混凝土泵车臂架碰撞危险行为判断方法技术

本发明专利技术公开了一种混凝土泵车臂架碰撞危险行为判断方法，步骤包括：步骤1：建立施工现场工地坐标系；步骤2：建立泵车臂架空间模型；步骤3：建立障碍物的包围盒模型；步骤4；预测泵车臂架转动行为与垂直竖边障碍物的碰撞风险；步骤5：预测泵车臂架转动行为与水平边障碍物的碰撞风险；步骤6：预测泵车臂架关节角运动行为与水平边障碍物的碰撞风险；自此，完成一个完整周期的碰撞预测

【技术实现步骤摘要】
混凝土泵车臂架碰撞危险行为判断方法


[0001]本专利技术属于混凝土泵车自动控制
，涉及一种混凝土泵车臂架碰撞危险行为判断方法
。

技术介绍

[0002]混凝土泵车
(
以下简称泵车
)
在施工过程中主要用于墙体
、
地面
/
地基以及构造柱等建筑结构的现浇施工
。
泵车臂架是一个多自由度串联结构，因此，臂架的工作空间范围很大，空间姿态复杂
。
由于施工环境复杂，泵车工作过程中，臂架大范围的运动可能与现场的建筑物或者协同工作的塔机等机械设备发生碰撞，臂架碰撞会导致泵车损坏甚至臂架断裂，造成不可挽回的损失
。
[0003]目前，国内外关于机械防碰撞的研究比较多，常见的方法是基于包围盒的碰撞检测，将臂架和障碍物简化为几何体，通过判断两个几何体之间是否相交来判断是否发生碰撞，该方法适用于静态环境的碰撞检测，无法预测泵车动态情况下的碰撞危险，而且该方法对于泵车复杂的空间结构来说计算效率低下；另外，对于动态环境，可以采用基于视觉图像的碰撞检测方法，然而，由于泵车工作范围大，采用视觉不能确保所有工况都能检测到
。
考虑到泵车臂架在空间姿态复杂，各种碰撞工况繁多，预测泵车行为的碰撞可能性，为泵车防碰撞提供依据，具有重要意义
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种混凝土泵车臂架碰撞危险行为判断方法，将现有技术未的包围盒方法与行为碰撞的预测计算相结合，解决了泵车臂架碰撞的动态预测问题
。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，一种混凝土泵车臂架碰撞危险行为判断方法，具体按照以下步骤实施：
[0006]步骤1：建立施工现场工地坐标系；
[0007]步骤2：建立泵车臂架空间模型；
[0008]步骤3：建立障碍物的包围盒模型；
[0009]步骤4；预测泵车臂架转动行为与垂直竖边障碍物的碰撞风险；
[0010]步骤5：预测泵车臂架转动行为与水平边障碍物的碰撞风险；
[0011]步骤6：预测泵车臂架关节角运动行为与水平边障碍物的碰撞风险；
[0012]自此，完成一个完整周期的碰撞预测
。
[0013]本专利技术的有益效果是：
1)
实现了泵车臂架空间复杂姿态的碰撞检测；
2)
可以动态预测泵车臂架的碰撞
。
附图说明
[0014]图1是本专利技术的混凝土泵车臂架碰撞预测判断方法的流程图；
[0015]图2是本专利技术的施工现场泵车
、
建筑物
、
塔机以及空中电缆的位置关系简图；
[0016]图3是本专利技术的泵车臂架转动碰空间垂直竖边在臂架工作面投影图；
[0017]图4是本专利技术的泵车臂架转动碰空间垂直竖边在
XOY
施工作业面投影图；
[0018]图5是本专利技术的泵车臂架转动碰空间水平边在臂架工作面投影图；
[0019]图6是本专利技术的泵车臂架转动碰空间水平边在
XOY
施工作业面投影图；
[0020]图7是本专利技术的泵车臂架关节运动碰空间水平边在臂架工作面投影图；
[0021]图8是本专利技术的泵车臂架关节运动碰空间水平边在
XOY
施工作业面投影图；
[0022]图9是本专利技术的垂直竖边障碍物下臂架施工场景图；
[0023]图
10
是本专利技术的水平边障碍物下臂架施工场景图
。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明
。
[0025]泵车臂架
(
简称臂架
)
的工作空间范围很大，而施工现场环境复杂，泵车工作过程中，可能与现场的建筑物
、
空中的电缆或者协同工作的塔机等障碍物发生碰撞，施工现场各种障碍物的包围盒模型分析如下：
[0026]1)
建筑物：根据碰撞检测的包围盒法，现场建筑物的包围盒模型可以简化为棱柱
(
即上下底面平行且全等，侧棱平行且相等的封闭几何体
)
，根据空间几何关系，棱柱进一步简化为空间垂直竖边与空间水平边
。
根据泵车与建筑物的结构特点，泵车臂架只可能与建筑物的垂直竖边与空间水平边发生碰撞，因此，建筑物的碰撞包围盒模型可简化为垂直竖边障碍物以及空间水平边障碍物；
[0027]2)
塔机：由于塔机是一个空间臂架结构，塔机的包围盒模型简化为：塔机起重臂为空间水平边，塔机钢绳以及标准节为空间垂直竖边；根据塔机的结构特点，泵车臂架可能与塔机起重臂，塔机钢绳或者塔机标准节发生碰撞，因此，塔机的碰撞包围盒模型可以简化为空间垂直竖边障碍物以及空间水平边障碍物；
[0028]3)
空间电缆：泵车臂架与空间电缆的碰撞就是臂架碰电缆水平边，因此，空间电缆的碰撞包围盒模型可以简化为空间水平边障碍物
。
[0029]因此，根据上述障碍物的碰撞包围盒模型，泵车臂架与施工现场各种障碍物的碰撞计算可以简化为：泵车臂架与垂直竖边障碍物的碰撞以及泵车臂架与水平边障碍物的碰撞
。
根据混凝土泵车的工作原理，泵车臂架运动分为臂架转角运动以及臂架关节运动，因此，泵车臂架的碰撞也对应分为转动运动碰撞与臂架关节角运动的碰撞
。
[0030]参照图1，本专利技术的混凝土泵车臂架碰撞危险行为判断方法，具体按照以下步骤实施：
[0031]步骤1：建立施工现场工地坐标系；
[0032]参照图2，建立施工现场泵车
、
建筑物
、
塔机以及空中电缆的位置关系，以泵车中心作为原点
O
，建立施工现场的三维坐标系
XYZ
，
XOY
为施工作业面，泵车的车身方向为
X
轴，垂直向上为
Z
轴，
Y
轴方向由
X
轴
、Z
轴确定；
X
′
轴是泵车臂架在施工作业面
XOY
的投影线，
X'OZ
为泵车臂架的工作面坐标系
。
[0033]步骤2：建立泵车臂架空间模型；
[0034]在图2中，设定
a2、a3、a4、...a
n+1
为泵车臂架各节臂架的臂长；
O1为泵车臂架转台的关节点；
O2、O3、...O
n+1
分别为泵车各节臂架的关节点；臂架转台转角为
θ1，逆时针为正方向；
θ2为第一节臂架与施工作业面
XOY
的夹角；
θ3、
θ4、...
θ
n+1
依次为泵车前级臂架与当前臂架之间的夹角；根据
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
中，具体过程是：假设施工现场建筑物包围盒模型为四棱柱，
P1～
P4为四棱柱上平面的四个顶点，
P
1b
～
P
4b
为
P1～
P4在施工作业面
XOY
的投影，
h1为四棱柱的高；已知
P1～
P4的坐标则四棱柱上平面的四个水平边
P
i
P
j
的模型表达式为：其中，
i
＝
1、2、3、4
，
j
＝
1、2、3、4
，同样，四棱柱的四个垂直竖边
P
i
P
ib
的模型表达式为：设塔机位置为
T(x
T
,y
T
,0)
，起重臂臂长为
L
；塔机起重臂当前转角为
θ
T
，塔机小车的幅度为
R
；塔机吊钩的高度为
h2，塔机高度为
h3,
则起重臂末端位置表达式为：
T1(x
T
+Lcos
θ
T
,y
T
+Lsin
θ
T
,h3)
；塔机标准节的模型表达式为：塔机起重臂的空间模型表达式为：塔机钢绳的空间模型表达式为：假设空中线缆为
Q1Q2，已知线缆两端端点坐标分别为及线缆高度为
h4；则得到空中线缆的空间模型表达式为：
5.
根据权利要求1所述的混凝土泵车臂架碰撞危险行为判断方法，其特征在于：步骤4中，具体过程是：设垂直竖边为
P1P
1b
，该垂直竖边的数学模型为：
式
(10)
中，分别为垂直竖边障碍物的上顶点坐标；根据步骤1建立的施工现场坐标系，施工现场泵车以及垂直竖边障碍物在泵车臂架工作面
X'OZ
以及施工作业面
XOY
的投影，线段
OA
以及点
P
1b
分别为泵车臂架以及垂直竖边障碍物为
P1P
1b
在施工作业面
XOY
的投影，则预测泵车臂架转动是否与某一个垂直边障碍物
P1P
1b
碰撞的判断流程如下：
4.1)
比较线段
OA
与
OP
1b
的长度，根据步骤2的泵车臂架的空间模型，由臂架末端点能够得到线段
OA
的长度：根据垂直竖边为
P1P
1b
的数学模型式
(10)
，得到如果
OA≤OP
1b
，泵车臂架当前位置的转动可能与垂直竖边障碍物
P1P
1b
发生碰撞，继续执行步骤
4.2)
；如果
OA&gt;OP
1b
，则泵车臂架当前位置的转动与该垂直竖边障碍物
P1P
1b
不会发生碰撞，预测无碰撞风险，退出计算；
4.2)
计算臂架转动与垂直竖边障碍物的可能碰点泵车臂架转动与垂直竖边障碍物碰撞的碰撞点一定在垂直竖边上，即可能碰撞点
K1在施工作业面
XOY
的投影就是
P
1b
点，则可能碰撞点
K1的
x、y
坐标分别为：再将碰撞点
K1的
x、y
坐标代入臂架直线方程式
(3)
，得到可能的碰撞点
K1的
Z
坐标表达式为：式
(11)
中，和分别为第
i
节臂架两端关节点
z
轴坐标；和由式
(1)
计算得到；
4.3)
判断臂架与垂直边是否碰撞；
A1)
若则臂架与该垂直边障碍物会发生碰撞；
A2)
若则臂架不会与该垂直边障碍物发生碰撞
。6.
根据权利要求1所述的混凝土泵车臂架碰撞危险行为判断方法，其特征在于：步骤5中，具体过程是：设水平边障碍物
P1P2的数学模型为：
式
(12)
中，分别为水平边障碍物端点
P1的坐标；分别为水平边障碍物端点
P2的坐标；根据步骤1建立的施工现场坐标系，根据泵车臂架和水平边障碍物在泵车臂架工作面
X'OZ
以及施工作业面
XOY
的投影，线段
OA
以及线段
P
1b
P
2b
分别为泵车臂架以及水平边为
P1P2在施工作业面
XOY
的投影，则预测泵车臂架转动与某一个水平边障碍物
P1P2发生碰撞的判断流程如下：
5.1)
计算泵车臂架与水平边
P1P2可能的碰撞臂架编号
i
；泵车臂架与水平边障碍物发生碰撞，可能的碰撞点一定在水平边障碍物上，因此，根据式
(12)
可能碰点的
Z
坐标为
h1，如果则臂架上与水平边障碍物的碰撞点
K2在第
i
节臂架上，其中，和分别为第
i
节臂架两端关节点
O
i+1
以及
O
i+2
的
Z
轴坐标，由公式
(2)
计算得到；否则：泵车臂架转动与该水平边障碍物预测无碰撞风险，退出计算；
5.2)
计算可能的碰撞点
K2的坐标；根据碰点
K2在泵车的第
i
节臂架，以及碰撞的联立臂架直线方程式
(3)
，计算出碰撞点
K2的横坐标和纵坐标则有：
5.3)
判断臂架转动与水平边障碍物是否碰撞；计算在施工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺俊，王延博，吴超杰，张俊岭，梁斌，
申请(专利权)人：西安丰树电子科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：