劉永昌

神華黃驊港務有限責任公司，河北滄州 061113

基于分離軸定理的堆場防碰撞系統(tǒng)設計

劉永昌

神華黃驊港務有限責任公司，河北滄州 061113

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

防碰撞系統(tǒng)；分離軸定理；GPS；PLC

1 設計背景

此前神華黃驊港務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，把每個設備看做一個線段，把線段之間的最小距離當做兩個設備的距離。由于設備的外形不規(guī)則，并且沒有考慮設備的減速過程，因此當相距15米時發(fā)出停止信號，但停止后真實的距離不固定。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安裝在移動單機上，它們與GPS服務器電腦之間直接連接，電腦再依次與移動單機的PLC連接，這種復雜的通信互聯(lián)會造成較長的通信延遲。此外，服務器電腦的死機、通信的不穩(wěn)定性也會對取料機、堆料機的操作造成頻繁干擾。3）一旦發(fā)生防碰撞停止，相應大機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)在神華黃驊港務公司正在積極開展堆場無人化的項目，此項目要求堆場設備必須安全高效的運行，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。當數(shù)據(jù)集為凸集合時分離超平面是一個空間的平面；當數(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，則認為兩個物體發(fā)生了碰撞。

考慮到分離軸算法的運算量較大，我們在實際中進行了一些優(yōu)化：1）不相鄰設備之間由于沒有碰撞的可能，不進行分離軸計算；2）某臺設備在歸零狀態(tài)時，不可能與相鄰軌道上設備發(fā)生碰撞，因此也不進行分離軸計算；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)設計

3.1 硬件設計與實現(xiàn)

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

由于防碰撞系統(tǒng)需要獲取堆場各設備非常準確的行走、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：在變電所的制高點安裝一個GPS基站，在各設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PLC系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與MOXA模塊相連，實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的實時讀取。

3.2 軟件設計與實現(xiàn)

各單機PLC將從GPS主板讀取到的GSOF格式的GPS數(shù)據(jù)通過解碼和坐標系轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)化成本地坐標系下二進制格式的行走、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)的運動方向，單機的供電狀態(tài)、單機PLC與防碰撞系統(tǒng)PLC的通信狀態(tài)等。

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

防碰撞系統(tǒng)PLC向各單機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)就可以控制各單機的動作。當兩個單機距離較近時，發(fā)出碰撞報警提醒操作人員，當離得太近時，禁止它們的相向運動，防止它們之間發(fā)生碰撞。

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能。

1）當兩臺大機相距15m左右時，防碰撞系統(tǒng)向單機發(fā)出碰撞報警，記錄報警事件，并在上位機HMI中顯示報警的詳細信息。

2）當兩臺大機相距10米左右時，防碰撞系統(tǒng)向單機發(fā)出禁止相向運動命令，保證停穩(wěn)后兩大機的距離在6～8m之間，記錄報警事件，并在上位機HMI中顯示兩臺大機將要發(fā)生碰撞的部位，將兩臺大機的模型變?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，只是禁止兩大機的相向運動，相離運動不受影響。

4）當發(fā)生防碰撞停止后，操作員可以在機上旁路掉禁止向某個方向運動的命令，使得兩大機可以繼續(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）當檢測到某臺設備斷電后，防碰撞系統(tǒng)會以此設備最后的行走回轉(zhuǎn)位置建立一個相對較大的保護區(qū)；當檢測到通信消失后，防碰撞系統(tǒng)會以此設備最后的行走回轉(zhuǎn)位置建立一個向軌道兩端不斷擴大的保護區(qū)，擴展速度是設備的最高行走速度。

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

7）本系統(tǒng)首選GPS數(shù)據(jù)去建立保護區(qū)，當發(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的移動命令。

8）由于分離軸定理把堆場各設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)分離軸定理設計的堆場防碰撞系統(tǒng)不但可以保護堆場各移動設備之間免于碰撞，還可以保護移動設備與固定的建筑物之間免于碰撞。

此外，本系統(tǒng)軟件和設備界面都是模塊化的，能夠方便地修改現(xiàn)有設備的參數(shù)或者增加新的設備到本系統(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動，不禁止相離的運動，這極大地減小了相鄰設備之間的相互影響，縮短了不必要的停機時間，在消除安全隱患的同時提高了作業(yè)效率。這為神華黃驊港務公司堆場無人化項目的實施提供了堅實的基礎。

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

[2]張應中，范超，羅曉芳.凸多面體連續(xù)碰撞檢測的運動軌跡分離軸算法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2013，1.

[3]范昭煒.實時碰撞檢測技術研究[D].浙江：浙江大學，2003.

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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，控制理論與控制工程專業(yè)，工學碩士，工作單位：神華黃驊港務有限責任公司，從事堆場無人化項目的研究