CN103613014A - 塔式起重机防碰撞系统、方法、装置及塔式起重机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔式起重机防碰撞系统、方法、装置及塔式起重机。塔式起重机防碰撞系统包括采集装置，用于采集塔式起重机的吊重幅度和实时吊重高度、塔式起重机的起重臂旋转角度、塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息；监测装置，信号连接采集装置，用于基于设定的空间直角坐标系，根据塔式起重机的金属部件尺寸参数、采集装置采集到的信息，确定障碍物与起重臂有干涉危险时产生告警控制信号；和/或控制塔式起重机停止工作；告警装置，与监测装置信号连接，用于接收监测装置产生的告警控制信号，并根据接收到的告警控制信号告警。

Description

塔式起重机防碰撞系统、方法、装置及塔式起重机

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，特别涉及一种塔式起重机防碰撞系统、方法、装置及塔式起重机。

背景技术

塔式起重机是建筑行业工作空间最大的起重机，起吊高度、工作幅度大，属于高空作用，是目前建筑工地上普遍使用的水平或垂直吊装起重运输机械设备。

塔式起重机按各部分功能主要包括以下几部分：基础、塔身、顶升、回转、起升、平衡臂、起重臂、起重小车、塔顶、司机室、变幅等，塔式起重机安装在地面上需要基础部分；塔身是塔机身子，也是升高部分；顶升部分使得塔式起重机可以升高；回转是保持塔式起重机的上半身可以水平旋转；起升机构用来将重物提升起来；平衡臂架是保持力矩平衡的；起重臂架一般就是提升重物的受力部分；小车用来安装滑轮组和刚绳以及吊钩的，也是直接受力部分；塔顶用来保持臂架受力平衡；司机室是工作人员操作的地方；变幅使小车沿轨道运行。

由于塔式起重机的工作空间较大，建筑工地的条件有限，塔式起重机在工作过程中，容易与其它工作过程中的塔式起重机或建筑物发生碰撞。

发明内容

本发明提供了一种塔式起重机防碰撞系统、方法、和装置以及塔式起重机，用以减少碰撞现象的发生，提高塔式起重机的使用安全性。

本发明提供的塔式起重机防碰撞系统，包括：

采集装置，用于采集所述塔式起重机的吊重幅度和高度、所述塔式起重机的起重臂旋转角度、所述塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息；

监测装置，信号连接所述采集装置，用于基于设定的空间直角坐标系，根据所述塔式起重机的金属部件尺寸参数、所述采集装置采集到的信息，确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险时产生告警控制信号；和/或控制所述塔式起重机停止工作；其中：所述设定的空间直角坐标系的XY面为塔式起重机基础所在平面，Z轴平行于所述塔式起重机的塔身高度方向；

告警装置，与所述监测装置信号连接，用于接收所述监测装置产生的告警控制信号，并根据接收到的所述告警控制信号告警。

在上述技术方案中，通过建立与塔式起重机的工作地点对应的空间直角坐标系，基于空间位置分析原理，根据塔式起重机的金属部件尺寸参数和接收到的采集装置采集到的吊重幅度和高度、起重臂旋转角度、塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息确定障碍物与起重臂有无干涉危险，当有干涉危险存在时塔式起重机可能会与障碍物发生碰撞，此时塔式起重机防碰撞系统将产生告警警告或者直接控制这个塔式起重机停止工作，也或者在产生告警的同时控制这个塔式起重机停止工作，进而实现对塔式起重机工作过程中的位置的实时监测，减少塔式起重机与障碍物发生碰撞的危险，提高了塔式起重机的使用安全性。

在一些可选的实施方式中，所述金属部件尺寸参数具体包括：所述塔式起重机的塔身高度、所述塔式起重机的起重臂长度以及所述塔式起重机的平衡臂长度。

在一些可选的实施方式中，所述确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险具体为：确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离，并当所述最小距离大于等于预先设定的安全距离时确定有干涉危险。

在一些可选的实施方式中，所述确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离具体为：

根据所述塔式起重机的塔身高度和接收到的所述采集装置采集到的所述塔式起重机的位置信息，确定所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程；

根据接收到的所述采集装置采集到的所述吊重幅度和高度，确定所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的起重臂长度、所述塔式起重机的平衡臂长度以及接收到的所述采集装置采集到的所述起重臂旋转角度确定所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程、所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程以及所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程，确定所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息和平衡臂臂尖对应的点坐标信息；

根据所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息、平衡臂臂尖对应的点坐标信息以及所述采集装置采集到的障碍物的三维坐标信息，确定所述障碍物对应的点和所述起重臂臂尖对应的点的连线与所述障碍物对应的点和所述平衡臂臂尖对应的点的连线之间的夹角；

当所述夹角小于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述平衡臂臂尖和到所述起重臂臂尖中较短的距离；当所述夹角大于等于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述起重臂所在的直线方程的距离。

在一些可选的实施方式中，所述障碍物具体为：

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的起重臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的平衡臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的吊重所在的直线段上的一点；或

与所述塔式起重机相邻的建筑物。

在一些可选的实施方式中，所述监测装置包括：与所述采集装置信号连接的数据处理装置、与所述数据处理装置信号连接的参数输入装置、显示器和控制装置。

在一些可选的实施方式中，所述采集装置包括：

幅度传感器，用于采集所述塔式起重机的吊重幅度；

吊重高度传感器，用于采集所述塔式起重机的高度；

回转角度传感器，用于采集所述塔式起重机的起重臂旋转的角度。

本发明还提供的塔式起重机防碰撞方法，包括：

获得所述塔式起重机的吊重幅度和高度；

获得所述塔式起重机的起重臂旋转角度；

获得所述塔式起重机的位置信息；

获得障碍物的三维坐标信息；

基于设定的空间直角坐标系，根据所述塔式起重机的金属部件尺寸参数、获得的所述塔式起重机的吊重幅度和高度、所述塔式起重机的起重臂旋转角度、所述塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息，确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险时产生告警和/或控制所述塔式起重机停止工作；其中：所述设定的空间直角坐标系的XY面为塔式起重机基础所在平面，Z轴平行于所述塔式起重机的塔身高度方向。

在一些可选的实施方式中，所述金属部件尺寸参数具体包括：所述塔式起重机的塔身高度、所述塔式起重机的起重臂长度以及所述塔式起重机的平衡臂长度。

在一些可选的实施方式中，所述确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险具体为：确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离，并当所述最小距离大于等于预先设定的安全距离时确定有干涉危险。

在一些可选的实施方式中，所述确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离具体为：

根据所述塔式起重机的塔身高度和获得的所述塔式起重机的位置信息，确定所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程；

根据获得的所述吊重幅度和高度，确定所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的起重臂长度、所述塔式起重机的平衡臂长度以及获得的所述起重臂旋转角度确定所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程、所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程以及所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程，确定所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息和平衡臂臂尖对应的点坐标信息；

根据所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息、平衡臂臂尖对应的点坐标信息以及获得的障碍物的三维坐标信息，确定所述障碍物对应的点和所述起重臂臂尖对应的点的连线与所述障碍物对应的点和所述平衡臂臂尖对应的点的连线之间的夹角；

当所述夹角小于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述平衡臂臂尖和到所述起重臂臂尖中较短的距离；当所述夹角大于等于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述起重臂所在的直线方程的距离。

在一些可选的实施方式中，所述障碍物具体为：

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的起重臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的平衡臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的吊重所在的直线段上的一点；或

与所述塔式起重机相邻的建筑物。

本发明提供的塔式起重机防碰撞装置，包括：

获取模块，用于获得所述塔式起重机的吊重幅度和高度、所述塔式起重机的起重臂旋转角度、所述塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息；

监测模块，用于基于设定的空间直角坐标系，根据所述塔式起重机的金属部件尺寸参数、获得的所述塔式起重机的吊重幅度和高度、所述塔式起重机的起重臂旋转角度、所述塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息，确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险时产生告警和/或控制所述塔式起重机停止工作；其中：所述设定的空间直角坐标系的XY面为塔式起重机基础所在平面，Z轴平行于所述塔式起重机的塔身高度方向。

在一些可选的实施方式中，所述金属部件尺寸参数具体包括：所述塔式起重机的塔身高度、所述塔式起重机的起重臂长度以及所述塔式起重机的平衡臂长度。

在一些可选的实施方式中，所述确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险具体为：确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离，并当所述最小距离大于等于预先设定的安全距离时确定有干涉危险。

在一些可选的实施方式中，所述确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离具体为：

根据所述塔式起重机的塔身高度和获得的所述塔式起重机的位置信息，确定所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程；

根据获得的所述吊重幅度和高度，确定所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的起重臂长度、所述塔式起重机的平衡臂长度以及获得的所述起重臂旋转角度确定所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程、所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程以及所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程，确定所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息和平衡臂臂尖对应的点坐标信息；

根据所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息、平衡臂臂尖对应的点坐标信息以及获得的障碍物的三维坐标信息，确定所述障碍物对应的点和所述起重臂臂尖对应的点的连线与所述障碍物对应的点和所述平衡臂臂尖对应的点的连线之间的夹角；

当所述夹角小于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述平衡臂臂尖和到所述起重臂臂尖中较短的距离；当所述夹角大于等于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述起重臂所在的直线方程的距离。

在一些可选的实施方式中，所述障碍物具体为：

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的起重臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的平衡臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的吊重所在的直线段上的一点；或

与所述塔式起重机相邻的建筑物。

本发明提供的塔式起重机，包括上述任一项所述的塔式起重机防碰撞系统，具有较好的使用安全性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞系统结构示意图；

图2a、图2b为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞系统中的不同碰撞情况的分析原理图；

图3为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞系统的一种具体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞装置结构示意图。

附图标记：

1-采集装置               11-幅度传感器

12-吊重高度传感器        13-回转角度传感器

2-监测装置               21-数据处理装置

22-参数输入装置          23-显示器

24-控制装置              3-告警装置

4-获取模块           5-监测模块

A1-起重臂臂尖        A2-平衡臂臂尖

O1-回转中心          P-障碍物

θ-PA1与PA2之间的夹角

具体实施方式

为了提高塔式起重机的使用安全性，减少碰撞现象的发生，本发明实施例提供了一种塔式起重机防碰撞系统、方法、装置及塔式起重机。该技术方案中，基于空间坐标系对可能发生的点进行分析，该系统中所需要的传感器较少，不需要超声及GPS等主动探测设备。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞系统结构示意图，本发明提供的塔式起重机防碰撞系统，包括：

采集装置1，用于采集塔式起重机的吊重幅度和高度、塔式起重机的起重臂旋转角度、塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息；

监测装置2，信号连接采集装置1，用于基于设定的空间直角坐标系，根据塔式起重机的金属部件尺寸参数、采集装置采集到的信息，确定障碍物与起重臂有干涉危险时产生告警控制信号；和/或控制塔式起重机停止工作；其中：设定的空间直角坐标系的XY面为塔式起重机基础所在平面，Z轴平行于塔式起重机的塔身高度方向；

告警装置3，与监测装置2信号连接，用于接收监测装置2产生的告警控制信号，并根据接收到的告警控制信号告警。

在上述技术方案中，通过建立与塔式起重机的工作地点对应的空间直角坐标系，基于空间位置分析原理，根据塔式起重机的金属部件尺寸参数和接收到的采集装置采集到的吊重幅度和高度、起重臂旋转角度、塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息确定障碍物与起重臂有无干涉危险，当有干涉危险存在时塔式起重机可能会与障碍物发生碰撞，此时塔式起重机防碰撞系统将产生告警警告或者直接控制这个塔式起重机停止工作，也或者在产生告警的同时控制这个塔式起重机停止工作，进而实现对塔式起重机工作过程中的位置的实时监测，减少塔式起重机与障碍物发生碰撞的危险，提高了塔式起重机的使用安全性。

为了便于计算，在建立直角坐标系的时候，可以以一台塔式起重机的中心线为Z轴，塔式起重机的中心线上的某一点为原点建立直角坐标系。

本发明优选的实施方式中，金属部件尺寸参数具体包括：塔式起重机的塔身高度、塔式起重机的起重臂长度以及塔式起重机的平衡臂长度。

进一步地，确定障碍物与起重臂有干涉危险具体为：确定障碍物与起重臂之间的最小距离，并当最小距离大于等于预先设定的安全距离时确定有干涉危险。需要说明是：预先设定的安全距离应该考虑塔身的宽度、起重臂宽度等因素。

更进一步地，确定所述障碍物与起重臂之间的最小距离具体为：

根据塔式起重机的塔身高度和接收到的采集装置1采集到的塔式起重机的位置信息，确定塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程，通过设定塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程中的参数范围，获得塔式起重机的中心线所在的直线线段；比如说，已知塔式起重机的塔身中心线在空间直角坐标系XY面内的位置坐标为（x₁,y₁），塔式起重机的塔身高度为h₁，则塔式起重机的中心线所在的直线方程为 $\left\{\begin{array}{cc}x=x_1& \\ y=y_1& \\ z=h& h\∈[0,h_1]\end{array}\right.,$ 其中x₁、y₁、h₁为常数。当塔式起重机顶升时，直线方程中的Z的值相应的变为顶升后的塔身高度。

根据接收到的采集装置采集到的吊重幅度和高度，确定塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程；吊重幅度为塔式起重机的吊钩与塔身中线之间的距离，假设吊重幅度为L1，吊重在某一时刻高度为的h₂，根据塔式起重机的塔身中心线在空间直角坐标系XY面内的位置坐标为（x₁,y₁）、以及吊钩与塔身中线之间的距离L1可知吊重中心线所在的直线方程为： $\left\{\begin{array}{cc}x=A& \\ y=B& \\ z=h_x& h_x\∈[h_2,h_1]\end{array}\right.,$ 其中h_x的大小为吊重传感器采集到不同时刻的吊重高度，若某一时刻，吊重的高度为h₂时，则h_x＝h₂。

根据塔式起重机的起重臂长度、塔式起重机的平衡臂长度以及接收到的采集装置1采集到的起重臂旋转角度确定塔式起重机的起重臂所在的直线方程；假设计算得到的起重臂所在的直线方程为ax+by+c＝0。

根据塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程、塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程以及塔式起重机的起重臂所在的直线方程，确定塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息和平衡臂臂尖对应的点坐标信息；由于起重臂臂尖和平衡臂臂尖都是立体结构，因此，这里的平衡臂臂尖和起重臂臂尖指得都是臂尖上可能发生碰撞的某一点（最远点或最近点）。

如图2a和图2b所示，图2a、图2b为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞系统中的不同碰撞情况的分析原理图；假设计算得到的平衡臂臂尖对应的点坐标信息为A2（x₂,y₂,h₁），起重臂臂尖对应的点坐标信息为A1（x₃,y₃,h₁），O1为回转中心。

根据塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息、平衡臂臂尖对应的点坐标信息以及采集装置1采集到的障碍物的三维坐标信息，确定障碍物对应的点和起重臂臂尖对应的点的连线与障碍物对应的点和平衡臂臂尖对应的点的连线之间的夹角；已知障碍物的三维坐标信息为P（x₄,y₄,h₃），将障碍物对应的点、起重臂臂尖对应的点及平衡臂臂尖对应的点投影到一个平面内（例如XY面），根据两条直线间的夹角公式计算得到PA1和PA2之间的夹角：

$\arctan \mathrm{\θ}=\frac{y_2-y_4}{x_2-x_4}-\frac{y_3-y_4}{x_3-x_4}/1+\left(\frac{y_2-y_4}{x_2-x_4}\right)\·\left(\frac{y_3-y_4}{x_3-x_4}\right).$

如图2a所示，当夹角小于90度时，最小距离为障碍物到平衡臂臂尖和到起重臂臂尖中较短的距离，

比较PA1和PA2的大小，再用二者之间的最少值与预先设定的安全距离对比，当二者之间的最小值大于预先设定的安全距离时，产生告警或直接控制该塔式起重机停止工作，再或者在产生告警的用时控制该塔式起重机停止工作。

如图2b所示，当夹角大于等于90度时，最小距离为障碍物到起重臂所在的直线方程的距离。根据点到直线的距离公式可知：最小距离为

再用这个最小距离与预先设定的安全距离比较，当计算得到的最小距离大于预先设定的安全距离时，产生告警或直接控制该塔式起重机停止工作，再或者在产生告警的用时控制该塔式起重机停止工作。

当然，也可以采用设置两个安全距离的方案，也就是说不管夹角是否大于90度，都按照上述计算公式计算上述两种情况下的最小距离，然后将这两个最小距离，分别与对应的预先设定的安全距离对比，这样判断的准确性更高一些。

塔式起重机发生碰撞的可能性主要包括一下几种情况：

若是一群塔式起重机一起工作，另一台塔式起重机的起重臂臂尖或平衡臂臂尖或吊重所在直线的上的某一点容易与相邻的塔式起重机的起重臂发生碰撞（包括：臂尖与臂尖的碰撞、臂尖与起重臂或平衡臂的臂中的碰撞）；

若单独的一台塔式起重机工作，则该台塔式起重机可能与其周围的碰撞物发生碰撞。因此，本发明优选的实施方式中，障碍物具体为：

与塔式起重机相邻的塔式起重机的起重臂臂尖；或

与塔式起重机相邻的塔式起重机的平衡臂臂尖；或

与塔式起重机相邻的塔式起重机的吊重所在的直线段上的一点；或

与塔式起重机相邻的建筑物。

当是一群塔式起重机在工作时，可以每台塔身起重机都设有上述防碰撞系统，每个系统之间的信息可以通过信号传输装置进行信号之间的相互传输。

另外，本发明优选的实施方式中，如图3所示，图3为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞系统的一种具体结构示意图，监测装置2具体包括：与采集装置1信号连接的数据处理装置21、与数据处理装置21信号连接的参数输入装置22、显示器23和控制装置24。数据处理装置21可以用嵌入式系统实现，可以每台塔式起重机都安装，进行独立计算和分析，减少由于某一部件故障对整个防碰撞系统的影响。上述数据处理装置可以采用IT（TexasInstruments，德州仪器）公司的达芬奇系列的数据处理装置。显示器可以将监测到的塔式起重机工作画面以二维或三维形式显示出来，以便操作者观看。

优选的，上述采集装置1包括：

幅度传感器11，用于采集塔式起重机的吊重幅度；

吊重高度传感器12，用于采集塔式起重机的高度；

回转角度传感器13，用于采集塔式起重机的起重臂旋转的角度。

根据上述塔式起重机防碰撞系统，可构建一种塔式起重机防碰撞方法，本发明还提供的塔式起重机防碰撞方法，如图4所示，图4为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞方法的流程图，包括：

步骤101：获得塔式起重机的吊重幅度和高度；

步骤102：获得塔式起重机的起重臂旋转角度；

步骤103：获得塔式起重机的位置信息；

步骤104：获得障碍物的三维坐标信息；

步骤105：基于设定的空间直角坐标系，根据塔式起重机的金属部件尺寸参数、获得的塔式起重机的吊重幅度和高度、塔式起重机的起重臂旋转角度、塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息，确定障碍物与起重臂有干涉危险时产生告警和/或控制塔式起重机停止工作；其中：设定的空间直角坐标系的XY面为塔式起重机基础所在平面，Z轴平行于塔式起重机的塔身高度方向。

需要说明的是，上述步骤101、步骤102、步骤103、步骤104的顺序可以颠倒。

为了便于计算，在建立直角坐标系的时候，可以以一台塔式起重机的中心线为Z轴，塔式起重机的中心线上的某一点为原点建立直角坐标系。

本发明优选的实施方式中，金属部件尺寸参数具体包括：塔式起重机的塔身高度、塔式起重机的起重臂长度以及塔式起重机的平衡臂长度。

进一步地，确定障碍物与起重臂有干涉危险具体为：确定障碍物与起重臂之间的最小距离，并当最小距离大于等于预先设定的安全距离时确定有干涉危险。需要说明是：预先设定的安全距离应该考虑塔身的宽度、起重臂宽度等因素。

更进一步地，确定所述障碍物与起重臂之间的最小距离具体为：

根据塔式起重机的塔身高度和获得的塔式起重机的位置信息，确定塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程，通过设定塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程中的参数范围，获得塔式起重机的中心线所在的直线线段；比如说，已知塔式起重机的塔身中心线在空间直角坐标系XY面内的位置坐标为（x₁,y₁），塔式起重机的塔身高度为h₁，则塔式起重机的中心线所在的直线方程为 $\left\{\begin{array}{cc}x=x_1& \\ y=y_1& \\ z=h& h\∈[0,h_1]\end{array}\right.,$ 其中x₁、y₁、h₁为常数。当塔式起重机顶升时，直线方程中的Z的值相应的变为顶升后的塔身高度。

根据获得的吊重幅度和高度，确定塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程；吊重幅度为塔式起重机的吊钩与塔身中线之间的距离，假设吊重幅度为L1，吊重在某一时刻高度为的h₂，根据塔式起重机的塔身中心线在空间直角坐标系XY面内的位置坐标为（x₁,y₁）、以及吊钩与塔身中线之间的距离L1可知吊重中心线所在的直线方程为： $\left\{\begin{array}{cc}x=A& \\ y=B& \\ z=h_x& h_x\∈[h_2,h_1]\end{array}\right.,$ 其中h_x的大小为吊重传感器采集到不同时刻的吊重高度，若某一时刻，吊重的高度为h₂时，则h_x＝h₂。

根据塔式起重机的起重臂长度、塔式起重机的平衡臂长度以及获得的起重臂旋转角度确定塔式起重机的起重臂所在的直线方程；假设计算得到的起重臂所在的直线方程为ax+by+c＝0。

根据塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程、塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程以及塔式起重机的起重臂所在的直线方程，确定塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息和平衡臂臂尖对应的点坐标信息；由于起重臂臂尖和平衡臂臂尖都是立体结构，因此，这里的平衡臂臂尖和起重臂臂尖指得都是臂尖上可能发生碰撞的某一点（最远点或最近点）。

如图2a和图2b所示，图2a、图2b为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞系统中的不同碰撞情况的分析原理图；假设计算得到的平衡臂臂尖对应的点坐标信息为A2（x₂,y₂,h₁），起重臂臂尖对应的点坐标信息为A1（x₃,y₃,h₁），O1为回转中心。

根据塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息、平衡臂臂尖对应的点坐标信息以及获得的障碍物的三维坐标信息，确定障碍物对应的点和起重臂臂尖对应的点的连线与障碍物对应的点和平衡臂臂尖对应的点的连线之间的夹角；已知障碍物的三维坐标信息为P（x₄,y₄,h₃），将障碍物对应的点、起重臂臂尖对应的点及平衡臂臂尖对应的点投影到一个平面内（例如XY面），根据两条直线间的夹角公式计算得到PA1和PA2之间的夹角：

$\arctan \mathrm{\θ}=\frac{y_2-y_4}{x_2-x_4}-\frac{y_3-y_4}{x_3-x_4}/1+\left(\frac{y_2-y_4}{x_2-x_4}\right)\·\left(\frac{y_3-y_4}{x_3-x_4}\right).$

如图2a所示，当夹角小于90度时，最小距离为障碍物到平衡臂臂尖和到起重臂臂尖中较短的距离，

比较PA1和PA2的大小，再用二者之间的最少值与预先设定的安全距离对比，当二者之间的最小值大于预先设定的安全距离时，产生告警或直接控制该塔式起重机停止工作，再或者在产生告警的用时控制该塔式起重机停止工作。

如图2b所示，当夹角大于等于90度时，最小距离为障碍物到起重臂所在的直线方程的距离。根据点到直线的距离公式可知：最小距离为

再用这个最小距离与预先设定的安全距离比较，当计算得到的最小距离大于预先设定的安全距离时，产生告警或直接控制该塔式起重机停止工作，再或者在产生告警的用时控制该塔式起重机停止工作。

当然，也可以采用设置两个安全距离的方案，也就是说不管夹角是否大于90度，都按照上述计算公式计算上述两种情况下的最小距离，然后将这两个最小距离，分别与对应的预先设定的安全距离对比，这样判断的准确性更高一些。

塔式起重机发生碰撞的可能性主要包括一下几种情况：

若是一群塔式起重机一起工作，另一台塔式起重机的起重臂臂尖或平衡臂臂尖或吊重所在直线的上的某一点容易与相邻的塔式起重机的起重臂发生碰撞（包括：臂尖与臂尖的碰撞、臂尖与起重臂或平衡臂的臂中的碰撞）；

若单独的一台塔式起重机工作，则该台塔式起重机可能与其周围的碰撞物发生碰撞。因此，本发明优选的实施方式中，障碍物具体为：

与塔式起重机相邻的塔式起重机的起重臂臂尖；或

与塔式起重机相邻的塔式起重机的平衡臂臂尖；或

与塔式起重机相邻的塔式起重机的吊重所在的直线段上的一点；或

与塔式起重机相邻的建筑物。

当是一群塔式起重机在工作时，可以每台塔身起重机都设有上述防碰撞系统，每个系统之间的信息可以通过信号传输装置进行信号之间的相互传输。数据处理装置可以用嵌入式系统实现，可以每台塔式起重机都安装，进行独立计算和分析，减少由于某一部件故障对整个防碰撞系统的影响。

基于上述塔式起重机防碰撞方法，可构建一种塔式起重机防碰撞装置，如图5所示，图5为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞装置结构示意图，本发明提供的塔式起重机防碰撞装置，包括：

获取模块4，用于获得塔式起重机的吊重幅度和高度、塔式起重机的起重臂旋转角度、塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息；

监测模块5，用于基于设定的空间直角坐标系，根据塔式起重机的金属部件尺寸参数、获得的塔式起重机的吊重幅度和高度、塔式起重机的起重臂旋转角度、塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息，确定障碍物与起重臂有干涉危险时产生告警和/或控制塔式起重机停止工作；其中：设定的空间直角坐标系的XY面为塔式起重机基础所在平面，Z轴平行于塔式起重机的塔身高度方向。

为了便于计算，在建立直角坐标系的时候，可以以一台塔式起重机的中心线为Z轴，塔式起重机的中心线上的某一点为原点建立直角坐标系。

本发明优选的实施方式中，金属部件尺寸参数具体包括：塔式起重机的塔身高度、塔式起重机的起重臂长度以及塔式起重机的平衡臂长度。

进一步地，确定障碍物与起重臂有干涉危险具体为：确定障碍物与起重臂之间的最小距离，并当最小距离大于等于预先设定的安全距离时确定有干涉危险。需要说明是：预先设定的安全距离应该考虑塔身的宽度、起重臂宽度等因素。

更进一步地，确定所述障碍物与起重臂之间的最小距离具体为：

根据塔式起重机的塔身高度和获得的塔式起重机的位置信息，确定塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程，通过设定塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程中的参数范围，获得塔式起重机的中心线所在的直线线段；比如说，已知塔式起重机的塔身中心线在空间直角坐标系XY面内的位置坐标为（x₁,y₁），塔式起重机的塔身高度为h₁，则塔式起重机的中心线所在的直线方程为 $\left\{\begin{array}{cc}x=x_1& \\ y=y_1& \\ z=h& h\∈[0,h_1]\end{array}\right.,$ 其中x₁、y₁、h₁为常数。当塔式起重机顶升时，直线方程中的Z的值相应的变为顶升后的塔身高度。

根据获得的吊重幅度和高度，确定塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程；吊重幅度为塔式起重机的吊钩与塔身中线之间的距离，假设吊重幅度为L1，吊重在某一时刻高度为的h₂，根据塔式起重机的塔身中心线在空间直角坐标系XY面内的位置坐标为（x₁,y₁）、以及吊钩与塔身中线之间的距离L1可知：吊重中心线所在的直线方程为： $\left\{\begin{array}{cc}x=A& \\ y=B& \\ z=h_x& h_x\∈[h_2,h_1]\end{array}\right.,$ 其中h_x的大小为吊重传感器采集到不同时刻的吊重高度，若某一时刻，吊重的高度为h₂时，则h_x＝h₂。

根据塔式起重机的起重臂长度、塔式起重机的平衡臂长度以及获取模块4获得到的起重臂旋转角度确定塔式起重机的起重臂所在的直线方程；假设计算得到的起重臂所在的直线方程为ax+by+c＝0。

根据塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程、塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程以及塔式起重机的起重臂所在的直线方程，确定塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息和平衡臂臂尖对应的点坐标信息；由于起重臂臂尖和平衡臂臂尖都是立体结构，因此，这里的平衡臂臂尖和起重臂臂尖指得都是臂尖上可能发生碰撞的某一点（最远点或最近点）。

如图2a和图2b所示，图2a、图2b为本发明实施例提供的塔式起重机防碰撞系统中的不同碰撞情况的分析原理图；假设计算得到的平衡臂臂尖对应的点坐标信息为A2（x₂,y₂,h₁），起重臂臂尖对应的点坐标信息为A1（x₃,y₃,h₁），O1为回转中心。

根据塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息、平衡臂臂尖对应的点坐标信息以及获得的障碍物的三维坐标信息，确定障碍物对应的点和起重臂臂尖对应的点的连线与障碍物对应的点和平衡臂臂尖对应的点的连线之间的夹角；已知障碍物的三维坐标信息为P（x₄,y₄,h₃），将障碍物对应的点、起重臂臂尖对应的点及平衡臂臂尖对应的点投影到一个平面内（例如XY面），根据两条直线间的夹角公式计算得到PA1和PA2之间的夹角：

$\arctan \mathrm{\θ}=\frac{y_2-y_4}{x_2-x_4}-\frac{y_3-y_4}{x_3-x_4}/1+\left(\frac{y_2-y_4}{x_2-x_4}\right)\·\left(\frac{y_3-y_4}{x_3-x_4}\right).$

如图2a所示，当夹角小于90度时，最小距离为障碍物到平衡臂臂尖和到起重臂臂尖中较短的距离，

比较PA1和PA2的大小，再用二者之间的最少值与预先设定的安全距离对比，当二者之间的最小值大于预先设定的安全距离时，产生告警或直接控制该塔式起重机停止工作，再或者在产生告警的用时控制该塔式起重机停止工作。

如图2b所示，当夹角大于等于90度时，最小距离为障碍物到起重臂所在的直线方程的距离。根据点到直线的距离公式可知：最小距离为

再用这个最小距离与预先设定的安全距离比较，当计算得到的最小距离大于预先设定的安全距离时，产生告警或直接控制该塔式起重机停止工作，再或者在产生告警的用时控制该塔式起重机停止工作。

当然，也可以采用设置两个安全距离的方案，也就是说不管夹角是否大于90度，都按照上述计算公式计算上述两种情况下的最小距离，然后将这两个最小距离，分别与对应的预先设定的安全距离对比，这样判断的准确性更高一些。

塔式起重机发生碰撞的可能性主要包括一下几种情况：

若是一群塔式起重机一起工作，另一台塔式起重机的起重臂臂尖或平衡臂臂尖或吊重所在直线的上的某一点容易与相邻的塔式起重机的起重臂发生碰撞（包括：臂尖与臂尖的碰撞、臂尖与起重臂或平衡臂的臂中的碰撞）；

若单独的一台塔式起重机工作，则该台塔式起重机可能与其周围的碰撞物发生碰撞。因此，本发明优选的实施方式中，障碍物具体为：

与塔式起重机相邻的塔式起重机的起重臂臂尖；或

与塔式起重机相邻的塔式起重机的平衡臂臂尖；或

与塔式起重机相邻的塔式起重机的吊重所在的直线段上的一点；或

与塔式起重机相邻的建筑物。

当是一群塔式起重机在工作时，可以每台塔身起重机都设有上述防碰撞系统，每个系统之间的信息可以通过信号传输装置进行信号之间的相互传输。数据处理装置可以用嵌入式系统实现，可以每台塔式起重机都安装，进行独立计算和分析，减少由于某一部件故障对整个防碰撞系统的影响。

基于上述塔式起重机防碰撞系统的优点，可构建一种塔式起重机，本发明提供的塔式起重机，包括上述任一项所述的塔式起重机防碰撞系统，具有较好的使用安全性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (18)

1.一种塔式起重机防碰撞系统，其特征在于，包括：

采集装置，用于采集所述塔式起重机的吊重幅度和实时吊重高度、所述塔式起重机的起重臂旋转角度、所述塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息；

监测装置，信号连接所述采集装置，用于基于设定的空间直角坐标系，根据所述塔式起重机的金属部件尺寸参数、所述采集装置采集到的信息，确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险时产生告警控制信号；和/或控制所述塔式起重机停止工作；其中：所述设定的空间直角坐标系的XY面为塔式起重机基础所在平面，Z轴平行于所述塔式起重机的塔身高度方向；

告警装置，与所述监测装置信号连接，用于接收所述监测装置产生的告警控制信号，并根据接收到的所述告警控制信号告警。

2.如权利要求1所述的塔式起重机防碰撞系统，其特征在于，所述金属部件尺寸参数具体包括：所述塔式起重机的塔身高度、所述塔式起重机的起重臂长度以及所述塔式起重机的平衡臂长度。

3.如权利要求2所述的塔式起重机防碰撞系统，其特征在于，所述确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险具体为：确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离，并当所述最小距离大于等于预先设定的安全距离时确定有干涉危险。

4.如权利要求3所述的塔式起重机防碰撞系统，其特征在于，所述确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离具体为：

根据所述塔式起重机的塔身高度和接收到的所述采集装置采集到的所述塔式起重机的位置信息，确定所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程；

根据接收到的所述采集装置采集到的所述吊重幅度和高度，确定所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的起重臂长度、所述塔式起重机的平衡臂长度以及接收到的所述采集装置采集到的所述起重臂旋转角度确定所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程、所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程以及所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程，确定所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息和平衡臂臂尖对应的点坐标信息；

根据所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息、平衡臂臂尖对应的点坐标信息以及所述采集装置采集到的障碍物的三维坐标信息，确定所述障碍物对应的点和所述起重臂臂尖对应的点的连线与所述障碍物对应的点和所述平衡臂臂尖对应的点的连线之间的夹角；

当所述夹角小于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述平衡臂臂尖和到所述起重臂臂尖中较短的距离；当所述夹角大于等于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述起重臂所在的直线方程的距离。

5.如权利要求4所述的塔式起重机防碰撞系统，其特征在于，所述障碍物具体为：

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的起重臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的平衡臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的吊重所在的直线段上的一点；或

与所述塔式起重机相邻的建筑物。

6.如权利要求1～5任一项所述的塔式起重机防碰撞系统，其特征在于，所述监测装置包括：与所述采集装置信号连接的数据处理装置、与所述数据处理装置信号连接的参数输入装置、显示器和控制装置。

7.如权利要求6所述的塔式起重机防碰撞系统，其特征在于，所述采集装置包括：

幅度传感器，用于采集所述塔式起重机的吊重幅度；

吊重高度传感器，用于采集所述塔式起重机的高度；

回转角度传感器，用于采集所述塔式起重机的起重臂旋转的角度。

8.一种塔式起重机防碰撞方法，其特征在于，包括：

获得所述塔式起重机的吊重幅度和高度；

获得所述塔式起重机的起重臂旋转角度；

获得所述塔式起重机的位置信息；

获得障碍物的三维坐标信息；

基于设定的空间直角坐标系，根据所述塔式起重机的金属部件尺寸参数、获得的所述塔式起重机的吊重幅度和高度、所述塔式起重机的起重臂旋转角度、所述塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息，确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险时产生告警和/或控制所述塔式起重机停止工作；其中：所述设定的空间直角坐标系的XY面为塔式起重机基础所在平面，Z轴平行于所述塔式起重机的塔身高度方向。

9.如权利要求8所述的塔式起重机防碰撞方法，其特征在于，所述金属部件尺寸参数具体包括：所述塔式起重机的塔身高度、所述塔式起重机的起重臂长度以及所述塔式起重机的平衡臂长度。

10.如权利要求9所述的塔式起重机防碰撞方法，其特征在于，所述确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险具体为：确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离，并当所述最小距离大于等于预先设定的安全距离时确定有干涉危险。

11.如权利要求10所述的塔式起重机防碰撞方法，其特征在于，所述确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离具体为：

根据所述塔式起重机的塔身高度和获得的所述塔式起重机的位置信息，确定所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程；

根据获得的所述吊重幅度和高度，确定所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的起重臂长度、所述塔式起重机的平衡臂长度以及获得的所述起重臂旋转角度确定所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程、所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程以及所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程，确定所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息和平衡臂臂尖对应的点坐标信息；

根据所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息、平衡臂臂尖对应的点坐标信息以及获得的障碍物的三维坐标信息，确定所述障碍物对应的点和所述起重臂臂尖对应的点的连线与所述障碍物对应的点和所述平衡臂臂尖对应的点的连线之间的夹角；

当所述夹角小于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述平衡臂臂尖和到所述起重臂臂尖中较短的距离；当所述夹角大于等于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述起重臂所在的直线方程的距离。

12.如权利要求11所述的塔式起重机防碰撞方法，其特征在于，所述障碍物具体为：

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的起重臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的平衡臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的吊重所在的直线段上的一点；或

与所述塔式起重机相邻的建筑物。

13.一种塔式起重机防碰撞装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获得所述塔式起重机的吊重幅度和高度、所述塔式起重机的起重臂旋转角度、所述塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息；

监测模块，用于基于设定的空间直角坐标系，根据所述塔式起重机的金属部件尺寸参数、获得的所述塔式起重机的吊重幅度和高度、所述塔式起重机的起重臂旋转角度、所述塔式起重机的位置信息以及障碍物的三维坐标信息，确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险时产生告警和/或控制所述塔式起重机停止工作；其中：所述设定的空间直角坐标系的XY面为塔式起重机基础所在平面，Z轴平行于所述塔式起重机的塔身高度方向。

14.如权利要求13所述的塔式起重机防碰撞装置，其特征在于，所述金属部件尺寸参数具体包括：所述塔式起重机的塔身高度、所述塔式起重机的起重臂长度以及所述塔式起重机的平衡臂长度。

15.如权利要求14所述的塔式起重机防碰撞装置，其特征在于，所述确定所述障碍物与所述起重臂有干涉危险具体为：确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离，并当所述最小距离大于等于预先设定的安全距离时确定有干涉危险。

16.如权利要求15所述的塔式起重机防碰撞方法，其特征在于，所述确定所述障碍物与所述起重臂之间的最小距离具体为：

根据所述塔式起重机的塔身高度和获得的所述塔式起重机的位置信息，确定所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程；

根据获得的所述吊重幅度和高度，确定所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的起重臂长度、所述塔式起重机的平衡臂长度以及获得的所述起重臂旋转角度确定所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程；

根据所述塔式起重机的塔身中心线所在的直线方程、所述塔式起重机的吊重中心线所在的直线方程以及所述塔式起重机的起重臂所在的直线方程，确定所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息和平衡臂臂尖对应的点坐标信息；

根据所述塔式起重机的起重臂臂尖对应的点坐标信息、平衡臂臂尖对应的点坐标信息以及获得的障碍物的三维坐标信息，确定所述障碍物对应的点和所述起重臂臂尖对应的点的连线与所述障碍物对应的点和所述平衡臂臂尖对应的点的连线之间的夹角；

当所述夹角小于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述平衡臂臂尖和到所述起重臂臂尖中较短的距离；当所述夹角大于等于90度时，所述最小距离为所述障碍物到所述起重臂所在的直线方程的距离。

17.如权利要求16所述的塔式起重机防碰撞装置，其特征在于，所述障碍物具体为：

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的起重臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的平衡臂臂尖；或

与所述塔式起重机相邻的塔式起重机的吊重所在的直线段上的一点；或

与所述塔式起重机相邻的建筑物。

18.一种塔式起重机，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的塔式起重机防碰撞系统。

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