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安全高效自动操作桥式吊车系统

项目成果/简介:本项目开发了一套 32 吨级工业自动吊车系统，相关技术处于国际领先地位。本展品可使吊车运送效率比当前主流方法提高 77%以上，行程 6 米时，最大定位误差不超过 5 毫米，精度非常高。同时，本展品可确保事故率降低 50%以上，使操作人员工作效率提高 2-3 倍。本展品已在天津起重设备有限公司生产的吊车上进行了大量的推广应用。这项成果符合《中国制造 2025》的战略目标，具有非常显著的经济效益。它定位精度高，有助于实现核废料运送与处理等操作。无人式的操作方式可以使桥式吊车在各种危险环境下作业，从而进一步拓宽了其工作范围，在先进制造行业产生了非常积极的影响。这项成果在创新性方面处国际领先水平。在吊车控制方面，国际上近 5 年来引用数排名前十名的论文中，这项成果占到 4 篇；成果第一完成人方勇纯教授应邀前往波兰华沙参加第 11 届机器人运动与控制研讨会并做大会报告（其他三位大会报告人分别来自美国，法国，葡萄牙）。2016 年，成果入选国家自然科学基金委资助项目优秀成果选编（六），信息科学部 5 年共入选成果 25 项，其它入选成果的第一完成人分别为高文院士，杨学军院士，钱锋院士，房建成院士，郝跃院士等著名专家。应用范围:吊车是应用领域最广的设备之一，我国在基础设施建设上的持续投入，为吊车类起重机械的蓬勃发展提供了非常好的机会。随着产业转型升级和战略性新兴产业发展，智能起重机是起重机行业的大势所趋，也是当前智能制造业的迫切需求。具体体现在：（1）新兴产业促使起重机趋向大吨位、高效率、自动化、智能化及多用途方向发展。（2）用户对起重机性能的要求不断提高，为此必须借助于新兴的智能技术来研制智能型起重机。（3）随着全球经济一体化，制造企业需要借助于智能起重机来提升装配水平和生产效率，增强在国际市场的竞争力。本自动化吊车可以为地方经济和社会发展注入活力，可望形成重要的产业基地。主要体现在：（1）本自动吊车科技水平高，可以提高相关制造业的技术水平和产品竞争力。（2）本自动吊车本身及衍生产业可以提供就业机会，缓解社会压力。（3）本自动吊车主要用于具有智能化生产流程的核电、码头、建筑行业等，可带动上下游企业的发展。（4）本自动吊车具有良好的市场前景，更便于带动产业的发展，在实施地区可形成重要的产业基地。效益分析:特色 1：本展品的自动化吊车包括机械部分与电气部分，还开发了吊车自动控制软件系统。具体而言，为了实现高性能自动控制，提高实时性，设计了基于 DSP 的多轴控制板。手/自动操作可由遥控器上三个按钮进行设置，DSP 可以实时监测对应的三路信号来判断吊车的手/自动状态，以便在变频器操作模式无变化的情况下，通过 PLC实现吊车手/自动控制状态的平滑切换，自动模式由 DSP 提供控制信号，手动模式由单片机提供。特色 2：建模、轨迹规划、跟踪及自动快速消摆技术。提出了一种精确的多吊绳吊车模型与一种基于鱼群行为的 RNA 遗传算法的建模方法。可更为准确地刻画实际工业吊车特性，为后续控制方法设计与分析奠定坚实的基础。提出了多种便于台车跟踪的自动消摆轨迹，简单易行，效果良好。此外，提出了一种增强耦合非线性消摆控制技术、一种鲁棒滑模控制方法以及一种考虑轨道约束的自适应消摆控制技术，能充分考虑外界干扰与未建模动态的干扰，取得良好的防摆与定位控制效果。此外，考虑吊车执行器的饱和约束、部分信号不可测量等实际问题，还设计并提出了一系列行之有效的自动控制方法。特色 3：运动体检测与三维场景重建技术。具体而言，项目组搭建了一种彩色点云获取设备，可以准确获取实际工况下带有颜色信息的三维点云。提出了一种三维的正态分布变换算法，在实际应用中取得了稳定有效的结果。为防止桥式吊车现场危险事故的发生，设计了一种智能监控系统来发现进入吊车操作现场的人，并在可能发生危险时进行警报。经大量测试，所提技术能很好地完成预定任务。特色 4：持续扰动抑制。针对野外工作的吊车系统，设计了一种适用于持续扰动情况下的非线性复合消摆方法。除此之外，针对周期性干扰的不利影响，项目组还提出了一种重复学习与部分反馈相结合的控制方法。两种方法均可有效抑制持续干扰对吊车系统的影响。特色 5：竖直起降技术。针对负载的起吊、落吊、水平传送过程，提出了一种非线性跟踪控制方法，该方法能保证台车及绳长变化的跟踪误差始终地保持在任意设定的范围内并收敛于零，同时能有效地消除负载的摆动，大幅提高系统的工作效率。

南开大学 2021-04-11