Multi-objective Anti-swing Trajectory Planning of Double-pendulum Tower Crane Operations using Opposition-based Evolutionary Algorithm

要約

作動が不十分なタワークレーンの吊り上げには、トロリー/旋回動作の時間エネルギー最適軌道と、トロリー/ジブの動作から生じる作動しない揺れの低減が必要です。
無視できないフックの質量や長いリグケーブルが関係するシナリオでは、フックペイロードユニットが二重振り子の動作を示し、問題が非常に困難になります。
この記事では、すべての過渡状態制約に対処する、自律型双振り子タワー クレーンのコンピュータ支援揚力計画 (CALP) システム用のオフライン多目的アンチスイング軌道計画モジュールを紹介します。
補助出力のセットはペイロードのスイングダイナミクスを系統的に分析することによって選択され、クレーン操作の差動平坦性特性を証明するために使用されます。
フラット出力は、フラット出力空間で多目的軌道最適化問題を定式化するために、適切なベジエ曲線を介してパラメータ化されます。
Collective Oppositional Generalized Differential Evolution 3 (CO-GDE3) と呼ばれる新しい多目的進化アルゴリズムがオプティマイザーとして採用されています。
幅広い適切な解を得る際に、より高速な収束とより優れた一貫性を得るために、新しい集団初期化戦略が従来の GDE3 に統合されています。
計算効率の高い初期化方法には、計算反対のさまざまな概念が組み込まれています。
トロリー運転とスルー運転に基づく統計的比較により、標準 GDE3 に対する CO-GDE3 の収束性と信頼性の優位性が検証されます。
CALP システムのパス プランナーを介して計算された、衝突のない昇降パスのトロリー操作と旋回操作が、シミュレーション スタディ用に選択されます。
シミュレートされた軌道は、提案されたプランナーが、すべての状態変数をそれぞれの制限内に維持し、フックとペイロードのスイングを制限しながら、時間とエネルギーの最適なソリューションを生成できることを示しています。

要約(オリジナル)

Underactuated tower crane lifting requires time-energy optimal trajectories for the trolley/slew operations and reduction of the unactuated swings resulting from the trolley/jib motion. In scenarios involving non-negligible hook mass or long rig-cable, the hook-payload unit exhibits double-pendulum behaviour, making the problem highly challenging. This article introduces an offline multi-objective anti-swing trajectory planning module for a Computer-Aided Lift Planning (CALP) system of autonomous double-pendulum tower cranes, addressing all the transient state constraints. A set of auxiliary outputs are selected by methodically analyzing the payload swing dynamics and are used to prove the differential flatness property of the crane operations. The flat outputs are parameterized via suitable B\'{e}zier curves to formulate the multi-objective trajectory optimization problems in the flat output space. A novel multi-objective evolutionary algorithm called Collective Oppositional Generalized Differential Evolution 3 (CO-GDE3) is employed as the optimizer. To obtain faster convergence and better consistency in getting a wide range of good solutions, a new population initialization strategy is integrated into the conventional GDE3. The computationally efficient initialization method incorporates various concepts of computational opposition. Statistical comparisons based on trolley and slew operations verify the superiority of convergence and reliability of CO-GDE3 over the standard GDE3. Trolley and slew operations of a collision-free lifting path computed via the path planner of the CALP system are selected for a simulation study. The simulated trajectories demonstrate that the proposed planner can produce time-energy optimal solutions, keeping all the state variables within their respective limits and restricting the hook and payload swings.

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