劉永昌

神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北滄州 061113

基于分離軸定理的堆場防碰撞系統(tǒng)設(shè)計

劉永昌

神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北滄州 061113

堆場防碰撞系統(tǒng)是一個避免堆場中機(jī)械之間由于距離過近發(fā)生碰撞的保護(hù)系統(tǒng)。本設(shè)計中根據(jù)各個機(jī)械的實(shí)時位置與真實(shí)尺寸為其構(gòu)建了三個區(qū)域（凸多邊形）：機(jī)械結(jié)構(gòu)區(qū)、禁止侵入?yún)^(qū)、報警區(qū)，防碰撞系統(tǒng)根據(jù)分離軸定理實(shí)時計算相鄰設(shè)備的禁止侵入?yún)^(qū)是否有重合來決定是否禁止相應(yīng)動作，消除了相鄰設(shè)備之間發(fā)生碰撞的風(fēng)險。

防碰撞系統(tǒng)；分離軸定理；GPS；PLC

1 設(shè)計背景

此前神華黃驊港務(wù)公司堆場使用的防碰撞系統(tǒng)存在以下幾個問題。1）算法過于簡單，把每個設(shè)備看做一個線段，把線段之間的最小距離當(dāng)做兩個設(shè)備的距離。由于設(shè)備的外形不規(guī)則，并且沒有考慮設(shè)備的減速過程，因此當(dāng)相距15米時發(fā)出停止信號，但停止后真實(shí)的距離不固定。這不但存在安全隱患，還會影響到某些正常作業(yè)。2）防碰撞系統(tǒng)中的GPS安裝在移動單機(jī)上，它們與GPS服務(wù)器電腦之間直接連接，電腦再依次與移動單機(jī)的PLC連接，這種復(fù)雜的通信互聯(lián)會造成較長的通信延遲。此外，服務(wù)器電腦的死機(jī)、通信的不穩(wěn)定性也會對取料機(jī)、堆料機(jī)的操作造成頻繁干擾。3）一旦發(fā)生防碰撞停止，相應(yīng)大機(jī)的各個動作都被禁止，影響了作業(yè)效率。4）老GPS的精度較低（分米級）、更新頻率較慢（3s更新一次數(shù)據(jù)）。

現(xiàn)在神華黃驊港務(wù)公司正在積極開展堆場無人化的項(xiàng)目，此項(xiàng)目要求堆場設(shè)備必須安全高效的運(yùn)行，因此，有必要開發(fā)一套新的、更加安全高效的堆場防碰撞系統(tǒng)。

2 分離軸定理

分離軸定理是一種檢測凸多邊形相交的算法，他被廣泛應(yīng)用于空間碰撞檢測中。它的原理來源于集合分析中的分離超平面定理：如果兩個集合A和B不相交，那么必定存在一個分離超平面P，使得A和B分別位于P的兩側(cè)，此定理對于空間數(shù)據(jù)中的凸集合和凹集合都適用。當(dāng)數(shù)據(jù)集為凸集合時分離超平面是一個空間的平面；當(dāng)數(shù)據(jù)集是凹集合時分離超平面是一個空間的曲面。

分離軸定理只研究兩個凸多邊形的相交問題，它指出：如果能找到一條軸使得兩個物體（凸多邊形）在該軸上的投影不重疊，則認(rèn)為這兩個物體不想交。此分離軸就是上面所說的分離超平面的法線。這種算法的關(guān)鍵在于如何找到這條分離軸。

在2D的情況下，兩個多邊形每條邊的法向量包含了這條軸的所有可能性。所以我們只需要枚舉兩個多邊形的每條邊的法向量即可。把多邊形的一條邊看做一個向量（X，Y），則它的法向量為（Y，-X）或（-Y，X），這個算法不需要考慮方向，所以任選一種即可。然后分別計算這兩個多邊形的所有頂點(diǎn)在此法向量上的投影，并求出最大值最小值，比較兩個多邊形的最大最小值是否有交集，如果沒有交集就說明我們找到了一條軸使得兩個凸多邊形在這條軸上的投影不重疊，即說明這兩個物體沒有發(fā)生碰撞；如果有交集，就繼續(xù)判斷下一條邊的法向量；如果所有邊的法向量都不滿足分離軸的條件，則認(rèn)為兩個物體發(fā)生了碰撞。

考慮到分離軸算法的運(yùn)算量較大，我們在實(shí)際中進(jìn)行了一些優(yōu)化：1）不相鄰設(shè)備之間由于沒有碰撞的可能，不進(jìn)行分離軸計算；2）某臺設(shè)備在歸零狀態(tài)時，不可能與相鄰軌道上設(shè)備發(fā)生碰撞，因此也不進(jìn)行分離軸計算；3）對于平行四邊形我們只檢測兩條不平行的邊。

3 防碰撞系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

神華黃驊港務(wù)公司現(xiàn)在有兩個相分離堆場，為了更好地保證每個堆場設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，同時減少PLC程序中的運(yùn)算量和通信量，每一期堆場都要分別構(gòu)建一個單獨(dú)的堆場防碰撞系統(tǒng)，每個系統(tǒng)有一個獨(dú)立的PLC控制器。為了使堆場防碰撞系統(tǒng)控制器與堆場各設(shè)備控制器的通信、供電相互獨(dú)立，避免防碰撞系統(tǒng)受到某臺設(shè)備斷電、斷網(wǎng)等不必要的干擾，該控制器單獨(dú)安裝在與其他設(shè)備控制器相分離的變電所內(nèi)。堆場防碰撞系統(tǒng)PLC與各取料機(jī)、堆料機(jī)PLC之間通過以太網(wǎng)通信，同時防碰撞系統(tǒng)PLC與上位機(jī)HMI之間也通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

由于防碰撞系統(tǒng)需要獲取堆場各設(shè)備非常準(zhǔn)確的行走、回轉(zhuǎn)位置和速度，所以需要重新安裝一套高精度（厘米級）的GPS系統(tǒng)。即：在變電所的制高點(diǎn)安裝一個GPS基站，在各設(shè)備上安裝一套帶有兩個GNSS天線的GPS移動站，一個用于定位，一個用于定向。移動站與基站之間可以實(shí)現(xiàn)無線電臺通信與有線通信的相互切換，提高可靠性。移動站的GPS主板與MOXA模塊通過串口相連，單機(jī)PLC系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與MOXA模塊相連，實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的實(shí)時讀取。

3.2 軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

各單機(jī)PLC將從GPS主板讀取到的GSOF格式的GPS數(shù)據(jù)通過解碼和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)化成本地坐標(biāo)系下二進(jìn)制格式的行走、回轉(zhuǎn)、俯仰位置和速度數(shù)據(jù)，并判斷GPS數(shù)據(jù)解碼、移動站與基站之間的通信狀態(tài)、PLC與MOXA的通信狀態(tài)等是否正常。

堆場防碰撞系統(tǒng)PLC從各單機(jī)PLC中讀取以下信息：行走、回轉(zhuǎn)編碼器位置和速度信息以及編碼器的有效性，行走、回轉(zhuǎn)GPS位置和速度信息以及GPS數(shù)據(jù)的有效性，行走、回轉(zhuǎn)的運(yùn)動方向，單機(jī)的供電狀態(tài)、單機(jī)PLC與防碰撞系統(tǒng)PLC的通信狀態(tài)等。

防碰撞系統(tǒng)將測量的各單機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸組態(tài)成一個凸多邊形，此多邊形稱為機(jī)械結(jié)構(gòu)區(qū)，它包含單機(jī)各組成機(jī)構(gòu)對地面的垂直投影形成的投影區(qū)。將機(jī)械結(jié)構(gòu)區(qū)的各邊向外擴(kuò)展幾米形成第二個包絡(luò)區(qū)，稱為禁止侵入?yún)^(qū)，再將禁止侵入?yún)^(qū)各邊向外擴(kuò)展幾米形成第三個包絡(luò)區(qū)，稱為報警區(qū)。根據(jù)分離軸定理，檢測到兩個單機(jī)的報警區(qū)有重合時，防碰撞系統(tǒng)向相應(yīng)單機(jī)發(fā)出碰撞報警提示，當(dāng)檢測到兩個禁止侵入?yún)^(qū)有重合時，防碰撞系統(tǒng)向相應(yīng)單機(jī)發(fā)出禁止相向運(yùn)動信號，阻止兩臺單機(jī)繼續(xù)靠近。本系統(tǒng)的先進(jìn)之處還在于禁止侵入?yún)^(qū)和報警區(qū)都不是固定不變的，他們隨著單機(jī)的運(yùn)動方向和速度而變大變小。例如取料機(jī)向右側(cè)旋轉(zhuǎn)時，運(yùn)動機(jī)構(gòu)右側(cè)的禁止侵入?yún)^(qū)和報警區(qū)就相應(yīng)的變大，左側(cè)的區(qū)域相應(yīng)的縮小，靜止機(jī)構(gòu)的區(qū)域不變；同時速度越快相應(yīng)區(qū)域會變得越大。這樣可以保證發(fā)生防碰撞停止后兩臺大機(jī)的最小距離比較固定。

防碰撞系統(tǒng)PLC向各單機(jī)PLC傳輸以下信息：碰撞報警信號，正向行走允許信號，反向行走允許信號，向左回轉(zhuǎn)允許信號，向右回轉(zhuǎn)允許信號。通過后四個信號防碰撞系統(tǒng)就可以控制各單機(jī)的動作。當(dāng)兩個單機(jī)距離較近時，發(fā)出碰撞報警提醒操作人員，當(dāng)離得太近時，禁止它們的相向運(yùn)動，防止它們之間發(fā)生碰撞。

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）當(dāng)兩臺大機(jī)相距15m左右時，防碰撞系統(tǒng)向單機(jī)發(fā)出碰撞報警，記錄報警事件，并在上位機(jī)HMI中顯示報警的詳細(xì)信息。

2）當(dāng)兩臺大機(jī)相距10米左右時，防碰撞系統(tǒng)向單機(jī)發(fā)出禁止相向運(yùn)動命令，保證停穩(wěn)后兩大機(jī)的距離在6～8m之間，記錄報警事件，并在上位機(jī)HMI中顯示兩臺大機(jī)將要發(fā)生碰撞的部位，將兩臺大機(jī)的模型變?yōu)榧t色，讓操作員有一個更加直觀的了解。

3）觸發(fā)防碰撞后，只是禁止兩大機(jī)的相向運(yùn)動，相離運(yùn)動不受影響。

4）當(dāng)發(fā)生防碰撞停止后，操作員可以在機(jī)上旁路掉禁止向某個方向運(yùn)動的命令，使得兩大機(jī)可以繼續(xù)靠近，待禁止侵入?yún)^(qū)相分離后，旁路命令自動延時消失。

5）當(dāng)檢測到某臺設(shè)備斷電后，防碰撞系統(tǒng)會以此設(shè)備最后的行走回轉(zhuǎn)位置建立一個相對較大的保護(hù)區(qū)；當(dāng)檢測到通信消失后，防碰撞系統(tǒng)會以此設(shè)備最后的行走回轉(zhuǎn)位置建立一個向軌道兩端不斷擴(kuò)大的保護(hù)區(qū)，擴(kuò)展速度是設(shè)備的最高行走速度。

6）當(dāng)某臺設(shè)備需要停電維修時，可以在上位機(jī)HMI中為其編輯一個禁行區(qū)，阻止相鄰設(shè)備進(jìn)入該區(qū)域。

7）本系統(tǒng)首選GPS數(shù)據(jù)去建立保護(hù)區(qū)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)無效或精度太低時，自動切換成選擇編碼器數(shù)據(jù)。待GPS數(shù)據(jù)恢復(fù)后在自動切換回選擇GPS數(shù)據(jù)。如果兩種數(shù)據(jù)都無效則發(fā)出報警，并切斷所有相鄰大機(jī)的移動命令。

8）由于分離軸定理把堆場各設(shè)備看成一個個移動的凸多邊形，因此也可以把堆場中的建筑物看成一個固定的凸多邊形，所以根據(jù)分離軸定理設(shè)計的堆場防碰撞系統(tǒng)不但可以保護(hù)堆場各移動設(shè)備之間免于碰撞，還可以保護(hù)移動設(shè)備與固定的建筑物之間免于碰撞。

此外，本系統(tǒng)軟件和設(shè)備界面都是模塊化的，能夠方便地修改現(xiàn)有設(shè)備的參數(shù)或者增加新的設(shè)備到本系統(tǒng)中。

4 結(jié)論

新的堆場防碰撞系統(tǒng)使用的PLC平臺具有更高的可靠性，同時采用的算法更精確、更智能。它可以保證兩臺大機(jī)發(fā)生防碰撞停止后的距離在6～8m以內(nèi)，并且只禁止它們之間相向的運(yùn)動，不禁止相離的運(yùn)動，這極大地減小了相鄰設(shè)備之間的相互影響，縮短了不必要的停機(jī)時間，在消除安全隱患的同時提高了作業(yè)效率。這為神華黃驊港務(wù)公司堆場無人化項(xiàng)目的實(shí)施提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]劉娜，毛曉菊.基于分離軸定理的碰撞檢測算法[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，8.

[2]張應(yīng)中，范超，羅曉芳.凸多面體連續(xù)碰撞檢測的運(yùn)動軌跡分離軸算法[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2013，1.

[3]范昭煒.實(shí)時碰撞檢測技術(shù)研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2003.

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A

1674-6708（2015）148-0131-02

劉永昌，助理工程師，畢業(yè)院校：華北電力大學(xué)，控制理論與控制工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工作單位：神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，從事堆場無人化項(xiàng)目的研究