起重机大型工程吊装方案规划系统设计

作者:BCK体育下载   |   时间:2020-08-24 05:54   |   浏览:187   

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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]。

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!”。

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]。

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。

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]。

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。

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

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