CN109339131B - 一种工程机械安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工程机械安全控制方法，涉及工程机械技术领域。工程机械安全控制方法包括以下步骤：采用角度传感器采集工程机械的运动臂架的倾角；在运动臂架上指定关键点，并根据倾角计算关键点的坐标位置；根据关键点的坐标位置建立运动臂架的实时外轮廓线；选择关键点为风险点，并根据障碍物的坐标位置，计算该风险点的风险值；根据风险点的风险值确定风险动作的风险值；根据风险动作的风险值，安全控制运动臂架。该方法能够及时控制工程机械避免出现危险状况。

Description

一种工程机械安全控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体而言，涉及一种工程机械安全控制方法。

背景技术

工程机械在周边有障碍物、需要保护的设施或者有规定的活动边界时，工程机械需要自动回避或者自动不越界，以保障人员和设施的安全。

现有技术是在工程机械上安装各种类型的定位传感装置，例如：激光定位、无线电定位、GPS卫星定位、全站仪定位、图像定位等。其定位传感系统复杂、安装使用不方便；工作条件苛刻，难以适应恶劣的工地环境；与工程机械的控制器的实时通讯困难，难以及时控制工程机械避免出现危险状况。

发明内容

本发明实施例提供一种工程机械安全控制方法，其能够及时控制工程机械避免出现危险状况。

本发明实施例提供的技术方案：

采用角度传感器采集工程机械的运动臂架的倾角；

在所述运动臂架上指定关键点，并根据所述倾角计算所述关键点的坐标位置；

根据所述关键点的坐标位置建立所述运动臂架的实时外轮廓线；

选择所述关键点为风险点，并根据障碍物的坐标位置和所述实时外轮廓线，计算所述风险点的风险值；

根据所述风险点的风险值确定风险动作的风险值；

根据所述风险动作的风险值，安全控制运动臂架。

进一步地，所述运动臂架包括动臂、斗杆和铲斗，所述采集工程机械的运动臂架的倾角的步骤包括：采集所述动臂的倾角、所述斗杆的倾角和所述铲斗的倾角。

进一步地，所述在所述运动臂架上指定关键点，并根据所述倾角计算所述关键点的坐标位置的步骤包括：定义所述动臂的根点为第一关键点，所述动臂的油缸端点为第二关键点，所述斗杆的根点为第三关键点，所述铲斗的根点为第四关键点，所述铲斗的圆弧中心点为第五关键点，所述铲斗的尖点为第六关键点；

根据所述运动臂架实时的倾角，并令所述第一关键点为基准，计算所有关键点的坐标位置。

进一步地，所述根据关键点的坐标位置建立运动臂架的实时外轮廓线的步骤包括：以每个关键点的坐标位置为圆心，以每个关键点所需的安全距离为半径，形成六个圆，在相邻两个圆上形成外公切线，所有外公切线与外公切线之间的圆弧组成所述运动臂架的所述实时外轮廓线。

进一步地，所述选择关键点为风险点，并计算所述风险点的风险值的步骤包括：

计算所述风险点所在圆距离电子前墙的水平距离；

计算所述风险点到风险动作转轴的竖直距离；

依据所述竖直距离与所述水平距离的比值，计算所述风险点的风险值；

令每个关键点为风险点，并分别令第一关键点、第三关键点和第四关键点为风险动作转轴，得出10个风险点的风险值。

进一步地，所述计算风险点所在圆距离电子前墙的水平距离的步骤包括：

计算所述风险点与所述第一关键点的水平距离；

计算所述第一关键点与所述电子前墙的水平距离；

依据所述风险点与所述第一关键点的水平距离、所述第一关键点与所述电子前墙的水平距离以及所述风险点的安全距离，计算所述风险点所在圆距离所述电子前墙的水平距离。

进一步地，所述计算所述风险点到风险动作转轴的竖直距离的步骤包括：

计算所述风险点到所述第一关键点的竖直距离；

计算所述第一关键点到所述风险动作转轴的竖直距离；

依据所述风险点到第一关键点的竖直距离与所述第一关键点到所述风险动作转轴的竖直距离之和即得到所述风险点到所述风险动作转轴的竖直距离。

进一步地，所述运动臂架的风险动作包括动臂提升、动臂下降、斗杆卸载、斗杆挖掘、铲斗卸载和铲斗挖掘，所述根据所述风险点的风险值确定风险动作的风险值的步骤包括：根据各个关键点的风险值得到所述动臂提升、所述动臂下降、所述斗杆卸载、所述斗杆挖掘、所述铲斗卸载和所述铲斗挖掘各自的风险值。

进一步地，所述根据风险动作的风险值，安全控制运动臂架的步骤包括：将风险动作的风险值与预设的最小风险系数比较，如果所述风险动作的风险值小于或等于最小风险系数，则不对所述风险动作进行限制；如果所述风险动作的风险值大于最小风险系数、且小于预设的最大风险系数，则对所述风险动作进行比例限制；如果所述风险动作的风险值大于或等于最大风险系数，则停止所述风险动作。

进一步地，所述对所述风险动作进行比例限制的步骤包括：

计算所述运动臂架的控制速度值，所述控制速度值的计算公式为：控制速度值＝理论最大速度值*[1-(风险动作的风险值-最小风险系数)/(最大风险系数-最小风险系数)]，其中，理论最大速度值指所述运动臂架的理论上可达到的最大速度值；

比较所述运动臂架的所述控制速度值与所述运动臂架的目前速度值的大小，并取二者中较小的速度值为所述运动臂架接下来的速度值。

本发明实施例提供的工程机械安全控制方法的有益效果是：

采用角度传感器采集运动臂架的倾角，可以适应恶劣的野外环境和工地环境，角度传感器与控制器可以良好的实时通讯，不受场地条件和空间条件的限制，能够实时介入控制工程机械，避免出现危险状况。运动臂架与控制器共同组成闭环控制系统，对危险操作采取强制限制措施，可以及时消除危险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的运动臂架的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的运动臂架的实时外轮廓线(含第四关键点的距离尺寸)的示意图。

图3为本发明实施例提供的运动臂架的实时外轮廓线(含第五关键点的距离尺寸)的示意图。

图标：1-动臂；2-斗杆；3-铲斗；4-倾角传感器；5-第一关键点；6-第二关键点；7-第三关键点；8-第四关键点；9-第五关键点；10-第六关键点；11-实时外轮廓线；12-电子前墙。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在对工程机械的安全控制方面，现有技术仅能提供简单的定位，例如：仅能对负载进行定位，其简单的定位，不能提示或者避免其运动的结构部件与其周边设施的碰撞危险。

现有技术仅能向操作手提供简单的提示，例如：只能在显示屏上引导挖掘机操作而不介入强制控制。其简单的提示，不能杜绝操作手的危险操作，不能及时强制消除危险。

现有技术仅能提供简单的控制，例如：当发现设备出现危险时，采取切断动作控制信号或者直接停机的方法进行设备控制。其简单的控制，会对运行中的设备造成冲击，重型设备的强大惯性会形成新的更大的危险，直接停机会使得操作手瞬间丧失对设备的控制权，对人身和设备的安全都十分不利。

本实施例提供一种工程机械安全控制方法，用于控制工程机械，例如挖掘机，该方法包括以下步骤：

一、采用角度传感器采集工程机械的运动臂架的倾角

请参阅图1，这里的工程机械指挖掘机，挖掘机包括车体和连接在车体上的运动臂架。运动臂架包括动臂1、斗杆2和铲斗3。动臂1连接在车体上，动臂1、斗杆2和铲斗3依次连接。

动臂1、斗杆2和铲斗3上均安装有角度传感器，角度传感器包括但不限于倾角传感器4和夹角传感器，本实施例采用倾角传感器4，利用倾角传感器4就可采集到动臂的倾角、斗杆的倾角和铲斗的倾角。此外，铲斗3上的倾角传感器4可安装在铲斗3的连杆上，并通过角度换算得到铲斗的倾角。

本实施例采用倾角传感器4作为位置传感装置，可以适应恶劣的野外环境和工地环境，倾角传感器4与车体上的控制器可以良好的实时通讯，不受场地条件和空间条件的限制，能够实时介入控制工程机械，避免出现危险状况。

二、在运动臂架上指定关键点，并根据倾角计算关键点的坐标位置

在运动臂架上指定关键点的方法如下，定义动臂1的根点为第一关键点5，动臂1的油缸端点为第二关键点6，动臂1的端点即斗杆2的根点为第三关键点7，斗杆2的端点即铲斗3的根点为第四关键点8，铲斗3的圆弧中心点为第五关键点9，铲斗3的尖点为第六关键点10。

根据运动臂架实时的倾角，并令第一关键点5为基准，计算所有关键点的坐标位置。计算各关键点的坐标位置也可以采用其他方法做点位计算，例如利用油缸行程等传感信息。在其他实施例中，也可以令车体上相对地面静止的点为基准。

三、根据关键点的坐标位置建立运动臂架的实时外轮廓线

请参阅图2，以每个关键点的坐标位置为圆心，以每个关键点所需的安全距离为半径，形成六个圆。在相邻两个圆上形成外公切线，所有外公切线与外公切线之间的圆弧组成运动臂架的实时外轮廓线11。

通过建立运动臂架的实时外轮廓线11，实现了对运动臂架的全定位。无论运动臂架如何运动，运动臂架均在实时外轮廓线11的内部。实时外轮廓线11可以表达运动臂架的运动情况。

四、选择关键点为风险点，并根据障碍物的坐标位置和实时外轮廓线，计算风险点的风险值

(一)计算风险点所在圆距离电子前墙的水平距离

选择一个关键点为风险点，并计算该风险点的风险值，以第四关键点8为风险点为例，请参阅图2。计算第四关键点8与第一关键点5的水平距离；计算第一关键点5与电子前墙12的水平距离；计算第四关键点8与其实时外轮廓线的距离，即第四关键点8所在圆的半径，也就是第四关键点8的安全距离。

依据第四关键点8与第一关键点5的水平距离、第一关键点5与电子前墙12的水平距离以及第四关键点8的安全距离，也就是说，第一关键点5与电子前墙12的水平距离减去第四关键点8与第一关键点5的水平距离再减去第四关键点8的安全距离，即可计算得到第四关键点8所在圆距离电子前墙12的水平距离A4，该数值均为正值。

电子前墙12的位置设置可根据障碍物与工程机械之间的距离，电子前墙12用于将工程机械界定在安全的区域内，例如障碍物位于工程机械前方10m的位置，则可以将电子前墙12设置在工程机械前方9m的位置，这样，工程机械在其前方9m的范围内运动便是安全的。此外，电子前墙12还可以根据工程机械的规定活动便捷确定。

在其他实施例中，电子前墙12还可以替换为电子顶墙或电子地板。其中，电子前墙12可以限制工程机械的运动臂架的向前运动，电子顶板可以限制运动臂架的向上运动，电子地板限制运动臂架的向下运动。关于电子顶墙或电子地板的计算方法与上述电子前墙12的计算方法类似，这里不再赘述。

(二)计算风险点到风险动作转轴的竖直距离

同样，以第四关键点8为风险点为例，并令第三关键点7为风险动作转轴。计算风险点到第一关键点5的竖直距离；计算第一关键点5到风险动作转轴的竖直距离；风险点到第一关键点5的竖直距离加上第一关键点5到风险动作转轴的竖直距离即得到风险点到风险动作转轴的竖直距离B4，该数值均带矢量，在图2中风险点到风险动作转轴的竖直距离B4即为负值。

(三)计算风险点的风险值

同样，以第四关键点8为风险点为例，风险点的风险值为竖直距离B4与水平距离A4的比值，风险点的风险值均带矢量，在图2中风险点的风险值即为负值。

再以第五关键点9为风险点为例，并以第一关键点5为风险动作转轴，请参阅图3，得到以第五关键点9为风险点所在圆距离电子前墙12的水平距离A5，得到风险点到风险动作转轴的竖直距离B4，计算竖直距离B4与水平距离A5的比值得到风险点的风险值。

按照上述三个步骤，可以令每个关键点为风险点，并分别令第一关键点5、第三关键点7和第四关键点8为风险动作转轴，这样可以得出10个风险点的风险值，具体如下：

以第一关键点5为风险动作转轴，分别以第二关键点6、第三关键点7、第四关键点8、第五关键点9和第六关键点10为风险点，可以得到5个风险值；

以第三关键点7为风险动作转轴，分别以第四关键点8、第五关键点9和第六关键点10为风险点，可以得到3个风险值；

以第四关键点8为风险动作转轴，分别以第五关键点9和第六关键点10为风险点，可以得到2个风险值。

五、根据风险点的风险值确定风险动作的风险值

运动臂架的风险动作分为六种，包括动臂提升、动臂下降、斗杆卸载、斗杆挖掘、铲斗卸载和铲斗挖掘。

动臂提升指以第一关键点5为转轴，动臂1顺时针转动。动臂下降指以第一关键点5为转轴，动臂1逆时针转动。这样，第二关键点6、第三关键点7、第四关键点8、第五关键点9和第六关键点10均运动，提取这5个关键点的风险值。动臂提升的风险值为这5个关键点的风险值的相反数的最大值。动臂下降的风险值为这5个关键点的风险值的最大值。

斗杆卸载指以第三关键点7为转轴，斗杆2顺时针转动。斗杆挖掘指以第三关键点7为转轴，斗杆2逆时针转动。这样，第四关键点8、第五关键点9和第六关键点10均运动，提取这3个关键点的风险值。斗杆卸载的风险值为这3个关键点的风险值的相反数的最大值。斗杆挖掘的风险值为这3个关键点的风险值的最大值。

铲斗卸载指以第四关键点8为转轴，铲斗3顺时针转动。铲斗挖掘指以第四关键点8为转轴，铲斗3逆时针转动。这样，第五关键点9和第六关键点10均运动，提取这2个关键点的风险值。铲斗卸载的风险值为这2个关键点的风险值的相反数的最大值。铲斗挖掘的风险值为这2个关键点的风险值的最大值。

最终，即可得到六种风险动作各自的风险值。

六、根据风险动作的风险值，安全控制运动臂架

预设最小风险系数，例如10；预设最大风险系数，例如50。将风险动作的风险值与最小风险系数比较，如果该风险动作的风险值小于或等于最小风险系数，则不对该风险动作进行限制；

如果该风险动作的风险值大于最小风险系数、且小于最大风险系数，则对该风险动作进行比例限制；对风险动作进行比例限制的步骤包括：

计算运动臂架的控制速度值，控制速度值的计算公式为：控制速度值＝理论最大速度值*[1-(风险动作的风险值-最小风险系数)/(最大风险系数-最小风险系数)]，其中，理论最大速度值指运动臂架的理论上可达到的最大速度值；

比较运动臂架的控制速度值与运动臂架的目前速度值的大小，并取二者中较小的速度值为运动臂架接下来的速度值。

例如，设置最小风险系数为10，最大风险系数为50，动臂提升的理论最大速度值为5m/s，动臂提升的目前速度值为3m/s，动臂提升的风险值为30，则可以计算出动臂提升的控制速度值为2.5m/s，动臂提升的控制速度值小于于动臂提升的目前速度值，控制器调整动臂提升接下来的速度值为2.5m/s。

如果该风险动作的风险值大于或等于最大风险系数，则完全停止该风险动作。

承接上述例子，如果动臂1提升的风险值为50，则控制器调整动臂1提升的控制速度值为0。

这样，控制器即可根据动臂1、斗杆2和铲斗3的目前速度值、理论最大速度值和风险动作的风险值，确定接下来的速度值，避免部件触及到电子前墙12的位置，保护工程机械的安全。

此外，控制器与运动臂架组成闭环控制系统，对危险操作采取强制限制措施，可以及时消除危险。并且，对风险动作的风险值进行量化计算，利用该计算结果，对风险动作采取比例控制地平滑介入限制，既保证了设备避障安全，也不增加新的突变危险，保障了人身安全，不会影响操作手的正常作业。

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 (10)

1.一种工程机械安全控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用角度传感器采集工程机械的运动臂架的倾角；

在所述运动臂架上指定关键点，并根据所述倾角计算所述关键点的坐标位置；

根据所述关键点的坐标位置建立所述运动臂架的实时外轮廓线；

选择所述关键点为风险点，并根据障碍物的坐标位置和所述实时外轮廓线，计算所述风险点所在圆距离电子前墙的水平距离；计算所述风险点到风险动作转轴的竖直距离；依据所述竖直距离与所述水平距离的比值，计算所述风险点的风险值；

根据所述风险点的风险值确定风险动作的风险值；

根据所述风险动作的风险值，安全控制运动臂架。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动臂架包括动臂、斗杆和铲斗，所述采集工程机械的运动臂架的倾角的步骤包括：采集所述动臂的倾角、所述斗杆的倾角和所述铲斗的倾角。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述运动臂架上指定关键点，并根据所述倾角计算所述关键点的坐标位置的步骤包括：定义所述动臂的根点为第一关键点，所述动臂的油缸端点为第二关键点，所述斗杆的根点为第三关键点，所述铲斗的根点为第四关键点，所述铲斗的圆弧中心点为第五关键点，所述铲斗的尖点为第六关键点；

根据所述运动臂架实时的所述倾角，并令所述第一关键点为基准，计算所有关键点的坐标位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据关键点的坐标位置建立运动臂架的实时外轮廓线的步骤包括：以每个关键点的坐标位置为圆心，以每个关键点所需的安全距离为半径，形成六个圆，在相邻两个圆上形成外公切线，所有外公切线与外公切线之间的圆弧组成所述运动臂架的所述实时外轮廓线。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述选择关键点为风险点，并计算所述风险点的风险值的步骤包括：

令每个关键点为风险点，并分别令第一关键点、第三关键点和第四关键点为风险动作转轴，得出10个风险点的风险值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算风险点所在圆距离电子前墙的水平距离的步骤包括：

计算所述风险点与所述第一关键点的水平距离；

计算所述第一关键点与所述电子前墙的水平距离；

依据所述风险点与所述第一关键点的水平距离、所述第一关键点与所述电子前墙的水平距离以及所述风险点的安全距离，计算所述风险点所在圆距离所述电子前墙的水平距离。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算所述风险点到风险动作转轴的竖直距离的步骤包括：

计算所述风险点到所述第一关键点的竖直距离；

计算所述第一关键点到所述风险动作转轴的竖直距离；

依据所述风险点到第一关键点的竖直距离与所述第一关键点到所述风险动作转轴的竖直距离之和即得到所述风险点到所述风险动作转轴的竖直距离。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述运动臂架的风险动作包括动臂提升、动臂下降、斗杆卸载、斗杆挖掘、铲斗卸载和铲斗挖掘，所述根据所述风险点的风险值确定风险动作的风险值的步骤包括：根据各个关键点的风险值得到所述动臂提升、所述动臂下降、所述斗杆卸载、所述斗杆挖掘、所述铲斗卸载和所述铲斗挖掘各自的风险值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据风险动作的风险值，安全控制运动臂架的步骤包括：将风险动作的风险值与预设的最小风险系数比较，如果所述风险动作的风险值小于或等于最小风险系数，则不对所述风险动作进行限制；如果所述风险动作的风险值大于最小风险系数、且小于预设的最大风险系数，则对所述风险动作进行比例限制；如果所述风险动作的风险值大于或等于最大风险系数，则停止所述风险动作。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述对所述风险动作进行比例限制的步骤包括：

计算所述运动臂架的控制速度值，所述控制速度值的计算公式为：控制速度值＝理论最大速度值*[1-(风险动作的风险值-最小风险系数)/(最大风险系数-最小风险系数)]，其中，理论最大速度值指所述运动臂架的理论上可达到的最大速度值；

比较所述运动臂架的所述控制速度值与所述运动臂架的目前速度值的大小，并取二者中较小的速度值为所述运动臂架接下来的速度值。

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