1.本发明属于门机的自动化控制技术领域，尤其涉及一种基于自动化门机协同作业的安全避让方法。
背景技术：2.传统门机(简称门机)设备在作业时仍需专业司机在司机室通过操控手柄进行抓斗入舱以及抓料卸船操作。由于回转带动抓斗运行到落入抓料过程惯性很大，人工操作抓斗精确抓料位置不易控制,并存在抓斗撞击料舱风险。因为是散货码头，现场工作环境恶劣且司机在司机室长时间低头作业容易形成职业病。为改变传统的抓料卸船工艺，降低作业风险、提高作业效率、减轻司机工作强度，引入全自动化作业流程。司机一次可以选择多个抓料点或系统推荐点，由plc根据不同的抓料点依次抓料。智能三维数据采集和处理软件也可以自动计算最佳抓料点(以下称为自动抓料)，并将该动作转化为plc控制指令，数据采集处理与三维成像系统与plc控制系统之间数据实时交互，实现回转变幅带动抓斗平稳、精确落入最佳抓料点进行抓料卸船。司机根据现场实际情况选择自动作业方式是定点抓料还是自动抓料。
3.目前，对散货码头的泊位完成多台自动化门机的改造升级，多台门机集群协同作业，提高作业效率，但是集群内的各门机在工作过程中，频发发生门机设备与门机设备之间的安全避让事故，导致设备损坏，降低了作业效率。
技术实现要素：4.针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于自动化门机协同作业的安全避让方法，旨在解决现有技术中集群内的各门机在工作过程中，频发发生门机设备与门机设备之间的安全避让事故，导致设备损坏，降低了作业效率的问题。
5.本发明所提供的技术方案是：一种基于自动化门机协同作业的安全避让方法，所述方法包括下述步骤：
6.通过在门机上设置对应的数据采集设备，获取共享集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置；
7.对集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析，生成目标门机的安全避让指令；
8.根据生成的所述安全避让指令，控制目标门机的抓斗执行安全避让动作。
9.作为一种改进的方案，所述通过在门机上设置对应的数据采集设备，获取共享集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置的步骤具体包括下述步骤：
10.在门机上设置第一实际位置采集设备，对所述门机的各机构的实际位置进行计算，获取所述门机的各执行机构的第一实际位置，所述门机的各执行机构包括大车机构、回转机构和变幅机构；
11.在门机上设置抓斗高度采集设备，对门机的工作抓斗的实际位置进行采集，获取
第一抓斗实际位置；
12.将计算得到的门机的各执行机构的第一实际位置以及第一抓斗实际位置共享给相邻的门机。
13.作为一种改进的方案，所述第一实际位置采集设备包括第一gnss设备和第二gnss设备；
14.其中，所述第一gnss设备和第二gnss设备分别设置在所述门机的机房顶部和变幅机构的顶端；
15.所述高度采集设备为3d激光扫描仪，所述3d激光扫描仪安装在门机的臂架端部。
16.作为一种改进的方案，所述在门机上设置第一实际位置采集设备，对所述门机的各机构的实际位置进行计算，获取所述门机的各执行机构的第一实际位置的步骤具体包括下述步骤：
17.在码头空旷处设置专用的rtk基站，同时在每台自动化门机的象鼻梁处安装移动站；
18.利用rtk基站和移动站对门机的整个作业场地进行数字化标定，实时获取象鼻梁处相对于基站的坐标矢量；
19.采用大幅运行回转机构的方式实时获取移动站矢量位置，并以获取到的移动站矢量位置计算门机的回转中心；
20.根据计算得到的门机的回转中心，计算得到门机相对于基站的相对位置；
21.通过计算得到的门机的相对位置，实时估算门机臂架四连杆的相对位置，估算出的所述门机臂架四连杆的相对位置包括大车机构、回转机构及变幅机构相对于rtk基站的相对位置。
22.作为一种改进的方案，所述方法还包括下述步骤：
23.设置第二实际位置采集设备，独立对门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行计算，获取门机的各执行机构的第二实际位置和第二抓斗实际位置，所述第二实际位置采集设备包括编码器和陀螺仪；
24.其中，所述第二实际位置为所述第一实际位置的冗余校验数据，所述第二抓斗实际位置为所述第一抓斗实际位置的冗余校验数据。
25.作为一种改进的方案，所述设置第二实际位置采集设备的步骤具体包括下述步骤：
26.采用脉冲编码器位置累加以及绝对值编码器数据换算的方式在大车机构设置编码器；
27.采用脉冲编码器位置累加以及绝对值编码器数据换算的方式在变幅机构设置编码器；
28.采用绝对值编码器结合3d激光仪扫描抓斗的定位方式在起升机构上设置编码器和所述3d激光扫描仪。
29.作为一种改进的方案，所述对门机的工作抓斗的实际位置进行采集，获取第一抓斗实际位置的步骤具体包括下述步骤：
30.在臂架端部安装3d激光扫描仪时，对3d激光扫描仪进行标定操作，以获取3d激光扫描仪相对于移动站的相对位置；
31.控制所述3d激光扫描仪扫描臂架两侧位置，实时获取臂架大臂的位置；
32.根据3d激光扫描仪相对于移动站的相对位置以及臂架大臂的位置，实时推算门机抓斗的相对坐标，即第一抓斗实际位置。
33.作为一种改进的方案，所述对集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析，生成目标门机的安全避让指令的步骤具体包括下述步骤：
34.对获取到的集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析；
35.根据对实际位置的分析，利用多线投影规划方法实时生成对当前处于作业状态的抓斗进行路径规划；
36.根据生成的抓斗的作业规划，获取抓斗重叠作业半径及对应区域；
37.根据获取到的抓斗重叠作业半径及对应区域，生成目标门机的安全避让指令。
38.在本发明实施例中，通过在门机上设置对应的数据采集设备，获取共享集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置；对集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析，生成目标门机的安全避让指令；根据生成的所述安全避让指令，控制目标门机的抓斗执行安全避让动作，从而实现门机工作的相互避让，大大降低了门机碰撞的安全事故。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
40.图1是本发明提供的基于自动化门机协同作业的安全避让方法的实现流程图；
41.图2是本发明提供的通过在门机上设置对应的数据采集设备，获取共享集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置的实现流程图；
42.图3是本发明提供的在门机上设置第一实际位置采集设备，对所述门机的各机构的实际位置进行计算，获取所述门机的各执行机构的第一实际位置的实现流程图；
43.图4是本发明提供的设置第二实际位置采集设备的实现流程图；
44.图5是本发明提供的对门机的工作抓斗的实际位置进行采集，获取第一抓斗实际位置的实现流程图；
45.图6是本发明提供的对集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析，生成目标门机的安全避让指令的实现流程图。
具体实施方式
46.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的、技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
47.图1是本发明提供的基于自动化门机协同作业的安全避让方法的实现流程图，其具体包括下述步骤：
48.在步骤s101中，通过在门机上设置对应的数据采集设备，获取共享集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置；
49.在步骤s102中，对集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析，生成
目标门机的安全避让指令；
50.在步骤s103中，根据生成的所述安全避让指令，控制目标门机的抓斗执行安全避让动作。
51.在该实施例中，通过上述安全避让方案，确保在与相邻门机协同作业过程中，在重叠作业半径内实现抓斗避让，同时高效的完成设备装卸任务。
52.如图2所示，通过在门机上设置对应的数据采集设备，获取共享集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置的步骤具体包括下述步骤：
53.在步骤s201中，在门机上设置第一实际位置采集设备，对所述门机的各机构的实际位置进行计算，获取所述门机的各执行机构的第一实际位置，所述门机的各执行机构包括大车机构、回转机构和变幅机构；
54.在步骤s202中，在门机上设置抓斗高度采集设备，对门机的工作抓斗的实际位置进行采集，获取第一抓斗实际位置；
55.在步骤s203中，将计算得到的门机的各执行机构的第一实际位置以及第一抓斗实际位置共享给相邻的门机。
56.作为本发明的一个具体实施例，第一实际位置采集设备包括第一gnss设备和第二gnss设备；
57.其中，所述第一gnss设备和第二gnss设备分别设置在所述门机的机房顶部和变幅机构的顶端；
58.所述高度采集设备为3d激光扫描仪，所述3d激光扫描仪安装在门机的臂架端部。
59.其中，该第一gnss设备和第二gnss设备的设置，实时获取门机臂架端部以及门机的回转中心的坐标位置，该gnss设备的全称是全球导航卫星系统定位系统，其是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量，同时还必须知道用户钟差，全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。
60.该3d激光扫描仪主要由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架以及系统配套软件构成。三维激光扫描仪作为三维激光扫描系统的主要组成部分，是由激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、ccd机以及软件等组成，是测绘领域继gps技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据。
61.上述给出了gnss设备和3d激光扫描仪的实现方式，当然也可以采用其他方式实现上述功能，在此不再赘述，但不用以限制本发明。
62.为了实现对门机各个机构的位置的估算，可以通过下述方式实现：
63.图3示出了在门机上设置第一实际位置采集设备，对所述门机的各机构的实际位置进行计算，获取所述门机的各执行机构的第一实际位置的步骤具体包括下述步骤：
64.在步骤s301中，在码头空旷处设置专用的rtk基站，同时在每台自动化门机的象鼻梁处安装移动站；
65.在步骤s302中，利用rtk基站和移动站对门机的整个作业场地进行数字化标定，实时获取象鼻梁处相对于基站的坐标矢量；
66.在步骤s303中，采用大幅运行回转机构的方式实时获取移动站矢量位置，并以获
取到的移动站矢量位置计算门机的回转中心；
67.在步骤s304中，根据计算得到的门机的回转中心，计算得到门机相对于基站的相对位置；
68.在步骤s305中，通过计算得到的门机的相对位置，实时估算门机臂架四连杆的相对位置，估算出的所述门机臂架四连杆的相对位置包括大车机构、回转机构及变幅机构相对于rtk基站的相对位置。
69.其中，rtk的中文含义是实时动态定位，是一种卫星导航技术，用于提高从基于卫星的定位系统(全球导航卫星系统，gnss)获得的位置数据的精度，如全球定位系统(gps)、格洛纳斯(glonass)、伽利略(galileo)和北斗(beidou)。除了信号所包含的信息之外，rtk还使用载波信号相位的测量值，并依靠单个参考站或内插虚拟站来进行实时校正，以提供高达厘米级的定位精度。
70.通过rtk基站和移动站的设置，可以估算出门机的各个机构的位置，当然也可以其他方案，在此不用以限制本发明。
71.在本发明实施例中，通过上述gnss设备和3d激光扫描仪实现门机的相关位置的估算，其可能存在误差，因此，本发明还进行冗余控制和相互校验的步骤，其中冗余控制和相互校验的实现均为常规的技术，下述给出本技术的一个具体实现：
72.设置第二实际位置采集设备，独立对门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行计算，获取门机的各执行机构的第二实际位置和第二抓斗实际位置，所述第二实际位置采集设备包括编码器和陀螺仪；
73.其中，所述第二实际位置为所述第一实际位置的冗余校验数据，所述第二抓斗实际位置为所述第一抓斗实际位置的冗余校验数据。
74.在该实施例中，如图4所示，设置第二实际位置采集设备的步骤具体包括下述步骤：
75.在步骤s401中，采用脉冲编码器位置累加以及绝对值编码器数据换算的方式在大车机构设置编码器；
76.在步骤s402中，采用脉冲编码器位置累加以及绝对值编码器数据换算的方式在变幅机构设置编码器；
77.在步骤s403中，采用绝对值编码器结合3d激光仪扫描抓斗的定位方式在起升机构上设置编码器和所述3d激光扫描仪。
78.在本发明实施例中，分别在回转机构的大齿轮通过安装模数相当的小型齿轮以及在连杆机构上安装绝对值编码器；变幅机构在齿条驱动侧安装编码器，实时在大车机构的车轮上安装绝对值编码器或者在两侧安装测量轮的方式实时获取大车位置；
79.当可实时获取rtk位置计算数据以及通过编码器等获取实时位置数据后，实时将rtk计算数据与编码器计算数据对设备进行矢量冗余控制。
80.其中，脉冲式编码器利用plc的扫描周期(一般为20ms左右)，在各大机构的运行过程中，plc程序中可利用获取高速计数模块的脉冲累加值，或者通过累加plc扫描仪间隔的脉冲数来计算出实际各机构的位置信息。
81.上述给出了一个具体的实现，当然也可以采用其他方式，在此不再赘述。
82.如图5所示，对门机的工作抓斗的实际位置进行采集，获取第一抓斗实际位置的步
骤具体包括下述步骤：
83.在步骤s501中，在臂架端部安装3d激光扫描仪时，对3d激光扫描仪进行标定操作，以获取3d激光扫描仪相对于移动站的相对位置；
84.在步骤s502中，控制所述3d激光扫描仪扫描臂架两侧位置，实时获取臂架大臂的位置；
85.在步骤s503中，根据3d激光扫描仪相对于移动站的相对位置以及臂架大臂的位置，实时推算门机抓斗的相对坐标，即第一抓斗实际位置。
86.上述给出了3d激光扫描仪估算第一抓斗实时位置的实现过程，在此不再赘述。
87.如图6所示，对集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析，生成目标门机的安全避让指令的步骤具体包括下述步骤：
88.在步骤s601中，对获取到的集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析；
89.在步骤s602中，根据对实际位置的分析，利用多线投影规划方法实时生成对当前处于作业状态的抓斗进行路径规划；
90.在步骤s603中，根据生成的抓斗的作业规划，获取抓斗重叠作业半径及对应区域；
91.在步骤s604中，根据获取到的抓斗重叠作业半径及对应区域，生成目标门机的安全避让指令。
92.其中，对于数据分析规划等操作均在后台实现，后台的具体参数要求和技术实现，在此不再赘述。
93.本发明提供的方案适用于集群式多台门机协同作业，由于门机实现自动化作业难度很高，本方案为实现自动化门机协同作业提供必备条件，同时，该方案彻底解决门机与门机之间防碰撞隐患，未来不仅可用于自动化门机设备，不同门机设备在经过一些列改造后也可使用，可大大降低门机碰撞的安全事故。
94.以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
技术特征：1.一种基于自动化门机协同作业的安全避让方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：通过在门机上设置对应的数据采集设备，获取共享集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置；对集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析，生成目标门机的安全避让指令；根据生成的所述安全避让指令，控制目标门机的抓斗执行安全避让动作。2.根据权利要求1所述的基于自动化门机协同作业的安全避让方法，其特征在于，所述通过在门机上设置对应的数据采集设备，获取共享集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置的步骤具体包括下述步骤：在门机上设置第一实际位置采集设备，对所述门机的各机构的实际位置进行计算，获取所述门机的各执行机构的第一实际位置，所述门机的各执行机构包括大车机构、回转机构和变幅机构；在门机上设置抓斗高度采集设备，对门机的工作抓斗的实际位置进行采集，获取第一抓斗实际位置；将计算得到的门机的各执行机构的第一实际位置以及第一抓斗实际位置共享给相邻的门机。3.根据权利要求2所述的基于自动化门机协同作业的安全避让方法，其特征在于，所述第一实际位置采集设备包括第一gnss设备和第二gnss设备；其中，所述第一gnss设备和第二gnss设备分别设置在所述门机的机房顶部和变幅机构的顶端；所述高度采集设备为3d激光扫描仪，所述3d激光扫描仪安装在门机的臂架端部。4.根据权利要求2所述的基于自动化门机协同作业的安全避让方法，其特征在于，所述在门机上设置第一实际位置采集设备，对所述门机的各机构的实际位置进行计算，获取所述门机的各执行机构的第一实际位置的步骤具体包括下述步骤：在码头空旷处设置专用的rtk基站，同时在每台自动化门机的象鼻梁处安装移动站；利用rtk基站和移动站对门机的整个作业场地进行数字化标定，实时获取象鼻梁处相对于基站的坐标矢量；采用大幅运行回转机构的方式实时获取移动站矢量位置，并以获取到的移动站矢量位置计算门机的回转中心；根据计算得到的门机的回转中心，计算得到门机相对于基站的相对位置；通过计算得到的门机的相对位置，实时估算门机臂架四连杆的相对位置，估算出的所述门机臂架四连杆的相对位置包括大车机构、回转机构及变幅机构相对于rtk基站的相对位置。5.根据权利要求4所述的基于自动化门机协同作业的安全避让方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤：设置第二实际位置采集设备，独立对门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行计算，获取门机的各执行机构的第二实际位置和第二抓斗实际位置，所述第二实际位置采集设备包括编码器和陀螺仪；
其中，所述第二实际位置为所述第一实际位置的冗余校验数据，所述第二抓斗实际位置为所述第一抓斗实际位置的冗余校验数据。6.根据权利要求5所述的基于自动化门机协同作业的安全避让方法，其特征在于，所述设置第二实际位置采集设备的步骤具体包括下述步骤：采用脉冲编码器位置累加以及绝对值编码器数据换算的方式在大车机构设置编码器；采用脉冲编码器位置累加以及绝对值编码器数据换算的方式在变幅机构设置编码器；采用绝对值编码器结合3d激光仪扫描抓斗的定位方式在起升机构上设置编码器和所述3d激光扫描仪。7.根据权利要求5所述的基于自动化门机协同作业的安全避让方法，其特征在于，所述对门机的工作抓斗的实际位置进行采集，获取第一抓斗实际位置的步骤具体包括下述步骤：在臂架端部安装3d激光扫描仪时，对3d激光扫描仪进行标定操作，以获取3d激光扫描仪相对于移动站的相对位置；控制所述3d激光扫描仪扫描臂架两侧位置，实时获取臂架大臂的位置；根据3d激光扫描仪相对于移动站的相对位置以及臂架大臂的位置，实时推算门机抓斗的相对坐标，即第一抓斗实际位置。8.根据权利要求1所述的基于自动化门机协同作业的安全避让方法，其特征在于，所述对集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析，生成目标门机的安全避让指令的步骤具体包括下述步骤：对获取到的集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析；根据对实际位置的分析，利用多线投影规划方法实时生成对当前处于作业状态的抓斗进行路径规划；根据生成的抓斗的作业规划，获取抓斗重叠作业半径及对应区域；根据获取到的抓斗重叠作业半径及对应区域，生成目标门机的安全避让指令。
技术总结本发明涉及门机的自动化控制技术领域，提供一种基于自动化门机协同作业的安全避让方法，通过在门机上设置对应的数据采集设备，获取共享集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置；对集群内各门机的各执行机构和抓斗的实际位置进行分析，生成目标门机的安全避让指令；根据生成的所述安全避让指令，控制目标门机的抓斗执行安全避让动作，从而实现门机工作的相互避让，大大降低了门机碰撞的安全事故。大大降低了门机碰撞的安全事故。大大降低了门机碰撞的安全事故。
技术研发人员：吴宇震 刘金旭 郝健
受保护的技术使用者：山东港口渤海湾港集团有限公司
技术研发日：2022.02.19
技术公布日：2022/7/5
