CN102032883B - 臂架碰撞检测系统及检测臂架与障碍物碰撞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种臂架碰撞检测系统及检测臂架与障碍物碰撞的方法，该检测系统包括：传感系统，至少包括一个位于机械装置的臂架(3)的第一位置的第一噪声传感器(11)和一个位于机械装置的臂架(3)的第二位置的第二噪声传感器(12)；中央控制单元(2)，与传感系统连接，接收传感系统感测的噪声信号，根据第一噪声传感器(11)和第二噪声传感器(12)所接收到噪声信号的时间差来判断臂架与障碍物的碰撞位置点。该系统和该方法利用了声音在固体中的传播来检测碰撞位置点，避免了使用红外线或激光传感器时，所发射的红外线或激光被臂架本身所阻挡的现象，从而方便有效检测臂架与障碍物的碰撞。

Description

臂架碰撞检测系统及检测臂架与障碍物碰撞的方法

技术领域

本发明涉及工程机械检测领域，尤其涉及一种臂架碰撞检测系统及检测臂架与障碍物碰撞的方法。

背景技术

工程机械的施工环境非常恶劣，易碰到周边障碍物，引发安全事故。事后难以进行事故鉴定，引起纠纷。目前，市场上对于障碍物的检测，大多采用红外线或激光传感器进行循环扫描，在检测到有障碍物时，障碍物将信号发射回来，计算发送与反射信号的时间差，从而得出障碍物与传感器的距离，由控制装置进行计算，并做出相应的保护。但在工程机械领域中，尚不存在针对机械装置的臂架碰撞的检测装置。而上述的激光或红外线一类的检测方式，并不适用于工程机械中机械装置的臂架，例如混凝土泵车的臂架的碰撞的检测。因为臂架的结构一般较复杂，例如混凝土泵车属于多臂架结构，臂架为折叠式放置，采用红外线或激光等的检测方式，所发射的红外线或激光极容易被臂架本身所阻挡，打在臂架本身之上，并且无法分别检测到的障碍物为臂架本身或其他障碍物，因此不能达到有效检测障碍物的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种臂架碰撞检测系统及检测臂架与障碍物碰撞的方法，能够有效检测机械装置的臂架与障碍物的碰撞。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种臂架碰撞检测系统，包括：传感系统，至少包括一个位于机械装置的臂架的第一位置的第一噪声传感器和一个位于机械装置的臂架的第二位置的第二噪声传感器；中央控制单元，与传感系统连接，接收传感系统感测的噪声信号，根据第一噪声传感器和第二噪声传感器所接收到噪声信号的时间差来判断臂架与障碍物的碰撞位置点。

进一步地，第一噪声传感器位于机械装置的臂架的原点，第二噪声传感器位于机械装置的臂架的终点。

进一步地，传感系统还包括一个或更多辅助噪声传感器，位于机械装置的臂架上第一噪声传感器和第二噪声传感器之间。

进一步地，中央控制单元还用于对传感系统感测的噪声信号进行幅值分析，判断幅值的大小，若幅值小于预定值，则判断传感系统感测的噪声信号为源于臂架之外的干扰噪声信号，并将其排除。

进一步地，中央控制单元还用于对传感系统感测的噪声信号进行频谱分析，基于频谱分析的结果判断与臂架碰撞的障碍物的材质。

进一步地，传感系统还包括：倾角传感器，设置在机械装置的臂架的相邻臂架部件之间，用于检测相邻臂架部件之间的夹角；中央控制单元与倾角传感器连接，接收倾角传感器发出的信号，根据该信号计算相邻臂架部件之间的夹角，以判断发生的碰撞是否为臂架的不同臂架部件之间的碰撞。

进一步地，传感系统还包括：旋转编码器，设置在机械装置的臂架的相邻臂架部件之间，用于检测相邻臂架部件之间的夹角；中央控制单元与旋转编码器连接，接收旋转编码器发出的信号，根据该信号计算相邻臂架之间的夹角，以判断发生的碰撞是否为臂架的不同臂架部件之间的碰撞。

根据本发明的另一个方面，提供了一种使用上述的臂架碰撞检测系统检测臂架与障碍物碰撞的方法，包括以下步骤：接收传感系统感测的噪声信号；根据第一噪声传感器和第二噪声传感器所接收到噪声信号的时间差来判断臂架与障碍物的碰撞位置点。

进一步地，当第一噪声传感器位于臂架的原点，第二噪声传感器位于臂架的终点时，判断臂架与障碍物的碰撞位置点的步骤包括：根据第一噪声传感器和第二噪声传感器发出的噪声信号计算碰撞位置点与臂架原点之间的距离1，计算公式为：

其中，M1为第一噪声传感器到臂架原点的距离；M2为第二噪声传感器到臂架原点的距离；v为声音在臂架中的传播速度；t1为碰撞点的碰撞声源到达第一噪声传感器的时间；t2为碰撞点的碰撞声源到达第二噪声传感器的时间。

进一步地，若根据所计算出的距离1判断出臂架与障碍物的碰撞位置点位于臂架上，则还包括以下步骤：对传感系统感测的噪声信号进行幅值分析，判断幅值的大小；若幅值小于预定值，则判断传感系统感测的噪声信号源于臂架之外的干扰噪声信号，并将其排除。

进一步地，若根据所计算出的距离1判断出臂架与障碍物的碰撞位置点位于臂架上，并且判断出传感系统感测的噪声信号并非源于臂架之外的干扰噪声信号，则还包括以下步骤：对传感系统感测的噪声信号进行频谱分析，基于频谱分析的结果判断与臂架碰撞的障碍物的材质。

进一步地，在对噪声传感系统感测的噪声信号进行频谱分析的同时，还对噪声信号进行小波分析，基于频谱分析和小波分析的结果判断与臂架碰撞的障碍物的材质。

进一步地，在对传感系统感测的噪声信号进行幅值分析之前，还包括以下步骤：对传感系统感测的噪声信号进行滤波和除噪处理。

进一步地，还包括：接收臂架的相邻臂架部件之间设置的倾角传感器发出的信号，或旋转编码器发出的信号；若基于频谱分析的结果判断出与臂架碰撞的障碍物的材质为与臂架相同的材质，则根据倾角传感器发出的信号或旋转编码器发出的信号计算相邻臂架部件之间的夹角，并根据相邻臂架部件之间的夹角判断发生的碰撞是否为臂架的臂架部件之间的碰撞。

本发明具有以下有益效果：

1.由于本发明中的臂架碰撞检测系统中包括的传感系统中至少包括一个位于臂架原点的第一噪声传感器和一个位于臂架终点的第二噪声传感器，而中央控制单元根据第一噪声传感器和第二噪声传感器与臂架原点的距离以及第一噪声传感器和第二噪声传感器所接收到噪声信号的时间差来判断臂架与障碍物的碰撞位置点，利用了声音在固体中的传播来检测碰撞位置点，避免了使用红外线或激光传感器时，所发射的红外线或激光被臂架本身所阻挡的现象，从而方便有效检测臂架与障碍物的碰撞。

2.由于本发明中的臂架碰撞检测系统中包括的中央控制单元还用于对传感系统感测的噪声信号进行幅值分析，判断幅值的大小，若幅值小于预定值，则判断传感系统感测的噪声信号源于臂架之外的干扰噪声信号，并将其排除，从而进一步保证了检测信号的准确性。

3.由于本发明中的臂架碰撞检测系统中包括的中央控制单元还可以用于传感系统感测的噪声信号进行频谱分析，以判断与臂架碰撞的障碍物的材质；检测系统中还可以包括倾角传感器或旋转编码器，用于检测相邻臂架之间的夹角，从而在能够判断发生的碰撞是否为臂架之间的碰撞，进一步保证了检测信号的准确性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的臂架碰撞检测系统中的传感系统的示意图，其中一并示出了安装了该传感系统的臂架；

图2是根据本发明的第一实施例的臂架碰撞检测系统的组成示意图；

图3是根据本发明的第一实施例的检测臂架与障碍物碰撞的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，根据本发明的第一实施例的臂架碰撞检测系统所包括传感系统，而该传感系统至少包括一个位于机械装置的臂架3的原点31的第一噪声传感器11和一个位于机械装置的臂架3的终点32的第二噪声传感器12。该传感系统中还可以包括更多的噪声传感器，这些噪声传感器可以位于臂架3上的不同位置。例如本实施例中，如图1所示，该传感系统还包括第三噪声传感器13。另外，如图2所示，根据本发明的第一实施例的臂架碰撞检测系统还包括中央控制单元2。该中央控制单元2与上述传感系统连接，接收传感系统感测的噪声信号，根据第一噪声传感器11和第二噪声传感器12所接收到噪声信号的时间差来判断臂架与障碍物的碰撞位置点。在实践中，该第一噪声传感器11和第二噪声传感器12也可以位于臂架3的其他两个不同位置，这时通过噪声传感器来判断臂架与障碍物的碰撞位置点的方法也需要做相应调整。除了第一噪声传感器11和第二噪声传感器12之外的其他噪声传感器可以用来校验使用第一噪声传感器11和第二噪声传感器12所判断出的臂架与障碍物的碰撞位置点。

可以理解，本发明利用了声音在固体中的传播来检测碰撞位置点，避免了使用红外线或激光传感器时，所发射的红外线或激光由于臂架本身的复杂结构而被臂架本身所阻挡的现象，从而方便有效地检测臂架与障碍物的碰撞，进而对臂架的动力系统进行保护。本发明尤其适用于具有较复杂结构的臂架。应当注意的是，上文所述的及下文即将说明的距离均不是指直线距离，而是指声音信号沿固体的臂架所传播的距离。另外，上文所述的噪声传感器优选地可以为固体噪声传感器等，也包括其他各种传感声音的声音检测部件，例如声音检测仪、甚至麦克风等。

上文所述的判断臂架与障碍物的碰撞位置点的方法有时会将一些源于臂架之外的干扰噪声(如空气中的碰撞产生的声音)信号也误判断进来。所以，优选地，在本实施例中，中央控制单元2还用于对传感系统感测的噪声信号进行幅值分析。具体地，由于声音在固体中的传播速度大于在空气中的传播速度，传播强度也大于在空气中的传播强度，从而通过分析所感测的噪声信号的幅值，即可判断该“碰撞”是否仅为源于臂架之外的干扰噪声信号产生的感测信号。也就是说，如果通过上文所述根据第一噪声传感器11和第二噪声传感器12所接收到噪声信号的时间差判断碰撞点的方法判断出臂架与障碍物的碰撞位置点位于臂架上，则中央控制单元2再利用DSP对传感系统感测的声音信号进行分析，通过该幅值分析判断幅值的大小，若幅值小于预定值，则判断传感系统感测的噪声信号源于臂架之外的干扰噪声，并将其排除。这进一步保证了检测信号的准确性。

更优选地，中央控制单元2还用于对传感系统感测的噪声信号进行频谱分析，基于频谱分析的结果判断与臂架碰撞的障碍物的材质。具体地，传感系统所感测的声音信号的频率是与发生碰撞的物质的材质有关的，从而，如果经过上文所述的幅值分析方法判断出发生的碰撞是在臂架上而非在臂架之外，则中央控制单元2再利用DSP对传感系统感测的噪声信号进行幅值分析，更优选地还可以加入小波分析以辅助幅值分析，并基于幅值分析和小波分析的结果来判定发生碰撞的物体的材质。

然而，在臂架进行收臂动作时，臂架的各节臂架部件之间可能产生碰撞，该碰撞属于正常碰撞，在检测臂架与障碍物的碰撞时，应当将这种臂架部件之间的碰撞屏蔽掉。所以，更优选地，该传感系统还可以包括倾角传感器，以屏蔽臂架部件之间的碰撞。具体地，该倾角传感器(图中未示出)可以设置在机械装置的臂架3的相邻臂架部件上，用于检测相邻臂架部件之间的夹角。将倾角传感器与中央控制单元2连接，使得中央控制单元2接收倾角传感器发出的信号。如果经过上文所述的频谱分析判断出发生碰撞的物体的材质为与臂架相同的材质，则可以根据该信号计算臂架3的相邻臂架部件之间的夹角，以判断发生的碰撞是否为臂架部件之间的碰撞，从而确定是否应将该碰撞排除掉。

或者更优选地，也可以用旋转编码器来代替倾角传感器。具体地，将旋转编码器设置在机械装置的臂架3的相邻臂架部件之间，用于检测相邻臂架部件之间的夹角；中央控制单元2与旋转编码器连接，接收旋转编码器发出的信号，根据该信号计算相邻臂架部件之间的夹角。如果经过上文所述的频谱分析判断出发生碰撞的物体的材质为与臂架相同的材质，则可以根据计算出的臂架间的夹角判断发生的碰撞是否为臂架部件之间的碰撞，从而确定是否应将该碰撞排除掉。

中央控制器2进行频谱分析和小波分析，以及优选地在检测系统中设置倾角传感器或旋转编码器，进一步保证了检测系统所检测到的碰撞信号的准确性。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种使用上述的的臂架碰撞检测系统检测臂架与障碍物碰撞的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S102：接收传感系统感测的噪声信号；

步骤S104：根据第一噪声传感器11和第二噪声传感器12与臂架原点的距离以及第一噪声传感器11和第二噪声传感器12所接收到噪声信号的时间差来判断臂架与障碍物的碰撞位置点。

如上文所述，这样的检测方法避免了使用红外线或激光传感器的方法进行检测时，所发射的红外线或激光被臂架本身所阻挡从而无法正常检测碰撞的现象，能够方便有效检测臂架与障碍物的碰撞。

优选地，当第一噪声传感器11位于臂架3的原点，第二噪声传感器12位于臂架3的终点时，步骤S104还包括：通过根据第一噪声传感器11和第二噪声传感器12发出的噪声信号计算碰撞位置点与臂架原点之间的距离I，计算公式为：

其中，M1为第一噪声传感器11到臂架原点的距离，由于第一噪声传感器11位于臂架3的原点处，所以该距离为零；M2为第二噪声传感器12到臂架原点的距离，在本实施例中，M2＝S1+S2+S3+S4，其中S1、S2、S3、S4分别为各节臂架部件的长度；v为声音在臂架中的传播速度；t1为碰撞点的碰撞声源到达第一噪声传感器11的时间；t2为碰撞点的碰撞声源到达第二噪声传感器12的时间。在本实施例中，臂架3上还设置有一个第三噪声传感器13，可以用来与第一噪声传感器11或第二噪声校验使用第一噪声传感器11和第二噪声传感器12所判断出的臂架与障碍物的碰撞位置点，校验时所使用的计算公式与上述使用第一噪声传感器11和第二噪声传感器12发出的噪声信号来计算距离I的公式类似，在此不再赘述。第一噪声传感器11和第二噪声传感器12也可以不分别位于臂架3的原点和终点，而是位于臂架3上的其余任意位置，这时需要将上述计算公式做相应调整。

在该方法中，若根据上文所述的方法计算出的距离I判断出臂架与障碍物的碰撞位置点位于臂架上，则还包括以下步骤：

步骤S106：对传感系统感测的噪声信号进行幅值分析，判断幅值的大小；

若幅值小于预定值，则进入步骤S108：判断传感系统感测的噪声信号源于臂架之外的干扰噪声信号，并将其排除。这样就进一步保证了检测信号的准确性。

若根据所计算出的距离I判断出臂架与障碍物的碰撞位置点位于臂架上，并且在步骤S106中判断出传感系统感测的噪声信号并非源于臂架之外的干扰噪声信号，则还包括以下步骤：

步骤S110：对传感系统感测的噪声信号进行频谱分析，基于频谱分析的结果判断与臂架碰撞的障碍物的材质。

优选地，在对噪声传感系统感测的噪声信号进行频谱分析的同时，还可以对噪声信号进行小波分析以辅助频谱分析，并基于频谱分析和小波分析的结果判断与臂架碰撞的障碍物的材质。

优选地，在对传感系统感测的噪声信号进行幅值分析之前，该方法还可以包括步骤S105：对传感系统感测的噪声信号进行滤波和除噪处理。此步骤可以利用NI的声音分析软件，以及Matlab中的信号处理模块来完成。此步骤去除了传感系统所感测的信号中的噪声，使得能够得到更真实的碰撞噪声信号。

优选地，该方法中在步骤S102的同时，还包括：S103：接收臂架3的相邻臂架部件之间设置的倾角传感器发出的信号，或旋转编码器发出的信号。这样，若在步骤S108中，基于频谱分析的结果判断出与臂架碰撞的障碍物的材质为与臂架相同的材质，则可以进行步骤S112：根据倾角传感器发出的信号或旋转编码器发出的信号计算相邻臂架部件之间的夹角，并根据相邻臂架部件之间的夹角判断发生的碰撞是否为臂架之间的碰撞。

在判断出发生的碰撞为臂架与其他障碍物之间的碰撞时，中央控制器2还可以采取相应的对策，停止臂架运动，以保护臂架动力系统的安全，并记录碰撞发生的时间和位置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种臂架碰撞检测系统，其特征在于，包括：

传感系统，至少包括一个位于机械装置的臂架(3)的第一位置的第一噪声传感器(11)和一个位于机械装置的臂架(3)的第二位置的第二噪声传感器(12)；

中央控制单元(2)，与所述传感系统连接，接收所述传感系统感测的噪声信号，根据所述第一噪声传感器(11)和所述第二噪声传感器(12)所接收到噪声信号的时间差来判断臂架与障碍物的碰撞位置点；

所述中央控制单元(2)还用于对所述传感系统感测的噪声信号进行幅值分析，判断幅值的大小，若幅值小于预定值，则判断所述传感系统感测的噪声信号为源于臂架之外的干扰噪声信号，并将其排除；

所述中央控制单元(2)还用于对所述传感系统感测的噪声信号进行频谱分析，基于所述频谱分析的结果判断与臂架碰撞的障碍物的材质。

2.根据权利要求1所述的臂架碰撞检测系统，其特征在于，所述第一噪声传感器(11)位于机械装置的臂架(3)的原点，所述第二噪声传感器(12)位于机械装置的臂架(3)的终点。

3.根据权利要求1或2所述的臂架碰撞检测系统，其特征在于，所述传感系统还包括一个或更多辅助噪声传感器，位于机械装置的臂架(3)上所述第一噪声传感器(11)和所述第二噪声传感器(12)之间。

4.根据权利要求1所述的臂架碰撞检测系统，其特征在于，

所述传感系统还包括：倾角传感器，设置在所述机械装置的臂架(3)的相邻臂架部件之间，用于检测相邻臂架部件之间的夹角；

所述中央控制单元(2)与所述倾角传感器连接，接收所述倾角传感器发出的信号，根据所述信号计算相邻臂架部件之间的夹角，以判断发生的碰撞是否为臂架(3)的不同臂架部件之间的碰撞。

5.根据权利要求1所述的臂架碰撞检测系统，其特征在于，

所述传感系统还包括：旋转编码器，设置在所述机械装置的臂架(3)的相邻臂架部件之间，用于检测相邻臂架部件之间的夹角；

所述中央控制单元(2)与所述旋转编码器连接，接收所述旋转编码器发出的信号，根据所述信号计算相邻臂架之间的夹角，以判断发生的碰撞是否为臂架(3)的不同臂架部件之间的碰撞。

6.一种使用权利要求1所述的臂架碰撞检测系统检测臂架与障碍物碰撞的方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收所述传感系统感测的噪声信号；

根据所述第一噪声传感器(11)和所述第二噪声传感器(12)所接收到噪声信号的时间差来判断臂架与障碍物的碰撞位置点。

7.根据权利要求6所述的检测臂架与障碍物碰撞的方法，其特征在于，当所述第一噪声传感器(11)位于臂架(3)的原点，所述第二噪声传感器(12)位于臂架(3)的终点时，所述判断臂架与障碍物的碰撞位置点的步骤包括：

根据所述第一噪声传感器(11)和所述第二噪声传感器(12)发出的噪声信号计算碰撞位置点与臂架原点之间的距离1，计算公式为：

$l=\frac{1}{2}(M2-M1)+\frac{1}{2}v(t1-t2)+M1,$

其中，

M1为所述第一噪声传感器(11)到臂架原点的距离，所述距离为零；

M2为所述第二噪声传感器(12)到臂架原点的距离；

v为声音在臂架中的传播速度；

t1为碰撞点的碰撞声源到达所述第一噪声传感器(11)的时间；

t2为碰撞点的碰撞声源到达所述第二噪声传感器(12)的时间。

8.根据权利要求7所述的检测臂架与障碍物碰撞的方法，其特征在于，若根据所计算出的距离1判断出臂架与障碍物的碰撞位置点位于臂架上，则还包括以下步骤：

对所述传感系统感测的噪声信号进行幅值分析，判断幅值的大小；

若幅值小于预定值，则判断所述传感系统感测的噪声信号源于臂架之外的干扰噪声信号，并将其排除。

9.根据权利要求8所述的检测臂架与障碍物碰撞的方法，其特征在于，若根据所计算出的距离1判断出臂架与障碍物的碰撞位置点位于臂架上，并且判断出所述传感系统感测的噪声信号并非源于臂架之外的干扰噪声信号，则还包括以下步骤：

对所述传感系统感测的噪声信号进行频谱分析，基于所述频谱分析的结果判断与臂架碰撞的障碍物的材质。

10.根据权利要求9所述的检测臂架与障碍物碰撞的方法，其特征在于，在对所述噪声传感系统感测的噪声信号进行频谱分析的同时，还对所述噪声信号进行小波分析，基于所述频谱分析和所述小波分析的结果判断与臂架碰撞的障碍物的材质。

11.根据权利要求8所述的检测臂架与障碍物碰撞的方法，其特征在于，在对所述传感系统感测的噪声信号进行幅值分析之前，还包括以下步骤：

对所述传感系统感测的噪声信号进行滤波和除噪处理。

12.根据权利要求9所述的检测臂架与障碍物碰撞的方法，其特征在于，还包括：

接收臂架(3)的相邻臂架部件之间设置的倾角传感器发出的信号或旋转编码器发出的信号；

若基于所述频谱分析的结果判断出与臂架碰撞的障碍物的材质为与臂架相同的材质，则根据所述倾角传感器发出的信号或所述旋转编码器发出的信号计算相邻臂架部件之间的夹角，并根据相邻臂架部件之间的夹角判断发生的碰撞是否为臂架的臂架部件之间的碰撞。

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