基于分离轴定理的堆场防碰撞系统设计

刘永昌

神华黄骅港务有限责任公司，河北沧州 061113

基于分离轴定理的堆场防碰撞系统设计

刘永昌

神华黄骅港务有限责任公司，河北沧州 061113

堆场防碰撞系统是一个避免堆场中机械之间由于距离过近发生碰撞的保护系统。本设计中根据各个机械的实时位置与真实尺寸为其构建了三个区域（凸多边形）：机械结构区、禁止侵入区、报警区，防碰撞系统根据分离轴定理实时计算相邻设备的禁止侵入区是否有重合来决定是否禁止相应动作，消除了相邻设备之间发生碰撞的风险。

防碰撞系统；分离轴定理；GPS；PLC

1 设计背景

此前神华黄骅港务公司堆场使用的防碰撞系统存在以下几个问题。1）算法过于简单，把每个设备看做一个线段，把线段之间的最小距离当做两个设备的距离。由于设备的外形不规则，并且没有考虑设备的减速过程，因此当相距15米时发出停止信号，但停止后真实的距离不固定。这不但存在安全隐患，还会影响到某些正常作业。2）防碰撞系统中的GPS安装在移动单机上，它们与GPS服务器电脑之间直接连接，电脑再依次与移动单机的PLC连接，这种复杂的通信互联会造成较长的通信延迟。此外，服务器电脑的死机、通信的不稳定性也会对取料机、堆料机的操作造成频繁干扰。3）一旦发生防碰撞停止，相应大机的各个动作都被禁止，影响了作业效率。4）老GPS的精度较低（分米级）、更新频率较慢（3s更新一次数据）。

现在神华黄骅港务公司正在积极开展堆场无人化的项目，此项目要求堆场设备必须安全高效的运行，因此，有必要开发一套新的、更加安全高效的堆场防碰撞系统。

2 分离轴定理

分离轴定理是一种检测凸多边形相交的算法，他被广泛应用于空间碰撞检测中。它的原理来源于集合分析中的分离超平面定理：如果两个集合A和B不相交，那么必定存在一个分离超平面P，使得A和B分别位于P的两侧，此定理对于空间数据中的凸集合和凹集合都适用。当数据集为凸集合时分离超平面是一个空间的平面；当数据集是凹集合时分离超平面是一个空间的曲面。

分离轴定理只研究两个凸多边形的相交问题，它指出：如果能找到一条轴使得两个物体（凸多边形）在该轴上的投影不重叠，则认为这两个物体不想交。此分离轴就是上面所说的分离超平面的法线。这种算法的关键在于如何找到这条分离轴。

在2D的情况下，两个多边形每条边的法向量包含了这条轴的所有可能性。所以我们只需要枚举两个多边形的每条边的法向量即可。把多边形的一条边看做一个向量（X，Y），则它的法向量为（Y，-X）或（-Y，X），这个算法不需要考虑方向，所以任选一种即可。然后分别计算这两个多边形的所有顶点在此法向量上的投影，并求出最大值最小值，比较两个多边形的最大最小值是否有交集，如果没有交集就说明我们找到了一条轴使得两个凸多边形在这条轴上的投影不重叠，即说明这两个物体没有发生碰撞；如果有交集，就继续判断下一条边的法向量；如果所有边的法向量都不满足分离轴的条件，则认为两个物体发生了碰撞。

考虑到分离轴算法的运算量较大，我们在实际中进行了一些优化：1）不相邻设备之间由于没有碰撞的可能，不进行分离轴计算；2）某台设备在归零状态时，不可能与相邻轨道上设备发生碰撞，因此也不进行分离轴计算；3）对于平行四边形我们只检测两条不平行的边。

3 防碰撞系统设计

3.1 硬件设计与实现

神华黄骅港务公司现在有两个相分离堆场，为了更好地保证每个堆场设备的安全运转，同时减少PLC程序中的运算量和通信量，每一期堆场都要分别构建一个单独的堆场防碰撞系统，每个系统有一个独立的PLC控制器。为了使堆场防碰撞系统控制器与堆场各设备控制器的通信、供电相互独立，避免防碰撞系统受到某台设备断电、断网等不必要的干扰，该控制器单独安装在与其他设备控制器相分离的变电所内。堆场防碰撞系统PLC与各取料机、堆料机PLC之间通过以太网通信，同时防碰撞系统PLC与上位机HMI之间也通过以太网进行通信。

由于防碰撞系统需要获取堆场各设备非常准确的行走、回转位置和速度，所以需要重新安装一套高精度（厘米级）的GPS系统。即：在变电所的制高点安装一个GPS基站，在各设备上安装一套带有两个GNSS天线的GPS移动站，一个用于定位，一个用于定向。移动站与基站之间可以实现无线电台通信与有线通信的相互切换，提高可靠性。移动站的GPS主板与MOXA模块通过串口相连，单机PLC系统通过以太网与MOXA模块相连，实现GPS数据的实时读取。

3.2 软件设计与实现

各单机PLC将从GPS主板读取到的GSOF格式的GPS数据通过解码和坐标系转换程序转化成本地坐标系下二进制格式的行走、回转、俯仰位置和速度数据，并判断GPS数据解码、移动站与基站之间的通信状态、PLC与MOXA的通信状态等是否正常。

堆场防碰撞系统PLC从各单机PLC中读取以下信息：行走、回转编码器位置和速度信息以及编码器的有效性，行走、回转GPS位置和速度信息以及GPS数据的有效性，行走、回转的运动方向，单机的供电状态、单机PLC与防碰撞系统PLC的通信状态等。

防碰撞系统将测量的各单机的机械结构尺寸组态成一个凸多边形，此多边形称为机械结构区，它包含单机各组成机构对地面的垂直投影形成的投影区。将机械结构区的各边向外扩展几米形成第二个包络区，称为禁止侵入区，再将禁止侵入区各边向外扩展几米形成第三个包络区，称为报警区。根据分离轴定理，检测到两个单机的报警区有重合时，防碰撞系统向相应单机发出碰撞报警提示，当检测到两个禁止侵入区有重合时，防碰撞系统向相应单机发出禁止相向运动信号，阻止两台单机继续靠近。本系统的先进之处还在于禁止侵入区和报警区都不是固定不变的，他们随着单机的运动方向和速度而变大变小。例如取料机向右侧旋转时，运动机构右侧的禁止侵入区和报警区就相应的变大，左侧的区域相应的缩小，静止机构的区域不变；同时速度越快相应区域会变得越大。这样可以保证发生防碰撞停止后两台大机的最小距离比较固定。

防碰撞系统PLC向各单机PLC传输以下信息：碰撞报警信号，正向行走允许信号，反向行走允许信号，向左回转允许信号，向右回转允许信号。通过后四个信号防碰撞系统就可以控制各单机的动作。当两个单机距离较近时，发出碰撞报警提醒操作人员，当离得太近时，禁止它们的相向运动，防止它们之间发生碰撞。

本系统可以实现以下功能。

1）当两台大机相距15m左右时，防碰撞系统向单机发出碰撞报警，记录报警事件，并在上位机HMI中显示报警的详细信息。

2）当两台大机相距10米左右时，防碰撞系统向单机发出禁止相向运动命令，保证停稳后两大机的距离在6～8m之间，记录报警事件，并在上位机HMI中显示两台大机将要发生碰撞的部位，将两台大机的模型变为红色，让操作员有一个更加直观的了解。

3）触发防碰撞后，只是禁止两大机的相向运动，相离运动不受影响。

4）当发生防碰撞停止后，操作员可以在机上旁路掉禁止向某个方向运动的命令，使得两大机可以继续靠近，待禁止侵入区相分离后，旁路命令自动延时消失。

5）当检测到某台设备断电后，防碰撞系统会以此设备最后的行走回转位置建立一个相对较大的保护区；当检测到通信消失后，防碰撞系统会以此设备最后的行走回转位置建立一个向轨道两端不断扩大的保护区，扩展速度是设备的最高行走速度。

6）当某台设备需要停电维修时，可以在上位机HMI中为其编辑一个禁行区，阻止相邻设备进入该区域。

7）本系统首选GPS数据去建立保护区，当发现GPS数据无效或精度太低时，自动切换成选择编码器数据。待GPS数据恢复后在自动切换回选择GPS数据。如果两种数据都无效则发出报警，并切断所有相邻大机的移动命令。

8）由于分离轴定理把堆场各设备看成一个个移动的凸多边形，因此也可以把堆场中的建筑物看成一个固定的凸多边形，所以根据分离轴定理设计的堆场防碰撞系统不但可以保护堆场各移动设备之间免于碰撞，还可以保护移动设备与固定的建筑物之间免于碰撞。

此外，本系统软件和设备界面都是模块化的，能够方便地修改现有设备的参数或者增加新的设备到本系统中。

4 结论

新的堆场防碰撞系统使用的PLC平台具有更高的可靠性，同时采用的算法更精确、更智能。它可以保证两台大机发生防碰撞停止后的距离在6～8m以内，并且只禁止它们之间相向的运动，不禁止相离的运动，这极大地减小了相邻设备之间的相互影响，缩短了不必要的停机时间，在消除安全隐患的同时提高了作业效率。这为神华黄骅港务公司堆场无人化项目的实施提供了坚实的基础。

[1]刘娜，毛晓菊.基于分离轴定理的碰撞检测算法[J].数字技术与应用，2012，8.

[2]张应中，范超，罗晓芳.凸多面体连续碰撞检测的运动轨迹分离轴算法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2013，1.

[3]范昭炜.实时碰撞检测技术研究[D].浙江：浙江大学，2003.

TP3

A

1674-6708（2015）148-0131-02

刘永昌，助理工程师，毕业院校：华北电力大学，控制理论与控制工程专业，工学硕士，工作单位：神华黄骅港务有限责任公司，从事堆场无人化项目的研究