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安全高效自動操作橋式吊車系統(tǒng)

項目成果/簡介:本項目開發(fā)了一套 32 噸級工業(yè)自動吊車系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位。本展品可使吊車運送效率比當(dāng)前主流方法提高 77%以上，行程 6 米時，最大定位誤差不超過 5 毫米，精度非常高。同時，本展品可確保事故率降低 50%以上，使操作人員工作效率提高 2-3 倍。本展品已在天津起重設(shè)備有限公司生產(chǎn)的吊車上進(jìn)行了大量的推廣應(yīng)用。這項成果符合《中國制造 2025》的戰(zhàn)略目標(biāo)，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益。它定位精度高，有助于實現(xiàn)核廢料運送與處理等操作。無人式的操作方式可以使橋式吊車在各種危險環(huán)境下作業(yè)，從而進(jìn)一步拓寬了其工作范圍，在先進(jìn)制造行業(yè)產(chǎn)生了非常積極的影響。這項成果在創(chuàng)新性方面處國際領(lǐng)先水平。在吊車控制方面，國際上近 5 年來引用數(shù)排名前十名的論文中，這項成果占到 4 篇；成果第一完成人方勇純教授應(yīng)邀前往波蘭華沙參加第 11 屆機器人運動與控制研討會并做大會報告（其他三位大會報告人分別來自美國，法國，葡萄牙）。2016 年，成果入選國家自然科學(xué)基金委資助項目優(yōu)秀成果選編（六），信息科學(xué)部 5 年共入選成果 25 項，其它入選成果的第一完成人分別為高文院士，楊學(xué)軍院士，錢鋒院士，房建成院士，郝躍院士等著名專家。應(yīng)用范圍:吊車是應(yīng)用領(lǐng)域最廣的設(shè)備之一，我國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上的持續(xù)投入，為吊車類起重機械的蓬勃發(fā)展提供了非常好的機會。隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，智能起重機是起重機行業(yè)的大勢所趨，也是當(dāng)前智能制造業(yè)的迫切需求。具體體現(xiàn)在：（1）新興產(chǎn)業(yè)促使起重機趨向大噸位、高效率、自動化、智能化及多用途方向發(fā)展。（2）用戶對起重機性能的要求不斷提高，為此必須借助于新興的智能技術(shù)來研制智能型起重機。（3）隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化，制造企業(yè)需要借助于智能起重機來提升裝配水平和生產(chǎn)效率，增強在國際市場的競爭力。本自動化吊車可以為地方經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展注入活力，可望形成重要的產(chǎn)業(yè)基地。主要體現(xiàn)在：（1）本自動吊車科技水平高，可以提高相關(guān)制造業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)品競爭力。（2）本自動吊車本身及衍生產(chǎn)業(yè)可以提供就業(yè)機會，緩解社會壓力。（3）本自動吊車主要用于具有智能化生產(chǎn)流程的核電、碼頭、建筑行業(yè)等，可帶動上下游企業(yè)的發(fā)展。（4）本自動吊車具有良好的市場前景，更便于帶動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在實施地區(qū)可形成重要的產(chǎn)業(yè)基地。效益分析:特色 1：本展品的自動化吊車包括機械部分與電氣部分，還開發(fā)了吊車自動控制軟件系統(tǒng)。具體而言，為了實現(xiàn)高性能自動控制，提高實時性，設(shè)計了基于 DSP 的多軸控制板。手/自動操作可由遙控器上三個按鈕進(jìn)行設(shè)置，DSP 可以實時監(jiān)測對應(yīng)的三路信號來判斷吊車的手/自動狀態(tài)，以便在變頻器操作模式無變化的情況下，通過 PLC實現(xiàn)吊車手/自動控制狀態(tài)的平滑切換，自動模式由 DSP 提供控制信號，手動模式由單片機提供。特色 2：建模、軌跡規(guī)劃、跟蹤及自動快速消擺技術(shù)。提出了一種精確的多吊繩吊車模型與一種基于魚群行為的 RNA 遺傳算法的建模方法。可更為準(zhǔn)確地刻畫實際工業(yè)吊車特性，為后續(xù)控制方法設(shè)計與分析奠定堅實的基礎(chǔ)。提出了多種便于臺車跟蹤的自動消擺軌跡，簡單易行，效果良好。此外，提出了一種增強耦合非線性消擺控制技術(shù)、一種魯棒滑模控制方法以及一種考慮軌道約束的自適應(yīng)消擺控制技術(shù)，能充分考慮外界干擾與未建模動態(tài)的干擾，取得良好的防擺與定位控制效果。此外，考慮吊車執(zhí)行器的飽和約束、部分信號不可測量等實際問題，還設(shè)計并提出了一系列行之有效的自動控制方法。特色 3：運動體檢測與三維場景重建技術(shù)。具體而言，項目組搭建了一種彩色點云獲取設(shè)備，可以準(zhǔn)確獲取實際工況下帶有顏色信息的三維點云。提出了一種三維的正態(tài)分布變換算法，在實際應(yīng)用中取得了穩(wěn)定有效的結(jié)果。為防止橋式吊車現(xiàn)場危險事故的發(fā)生，設(shè)計了一種智能監(jiān)控系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)進(jìn)入吊車操作現(xiàn)場的人，并在可能發(fā)生危險時進(jìn)行警報。經(jīng)大量測試，所提技術(shù)能很好地完成預(yù)定任務(wù)。特色 4：持續(xù)擾動抑制。針對野外工作的吊車系統(tǒng)，設(shè)計了一種適用于持續(xù)擾動情況下的非線性復(fù)合消擺方法。除此之外，針對周期性干擾的不利影響，項目組還提出了一種重復(fù)學(xué)習(xí)與部分反饋相結(jié)合的控制方法。兩種方法均可有效抑制持續(xù)干擾對吊車系統(tǒng)的影響。特色 5：豎直起降技術(shù)。針對負(fù)載的起吊、落吊、水平傳送過程，提出了一種非線性跟蹤控制方法，該方法能保證臺車及繩長變化的跟蹤誤差始終地保持在任意設(shè)定的范圍內(nèi)并收斂于零，同時能有效地消除負(fù)載的擺動，大幅提高系統(tǒng)的工作效率。

南開大學(xué) 2021-04-11

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