行实时计算，并根据作业逻辑对作业过程中的危险行为下发报警信号，提供设备与设备间、设备与作业场景间防碰撞解决方案。
[0009]为此，本专利技术提供了以下技术方案：
[0010]本专利技术提供了一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，所述方法包括：
[0011]S1、根据厂区CAD进行厂区建模，至少包括固定场景、设备走行轨道；
[0012]S2、根据设备实际图纸、照片和作业视频，使用基础三维几何体，对所述设备进行抽象，并以树形结构表征各几何体之间的连接关系，形成一个由三维基础几何体组成的设备抽象模型；其中，约定抽象几何体称为部件，部件与部件之间的连接关系称为连接件，连接件与子部件共同组成一组连接结构，所有部件共同组成的设备几何模型称为组合模型；一个组合模型有且只有一个根部件；每个部件包含若干个连接结构，每个连接结构包含一个连接件与一个子部件，并带有父子之间的空间变换关系；连接结构标识子部件的空间姿态如何随父部件的运动而变化，至少包括：旋转轴连接类型与固定连接类型；
[0013]S3、利用关键点生成算法，将原始的三维几何体，降维成一个可以代表该几何体空间属性的均匀点集；所述关键点包含三类：顶点、边缘点、表面点；
[0014]S4、根据厂区模型建立坐标系，以厂区左下角作为三维坐标系的原点，建立右手坐标系，大机走行方向为X轴向，不同轨道之间的设备作为Y向；
[0015]S5、防碰撞软件在设备作业过程中接收来自网关的设备实时姿态数据，并基于所述设备实时姿态数据进行姿态运算；
[0016]其中，所述姿态运算包括：当设备运动姿态发生变化时，以所建立模型根部件作为入口，依次对所有部件根据其父子连接结构进行旋转平移变换，从而得到待测设备姿态对应点集的世界坐标；所有关键点世界坐标作为当前时刻设备防碰撞运算点集，用于支持设备间距离运算；
[0017]当连接结构为固定连接结构时，代表子部件与父部件刚性连接在一起，随着父部件的运动而运动；当父部件位置发生变化时，子部件任意点坐标需随之平移，其旋转平移矩阵为：
[0018]100x010y001z0001
[0019]其中x，y，z分别代表三轴方向的偏移量，因固定连接无旋转偏角，故原矩阵为一个单位矩阵；
[0020]当连接结构为轴连接结构时，则表征子部件能够进行旋转变化，其旋转平移矩阵
为：
[0021][0022][0023]其中，原始矩阵中的x，y，z分别代表三轴的旋转角度，增广列的x，y，z代表父子部件之间的原点偏移；
[0024]子部件上关键点的旋转平移坐标变化，根据其父部件的旋转平移坐标运算得到；
[0025]S6、联合所述设备防碰撞运算点集，计算获得设备与设备之间的最近距离；
[0026]S7、当两设备之间的最近距离到达普通预警距离时，软件界面给出提示，此时并不下发任何指令；当两设备之间最近距离到达紧急预警距离时，软件界面给出提示，此时下发停止指令。
[0027]进一步地，所述设备为具备刚性结构的设备。
[0028]进一步地，所述设备为堆取料机。
[0029]进一步地，所述三维几何体为长方体；相应地，所述关键点生成算法为：
[0030]设长方体长、宽、高分别为a、b、h，点密度为u，则：
[0031]顶点数n1＝8；
[0032]边缘点数n2＝4(Round(a/u)
‑
1)+4(Round(b/u)
‑
1)+4(Ro本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于几何部件模型的散料货场设备防碰撞预警方法，其特征在于，所述方法包括：S1、根据厂区CAD进行厂区建模，至少包括固定场景、设备走行轨道；S2、根据设备实际图纸、照片和作业视频，使用基础三维几何体，对所述设备进行抽象，并以树形结构表征各几何体之间的连接关系，形成一个由三维基础几何体组成的设备抽象模型；其中，约定抽象几何体称为部件，部件与部件之间的连接关系称为连接件，连接件与子部件共同组成一组连接结构，所有部件共同组成的设备几何模型称为组合模型；一个组合模型有且只有一个根部件；每个部件包含若干个连接结构，每个连接结构包含一个连接件与一个子部件，并带有父子之间的空间变换关系；连接结构标识子部件的空间姿态如何随父部件的运动而变化，至少包括：旋转轴连接类型与固定连接类型；S3、利用关键点生成算法，将原始的三维几何体，降维成一个可以代表该几何体空间属性的均匀点集；所述关键点包含三类：顶点、边缘点、表面点；S4、根据厂区模型建立坐标系，以厂区左下角作为三维坐标系的原点，建立右手坐标系，大机走行方向为X轴向，不同轨道之间的设备作为Y向；S5、防碰撞软件在设备作业过程中接收来自网关的设备实时姿态数据，并基于所述设备实时姿态数据进行姿态运算；其中，所述姿态运算包括：当设备运动姿态发生变化时，以所建立模型根部件作为入口，依次对所有部件根据其父子连接结构进行旋转平移变换，从而得到待测设备姿态对应点集的世界坐标；所有关键点世界坐标作为当前时刻设备防碰撞运算点集，用于支持设备间距离运算；当连接结构为固定连接结构时，代表子部件与父部件刚性连接在一起，随着父部件的运动而运动；当父部件位置发生变化时，子部件任意点坐标需随之平移，其旋转平移矩阵为：为：其中x，y，z分别代表三轴方向的偏移量，因固定连接无旋转偏角，故原矩阵为一个单位矩阵；当连接结构为轴连接结构时，则表征子部件能够进行旋转变化，其旋转平移矩阵为：
其中，原始矩阵中的x，y，z分别代表三轴的旋转角度，增广列的x，y，z代表父子部件之间的原点偏移；子部件上关键点的旋转平移坐标变化，根据其父部件的旋转平移坐标运算得到；S6、联合所述设备防碰撞运算点集，计算获得设备与设备之间的最近距离；S7、当两设备之间的最近距离到达普通预警距离时，软件界面给出提示，此时并不下发任何指令；当两设备之间最近距离到达紧急预警距离时，软件界面给出提示，此时下发停止指令。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张耿霖，杜子兮，崔艳龙，蒲云雷，许博，李霞，苏龙平，赵德杨，李茂廷，
申请(专利权)人：大连九州创智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：