CN103543688B - 一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法，包括以下步骤：（1）获取并确定复杂港口机械的二维投影的轮廓边界线；（2）计算两相邻复杂港口机械轮廓边界线间的距离；（3）确定两相邻复杂港口机械轮廓边界线间的最小距离；（4）判断最小距离是否小于设定的安全值，小于时，相邻的复杂港口机械分别减速运行或停止运行，并相互发出相应的警报。本发明还公开了一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护装置，包括第一、第二位置数据采集单元、第一、第二信息交换单元和第一、第二控制单元。本发明具有能充分利用了港口空间，实现了全方位的位置保护，简明容易实施的效果。

Description

一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法及装置

技术领域

本发明涉及复杂港口机械保护领域，特别涉及一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法及装置。

背景技术

港口机械通常安装在固定的轨道上，配有大车可沿轨道作直线运动，由位置编码器记录在轨道上的位置。但对于多数复杂港口机械，当大车位置固定时，还有大臂、靴部等复杂转动部件，可实现原地360度全向旋转，如燃煤电厂常用的链斗式卸船机。港口通常配置多台机械，多采用限位开关或雷达测距仪检测大车位置，防止相邻机械碰撞。

对于结构相同的复杂港口机械，除大车保护外，主要通过计算位置编码器的数据，在限定大臂回转角度下，规定适当的安全距离，来防止大臂和靴部的碰撞。算法简单，保护有效，但未能充分利用空间，影响港口整体效率。

对于结构差异较大的复杂港口机械，如桥式卸船机和链斗式卸船机，现有的防碰撞保护仅限于大车位置保护。方法虽然简单，但经常发生大臂与大梁之间的碰撞，造成人身伤害和经济损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能充分利用了港口空间，实现了全方位的位置保护，简明容易实施的基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法，包括以下步骤：

（1）获取并确定复杂港口机械的二维投影的轮廓边界线；

（2）计算两相邻复杂港口机械轮廓边界线间的距离；

（3）确定两相邻复杂港口机械轮廓边界线间的最小距离；

（4）判断最小距离是否小于设定的安全值，小于时，相邻的复杂港口机械分别减速运行或停止运行，并相互发出相应的警报。

在一些实施方式中，步骤（1）可以包括：

a、获取复杂港口机械可移动部件各维度的位置；

b、获取复杂港口机械各部件的尺寸数据；

c、获取复杂港口机械的二维投影；

d、确定复杂港口机械的二维投影的轮廓边界线。

在一些实施方式中，步骤（4）中的安全值可以包括最小安全值和最小报警值，当相邻复杂港口机械间的最小距离小于最小报警值时，复杂港口机械减速运行并向相邻复杂港口机械发出减速运行警报，当相邻复杂港口机械间的最小距离小于最小安全值时，复杂港口机械停止运行并向相邻复杂港口机械发出停止运行警报。

最小安全值和最小报警值是根据实际作业中的复杂港口机械来确定的。

本发明一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法，将三维空间的复杂港口机械的位置投影到二维平面，计算投影边界间的距离来判断彼此距离，完成相邻复杂港口机械的全方位防碰撞保护，充分利用了港口空间，实现了全方位的位置保护，简单容易实施。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护装置，包括第一、第二位置数据采集单元、第一、第二信息交换单元和第一、第二控制单元，其中：

第一位置数据采集单元，用于采集第一复杂港口机械的位置数据，并将位置数据输给第一控制单元和第一信息交换单元；

第一信息交换单元，用于接收第一位置数据采集单元输出的位置数据，并输送给第二控制单元；

第一控制单元，用于接收第一位置数据采集单元输出的位置数据和第二信息交换单元输出的第二复杂港口机械的位置数据，计算相邻的第一、第二复杂港口机械轮廓边界线间的距离并得出最小距离，判断最小距离是否小于设定的安全值，小于时，向第一复杂港口机械发出减速或停止运行保护命令，并向第二复杂港口机械发出相应的警报；

第二位置数据采集单元，用于采集第二复杂港口机械的位置数据，并将位置数据输给第二控制单元和第二信息交换单元；

第二信息交换单元，用于接收第一位置数据采集单元输出的位置数据，并输送给第一控制单元；

第二控制单元，用于接收第二位置数据采集单元输出的位置数据和第一信息交换单元输出的第一复杂港口机械的位置数据，计算相邻的第一、第二复杂港口机械轮廓边界线间的距离并得出最小距离，判断最小距离是否小于设定的安全值，小于时，向第二复杂港口机械发出减速或停止运行保护命令，并向第一复杂港口机械发出相应的警报。

在一些实施方式中，第一控制单元和第二控制单元通讯连接，当第一控制单元和第二控制单元检测到第一控制单元和第二控制单元通讯连接断开时，第一控制单元向第一复杂港口机械发出停止运行保护命令，第二控制单元向第二复杂港口机械发出停止运行保护命令。

附图说明

图1为抓斗式卸船机的结构示意图。

图2为链斗式卸船机的结构示意图。

图3为图1所示抓斗式卸船机处于大臂未抬起状态时与图2所示链斗式卸船机应用于本发明一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法的二维投影图。

图4为图1所示抓斗式卸船机处于大臂抬起状态时与图2所示链斗式卸船机应用于本发明一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法的二维投影图。

图5为本发明一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护装置的结构原理图。

其中：A-抓斗式卸船机；B-链斗式卸船机；C-港口轨道；A01-大车；A02-抓斗；A03-大臂；B01-大车；B02-大回转臂；B03-小回转臂；1-第一位置数据采集单元；2-第一信息交换单元；3-第一控制单元；4-第二位置数据采集单元；5-第二信息交换单元；6-第二控制单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法和装置作进一步详细的说明。

本发明的一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法可以应用于相同的复杂港口机械间的位置保护，也可以是应用于不同的复杂港口机械间的位置保护。

本实施例中，以常见的两种不同的复杂港口机械为例，如图1所示的A抓斗式卸船机和如图2所示的链斗式卸船机B。

进行港口作业时，抓斗式卸船机A的大车A01可沿港口轨道C进行水平方向前后移动，抓斗A02可沿钢丝绳垂直升降，可沿大臂A03的水平方向左右移动，大臂A03可抬起80度角。链斗式卸船机B的大车B01可沿港口轨道C进行水平方向前后移动，大回转臂B02可在水平方向360度旋转，还可在竖直方向进行俯仰动作，小回转臂B03可在水平方向360度旋转。

下面对本发明的一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法应用于抓斗式卸船机A和链斗式卸船机B进行详细的说明。

（1）获取并确定复杂港口机械的二维投影的轮廓边界线：

a、获取复杂港口机械可移动部件各维度的位置：

对于抓斗式卸船机A，获取大车A01在港口轨道C上的位置，获取大臂A03是否处于抬起位置。

对于链斗式卸船机B，获取大车B01在港口轨道C上的位置，获取大回转臂B02与港口轨道C的夹角α，获取小回转臂B03与港口轨道C的夹角β，参见图3所示。

b、获取复杂港口机械各部件的尺寸数据：

从机械设计图纸获得抓斗式卸船机A和链斗式卸船机B各部件的尺寸数据。

c、获取复杂港口机械的二维投影：

将获取的抓斗式卸船机A的大车A01在港口轨道C上的位置与抓斗式卸船机A的各部件的尺寸数据结合，忽略垂直维度，将抓斗式卸船机A的三维空间的机械位置投影到港口水平面，获得抓斗式卸船机A在港口水平面的二维投影。

将获取的链斗式卸船机B的大车B01在港口轨道C上的位置，大回转臂B02与港口轨道C的夹角α，小回转臂B03与港口轨道C的夹角β与链斗式卸船机B个部件的尺寸数据结合，忽略垂直维度，将链斗式卸船机B的三维空间的机械位置投影到港口水平面，获得链斗式卸船机B在港口水平面的二维投影。

d、确定复杂港口机械的二维投影的轮廓边界线：

对抓斗式卸船机A的二维投影进行简化，仅保留外部边界。抓斗式卸船机A对应的可能碰撞的位置为最右侧的投影边界，即图3及图4所示线段A1-A2-A3-A4-A5。

该线段可简化为直线A1-A2和直线A3-A4。

对链斗式卸船机B的二维投影进行简化，仅保留外部边界。链斗式卸船机B对应的可能碰撞的位置最左侧的投影边界，即图3所示的线段B1-B2-B3-B4-B5。可简化为线段B1-B2，B2-B3，B4-B5。

（2）计算两相邻复杂港口机械轮廓边界线间的距离：

采用几何方式计算线段B1-B2，B2-B3、B4-B5与直线A1-A2,A3-A4的最小距离，即抓斗式卸船机A与链斗式卸船机B轮廓边界线间的多个距离。具体算法如下：

以港口轨道C为X轴，A3点为原点，往链斗式卸船机B方向为正向建立直角坐标系。

链斗式卸船机B投影边界在X轴的最小坐标X_min-B=min{X_B1，X_B2，X_B3，X_B4，X_B5}。

线段A3-A4与线段B4-B5的距离D_1-A=X_B4-X_A3。

链斗式卸船机B的投影边界到直线A1-A2最小距离D_2-A=X_min-B-X_A1。

链斗式卸船机B的投影边界到直线A3-A4最小距离D_3-A=X_min-B-X_A3。

A3到线段B1-B2的最小距离为D_4-A。

A4到线段B1-B2的最小距离为D_5-A。

（3）确定两相邻复杂港口机械轮廓边界线间的最小距离：

线段B1-B2，B2-B3、B4-B5与直线A1-A2,A3-A4的最小距离中的最小值，即为抓斗式卸船机A与链斗式卸船机B轮廓边界线间的最小距离。

具体确定过程如下：

定义抓斗式卸船机A与链斗式卸船机B轮廓边界线间的最小距离为D_min。

现场实测确定大回转臂B02的安全角度α₁，当大回转角度90°<α<180°时，保持线段A3-A4与线段B4-B5的距离（即大车A01与大车B01的距离）为最小安全距离，当α增大到大回转臂B02与A3间的距离小于设定的安全值时，定义α1=180°-α。本实例中，α₁=20°。

当α<90°或180°<α时，D_min=min{D_1-A，D_3-A}。

当90°<α<α₁时，D_min=min{D_1-A，D_2-A，D_3-A，D_4-A}。

当α₁<α<180°+α₁时，D_min=min{D_1-A，D_3-A}。

当180°+α₁<α<270°时，D_min=min{D_1-A，D_2-A，D_3-A，D_5-A}。

（4）判断最小距离是否小于设定的安全值，小于时，相邻的复杂港口机械分别减速运行或停止运行，并相互发出相应的警报。

安全值包括最小安全值和最小报警值。最小安全距离和最小报警距离根据实际作业中的复杂港口机械来确定，在本实例中分别为2m和4m。

具体来说，就是当抓斗式卸船机A与链斗式卸船机B间的最小距离D_min小于4m时，抓斗式卸船机A与链斗式卸船机B各自相向减速运行，并相互发出减速运行的警报，即抓斗式卸船机A的大车A01减速向链斗式卸船机B运行，链斗式卸船机B的大车减速向抓斗式卸船机A运行，大回转臂B02与小回转臂B03减速朝向抓斗式卸船机A方向转动。

当抓斗式卸船机A与链斗式卸船机B间的最小距离D_min小于2m时，抓斗式卸船机A与链斗式卸船机B各自相向停止运行，并相互发出减速运行的警报，即抓斗式卸船机A的大车A01停止向链斗式卸船机B运行，链斗式卸船机B的大车停止向抓斗式卸船机A运行，大回转臂B02与小回转臂B03停止朝向抓斗式卸船机A方向转动。

图4示意性地显示了本发明一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护装置的结构原理图。

如图4所示，该基于投影边界的复杂港口机械的位置保护装置包括第一位置数据采集单元1、第一信息交换单元2和第一控制单元3，及第二位置数据采集单元4、第二信息交换单元5和第二控制单元6。

第一位置数据采集单元1用于采集第一复杂港口机械的位置数据，并将位置数据输给第一控制单元3和第一信息交换单元2。第一信息交换单元2用于接收第一位置数据采集单元1输出的位置数据，并输送给第二控制单元6。第一控制单元6用于接收第一位置数据采集单元1输出的位置数据和第二信息交换单元2输出的第二复杂港口机械的位置数据，计算相邻第一、第二复杂港口机械轮廓边界线间的距离并得出最小距离，判断最小距离是否小于设定的安全值，小于时，向第一复杂港口机械发出减速或停止运行保护命令，并向相邻复杂港口机械发出相应的警报。

第二位置数据采集单元4用于采集第二港口机械的位置数据，并将位置数据输给第二控制单元6和第二信息交换单元5。第二信息交换单元5用于接收第二位置数据采集单元4输出的位置数据，并输送给第一控制单元3。第二控制单元6用于接收第二位置数据采集单元4输出的位置数据和第一信息交换单元2输出的第一复杂港口机械的位置数据，计算相邻第一、第二复杂港口机械轮廓边界线间的距离并得出最小距离，判断最小距离是否小于设定的安全值，小于时，向第二港口机械发出减速或停止运行保护命令，并向第一复杂港口机械发出相应的警报。

第一位置数据采集单元1和第二位置数据采集单元4为检测港口机械各维度位移或回转角度的传感器。本实施例中，包括大车位置编码器、回转角度编码器、俯仰角度编码器及俯仰位置传感器等。

具体来说，就是抓斗式卸船机A的大车A01安装有大车位置编码器，，用于获取大车A01在港口轨道C上的位置，并输送给第一控制单元3和第一信息交换单元2。大臂A03上安装有俯仰位置传感器，用于获取大臂A03是否处于抬起位置并输送给第一控制单元3和第一信息交换单元2。

链斗式卸船机B的大车B01安装有大车位置编码器，用于获取大车B01在港口轨道C上的位置，并输送给第二控制单元6和第一信息交换单元2。大回转臂B02与小回转臂B03分别安装有回转角度编码器，用于获取与港口轨道C的夹角α，小回转臂B03与港口轨道C的夹角β，并输送给第二控制单元6和第二信息交换单元5。

第一信息交换单元2和第二信息交换单元5包括用于承载通讯网络的硬件，例如交换机、光缆、网卡等。本实施例中，第一信息交换单元2和第二信息交换单元5集成在一个单元中，为双向通讯单元。

本实施例中，第一控制单元3和第二控制单元6分别为PLC。

第一控制单元3和第二控制单元6通讯连接，当第一控制单元3和第二控制单元6检测到第一控制单元3和第二控制单元6通讯连接断开时，第一控制单元3向第一复杂港口机械发出停止运行保护命令，第二控制单元6向第二复杂港口机械发出停止运行保护命令。

具体来说，就是为防止通讯故障而引发的防撞功能缺失，第一控制单元3将不间断发送脉冲信号到第二控制单元6，第一控制单元3接收到脉冲信号后，立即将该信号送回到第二控制单元6。第一控制单元3和第二控制单元6不间断检测该信号，在2s内如果该信号没有发生跳变，则认为两相邻复杂港口机械发生通讯故障。第一控制单元3向抓斗式卸船机A发出停止运行控制命令。第二控制单元6则向链斗式卸船机B发出停止运行控制命令。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取并确定三维空间的复杂港口机械的二维投影的轮廓边界线；

(2)计算两相邻复杂港口机械轮廓边界线间的距离；

(3)确定两相邻复杂港口机械轮廓边界线间的最小距离；

(4)判断最小距离是否小于设定的安全值，小于时，相邻的复杂港口机械分别减速运行或停止运行，并相互发出相应的警报。

2.根据权利要求1所述的一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：

a、获取复杂港口机械可移动部件各维度的位置；

b、获取复杂港口机械各部件的尺寸数据；

c、获取复杂港口机械的二维投影；

d、确定复杂港口机械的二维投影的轮廓边界线。

3.根据权利要求1所述的一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护方法，其特征在于，所述步骤(4)中的安全值包括最小安全值和最小报警值，当相邻复杂港口机械间的最小距离小于最小报警值时，复杂港口机械减速运行并向相邻复杂港口机械发出减速运行警报，当相邻复杂港口机械间的最小距离小于最小安全值时，复杂港口机械停止运行并向相邻复杂港口机械发出停止运行警报。

4.一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护装置，其特征在于，包括第一、第二位置数据采集单元、第一、第二信息交换单元和第一、第二控制单元，其中：

第一位置数据采集单元，用于采集第一复杂港口机械的位置数据，并将位置数据输给第一控制单元和第一信息交换单元；

第一信息交换单元，用于接收第一位置数据采集单元输出的位置数据，并输送给第二控制单元；

第一控制单元，用于接收第一位置数据采集单元输出的位置数据和第二信息交换单元输出的第二复杂港口机械的位置数据，计算相邻的第一、第二复杂港口机械轮廓边界线间的距离并得出最小距离，判断最小距离是否小于设定的安全值，小于时，向第一复杂港口机械发出减速或停止运行保护命令，并向第二复杂港口机械发出相应的警报；

第二位置数据采集单元，用于采集第二复杂港口机械的位置数据，并将位置数据输给第二控制单元和第二信息交换单元；

第二信息交换单元，用于接收第二位置数据采集单元输出的位置数据，并输送给第一控制单元；

第二控制单元，用于接收第二位置数据采集单元输出的位置数据和第一信息交换单元输出的第一复杂港口机械的位置数据，计算相邻的第一、第二复杂港口机械轮廓边界线间的距离并得出最小距离，判断最小距离是否小于设定的安全值，小于时，向第二复杂港口机械发出减速或停止运行保护命令，并向第一复杂港口机械发出相应的警报。

5.根据权利要求4所述的一种基于投影边界的复杂港口机械的位置保护装置，其特征在于，所述第一控制单元和第二控制单元通讯连接，当第一控制单元和第二控制单元检测到第一控制单元和第二控制单元通讯连接断开时，第一控制单元向第一复杂港口机械发出停止运行保护命令，第二控制单元向第二复杂港口机械发出停止运行保护命令。