一种门座机与龙门吊的防碰撞方法与流程

1.本发明涉及船舶修造技术领域，特别涉及一种应用于修造船厂的门座机与龙门吊的防碰撞方法。


背景技术：

2.门座机和龙门吊作为修造船厂的主要起重设备，船舶在船坞、船台等场所建造或修理过程中使用频繁。由于船舶的特殊性，修造船现场环境非常复杂，门座机与龙门吊在吊运时有较多交叉作业的情况，存在相互碰撞的安全风险。目前常规的管理手段依靠现场门机指挥和吊车司机人工进行监测，存在以下问题：
3.一、门座机与龙门吊自身结构特点导致吊车司机视野受到较大限制，存在视觉盲区；
4.二、受限于修造船现场环境，门机指挥站位有时不能满足观测要求；
5.三、人员远距离观察视觉比较模糊，门机指挥地面引导易出差错。
6.综上，依靠现场人员观测的方法无法对门座机与龙门吊的相对空间位置进行实时监测，容易造成门座机与龙门吊相互碰撞的安全隐患。
7.为解决上述问题，有专利号为zl202022225039.7(授权公告号为cn213302521u)的中国实用新型专利公开了一种龙门吊与门座机防撞系统，该系统中通过控制装置能够接收龙门吊移动站分系统和门座机移动站分系统发射的位置信息，以判断二者的相对位置。由于该系统中只能获取龙门吊和门座机之间的相对位置，但并未公开何种情况下会出现碰撞的情况，因此该系统存在技术缺陷。为此需要对现有技术做进一步改进。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种防撞检测方法简单且效率高的门座机与龙门吊的防碰撞方法。
9.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种门座机与龙门吊的防碰撞方法，其特征在于包括如下步骤：
10.步骤1、在服务器上对门座机和龙门吊分别进行三维建模，得到三维建模后的门座机和龙门吊；
11.步骤2、对施工现场的门座机与龙门吊的位置数据以及门座机的姿态数据进行采集，并上传至服务器；
12.步骤3、设置门座机与龙门吊之间的安全报警等级和每个安全报警等级对应的安全距离；
13.步骤4、在服务器上进行三维模拟仿真分析，实现门座机与龙门吊的碰撞检测，得到门座机和龙门吊之间的碰撞检测结果；其中的碰撞检测具体步骤为：
14.步骤4-1、根据经验获取门座机和龙门吊上易发生碰撞的部件，并在三维模型中将门座机和龙门吊上易发生碰撞部件的外轮廓分别拟合成至少一个矩形；
15.步骤4-2、将每个矩形的四个顶点分别作为球心，并将每个顶点对应画出1个半径为r的球，最终形成围设于4个球外周壁的包围盒；
16.每个矩形对应的包围盒截面基本呈矩形，矩形的四个顶点呈球面所对应的弧形；
17.步骤4-3、根据步骤2中门座机与龙门吊的位置数据以及门座机的姿态数据，计算门座机与龙门吊之间的最短距离，并判断门座机与龙门吊之间的最短距离是否小于等于2r，如是，则说明门座机和龙门吊会发生碰撞，则转入到步骤5；如否，则说明门座机和龙门吊不会发生碰撞；上述2r为预设的安全距离；
18.步骤5、生成对应的安全报警等级。
19.本方案中，所述步骤1中三维建模的具体方法为：
20.采用现场勘测拍摄测量门座机与龙门吊，并结合门座机与龙门吊的生产图纸进行门座机与龙门吊的三维建模。
21.优选地，所述步骤2中门座机与龙门吊的位置数据获取方法为：
22.在施工现场安装基准定位器，并在门座机及龙门吊上分别安装gps定位终端，利用gps差分定位技术获得门座机与龙门吊的位置信息。
23.优选地，所述步骤2中门座机的姿态数据获取方法为：
24.所述门座机包括臂架和用于控制臂架转动的旋转体，在所述臂架和旋转体上分别安装角度传感器，以获取臂架的俯仰角度和起重机的回转角度。
25.本方案中，所述龙门吊呈倒u字形，包括主梁和位于主梁两侧的支脚，所述步骤4-1中门座机和龙门吊上易发生碰撞的部件为：龙门吊上的主梁、至少一个支脚以及门座机上的臂架。
26.为实现安全报警，所述步骤5后还包括如下步骤：
27.在门座机的驾驶室、龙门吊的驾驶室及指挥调度室配备声视频报警装置，当门座机与龙门吊之间的最短距离超出安全距离后，则服务器将针对不同的安全报警等级播放不同的报警影像和音频，提醒门座机及龙门吊驾驶员注意安全操作。
28.为实现工作人员了解门座机及龙门吊的实时情况，所述服务器还连接有显示模块，用于实时展示门座机及龙门吊的实时情况动态展示。
29.与现有技术相比，本发明的优点在于：通过对门座机与龙门吊三维建模和采集定位数据，在三维模拟仿真软件中分析门座机与龙门吊空间距离来判定进行防碰撞预警，具有无需人工操作、高精度、安全性高的特点。避免起重吊运人员为观察臂架是否相碰频繁的登高作业，有效提高吊运效率，缩短吊运时间，节省了大量成本，降低修造船成本，同时也降低了现场吊运的安全风险，提高吊运安全性，具有重要的经济效益与社会效益。
附图说明
30.图1为本发明实施例中龙门吊的结构示意图；
31.图2为本发明实施例中门座机的结构示意图；
32.图3为本发明实施例中碰撞检测示意图。
具体实施方式
33.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
34.本实施例中的门座机与龙门吊的防碰撞方法包括如下步骤：
35.步骤1、在服务器上对门座机和龙门吊分别进行三维建模，得到三维建模后的门座机和龙门吊；
36.三维建模的具体方法为：
37.采用现场勘测拍摄测量门座机与龙门吊，并结合门座机与龙门吊的生产图纸进行门座机与龙门吊的1:1三维建模，同时采集门座机与龙门吊使用时周边的场景数据，构建三维场景资源可视域展示，将门座机、龙门吊盲区信息图形化展示，全方位模拟实景直观判断预防碰撞；
38.如图1所示，龙门吊呈倒u字形，包括主梁11和位于主梁11两侧的支脚12；如图2所示，门座机包括臂架21和用于控制臂架21转动的旋转体22；
39.步骤2、对施工现场的门座机与龙门吊的位置数据以及门座机的姿态数据进行采集，并上传至服务器；
40.门座机与龙门吊的位置数据获取方法为：
41.在施工现场安装基准定位器，并在门座机及龙门吊上分别安装gps定位终端，利用gps差分定位技术获得门座机与龙门吊的位置信息；
42.本实施例中，为避免信号干扰需现场实际勘察选取适当位置安装基准定位器，本发明基准定位器现场实际位置在龙门吊轨道外侧的车间顶部。在门座机及龙门吊上安装gps定位终端，为实时准确检测机械的中心位置，本发明gps定位终端安装在门座机及龙门吊顶部沿轨道方向上的中心位置。利用gps差分定位技术采用gnss gtk技术方案获得门座机与龙门吊的绝对坐标位置信息，定位精度cm级；
43.门座机的姿态数据获取方法为：
44.在臂架和旋转体上分别安装角度传感器，以获取臂架的俯仰角度和起重机的回转角度；两个角度传感器的具体安装位置为：在门座机臂架中心线靠近臂架旋转中心的位置安装角度传感器，实时获得臂架的变幅角度。在门座机旋转体中心或外部旋转齿轮上选取合适的位置安装角度传感器，获得起重机的回转角度；
45.另外，由于修造船现场金属物质较多，信号干扰强，且设备设施体积巨大容易遮挡信号，因此采用定向布置的抗干扰的无线ap(网桥)将采集到的数据准确定地传输到服务器数据计算中心。本发明现场安装1个无线点对多ap和6个无线点对点ap，设备采用5.8g的信道和tdma的加密协议，抗干扰性强，加密性强，稳定性高。同时设备采用定向安装而非全向，覆盖范围小，频率利用率高；
46.本实施例中，通过gnss rtk技术，获取门座机与龙门吊的经纬度和门座机的姿态数据；并利用经纬度信息，实现门座机与龙门吊的精准定位，将经纬度信息转换为三维坐标信息；门座机的姿态数据包括航向角(水平角)和倾斜角(俯仰角)，结合门座机的三维坐标信息，即可实现三维模型与现实世界设备位置的同步；
47.步骤3、设置门座机与龙门吊之间的安全报警等级和每个安全报警等级对应的安全距离；
48.由于修造船现场门座机与龙门吊使用频繁且作业距离较近，为满足生产要求，又减少相互干扰，本实施例中，根据施工现场条件限制结合周边环境的影响，合理布置5m,10m,20m三个等级的安全距离和三个报警等级。提前预警提示吊机司机预防事故发生，有效
防止了门座机与龙门吊在近距离吊运过程中出现相撞事故；
49.步骤4、在服务器上进行三维模拟仿真分析，实现门座机与龙门吊的碰撞检测，得到门座机和龙门吊之间的碰撞检测结果；其中的碰撞检测具体步骤为：
50.步骤4-1、根据经验获取门座机和龙门吊上易发生碰撞的部件，并在三维模型中将门座机和龙门吊上易发生碰撞部件的外轮廓分别拟合成至少一个矩形；
51.本实施例中，门座机和龙门吊上易发生碰撞的部件为：龙门吊上的主梁、至少一个支脚以及门座机上的臂架；
52.步骤4-2、将每个矩形的四个顶点分别作为球心，并将每个顶点对应画出1个半径为r的球，最终形成围设于4个球外周壁的包围盒；
53.每个矩形对应的包围盒截面基本呈矩形，矩形的四个顶点呈球面所对应的弧形；
54.其中如图3所示，门座机上的其中至少部分外轮廓23对应的第一包围盒24，龙门吊上的其中至少部分外轮廓13对应的第一包围盒14，门座机上的任一点a和龙门吊上的任一点b之间的距离为d，当d小于等于2r时，则说明包围盒和龙门吊易发生碰撞；当d大于2r时，则说明包围盒和龙门吊不易发生碰撞；
55.当上述安全距离为5m时，则球的半径r＝2.5m；当上述安全距离为10m时，则球的半径r＝5m；当上述安全距离为20m时，则球的半径r＝10m；
56.步骤4-3、根据步骤2中门座机与龙门吊的位置数据以及门座机的姿态数据，计算门座机与龙门吊之间的最短距离，并判断门座机与龙门吊之间的最短距离是否小于等于2r，如是，则说明门座机和龙门吊会发生碰撞，则转入到步骤5；如否，则说明门座机和龙门吊不会发生碰撞；上述2r为预设的安全距离；
57.由于一个复杂物体的碰撞检测比较困难，本技术中为了提高碰撞检测效率，故将一个球完全包住物体，然后再利用球的半径进行碰撞检测，当两个物体之间的最小距离小于等于两个球的半径和，则视为发生了碰撞；反之则认为没有发生碰撞；
58.步骤5、生成对应的安全报警等级。
59.步骤5后还包括如下步骤：
60.在门座机的驾驶室、龙门吊的驾驶室及指挥调度室配备声视频报警装置，如：如安卓工业屏、hmi显示器等，当门座机与龙门吊之间的最短距离超出安全距离后，则服务器将针对不同的安全报警等级播放不同的报警影像和音频，提醒门座机及龙门吊驾驶员注意安全操作。
61.当然，服务器还连接有显示模块，用于实时展示门座机及龙门吊的实时情况动态展示。该显示模块可以为：防碰撞系统的3d虚拟仿真可视化软件平台，即可实时展示门座机及龙门吊的实时情况动态展示，同时将门座机与龙门吊报警信息进行记录汇总，以便于后期进行分析回放。也可直连相关视频设备如电视大屏等进行展示，预留通信协议接口可直接接入企业的相关iot物联网平台进一步展示。
62.本实施例中将采集到的龙门吊与门座机的位置数据和门座机的姿态数据通过无线信号同步至三维场景，在服务器软件内进行三维模拟仿真分析，碰撞检测方法采用包围盒方法，建立了快速准确的碰撞检测和距离计算库，可提供离散碰撞检测、连续的碰撞检测、距离计算、穿透深度估算四种功能，合理布置安全距离和报警等级对碰撞的报警进行分级预警。另外由于仿真分析在服务器内进行，为避免服务器不稳定导致出现安全事故，设置
传感器与服务器通过心跳机制检测在线状态。当服务器出现故障时，所有的展示屏均提示避障功能未工作，请谨慎操作！当其中一台起重设备的传感器不工作时，服务器及其它展示屏均提示n号设备不在线，请谨慎操作！本发明从传感器到报警终端，延迟可以控制在200ms之内。
63.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。