專利名稱:起重機吊裝物路徑規劃方法
技術領域:
本發明涉及起重機吊運領域,具體而言,涉及一種起重機吊裝物路徑規劃方法。
背景技術:
隨著社會的加速發展,石油、化工、冶金、電力、海洋工程、橋梁建設等快速的發展, 吊裝工程也向復雜化發展。在吊裝現場,先是由吊裝工作人員依據吊裝現場的場景制定初步吊裝方案,然后地面吊裝指導人員依據真實吊裝修正初步吊裝路徑,最后由地面吊裝指導人員依據修正后的吊裝路徑指導完成吊裝。該種吊裝方案中吊裝路徑是依據經驗制定, 沒有合理的理論推導機制,沒有依據吊裝原則進行吊裝路徑規劃。因此,現在的吊裝路徑規劃存在以下不足(1)可執行度不高,場景中障礙物對吊裝路徑的影響考慮不充分;(2)規劃路徑不一定是最優路徑,沒有對路徑規劃進行最優搜索。在專利
公開日為“2009年5月27日”,公開號為“CN101441736A”,發明名稱為“汽車起重機機器人路徑規劃方法”的中國發明專利中,新鄉市起重機廠有限公司提出了一種汽車起重機機器人路徑規劃方法。該路徑規劃方法是涉及汽車起重機機器人的路徑規劃方法,該方法基于神經網絡能量函數的自主移動機器人路徑規劃算法,該方法定義路徑總能量函數為碰撞函數罰函數與相應于路徑長度部分能量函數加權和。通過檢測路徑點的出發點與目標點是否都在障礙物的軸線上,隨即選擇一個路徑點,適當改變路徑點坐標后再進行路徑規劃。在路徑規劃過程中檢測路徑點的位置是否在障礙物內,依據路徑點位于障礙物內外的不同位置用不同的動態運動方程移動路徑點的位置,使其朝著使總能量函數的函數值減小的方向運動,最終規劃出最短的避障路徑。上述的路徑規劃方法存在以下問題該方法將障礙物物假設為很簡單的物體,沒有充分考慮障礙物高度因素;該方法搜索的是最短路徑,而在實踐中需要的依據現場實用的吊裝規則進行吊裝路徑搜索;該方法是基于神經網絡算法,屬于智能算法,該方法的收斂性以及穩定性較差。
發明內容
本發明旨在提供一種起重機吊裝物路徑規劃方法,能夠快速高效地計算出障礙物之間的距離,精確地尋找吊裝規劃路徑,提高吊裝物吊運的安全性和可靠性。為了實現上述目的,根據本發明的一個方面,提供了一種起重機吊裝物路徑規劃方法,起重機包括起重機轉臺和變幅機構,該方法包括將障礙物在起重機工作平面上進行投影;對投影進行極徑化處理,將障礙物的坐標表達形式轉換為極坐標表達形式;對位于吊裝物路徑上的障礙物進行分析,確定吊裝物可通過路徑;根據吊裝原則確定吊裝路徑。進一步地,將障礙物在起重機工作平面上進行投影包括確定吊裝物的工作區域; 對工作區域內的障礙物高度進行分析,確定需要進行投影的障礙物;選定起重機工作平面, 確定投影基準面;將需要進行投影的障礙物在投影基準面上進行投影。進一步地,將障礙物在起重機工作平面上進行投影之后,對投影進行極徑化處理之前還包括對投影在投影基準面上的障礙物投影進行規則化處理,使該障礙物投影形成預定的圖形形狀,該圖形形狀為正多邊形,矩形、圓形、或橢圓形。進一步地,對投影進行極徑化處理,將障礙物的坐標表達形式轉換為極坐標表達形式包括以起重機轉臺中心為回轉中心,以回轉中心距離吊裝起點和吊裝終點的距離中較大值為半徑,確定吊裝物的吊裝區域;對吊裝區域內的障礙物進行極徑化處理。進一步地,對位于吊裝物路徑上的障礙物進行分析包括通過極坐標將吊裝區域進行網格化處理,確定障礙物所在區域;建立網格化區域數據存儲表,確定可行吊裝工作區域;建立障礙物標識網格數據表。進一步地,通過極坐標將吊裝區域進行網格化處理包括將吊裝區域按照極徑方向和極角變化方向分割為多個網格點;確定障礙物所在區域包括檢驗網格點是否在障礙物區域內,并將位于障礙物區域內的網格點標示為相應的障礙物編號;建立障礙物標識網格數據表包括將標示后的障礙物編號對應填入網格化區域數據存儲表內,建立障礙物標識網格數據表。進一步地,檢驗網格點是否在障礙物區域內包括確定網格化區域內障礙物的極坐標范圍,并將網格點轉換為極坐標;將網格點轉換的極坐標與障礙物的極坐標范圍進行比較,確定網格點是否位于障礙物極坐標網格化區域范圍內。進一步地,建立障礙物標識網格數據表之后,根據吊裝原則確定吊裝路徑之前還包括分析障礙物標識網格數據表,建立吊裝物在可行吊裝工作區域內的變幅穿行直徑表。進一步地,建立吊裝物在可行吊裝工作區域內的變幅穿行直徑表之后,根據吊裝原則確定吊裝路徑之前還包括分析障礙物標識網格數據表,建立吊裝物在可行吊裝工作區域內的回轉穿行直徑表。進一步地,建立吊裝物在可行吊裝工作區域內的回轉穿行直徑表之后,根據吊裝原則確定吊裝路徑之前還包括比較吊裝物的變幅穿行直徑表和回轉穿行直徑表,確定吊裝物的可穿行直徑表。進一步地,根據吊裝原則確定吊裝路徑中的吊裝原則包括最短路徑原則、最安全原則和需跨越障礙物的吊裝路徑規劃。進一步地,根據吊裝原則確定吊裝路徑包括根據確定的吊裝原則選擇吊裝路徑參數和參數權重,確定吊裝路徑。進一步地,當吊裝原則為最短路徑原則時,從吊裝起點向吊裝終點搜索路徑,使吊裝物進行回轉運動;當遇到障礙物或者穿行半徑小于吊裝物時,路徑朝靠近吊裝終點方向變幅運動一格;再搜索新的路徑,并測試此時的可穿行半徑是否大于吊裝物直徑值;重復上述步驟。進一步地,當吊裝原則為最安全原則時,從吊裝起點使吊裝物變幅到最小幅度;當遇到障礙物或者穿行半徑小于吊裝物時,路徑朝變幅增大方向運動一格;搜索新的路徑,并測試此時的可穿行半徑是否大于吊裝物直徑值;重復上述步驟。進一步地,當進行需跨越障礙物的吊裝路徑規劃時,首先對吊裝路徑進行搜索;當遇到必須跨越的障礙物區域時,將該障礙物取值標示為最大可穿行半徑;重新進行路徑規劃,確定可行吊裝路徑。應用本發明的技術方案,起重機吊裝物路徑規劃方法包括將障礙物在起重機工作平面上進行投影;對投影進行極徑化處理,將障礙物的坐標表達形式轉換為極坐標表達形式;對位于吊裝物路徑上的障礙物進行分析,確定吊裝物可通過路徑;根據吊裝原則確定吊裝路徑。通過將障礙物進行極徑化處理,使障礙物轉換為極坐標,更加便利于表達同一回轉中心的變幅運動,表達更加準確,從而保證吊裝路徑規劃方法的收斂性更好,吊裝物的吊裝路徑規劃更加精確,吊裝精度更高,安全性和可靠性更好。通過對吊裝區域內的障礙物在投影基準面上的投影進行規則化處理,更加便于對障礙物的形狀和位置進行分析、歸納和總結,使障礙物之間的關系更加規則化,便于對吊裝物的可能吊裝路徑進行分析,使吊裝路徑規劃更加易于實現,從而保證吊裝物吊運時避開障礙物,并能夠根據吊裝原則確定所需的吊裝路徑。
構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解,本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明,并不構成對本發明的不當限定。在附圖中圖1示出了根據本發明的實施例的起重機吊裝物路徑規劃方法的投影規則化示意圖;圖2示出了根據本發明的實施例的起重機吊裝物路徑規劃方法的場景投影圖;圖3示出了根據本發明的實施例的起重機吊裝物路徑規劃方法的實現流程圖;圖4示出了根據本發明的實施例的起重機吊裝物路徑規劃方法的吊裝區域劃分示意圖;圖5示出了根據本發明的實施例的起重機吊裝物路徑規劃方法的極坐標化的吊裝區域示意圖;圖6示出了根據本發明的實施例的起重機吊裝物路徑規劃方法的網格化吊裝區域示意圖;圖7示出了根據本發明的實施例的起重機吊裝物路徑規劃方法中障礙物為矩形時的網格化結構示意圖;圖8示出了根據本發明的實施例的起重機吊裝物路徑規劃方法中障礙物為圓形時的網格化結構示意圖;以及圖9示出了根據本發明的實施例的起重機吊裝物路徑規劃方法的吊裝路徑選擇流程圖。
具體實施例方式下文中將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。需要說明的是,在不沖突的情況下,本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。如圖1至圖9所示,根據本發明的實施例,起重機包括起重機轉臺和變幅機構,起重機吊裝物路徑規劃方法以起重機轉臺的旋轉軸心為圓心,將吊裝物從吊裝起點到吊裝終點所經過的區域進行劃分,以極徑坐標作為參考,將在吊裝物吊裝路徑上的障礙物進行分析和投影,通過調整變幅機構實現吊裝物的順利吊裝。請結合參見圖1至圖3所示,在起重機施工場景中,存在不同的障礙物,高度低的障礙物,可以跨越過去,該類障礙物不需要進行投影分析;對于高障礙物,需要采用繞開或穿行障礙物間隙。因此,在進行吊裝路徑規劃之前需要首先確定吊裝物的工作區域,然后對工作區域內的障礙物的高度進行分析,確定哪些障礙物需要進行投影,哪些障礙物可以直接跨越而無需進行投影。在確定需要進行投影的障礙物之后,選定起重機的工作平面,一般該工作平面為與水平面平行的起重機底面。在選定起重機工作平面之后,確定該工作平面為投影基準面,然后將需要進行投影的障礙物在投影基準面上進行投影。常規的障礙物間距采用計算兩個三維障礙物空間間距,該方法計算復雜,成本較高。在工程使用允許一定的誤差前提下,本發明的實施例采用投影方法進行障礙物距離計算,本實施例選擇與水平面平行的起重機底面作為基準投影面,將起重機回轉中心、障礙物、吊裝起始點、吊裝終止點投影到投影基準面;同時將不規則的障礙物進行規則化處理,使該障礙物投影形成預定的圖形形狀,該圖形形狀可以為正多邊形,矩形、圓形、或橢圓形,并加上一定的安全距離。如圖1所示,對投影在投影基準面上的障礙物投影進行規則化處理包括將與矩形相近的障礙物規則化為矩形、將與圓形相近的障礙物規則化為圓形、將與橢圓相近的障礙物規則化為橢圓形等。之后在投影基準面上對整體場景進行投影,包括對起重機轉臺中心、吊裝物起始點、吊裝物終點和障礙物進行投影。如圖2所示,投影后的投影基準面上包括回轉中心0、吊裝起始點B、吊裝終止點A和障礙物1至6。工程實際中的吊裝,吊裝物可能會和障礙物發生干涉的部位在障礙物邊緣,因此將吊裝工作區域進行平面化,將障礙物投影到平面區域;對平面區域的障礙物投影,在極坐標下分析同角度極徑上兩個障礙物之間距離,將該距離與吊裝物可穿行直徑(對于長方體物體該參數為長度值或寬度值,對于圓形為直徑值,對于橢圓就是采用的長軸值)對比,若兩障礙物間距大于吊裝物直徑,則該區域為吊裝可穿越區域,若小于吊裝物可穿行直徑,則該區域為吊裝物不可穿越區域。通過對吊裝區域中的可穿越區域進行分析,并依據客戶需要的不同的原則,可以選擇不同的路徑完成吊裝規劃。路徑規劃實現流程圖如下圖3所示。 在實際操作過程中,需要對吊裝物短軸進行分析,例如分析橢圓短軸值、長方形的寬度值作為吊裝物穿行直徑,此時需要時時分析障礙物整體都能夠穿過穿行路徑,吊裝物旋轉或者平移都要求吊裝物每個部分都不能與障礙物投影區域進行碰撞。因此,在此處,為了簡便起見,可使用吊裝物可穿行直徑來表示吊裝物的穿行值。起重機吊裝過程,是將吊裝物從吊裝起點B吊到吊裝終點A,如圖4所示,以吊裝起點B到回轉中心0的距離OB和吊裝終止點A到回轉中心0的距離OA中的較大值為半徑, 以回轉中心0為圓心,以0Α、0Β為母線進行畫弧,得到一個扇形區域0ADB。在吊裝過程中, 常采用回轉和變幅相結合的方式進行吊裝,為安全起見,常將吊裝操作變幅到較小的值,然后回轉進行吊裝作業,因此將最大幅度設置為OA與OB的較大值。圖4得到的區域OADB可以看成吊裝物經過的區域,也是本發明的實施例中討論的吊裝區域,其他區域的路徑與障礙物則不進行分析討論。因此,與本實施例的吊裝路徑相關的障礙物為障礙物1至4,障礙物5和障礙物6則不在吊裝物的吊裝區域內,可予以排除。在直角坐標中,每個障礙物的外形都有表達式,而在極坐標系中,其表達式又有不同。本發明的實施例當中需要進行投影表達式的轉換,并得出極坐標系中表達式、極徑長度范圍和角度范圍。在極坐標系中,圓心在Ονφ)半徑為a的圓的方程為r2-2rrQCOS(e-cp)+rQ2=a2; rQ的范圍為[!^r2],φ的范圍為[φι,φ2];而長方形可以看出四條線段組成的函數集合,將長方形表達式轉化為四條直線表達式。轉換坐標系后的吊裝區域投影如圖5所示其中的圓形和長方形分別代表不同的障礙物規則化之后在吊裝區域內的投影。為計算同角度極徑上的兩障礙物間間距,將圖5區域進行以網格化,將極徑與角度等分,網格化吊裝區域,為進行網格化數據處理,將障礙物進行標號,標號后的吊裝區域圖如圖6所示。由于障礙物4位于有效吊裝區域的最小極徑之外,因此可以將障礙物4排除出吊裝物吊裝過程中所要考慮的障礙物之外。為獲取網格化吊裝區域對應的數據信息,建立與網格化區域對應的數據存儲表, 數據存儲表的形式如下所示
\Γ~~Θ Il I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 I 7 I 8 I 9 I 10 I 11 I 12 I 13 I 14 I 15 I 16 I 17 I ... I ^
^\___________________
R1-__0 0 0 0 0__0__0__0 0 0__0__0__0__0__0__0__0__0 0
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κ,,+ism 0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~ ... 0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~~0~ _5]|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o|o表1網格數據存儲原始表其中Rmin代表吊裝區域的最小極徑值,Δ R代表單個網格的極徑增加值,Θ·χ代表吊裝區域的最大極角。通過以上表格,將可行區域劃分為區域塊,以此來進行區域分析。例如,網格化后,將吊裝作業區域分為了 N個角度來劃分區域,也將極徑劃分為M 段來進行網格化劃分。1-17表示N中的從1-17網格區域,1-15表示M中的從1_15網格區域。R表示為極徑,AR表示每個極徑分段后的長度值;整個表表示為將吊裝作業區域用M 個極徑與N個角度劃分后,障礙物在網格中區域的位置信息。分析圖6中網格化后的吊裝區域,每個角度對應網格點可能在不同的陰影投影區域,故要求分析網格點在投影區域的位置,若在投影區域,則將該點值標識為投影區域的標號,若不在則該值不變。如圖7所示,當障礙物投影為長方形時,在極坐標系中,其re線段表達式為
P = ^-:, θ e [β, Y],FC線段表達式ρ = +, θ e [α , y];同理可以推導CD、⑶表 cos θSinfe1
達式。當校驗網格點E是否在矩形GTOD障礙物投影范圍內時,假設已知OE的角度為θ。,幅度為0E,計算線段FC與GD在θ = θ ^時的極徑^與,校核此時OE的極徑是否在 [rGD, rFC]內,同理校核OE*co/o θ q是否在[d,c]范圍內,若OE在[rGD, rFC]內,且ΟΕ、ο/0 在[d,c]內,則可判定E點在障礙物區域內。若其中一個條件不滿足,則網格點E不在障礙物區域內。網格點E代表等分的多個極徑形成的弧度與多個極角所在極徑的交點。如圖8所示,校核網格點E是否在圓形陰影區域內時,若已知點E處對應的角度為 α,極徑為0E,α角度對應的陰影區域的極徑值為OM與0Ν,分析α是否在陰影圖形對應的角度范圍內,若在則繼續分析此時OE是否在在
內,若在則說明此點在該陰影區域內。通過以上方法,對各網格點E進行校驗,并將位于障礙物區域內的網格點E標示為其所在的相應障礙物編號,并對應表一上所在的網格點,按照障礙物編號進行標示。對于未在障礙物區域內的各網格點E,則繼續保持該表中原始值(原始值為0),可以得到表2
K~Γ1Γ1|~4Γ~5Γ~6p7|~8|~9I 10 I 11 I 12 I 13 I 14 I 15 I ... I 6' ________________二
權利要求
1.一種起重機吊裝物路徑規劃方法,起重機包括起重機轉臺和變幅機構,其特征在于, 該方法包括將障礙物在起重機工作平面上進行投影;對投影進行極徑化處理,將障礙物的坐標表達形式轉換為極坐標表達形式; 對位于吊裝物路徑上的障礙物進行分析,確定吊裝物可通過路徑; 根據吊裝原則確定吊裝路徑。
2.根據權利要求1所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,將障礙物在起重機工作平面上進行投影包括確定吊裝物的工作區域;對工作區域內的障礙物高度進行分析,確定需要進行投影的障礙物; 選定起重機工作平面,確定投影基準面; 將需要進行投影的障礙物在投影基準面上進行投影。
3.根據權利要求1所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,將障礙物在起重機工作平面上進行投影之后,對投影進行極徑化處理之前還包括對投影在投影基準面上的障礙物投影進行規則化處理,使該障礙物投影形成預定的圖形形狀,該圖形形狀為正多邊形,矩形、圓形、或橢圓形。
4.根據權利要求1所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,對投影進行極徑化處理,將障礙物的坐標表達形式轉換為極坐標表達形式包括以起重機轉臺中心為回轉中心,以回轉中心距離吊裝起點和吊裝終點的距離中較大值為半徑,確定吊裝物的吊裝區域;對吊裝區域內的障礙物進行極徑化處理。
5.根據權利要求1所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,對位于吊裝物路徑上的障礙物進行分析包括 通過極坐標將吊裝區域進行網格化處理,確定障礙物所在區域; 建立網格化區域數據存儲表,確定可行吊裝工作區域; 建立障礙物標識網格數據表。
6.根據權利要求5所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,通過極坐標將吊裝區域進行網格化處理包括將吊裝區域按照極徑方向和極角變化方向分割為多個網格點; 確定障礙物所在區域包括檢驗網格點是否在障礙物區域內,并將位于障礙物區域內的網格點標示為相應的障礙物編號;建立障礙物標識網格數據表包括將標示后的障礙物編號對應填入網格化區域數據存儲表內,建立障礙物標識網格數據表。
7.根據權利要求6所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,檢驗網格點是否在障礙物區域內包括確定網格化區域內障礙物的極坐標范圍,并將網格點轉換為極坐標; 將網格點轉換的極坐標與障礙物的極坐標范圍進行比較,確定網格點是否位于障礙物極坐標網格化區域范圍內。
8.根據權利要求5至7中任一項所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,建立障礙物標識網格數據表之后,根據吊裝原則確定吊裝路徑之前還包括分析障礙物標識網格數據表,建立吊裝物在可行吊裝工作區域內的變幅穿行直徑表。
9.根據權利要求8所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,建立吊裝物在可行吊裝工作區域內的變幅穿行直徑表之后,根據吊裝原則確定吊裝路徑之前還包括分析障礙物標識網格數據表,建立吊裝物在可行吊裝工作區域內的回轉穿行直徑表。
10.根據權利要求9所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,建立吊裝物在可行吊裝工作區域內的回轉穿行直徑表之后,根據吊裝原則確定吊裝路徑之前還包括比較吊裝物的變幅穿行直徑表和回轉穿行直徑表,確定吊裝物的可穿行直徑表。
11.根據權利要求1所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,根據吊裝原則確定吊裝路徑中的吊裝原則包括最短路徑原則、最安全原則和需跨越障礙物的吊裝路徑規劃。
12.根據權利要求11所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,根據吊裝原則確定吊裝路徑包括根據確定的吊裝原則選擇吊裝路徑參數和參數權重,確定吊裝路徑。
13.根據權利要求12所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,當吊裝原則為最短路徑原則時,從吊裝起點向吊裝終點搜索路徑,使吊裝物進行回轉運動;當遇到障礙物或者穿行半徑小于吊裝物時,路徑朝靠近吊裝終點方向變幅運動一格; 再搜索新的路徑,并測試此時的可穿行半徑是否大于吊裝物可穿行直徑;重復上述步驟
14.根據權利要求12所述的起重機吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,當吊裝原則為最安全原則時,從吊裝起點使吊裝物變幅到最小幅度;當遇到障礙物或者穿行半徑小于吊裝物時,路徑朝變幅增大方向運動一格; 搜索新的路徑,并測試此時的可穿行是否大于吊裝物可穿行直徑; 重復上述步驟。
15.根據權利要求12所述的吊裝物路徑規劃方法,其特征在于,當進行需跨越障礙物的吊裝路徑規劃時,首先對吊裝路徑進行搜索;當遇到必須跨越的障礙物區域時,將該障礙物取值標示為最大可穿行半徑; 重新進行路徑規劃,確定可行吊裝路徑。
全文摘要
本發明提供了一種起重機吊裝物路徑規劃方法。該起重機吊裝物路徑規劃方法包括將障礙物在起重機工作平面上進行投影;對投影進行極徑化處理,將障礙物的坐標表達形式轉換為極坐標表達形式;對位于吊裝物路徑上的障礙物進行分析,確定吊裝物可通過路徑;根據吊裝原則確定吊裝路徑。根據本發明的起重機吊裝物路徑規劃方法,能夠快速高效地計算出障礙物之間的距離,精確地尋找吊裝規劃路徑,提高吊裝物吊運的安全性和可靠性。
文檔編號G06Q10/04GK102542361SQ20121000741
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者曾楊, 胡玉茹, 范卿, 黃文華 申請人:中聯重科股份有限公司