CN108291967A - 使用激光雷达的工地安全装置 - Google Patents

Abstract

周界安全装置包括激光器、检测器、控制器和警告器。激光器将光学激光辐射发射到监测区中。从监测区中的目标反射的激光辐射由检测器监测，并且至目标的距离由控制器确定。如果确定目标处于未授权位置，则警告器被激活。本发明还在于周界安全装置的网络，它们共同限定由监测区形成的监测区域。中央控制器可以限定通过监测区域的预限定“安全”路径。

Description

使用激光雷达的工地安全装置

技术领域

本发明涉及工地安全的大致领域。更具体地，本发明涉及利用激光雷达以设定周界并监测该周界的任何入侵。

背景技术

建筑工地本质上是危险的地方。通常存在很多件重型设备在该场所四处移动。工人在该场所四处移动时必须注意，以避开移动的车辆或者移位的设备的路径。由于很多车辆上有限的视野，对于车辆操作者而言，很难顾及到车辆附近的人。因此，工人需要行使注意的义务。工地上的风险通过良好的训练、适当的移动控制规则以及某些情况下为安全而专门训练的人员而降低。

尽管尽最大努力最小化风险，仍然存在通过使用可用技术来改进的空间。

甚至更大的安全风险是未经训练的人(例如百姓)，他们可能偶然得以进入工地。已经开发各种机构以限制这种风险。已经存在的最简单的方式是在工地周围设岗哨，其留意任何未授权或偶然的进入。这种方案固有地受到人为失误的限制，并且由此需要更好的方案。即使人为失误可以降低至可接受的水平，仍然存在雇佣人员(其实质上是在无成效地花费他们的大部分时间)的成本问题。

为周界安全提供保障的一种技术是激光雷达。激光雷达使用激光器来检测目标的位置。激光雷达众所周知的应用是用在测绘中，以构建场景的点云图像。在这一应用中，激光器在方位和高度方面进行扫描。和激光器定位在一起的检测器检测从来自激光器的光束命中的目标反射的光。激光光束是脉冲式的，使得从脉冲离开激光器直至检测器测量到所反射的脉冲的飞行时间能够得到精确的测量。方位和高度的组合与所测量的距离一起给出目标的点。重复地记录该点数据构建围绕激光器的半球中的场景的“点云”图像。

发明内容

在一种形式中，虽然不必是唯一的或者最宽范的形式，本发明旨在周界安全装置，其包括：

激光器，朝向监测区发射光学激光辐射；

检测器，检测从所述监测区的目标反射的光学激光辐射；

控制器，所述控制器：

产生外传信号以操作所述激光器来发射调制激光；

从所述检测器接收指示反射光学激光辐射的传入信号；

根据所述外传信号和所述传入信号计算至所述目标的距离；

以及警告器，如果确定所述至所述目标的距离在所述监测区的监测范围内，则所述警告器由所述控制器激活。

所述周界安全装置可以进一步包括连接至所述控制器以调节所述监测范围的输入装置。

所述警告器可以是触觉、听觉或视觉警告器。周界安全装置可以进一步包括将信号传输至远程警告器的发射器。所述控制器还可以产生安全控制信号，所述安全控制信号由所述发射器传输至用于安全目的(例如停机)的其他设备。

在另一种形式中，本发明在于在区域内提供安全的方法，包括如下步骤：

将激光光束发射到监测区中；

从所述监测区中的目标接收激光光束反射；

计算至所述目标的距离；以及

如果所述至所述目标的距离在所述监测区的监测范围内，则产生警告。

所述方法可以进一步包括以下步骤：如果目标被检测到在所述监测区的所述监测范围内，则使设备停机。

在又一形式中，本发明在于周界安全装置的网络，它们共同限定由多个监测区构成的监测区域。

本发明的进一步特征和优点将从以下详细描述中变得明显。

附图说明

为了帮助理解本发明并且使本领域技术人员能够将本发明应用于实践效果，本发明的优选实施例将通过参考附图以仅仅示例的方式描述，在附图中：

图1是周界安全装置的概略图；

图2是图1的周界安全装置的框图；

图3是图1的周界安全装置的范围选择的图形显示；

图4是周界安全装置的替换实施例的框图；

图5是图4的周界安全装置的电路系统的概略图；

图6是与图4的周界安全装置相关联的可佩带报警装置的概略图；

图7是图4的周界安全装置的安全停机选项的概略图；

图8是替换的周界安全装置，用于围绕移动位置的周界内的安全；

图9显示了监测所监测区域的周界安全装置的网络。

具体实施方式

本发明的实施例主要在于利用激光测距仪(优选地为激光雷达装置)的周界安全装置。因此，装置的各个元件已经以简洁的概略形式在图中示出，为了使本公开不会由于过多的细节而模糊，仅仅显示了那些对于理解本发明的实施例所必要的特定细节，对于获知了本申请描述的优点的本领域普通技术人员而言，那些过多的细节将是显而易见的。

在本申请说明书中，例如第一和第二、左和右等等形容词仅仅被用于将一个元件或行动与另一元件或行动区分，而不必然需要或隐含任何实际的这种关系或先后顺序。诸如“包括”或“包含”这种词意在限定非排他的包含，从而使得包括一系列元素的过程、方法、物品或设备不是仅仅包含那些元件，而且可以包含其他未明确列出的元素，包括这种过程、方法、物品或装置所固有的元素。

参考图1，显示了周界安全装置10的概略图。周界安全装置10基于激光测距仪，最适当的为激光雷达装置11。如上所述，激光雷达装置使用激光器以确定目标的位置。在图1的实施例中，激光雷达安装在杆12上，杆12将激光雷达11抬高至针对将要定位的目标适当的高度。杆12安装在基座13上。对于很多工业应用而言，将基座设置成俗称为巫师帽的有色、锥形基座是便利的。

激光雷达11具有光学元件111，激光光束从该光学元件111发射；以及窗口112，其收集从穿过光束的目标反射的激光辐射。

参考图2，显示了激光雷达11的主要元件的框图。激光雷达11包括激光器20、检测器21和控制器22。控制器22控制激光器的操作，以发射激光光束201。激光光束201被调制，以提供进一步处理的时基，如下所述。产生调制的一种方式是使激光器脉冲触发，从而对激光光束实施振幅调制。这可以通过重复地将激光器打开和关闭来完成。另一种方式是使用连续波(CW)激光器并且利用机械或电光斩波器将光束进行斩波。振幅调制不需要具有100％的调制深度。或者，一些其他形式的调制(例如相位调制)能够应用到激光光束。调制信号由控制器22产生并且驱动激光器20。

在使用中，激光光束201击中目标26，并且激光光束201中的一些被反射或扩散为反射激光202。反射激光202由检测器21检测，并且检测信号产生。控制器将调制信号和检测信号进行比较，并且计算反射信号的飞行时间。飞行时间被转化成激光雷达11和目标26之间的距离。

控制器22还产生激活警告器24的警告信号。用于警告器24的激活的参数可以由用户使用输入装置23输入。一种有用的设置是仅仅在某些范围界限之间产生警告，如图3中所示。为了实现图3的配置，用户使用输入装置23输入最小范围和最大范围。输入装置23可以是键盘、触控屏、或者简单的指拨开关。典型的警告范围可以是在2米和10米之间。由激光雷达检测到的小于2米范围内的任何目标将不会触发警告。类似地，由激光雷达检测到的大于10米范围内的任何目标将不会触发警告。这一配置在进入工地的入口处尤其有用，其中周界安全装置10被定位在例如2米宽的门附近。穿过门的正常移动不会触发警告，但门以外的任何移动就产生警告。

周界安全装置10还可以配置有逆向设定。即，监测到的进入可以产生警告来对进入和离开的人进行计数，但否则就不产生警告，因为物理安全(例如墙)防止在入口两侧的移动。

现参考图4，显示了替换的实施例。显示了激光雷达装置40和4个预设的监测范围，A、B、C和D。例如，这些可以是根据以下表格设定的：

预设	最小范围	最大范围
			A	0	2m
B	2m	4m
			C	4m	6m
D	6m	8m

预设距离由指拨开关41设定，指拨开关41在用户界面42处被激活以设定处理器43。处理器43从激光雷达40接收信号44并且进行比较来确定激光雷达信号43是否在预设范围(A、B、C或D)内。

如果目标被检测到在预设范围内，处理器43将警告信号45发送到发射器46，发射器46产生无线信号47以导致各种行动，例如照亮警告标志48。

图5中显示了实现图4的装置的各个元件的一种合适的组合。带有激光器20和检测器21的激光雷达单元11是例如从Pulsed Light LLC of Bend,Oregon,USA可获得的OEM物品。激光雷达单元11包括微处理器50，微处理器50输出从激光雷达单元11到反射激光光束的一部分的目标的距离。来自微处理器50的输出连接至控制器22。控制器22通过插座51被通电。控制器包括ATmega328微控制器52(或类似装置)，其执行本文中所描述的功能。微控制器52的编程可以通过USB53完成。指拨开关41向微控制器52提供可被选择性激活的各种输入，以设定预限定监测范围(A、B、C、D)。如果来自激光雷达单元的信号落入预设监测范围内，Tx/Rx54被激活并且各种警告条件发生。

一个这种警告条件是传输信号47由工地处的所有或一些工人操作的安全帽61上的接收器60接收。所述接收信号可以激活触觉、听觉和/或视觉警告器，以向安全帽61的佩戴者报警，告知已经发生了周界入侵。另一替代方案是传输信号47可以由工地上的车辆71上的接收器70接收。该接收信号可以激活触觉、听觉和/或视觉警告器，以向车辆71的驾驶员报警，但也可以更进一步使车辆停机。可能有各种可能级别的停机，从仅仅停止车辆的元件的移动或者停止包括发动机的整个车辆。

周界安全装置80的另一实施例显示在图8中。在这一实施例中，周界安全装置包括如上所述的激光雷达81，但激光雷达81收集围绕车辆83的半球82内的点云数据。半球82随着车辆83移动，所以其以距车辆的预设距离有效地给出安全的周界。激光雷达81收集将激光反射回激光雷达81的任何目标的距离、高度和方位信息。在一种形式中，以如上所述的方式将距离数据与预设距离进行比较。例如，如果检测到任何目标在车辆83的3米范围内，可以激活警告器。警告器可以是听觉、触觉和/或视觉的。警告器还可以是更强干涉的，其通过例如激活制动器而停止车辆83的进一步移动。

检测目标的具体位置可以经由显示器(未显示)被报告给车辆的驾驶员。由于激光雷达单元能够收集距离、方位和高度，其能够给出检测目标的位置的精确指示。

应当注意，与针对图8描述的相类似的实施例能够静态地操作。在这种实施例中，激光雷达安装在静态基座(例如三脚架)上，并且监测三脚架周围的设定区域。控制器被配置为忽略穿过被监测的设定区域内在预限定路径内的任何移动。也就是说，只要人保持在预限定路径上，激光雷达将不会发出警告。如果存在任何偏离预限定路径的移动，警告器将按照如上所简述的表现。

虽然如上所述的实施例采用指拨开关以设定监测范围，本发明并不限于这一实施方式。一种变型可以涉及在特定位置有意阻挡光束并且激活激光雷达来记录至该位置的距离作为最小或最大距离，并且之后移动至另一位置来重复该过程。然后，这两个记录的位置限定监测范围(记录位置之间的空间内侧或外侧)。这可以由单个人使用小发射器激活激光雷达并启动测量进行操作来完成。

可以想到，工地可以具有多个周界安全装置10。将多个装置10构建成网络并且由此提供整个场地的更高安全水平是有利的。可以通过技术(蓝牙技术)或其他无线协议来提供网络构建。网络系统使得能够跟踪入侵者，因为检测目标的系列位置能够在中央控制器被记录。网络实施例90的一个示例显示在图9中。分别显示了监测区911、912、913和914以及四个周界安全装置91、92、93、94。每个周界安全装置91、92、93、94的控制器连接至中央控制器95。连接可以是物理电缆，但更便利地，连接是无线连接。每个控制器在各自区域中限定监测路径，这些监测路径共同限定由中央控制器95监测的预限定路径96。在预限定路径上的任何移动不会触发警告，但偏离预限定路径的移动触发警告。警告可以由本地控制器或者网络控制器产生。中央控制器还可以具有监测区域的相关联显示器，所有目标在监测区域中的移动可以在其上显示。

本发明的各种实施例的以上描述为向本领域普通技术人员描述的目的提供。其不意在彻底详尽或者将本发明限制成单个所公开的实施例。如上所述，本发明的很多替换方案和变型对于受到以上教示的本领域技术人员而言是显而易见的。因此，虽然已经特别讨论了一些替换实施例，其他实施例将会由本领域普通技术人员明显或相对容易地开发。因此，本发明意在涵盖已经在本文描述的本发明的所有替换方案、修改和变型，以及落入以上描述发明的精神和范围内的其他实施例。

Claims (20)

1.一种周界安全装置，包括：

激光器，朝向监测区发射光学激光辐射；

检测器，检测来自所述监测区的目标的反射光学激光辐射；

控制器，所述控制器：

产生外传信号以操作所述激光器来发射调制激光；

从所述检测器接收指示反射光学激光辐射的传入信号；

根据所述外传信号和所述传入信号计算至所述目标的距离；

以及警告器，如果确定至所述目标的所述距离在所述监测区的监测范围内，则所述警告器由所述控制器激活。

2.根据权利要求1所述的周界安全装置，还包括连接至所述控制器以调节所述监测范围的输入装置。

3.根据权利要求1所述的周界安全装置，其中所述警告器是触觉、听觉或视觉警告器。

4.根据权利要求1所述的周界安全装置，还包括将信号传输至远程警告器的发射器。

5.根据权利要求1所述的周界安全装置，其中所述控制器产生安全控制信号，所述安全控制信号由所述发射器传输至其他设备。

6.根据权利要求5所述的周界安全装置，其中所述安全控制信号是停机信号。

7.根据权利要求1所述的周界安全装置，其中所述调制激光的振幅或相位被调制。

8.根据权利要求1所述的周界安全装置，其中如果目标过线，则所述激光器沿所述线发射光学辐射并且所述警告产生。

9.根据权利要求1所述的周界安全装置，其中如果目标在围绕所述激光器的半球内移动，则所述激光器沿着进入所述半球的方向发射光学辐射，并且所述警告产生。

10.根据权利要求9所述的周界安全装置，当附接至车辆时，使得所述半球随所述车辆移动。

11.一种在区域内提供安全的方法，包括如下步骤：

将激光光束发射到监测区中；

从所述监测区中的目标接收激光光束反射；

计算至所述目标的距离；以及

如果至所述目标的所述距离在所述监测区的监测范围内，则产生警告。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：如果目标被检测到在所述监测区的所述监测范围内，则使设备停机。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述激光光束被调制并且计算至所述目标的距离的所述步骤通过将发射到所述监测区中的所述激光光束的所述调制与来自所述监测区中的所述目标的所述激光光束反射的所述调制进行比较来进行。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述调制是振幅调制或相位调制。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：将警告信号传输至远程位置。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述警告信号是安全控制信号，所述安全控制信号被传输至其他设备。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述安全控制信号是停机信号，所述停机信号导致所述其他设备停机。

18.一种网络，包括多个如权利要求1所述的周界安全装置，每个周界安全装置对监测区进行监测，各个所述监测区共同形成监测区域。

19.根据权利要求18所述的网络，其中各个所述周界安全装置的各个所述监测范围一起限定通过所述监测区域的预限定路径，从而使得如果目标被检测到离开所述预限定路径，则激活警告器。

20.根据权利要求18所述的网络，还包括与多个所述周界安全装置的每个控制器进行信号通信的中央控制器，其中所述中央控制器记录在所述监测区域中移动的目标的系列位置。