移動(dòng)式起重機(jī)作業(yè)環(huán)境感知方法及其應(yīng)用

譚松濤 羅賢智 郭紀(jì)梅 曾劍群

摘要：移動(dòng)式起重機(jī)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，是影響起重機(jī)作業(yè)效率并威脅起重機(jī)作業(yè)安全的主要因素之一。以移動(dòng)式起重機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用光學(xué)傳感器收集起重機(jī)作業(yè)的環(huán)境信息，篩選出障礙物，并利用軌跡預(yù)測(cè)輔助操作員避開障礙物，必要時(shí)會(huì)緊急制動(dòng)起重機(jī)避免危險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；環(huán)境感知；軌跡預(yù)測(cè)；避障

0? ?引言

在未安裝主動(dòng)環(huán)境感知的移動(dòng)式起重機(jī)設(shè)備吊裝作業(yè)時(shí)，為保障吊裝作業(yè)的安全，往往需要一名乃至多名指揮員協(xié)助起重機(jī)操作者觀察周邊環(huán)境，并提供吊裝意見來保障吊裝過程的安全。在吊裝過程中由于涉及到人與人的協(xié)同，人與起重機(jī)的協(xié)同，因此越是在大型吊裝情況下的吊裝任務(wù)，吊裝工藝越復(fù)雜，吊裝的效率和安全越是依賴指揮員和操作員的默契、經(jīng)驗(yàn)以及溝通的準(zhǔn)確率。

1? ?主動(dòng)環(huán)境感知的意義

在吊裝施工的過程中，難免會(huì)遇到復(fù)雜的施工環(huán)境，雜亂的施工現(xiàn)場(chǎng)，任何一個(gè)隨意放置的施工材料都可能會(huì)是吊裝施工過程中的障礙物。而在現(xiàn)場(chǎng)的施工當(dāng)中，這些障礙物會(huì)增加機(jī)手的施工操作強(qiáng)度，降低施工效率，有時(shí)還會(huì)增加危險(xiǎn)性。因此在起重機(jī)的吊裝施工過程中，讓起重機(jī)主動(dòng)對(duì)施工環(huán)境進(jìn)行感知，利用起重機(jī)的工況信息預(yù)測(cè)起重機(jī)的各關(guān)節(jié)路徑，主動(dòng)識(shí)別篩選出預(yù)測(cè)路徑上存在的障礙物，并提示機(jī)手進(jìn)行避讓，可有效降低機(jī)手的施工操作強(qiáng)度，提高施工的效率，預(yù)防施工事故風(fēng)險(xiǎn)。

2? ?主動(dòng)環(huán)境感知的方法

在起重機(jī)的吊裝作業(yè)過程中，移動(dòng)式起重機(jī)不同的工作部位所執(zhí)行的工作任務(wù)是不盡相同的，且不同工作部位自身的結(jié)構(gòu)形式也區(qū)別甚大，這些都使得不同工作部位對(duì)環(huán)境感知的需求是差之千里。本文以移動(dòng)式起重機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用光學(xué)傳感器收集起重機(jī)作業(yè)的環(huán)境信息，篩選出障礙物，并利用軌跡預(yù)測(cè)輔助操作員避開障礙物，必要時(shí)會(huì)緊急制動(dòng)起重機(jī)避免危險(xiǎn)。

本文主要使用的傳感器主要為激光雷達(dá)和超聲波雷達(dá)，其分別用于遠(yuǎn)距離測(cè)距和近距離測(cè)距。其中遠(yuǎn)距離測(cè)距的子系統(tǒng)包含對(duì)吊鉤及載荷環(huán)境感知系統(tǒng)和對(duì)吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)，近距離測(cè)距的子系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)臺(tái)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)。

2.1? ?吊鉤及載荷環(huán)境感知系統(tǒng)

吊鉤及載荷環(huán)境感知系統(tǒng)在安裝位置上位于臂端，其至少由一個(gè)四軸云臺(tái)和搭載在云臺(tái)上的激光雷達(dá)構(gòu)成。云臺(tái)的4個(gè)可單獨(dú)調(diào)節(jié)的軸分別位于云臺(tái)的上部和下部，上部包含第一俯仰軸和第一橫滾軸，二者為自調(diào)節(jié)軸，其根據(jù)吊臂的俯仰角度自行調(diào)節(jié)，以保證云臺(tái)的下部姿態(tài)能始終保持水平。四軸云臺(tái)工作如圖1所示。

下部包含第二俯仰軸和水平旋轉(zhuǎn)軸，二者為可控制軸，其會(huì)接受計(jì)算機(jī)的控制指令，計(jì)算機(jī)根據(jù)起重機(jī)回轉(zhuǎn)和變幅方向上過去2s內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度，來預(yù)測(cè)起重機(jī)的吊鉤及載荷在接下來2s的運(yùn)動(dòng)路徑，以此來輸出云臺(tái)下部的轉(zhuǎn)角來調(diào)制激光雷達(dá)的視場(chǎng)方向，從而保證激光雷達(dá)能將起重機(jī)吊鉤及載荷的“未來”2s里運(yùn)動(dòng)路徑上的障礙物全部“看見”。

起重機(jī)的各關(guān)節(jié)和各延展部分也會(huì)被構(gòu)建成包圍盒，同時(shí)也會(huì)算出其在回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，依靠過去2s內(nèi)各關(guān)節(jié)的加速度和速度，預(yù)測(cè)出未來起重機(jī)吊鉤及載荷的坐標(biāo)位置，以此確定其運(yùn)動(dòng)路徑在空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點(diǎn)集。

吊臂頂端的激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描起重機(jī)吊鉤及載荷即將到達(dá)的位置。激光雷達(dá)實(shí)時(shí)回傳的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，可以篩除地面所代表的點(diǎn)云集。再將剩下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)變成包圍盒，并通過臂端激光雷達(dá)與回轉(zhuǎn)中心的位置關(guān)系，換算出折些包圍盒在起重機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。若這些包圍盒坐標(biāo)與起重機(jī)吊鉤及載荷的運(yùn)動(dòng)路徑坐標(biāo)集有交集，以此作為起重機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑上的障礙物判斷。吊鉤及載荷環(huán)境感知如圖2所示。

2.2? ?吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)

吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)的安裝位置位于吊臂末端，其至少由一個(gè)單軸云臺(tái)和搭載在其上面的激光雷達(dá)構(gòu)成。云臺(tái)工作示意圖如圖3所示。

云臺(tái)安裝在吊臂末端，因此云臺(tái)會(huì)隨吊臂的俯仰而跟隨俯仰。云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軸受車載計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)根據(jù)起重機(jī)吊臂過去2s內(nèi)的俯仰速度、俯仰加速度以及吊臂長度信息，來預(yù)測(cè)吊臂接下來2s吊臂臂身的運(yùn)動(dòng)路徑，根據(jù)這個(gè)路徑的大小，控制吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)云臺(tái)的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，來調(diào)制雷達(dá)的視場(chǎng)方向，以此保證激光雷達(dá)能將起重機(jī)吊臂臂身“未來”2s內(nèi)運(yùn)動(dòng)路徑上的障礙物全部“看見”。吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)如圖4所示。

起重機(jī)的各關(guān)節(jié)和各延展部分構(gòu)建成包圍盒，會(huì)算出其在回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)坐標(biāo)。這里是依靠過去2s內(nèi)變幅關(guān)節(jié)的加速度和速度，預(yù)測(cè)出未來起重機(jī)吊臂的坐標(biāo)位置，以此確定其運(yùn)動(dòng)路徑在空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點(diǎn)集。

吊臂末端的激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描起重機(jī)吊臂即將達(dá)到的位置。激光雷達(dá)會(huì)實(shí)時(shí)回傳點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，可以篩除“超起裝置”所代表的點(diǎn)云集。再將剩下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)變成包圍盒，并通過臂末激光雷達(dá)與回轉(zhuǎn)中心的位置關(guān)系，換算出這些包圍盒在起重機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。若這些包圍盒坐標(biāo)與起重機(jī)吊臂及“超起裝置”的運(yùn)動(dòng)路徑坐標(biāo)集有交集，以此作為起重機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑上的障礙物判斷。

2.3? ?回轉(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)在安裝位置上位于轉(zhuǎn)臺(tái)的四周，其至少由6個(gè)毫米波雷達(dá)傳感器和其對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理主機(jī)構(gòu)成。回轉(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)如圖5所示。

系統(tǒng)通過讀取起重機(jī)的工況信息，根據(jù)工況信息獲取存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的轉(zhuǎn)臺(tái)的尺寸信息。系統(tǒng)將起重機(jī)的去吊臂的轉(zhuǎn)臺(tái)部件簡單輪廓化為立方體，并以回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，吊臂伸出方向?yàn)閅軸正方向，豎直方向?yàn)閆軸建立空間直角坐標(biāo)系，然后將起重機(jī)自身的尺寸信息確定其坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

通過毫米波雷達(dá)傳感器獲取障礙物的位置信息，并通過傳感器的安裝位置、方向，將雷達(dá)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，以此來判斷物體是否存在于轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)路徑上。對(duì)于存在于轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)路徑中的物體，換算出其與轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)送碰撞的回轉(zhuǎn)角度裕值，根據(jù)裕值大小來評(píng)估碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

同時(shí)系統(tǒng)獲取起重機(jī)回轉(zhuǎn)的角速度和角加速度，并通過過去2s內(nèi)的數(shù)值來預(yù)測(cè)“未來”2s里起重機(jī)的回轉(zhuǎn)角度，來預(yù)測(cè)起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)是否會(huì)與回轉(zhuǎn)路徑中的障礙物發(fā)送碰撞。傳感器無法檢測(cè)到被障礙物遮擋部分的具體情況，故被障礙物遮擋的部分視為障礙物的一部分?；剞D(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)如圖6所示。

3? ?主動(dòng)環(huán)境感知的應(yīng)用

3.1? 在人機(jī)協(xié)同中幫助機(jī)手進(jìn)行決策

新增的吊鉤及載荷環(huán)境感知系統(tǒng)、吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)的關(guān)系是并聯(lián)關(guān)系。而系統(tǒng)不管在什么模式下對(duì)機(jī)手的操作意見都是其三者共同作用產(chǎn)生的。控制系統(tǒng)控制邏輯如圖7所示。

通過3種不同位置的主動(dòng)環(huán)境感知系統(tǒng)所提供的傳感器數(shù)據(jù)，以及起重機(jī)自身傳感器所提供的各關(guān)節(jié)速度與加速度信息，系統(tǒng)能夠算出起重機(jī)各活動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)路徑的空間坐標(biāo)集和環(huán)境中物體的坐標(biāo)集，然后通過判斷是否存在交集，來判斷在未來的2s內(nèi)起重機(jī)的運(yùn)行路徑上是否存在障礙物。

在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，當(dāng)系統(tǒng)感知到起重機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑上的障礙物后，系統(tǒng)會(huì)通過顯示設(shè)備向機(jī)手展示，起重機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑、路徑上障礙物及其發(fā)生碰撞的地點(diǎn)，與此同時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，來警示機(jī)手注意可能發(fā)生的碰撞。

在吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)工作中，當(dāng)?shù)醣叟鲎苍Ｖ祷蜣D(zhuǎn)臺(tái)碰撞裕值到最低值時(shí)，若機(jī)手還未根據(jù)系統(tǒng)提示進(jìn)行正確的干預(yù)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行制動(dòng)，以確保起重機(jī)的運(yùn)行安全。

3.2? ?在機(jī)器智能化作業(yè)中作為設(shè)備的“眼睛”

在智能化的無人吊裝作業(yè)過程中，主動(dòng)環(huán)境感知設(shè)備就像是起重機(jī)的“眼睛”，實(shí)時(shí)將外部環(huán)境反饋給計(jì)算機(jī)，幫助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)作業(yè)環(huán)境的場(chǎng)景模型建立，并幫助實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)障礙物識(shí)別和起重機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)避障礙物?；诮⒑玫淖鳂I(yè)環(huán)境場(chǎng)景模型，計(jì)算機(jī)的作業(yè)規(guī)劃模塊可以根據(jù)作業(yè)目標(biāo)完成起重機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃工作?；谝?guī)劃好的路徑，運(yùn)動(dòng)控制模塊控制起重機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行到指定位置，實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程自動(dòng)化。

4? ?結(jié)束語

移動(dòng)式起重機(jī)的主動(dòng)環(huán)境感知系統(tǒng)在現(xiàn)代施工作業(yè)中對(duì)比舊時(shí)代方法有著明顯優(yōu)勢(shì)，能夠幫助施工者和機(jī)手安全的完成吊裝任務(wù)，將機(jī)身和環(huán)境可視化后的可以幫助機(jī)手更高效的完成精準(zhǔn)吊裝。同時(shí)其為起重機(jī)自動(dòng)化作業(yè)提供場(chǎng)景信息和動(dòng)態(tài)障礙物信息也是起重機(jī)的自動(dòng)化不可或缺的內(nèi)容。在未來，起重機(jī)的環(huán)境感知功能會(huì)越來越完善，其功效也會(huì)愈發(fā)明顯。

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