龙门起重机的自动紧急停止控制外文翻译资料

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龙门起重机的自动紧急停止控制

摘要：本文提出了一种用于龙门起重机碰撞避免的安全紧急停止控制。起重机机构广泛用于处理重载荷。悬挂的负载容易摆动是一个大问题。这导致在起重机工作期间会有发生负载与障碍物碰撞的可能。然而，防止碰撞时的紧急停止也是危险的。因为停止容易引起残余摆动，因此，本文提出了一种防止紧急停止时的控制方法。该方法基于起重机系统的逆动力学。因此，也讨论了逆动力学问题。使用逆动力学计算和实时障碍物检测系统，提出了一种基于前馈的紧急停止控制方法。

关键字 紧急停止控制，龙门起重机，移动障碍

1.介绍

诸如龙门起重机的钢丝悬挂定位系统，其对于以简单的机构来处理重负载有用。然而，单个钢丝绳或等效的单个钢丝绳引导低刚度机构，悬挂的负载易于摆动。这使得起重机工作的效率降低。此外，当起重机的工作空间中存在工人或其他障碍物时，起重机工作是非常危险的。

出于安全原因，典型的起重机操作如下：（见图1中的路径（a））为了提高装载甘蔗的工作效率，当负载以倾斜的方向移动时，与障碍物发生碰撞危险的可能性增加。（参见图1中的路径（b））。本文提出了一种用于实现起重机安全工作的紧急停止控制方法。

起重机控制系统是非线性系统，该系统改变其绳索长度变化的动态性质，悬挂的负载易于摆动，并且控制不容易。对于防摇控制问题，最优控制方法或离线规划方法[1]，[2]，通过在工作点线性化起重机系统的调节器[3]，[4]，使用线性控制的增益调度方法理论[5]。

图1.起重机工作的常规和有效路径

在考虑工作空间中障碍物的安全控制方法中，提出了轨迹控制方法[7]，[8]，其中安全路径是使用具有离线方式的障碍物模型预先计划的。然而，货物在有障碍物的工作空间中移动时，如何实现紧急停止尚未得到解决。此外，对于这种情况下的实时安全防摇控制同样还没有得到解决。

作者提出了一种基于起重机系统的逆动力学非线性动力学补偿的防摇控制方法[9]，[10]。控制系统的稳定性不取决于改变绳索的长度，因为原始起重机系统通过逆动力学计算完全线性化。然而，该方法不处理障碍物避免问题。

本文提出一种使用逆动力学计算的紧急停止的安全防摇控制方法。当起重机系统紧急停止时，在停止点处存在悬挂负载产生剩余摇摆的可能性。因此，该紧急停止控制方法包括：对悬挂负载无摆动运动的期望轨迹进行实时修改。然后，通过对基于修改的轨迹的控制，使悬挂的负载被安全地停止而不产生摇摆。

本文的结构如下。首先，提出了龙门起重机的逆动力学解决方案，并用于防摆控制问题的控制方法中。然后提出了实时障碍物检测方法。在该方法中，提出了使用3D相机的障碍物快速检测方法。使用逆动力学计算和障碍物检测方法，提出了一种安全的防摇控制方法。 最后，展示了使用该方法的实验。

图2.门座起重机模型

2. 逆动力学门座起重机

本节介绍逆动力学计算，将起重机机械作为操纵器。在当前的研究中，逆动力学意味着对绳长度，手推车位置和它们的致动器的扭矩的计算，以实现悬吊载荷位置的给定轨迹。 我们在这里考虑一个龙门起重机系统如图2所示。在系统中，我们假设点质量负载，没有弯矩和没有弹性的绳索。

2.1绳索的拉力和拉拔点

通过用表示负载的位置和绳索的张力，方程的运动暂停负载系统被描述为

（1）

其中是质量，是加速度矢量的悬浮负载。绳索牵引点操纵平面的大梁和手推车。然后，使用计算点负载位置和绳索力的几何关系矢量为

(2)

其中的加速度必须满足以下条件

（3）

因为悬挂的负载不产生重力加速度以外的加速度。如果满足（3），则绳索牵引点由（2）计算。

2.2大梁和手推车的驱动力

使用拉丝点（2）和线力矢量（1），台架和台车的驱动力通过

(4)

(5)

其中是手推车和的质量，是梁的质量。绳的长度是

(6)

因此，将绳索卷起的手推车滑轮扭矩是

(7)

其中是半径，是滑轮的惯性力矩。

因此，我们可以通过（2），（6）和（4），（5），（7）给出的悬挂载荷给定轨迹的起重机系统的驱动力和力矩来计算绳索牵引点和绳索长度 ，这被称为“逆动力学计算”。

3. 弹道跟踪控制

本节介绍跟踪的控制方法给定悬浮载荷的轨迹给出负载的轨迹。

3.1实时轨迹修正

从前面的部分，我们发现悬浮载荷的期望轨迹必须是四阶可微分的，用于计算逆动力学。然而，当由于紧急情况必须改变期望的载荷轨迹时，由控制杆给出，难以保证所期望的轨迹的平滑性。通过以下四阶滞后系统的解来获得修改的轨迹。

(8)

通过实时求解上述方程，对于任何初始给定的期望轨迹，的解变成自然的四阶可微分。其中参数〜是确定滞后系统的特性的常数。

3.2前馈控制

我们在这里称之为由前面小节获得的平滑轨迹作为修正的期望轨迹。通过将修正的期望轨迹代入逆动力学方程（2）〜（7），我们可以计算滑轮的驱动力，滑轮的扭矩，绳索长度，滑轮位置，以实现悬浮荷载的期望轨迹。使用计算的起重机由适当的伺服控制器控制。该控制方法的框图如图3所示。其中是悬浮负载的实际响应。在图中，表示为

(9)

如图4所示，图3中A部分和B部分的框图如图4所示，假设动力学模型是准确的，没有干扰。这意味着悬挂负载的运动取决于滞后系统，但不取决于绳索长度的变化。

图3.基于逆动力学的前馈控制

图4.前馈控制（无干扰）

悬挂的负载因此会沿着初始期望的轨迹运动，会有一些延迟但没有摆动，这取决于参数〜。其中摆动不意味着相对于滑车位置的相对摆动，而是指在工作空间中描述的参考期望轨迹的绝对摆动。

可以通过考虑滞后系统的稳定性和实际控制系统的性能来获得（8）中的参数〜。例如，当滞后系统在复平面中在处具有四极时，特征方程是

（10）

然后获得参数

4.3D CAMERA的物镜检测

本研究考虑了工人突然进入起重机工作区的情况。为了实现这种情况的紧急停止，需要实时障碍物检测。 为此，我们使用Point Grey Research公司的3D摄像机。名为“Digiclops”的摄像机通过基于摄像机视差的三个CCD摄像机产生从摄像机到障碍物表面的距离图像。图5中示出了Digiclops的原始图像之一，并且原始图像的对应距离图像示于图6中。图像包含对应于到障碍物的距离灰度度数据（0〜255）。 对于障碍物检测，我们需要以下预处理。

图5.Digiclops的原始图像

图6.由Digiclops对图5的距离图像

（1）准备从距离图像的值到实际距离的变换方程

（2）从距离图像中消除噪点

（3）获取摄像机几何的校准数据

在（1）和（2）的处理之后的距离数据由表示，并且我们将数据作为传感器空间中的障碍物信息。其中是距离图像中的像素坐标（整数）。

5.预测碰撞和停止控制

5.1绳索和负载的区域

为了实时地判断起重机系统的紧急停止，除了障碍物检测之外，还需要知道当前的绳索位置和悬吊的负载的位置。绳索和负载的当前位置可以使用期望的轨迹来估计。在下文中，给出了估计位置的方法。

我们在这里考虑障碍物和悬挂负载（或绳索）几乎碰撞的情况。碰撞的实时检测在停止控制的意义上太迟了，因为刚好在碰撞之前的停止导致悬挂的负载的大的剩余摇摆，并且由于摇摆而引起另一个碰撞。因此，我们需要从当前时间经过一个确定的时间后，预测绳索和负载的位置。

在电流控制方法中，我们使用前馈控制方法，如第3节B所示。如本节所述，悬挂负载沿着所需轨迹延迟移动。例如，在图7左侧的时间处的期望轨迹由A指定。对于这种情况，负载的当前位置为B，并且负载在延迟之后通过点A（= C）。我们使用事实来预测悬挂的负载和绳索的通过区域。使用障碍物的当前信息和初始期望轨迹（由图7右侧的示出），当我们发现碰撞时（在时间上），改变具有负载停止轨迹的期望轨迹，如*）。

图7.碰撞预测

考虑到负载的大小和用于碰撞检查的图像传感器的更新周期，我们将点视为具有大小的球体。我们检查检测到的障碍物和球体之间的干扰 我们估计球体的半径，其中是覆盖悬浮载荷的球体的最小半径，是图像传感器的更新周期期间负载的传送距离，是在碰撞之前安全停止的距离。其中使用期望的速度和负载的加速度来估计

（11）

（12）

（13）

其中是悬挂载荷的最大速度。

然后我们考虑检测到的障碍物和绳索的碰撞。考虑到绳索的斜率和，将绳索放大到具有半径的圆柱体

（14）

其中是绳索的倾斜角度的影响。图8中的倾斜角取决于悬挂负载的运动，并且不容易估计该值。我们使用悬浮载荷的期望速度的最大值来估计它

（15）

其中对应于延迟时间，其可以由滞后系统（9）估计。例如在（10）的情况下，我们可以计算延迟时间。绳索和载荷的扩大区域如图8所示。为了降低碰撞检查的成本，当在的高度上没有障碍物时，则我们不检查高度上的空间的碰撞。

图8.负载和绳索的地区

图9.相机和世界坐标框架

5.2检查碰撞可能性

使用估计的绳索和负载的当前区域以及来自3D相机的障碍物的距离信息，我们检查它们之间的干扰。根据检查的位置，有两种检查方法。一种方法如下; 首先将传感器空间中的障碍物信息转换为世界坐标系，然后构造三维障碍图。利用世界坐标系中自然描述的绳索和荷载区域，在世界坐标系中检查干涉。另一种方法是将绳索和负载的区域变换到传感器空间中。然后我们使用传感器空间中给出的障碍物的距离信息检查传感器空间中的干扰。

第一种方法需要大量的计算时间，因为传感器空间中的所有对象都必须转换为世界坐标系。即使对于第二种方法，我们需要计算逆变换。然而，计算成本预计将小于第一种方法，因为变换限于绳索和负载的区域。因此，我们选择第二种方法。

首先，绳索和负载的区域由世界坐标系中的的点描述。然后，使用摄像机坐标系中的绳索和负载点，世界坐标系中的点由下式给出

（16）

其中是从摄像机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，是摄像机在单词坐标系中的原点。 然后写入相机坐标系中的绳索和负载的点

（17）

图9示出了世界坐标系和摄像机坐标系之间的关系。 对应于摄像机坐标系的屏幕坐标（，）

（18）

其中并且是相机的焦距。 使用照相机坐标系中的点（，），屏幕（，）的像素值通过

（19）

（20）

其中，是沿着，方向的屏幕像素的最大值，是图像传感器的实际大小，并且符号表示取的函数。从相机坐标系中的几何形状，相机的点的距离为

（21）

我们可以计算相机的每个像素（，）的距离，这意味着绳索和负载的区域（点）被转换成传感器空间中的表达式。我们这里用Digiclops用指定传感器空间中的距离信息。如果

（22）

那么绳索和负载的点位于相机的这一侧用于障碍物的表面。对于这种情况，不会发生干扰。如果是其他情况，有障碍物的干扰的可能性。对图8所示的搜索区域中的每个离散点进行该检查。注意，对于3D相机的遮挡问题，检查是保守的。

5.3紧急停止控制

在操作起重机时，在3D相机的每个图像获取周期进行上述干扰检查。当没有干扰的可能性时，来自控制杆（或来自其他方法）的期望轨迹继续用于使用第4节中给出的控制方法来实现负载的期望运动。当存在干扰的可能性时，期望速度的负载设置为零。控制方法与第4节中提出的相同，其中所期望的轨迹用滞后系统修正（平滑），然后使用逆动力学计算来计算绳索长度和手推车位置轨迹。最后，使用适当的用于小车和滑轮的伺服控制器，绳索长度和手推车位置的轨迹用于控制悬挂的负载。

图10.实验龙门起重机

图11.实验负载轨迹1

6.自动停止实验

使用基于逆动力学和紧急停止控制方法的所提出的控制方法，实时地考虑起重机工作，考虑在工作空间中没有障碍物和人在工作空间中进入的两种情况。实验起重机的尺寸如

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