CN109970009B - 高空作业车防碰撞装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种高空作业车防碰撞装置及方法，属于建筑高空施工技术领域。包括控制装置、车载计算机、车检测装置、显示器和报警装置；作业车检测装置包括安装在作业车的作业臂上的作业臂长度传感器、作业臂角度传感器、回转编码器；作业臂长度传感器用于实时检测作业车的作业臂的伸缩长度并将信息传输至车载计算机；作业臂角度传感器用于实时检测作业车的作业臂的变幅角度并将信息传输至车载计算机；回转编码器用于实时检测作业车的回转体的回转角度并将信息传输至车载计算机。本发明利用高空作业车工作平台、作业臂等本身部件，来设置一个高空作业车工作区域边界，保证高空作业车的作业范围不会超过此上下限，以此避免高空作业车与障碍物触碰；装置结构简单，增加的部件少，易于施工改造，成本低。

Description

高空作业车防碰撞装置及方法
技术领域
本发明涉及一种建筑高空施工技术领域，具体是一种高空作业车防碰撞装置及方法。
背景技术
高空作业车在高空等施工作业过程中，作业环境复杂，高空作业范围内，经常会碰到一些固定障碍物，如建筑物等。当周围变幅角度较小时，工作臂也有可能撞到设备自身的驾驶室或支腿。
在这种工作工况下，驾驶人员操作压力非常大，即使是工作经验丰富驾驶人员，也容易产生碰撞，引发事故。
现有的高空作业车防碰撞装置一般是：增加雷达、探头，或者采用三维激光扫描等方法。这种装置结构过于复杂，雷达、探头也需要多点、多角度安装，所以目前来说，这种防碰撞装置难以在实际施工中运用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种高空作业车防碰撞装置及方法。
本发明通过以下技术方案实现：一种高空作业车防碰撞装置，包括控制装置、车载计算机；所述控制装置包括操作手柄、伸缩控制阀、回转控制阀、变幅控制阀；
还包括作业车检测装置、显示器和报警装置；
所述作业车检测装置包括安装在作业车的作业臂上的作业臂长度传感器、作业臂角度传感器、回转编码器；
所述作业臂长度传感器通过CAN总线连接车载计算机，作业臂长度传感器用于实时检测作业车的作业臂的伸缩长度并将信息传输至车载计算机；
所述作业臂角度传感器通过CAN总线连接车载计算机，作业臂角度传感器用于实时检测作业车的作业臂的变幅角度并将信息传输至车载计算机；
所述回转编码器通过CAN总线连接车载计算机，回转编码器用于实时检测作业车的回转体的回转角度并将信息传输至车载计算机；
所述显示器通过CAN总线连接车载计算机，显示器接收并显示车载计算机传输的信息；
所述车载计算机通过CAN总线分别控制连接伸缩控制阀、回转控制阀、变幅控制阀和报警装置。
一种高空作业车防碰撞方法，
步骤一，数据采集；
作业车作业之前，通过控制装置操作作业车的作业臂，碰撞障碍物，采集碰撞障碍物时的伸缩长度、变幅角度和回转角度数据，并将数据传输至车载计算机；
步骤二，建立安全边界曲线；
车载计算机根据步骤一中采集的数据建立作业边界曲线，得到安全边界曲线；
步骤三，作业车实时位置检测；
作业车作业时，通过作业车检测装置实时检测作业车的伸缩长度、变幅角度和回转角度，得到作业车的实时位置；
步骤四，防碰撞判断；
将步骤三中的作业车的实时位置与步骤二中的安全边界曲线对比，判断碰撞趋势；
当无碰撞趋势时，作业车继续运行；
当有碰撞趋势时，车载计算机发送信号至控制装置和报警装置，控制装置控制作业车，并根据与碰撞物的距离进行减速运动或微动，报警装置开始报警，作业停止。
其进一步是：
步骤一，数据采集；
操作作业臂使作业台接近障碍物的相应位置，记录当前作业臂的臂长L、仰角α、回转角θ三个参数；
得到边界点位置（θ、R、H）：
θ=θ；其中θ：边界点在水平面回转角度；
R=L cosα-R0；其中R：回转中心到边界点沿作业臂方向距离；
R0：回转中心到作业臂后连接点沿作业臂方向距离；
H=L sinα+H0；其中H：边界点距离地面高度距离；
H0：作业臂后连接铰点距离地面高度距离。
步骤二，建立安全边界曲线；
所述安全边界曲线包括伸缩作业边界曲线、变幅作业边界曲线和回转作业边界曲线；
伸缩作业边界曲线：
作业臂的长度为L=(R0+R)/cosα,作业臂头高度为H=(R0+R)tanα+H0；根据碰撞物的回转半径R和高度H区域边界范围，计算出作业臂与不同仰角α、回转角θ对应的最大可伸臂长Lmax，形成伸缩作业边界曲线；
变幅作业边界曲线：
确定作业臂变幅的角度范围αmax；
变幅过程中，作业臂回转角与臂长不变；作业臂当前状态下仰角为α，回转角为θ，臂长L，则下一个仰角为α´；根据作业臂最大长度的计算，计算出仰角为α´，回转角为θ与最大可伸臂长Lmax的数值；
当最大可伸臂长Lmax大于当前的臂长L，可以进行变幅到仰角α´；变幅到仰角α´再进行计算对比；
当最大臂长值Lmax小于当前的臂长，则此时仰角α´就是可允许变幅的范围αmax；
回转作业边界曲线：
确定作业臂回转的角度范围θmax；
回转过程中，作业臂仰角与臂长不变；当前状态作业臂回转角为θ，仰角为α，臂长L，则下一个回转角为θ´；根据作业臂最大长度的计算的，计算出转角θ´，仰角为α与最大可伸臂长Lmax的数值；
当最大可伸臂长Lmax大于当前的臂长L,可以进行回转到θ´，回转到下一个角度θ´再进行计算对比；
当最大臂长值Lmax小于当前的臂长，则此时转角θ´就是可允许回转的范围θmax。
步骤三，作业车实时位置检测；
作业车检测装置实时检测到作业车的状态参数：臂长L、仰角α和回转角为θ；
车载计算机根据连续检测到的一组参数，数据进行拟合判断作业臂长度、仰角和回转角，并判断下一时刻作业臂的动作，伸臂、缩臂、上变幅、下变幅、 左回转、右回转与静止状态；计算出下一时刻作业臂长度L´、仰角α´和回转角θ´。
步骤四，防碰撞判断；
所述防碰撞判断包括作业臂伸缩防碰撞、作业臂变幅防碰撞和作业臂回转防碰撞；
作业臂伸缩防碰撞：
根据步骤三，若检测判断作业臂为伸臂动作，下一时刻臂长L´，则根据伸缩作业边界曲线，可以查询臂长L´，仰角α、回转角θ的最大可伸臂长Lmax数据表，得到在仰角α、回转角θ位置的最大可伸臂长为Lmax；
将下一时刻的臂长L´与最大可伸臂长Lmax比较，根据之间差值的不同，车载计算机发送信号至控制装置，控制装置控制作业车正常运行、减速运动、微动或停止；
作业臂变幅防碰撞：
根据步骤三，若检测判断作业臂为变幅动作，下一时刻仰角为α´，则根据变幅作业边界曲线，可以查询臂长L，仰角α、回转角θ的最大可变幅αmax数据表，得到在臂长为L、回转角θ位置的最大可变幅仰角αmax；
将下一时刻变幅仰角α´与最大仰角αmax比较，根据之间差值的不同，车载计算机发送信号至控制装置，控制装置控制作业车正常运行、减速运动、微动或停止；
作业臂回转防碰撞：
根据步骤三，若检测判断作业臂为回转动作，下一时刻回转角为θ´，则根据回转作业边界曲线，可以查询臂长L，仰角α的最大可回转θmax数据表，得到在臂长为L、仰角α位置的最大可回转角θmax；
将下一时刻回转角度θ´与最大可回转角θmax比较，根据之间差值的不同，车载计算机发送信号至控制装置，控制装置控制作业车回转正常运行、减速运动、微动或停止。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用高空作业车工作平台、作业臂等本身部件，来设置一个高空作业车工作区域边界，保证高空作业车的作业范围不会超过此上下限，以此避免高空作业车与障碍物触碰；装置结构简单，增加的部件少，易于施工改造，成本低。
附图说明
图1是本发明控制原理图；
图2是本发明控制流程图；
图3是本发明中建立安全边界曲线示意图；
图4是本发明中作业臂伸缩防碰撞示意图；
图5是本发明中作业臂变幅防碰撞示意图；
图6是本发明中作业臂回转防碰撞示意图。
具体实施方式
以下是本发明的一个具体实施例，现结合附图对本发明做进一步说明。
结合图1所示，一种高空作业车防碰撞装置，包括作业车检测装置1、显示器2、控制装置3、车载计算机4和报警装置5。控制装置3包括操作手柄、伸缩控制阀、回转控制阀、变幅控制阀。
作业车检测装置1包括安装在作业车的作业臂上的作业臂长度传感器、作业臂角度传感器、回转编码器。作业臂长度传感器通过CAN总线连接车载计算机4，作业臂长度传感器用于实时检测作业车的作业臂的伸缩长度并将信息传输至车载计算机4。作业臂角度传感器通过CAN总线连接车载计算机4，作业臂角度传感器用于实时检测作业车的作业臂的变幅角度并将信息传输至车载计算机4。回转编码器通过CAN总线连接车载计算机4，回转编码器用于实时检测作业车的回转体的回转角度并将信息传输至车载计算机4。
车载计算机4通过CAN总线分别控制连接伸缩控制阀、回转控制阀、变幅控制阀和报警装置5。车载计算机4内建立碰撞障碍物位置数据库、安全边界曲线，运行防碰撞控制。
显示器2通过CAN总线连接车载计算机4，显示器2具有人机交互界面，用于接收并显示车载计算机4传输的信息。
结合图2所示，一种高空作业车防碰撞方法，
步骤一，数据采集；
作业车作业之前，通过控制装置3操作作业车的作业臂，接近碰撞障碍物，采集碰撞障碍物时的伸缩长度、变幅角度和回转角度数据，并将数据传输至车载计算机4；
步骤二，建立安全边界曲线；
车载计算机4根据步骤一中采集的数据建立作业边界曲线，得到安全边界曲线；
步骤三，作业车实时位置检测；
作业车作业时，通过作业车检测装置1实时检测作业车的伸缩长度、变幅角度和回转角度，得到作业车的实时位置；
步骤四，防碰撞判断；
将步骤三中的作业车的实时位置与步骤二中的安全边界曲线对比，判断碰撞趋势；
当无碰撞趋势时，作业车继续运行；
当有碰撞趋势时，车载计算机4发送信号至控制装置3和报警装置5，控制装置3控制作业车，控制装置控制作业车正常运行、减速运动、微动或停止，报警装置5开始报警。
结合图3所示，步骤一，数据采集具体是：
操作作业臂使作业台接近障碍物的相应位置，记录当前作业臂的臂长L、仰角α、回转角θ三个参数；
得到边界点位置（θ、R、H）：
θ=θ；其中θ：边界点在水平面回转角度；
R=L cosα-R0；其中R：回转中心到边界点沿作业臂方向距离；
R0：回转中心到作业臂后连接点沿作业臂方向距离；
H=L sinα+H0；其中H：边界点距离地面高度距离；
H0：作业臂后连接铰点距离地面高度距离。
根据障碍物的形状，采集边界点，左右、前后以及高度方向6个数据点，对于形状复杂物体增加4-6个数据点。
步骤二，建立安全边界曲线具体是：
安全边界曲线就是根据障碍物状态，建立的作业车作业臂伸缩边界值、上下变幅边界值以及左右回转边界值。边界曲线主要是指作业臂在规定的有效范围内进行活动，能有效避免与障碍物之间发生碰撞。
安全边界曲线包括伸缩作业边界曲线、变幅作业边界曲线和回转作业边界曲线；
伸缩作业边界曲线：
确定作业臂最大可伸臂长Lmax，在仰角为α和回转角为θ下可伸最大臂长Lmax。不同仰角和回转角，作业臂伸臂长度是不同的。当作业臂仰角为α和回转角为θ时，臂头距回转中心距离是R，计算作业臂的长度为L=(R0+R)/cosα,作业臂头高度为H=(R0+R)tanα+H0；根据碰撞物的回转半径R和高度H区域边界范围，计算出作业臂与不同仰角α、回转角θ对应的最大可伸臂长Lmax，形成伸缩作业边界曲线；
变幅作业边界曲线：
确定作业臂变幅的角度范围αmax；
变幅过程中，作业臂回转角与臂长不变；作业臂当前状态下仰角为α，回转角为θ，臂长L，则下一个仰角为α´；根据作业臂最大长度的计算，计算出仰角为α´，回转角为θ与最大可伸臂长Lmax的数值；
当最大可伸臂长Lmax大于当前的臂长L，可以进行变幅到仰角α´；变幅到仰角α´再进行计算对比；
当最大臂长值Lmax小于当前的臂长，则此时仰角α´就是可允许变幅的范围αmax；
回转作业边界曲线：
确定作业臂回转的角度范围θmax；
回转过程中，作业臂仰角与臂长不变；当前状态作业臂回转角为θ，仰角为α，臂长L，则下一个回转角为θ´；根据作业臂最大长度的计算的，计算出转角θ´，仰角为α与最大可伸臂长Lmax的数值；
当最大可伸臂长Lmax大于当前的臂长L,可以进行回转到θ´，回转到下一个角度θ´再进行计算对比；
当最大臂长值Lmax小于当前的臂长，则此时转角θ´就是可允许回转的范围θmax。
步骤三，作业车实时位置检测具体是：
作业车检测装置1实时检测到作业车的状态参数：臂长L、仰角α和回转角为θ；
车载计算机4根据连续检测到的一组参数，数据进行拟合判断作业臂长度、仰角和回转角，并判断下一时刻作业臂的动作，伸臂、缩臂、上变幅、下变幅、 左回转、右回转与静止状态；计算出下一时刻作业臂长度L´、仰角α´和回转角θ´。
步骤四，防碰撞判断具体是：
防碰撞判断包括作业臂伸缩防碰撞、作业臂变幅防碰撞和作业臂回转防碰撞；
结合图4所示，作业臂伸缩防碰撞：
根据步骤三，若检测判断作业臂为伸臂动作，下一时刻臂长L´，则根据伸缩作业边界曲线，可以查询臂长L´，仰角α、回转角θ状态时的最大可伸臂长Lmax数据表，得到在仰角α、回转角θ位置的最大可伸臂长为Lmax；
将下一时刻的臂长L´与最大可伸臂长Lmax比较，根据之间差值的不同，车载计算机4发送信号至控制装置3，控制装置3控制作业车正常运行、减速运动、微动或停止；
结合图5所示，作业臂变幅防碰撞：
根据步骤三，若检测判断作业臂为变幅动作，下一时刻仰角为α´，则根据变幅作业边界曲线，可以查询臂长L，仰角α、回转角θ状态时的最大可变幅αmax数据表，得到在臂长为L、回转角θ位置的最大可变幅仰角αmax；
将下一时刻变幅仰角α´与最大仰角αmax比较，根据之间差值的不同，车载计算机4发送信号至控制装置3，控制装置3控制作业车正常运行、减速运动、微动或停止；
结合图6所示，作业臂回转防碰撞：
根据步骤三，若检测判断作业臂为回转动作，下一时刻回转角为θ´，则根据回转作业边界曲线，可以查询臂长L，仰角α的最大可回转θmax数据表，得到在臂长为L、仰角α位置的最大可回转角θmax；
将下一时刻回转角θ´与最大可回转角θmax比较，根据之间差值的不同，车载计算机4发送信号至控制装置3，控制装置3控制作业车正常运行、减速运动、微动或停止。

Claims (3)

1.一种高空作业车防碰撞方法，包括控制装置（3）、车载计算机（4）；所述控制装置（3）包括操作手柄、伸缩控制阀、回转控制阀、变幅控制阀；
还包括作业车检测装置（1）、显示器（2）和报警装置（5）；
所述作业车检测装置（1）包括安装在作业车的作业臂上的作业臂长度传感器、作业臂角度传感器、回转编码器；
所述作业臂长度传感器通过CAN总线连接车载计算机（4），作业臂长度传感器用于实时检测作业车的作业臂的伸缩长度并将信息传输至车载计算机（4）；
所述作业臂角度传感器通过CAN总线连接车载计算机（4），作业臂角度传感器用于实时检测作业车的作业臂的变幅角度并将信息传输至车载计算机（4）；
所述回转编码器通过CAN总线连接车载计算机（4），回转编码器用于实时检测作业车的回转体的回转角度并将信息传输至车载计算机（4）；
所述显示器（2）通过CAN总线连接车载计算机（4），显示器（2）接收并显示车载计算机（4）传输的信息；
所述车载计算机（4）通过CAN总线分别控制连接伸缩控制阀、回转控制阀、变幅控制阀和报警装置（5）；
步骤一，数据采集；
作业车作业之前，通过控制装置（3）操作作业车的作业臂，接近碰撞障碍物，采集碰撞障碍物信息，并采集接近障碍物时的伸缩长度、变幅角度和回转角度数据，并将数据传输至车载计算机（4）；
步骤二，建立安全边界曲线；
车载计算机（4）根据步骤一中采集的数据建立作业边界曲线，得到安全边界曲线；
步骤三，作业车实时位置检测；
作业车作业时，通过作业车检测装置（1）实时检测作业车的伸缩长度、变幅角度和回转角度，得到作业车的实时位置；
步骤四，防碰撞判断；
将步骤三中的作业车的实时位置与步骤二中的安全边界曲线对比，判断碰撞趋势；
当无碰撞趋势时，作业车继续运行；
当有碰撞趋势时，车载计算机（4）发送信号至控制装置（3）和报警装置（5），控制装置（3）控制作业车，报警装置（5）开始报警；
所述步骤一，数据采集包括，
操作作业臂使作业台接近障碍物的相应位置，记录当前作业臂的臂长L、仰角α、回转角θ三个参数；
得到边界点位置（θ、R、H）：
θ=θ；其中θ：边界点在水平面回转角度；
R=L cosα-R0；其中R：回转中心到边界点沿作业臂方向距离；
R0：回转中心到作业臂后连接点沿作业臂方向距离；
H=L sinα+H0；其中H：边界点距离地面高度距离；
H0：作业臂后连接铰点距离地面高度距离；
所述步骤二，建立安全边界曲线包括，
所述安全边界曲线包括伸缩作业边界曲线、变幅作业边界曲线和回转作业边界曲线；
伸缩作业边界曲线：
作业臂的长度为L=(R0+R)/cosα,作业臂头高度为H=(R0+R)tanα+H0；根据碰撞物的回转半径R和高度H区域边界范围，计算出作业臂与不同仰角α、回转角θ对应的最大可伸臂长Lmax，形成伸缩作业边界曲线；
变幅作业边界曲线：
确定作业臂变幅的角度范围αmax；
变幅过程中，作业臂回转角与臂长不变；作业臂当前状态下仰角为α，回转角为θ，臂长L，则下一个仰角为α´；根据作业臂最大长度的计算，计算出仰角为α´，回转角为θ与最大可伸臂长Lmax的数值；
当最大可伸臂长Lmax大于当前的臂长L，可以进行变幅到仰角α´；变幅到仰角α´再进行计算对比；
当最大臂长值Lmax小于当前的臂长，则此时仰角α´就是可允许变幅的范围αmax；
回转作业边界曲线：
确定作业臂回转的角度范围θmax；
回转过程中，作业臂仰角与臂长不变；当前状态作业臂回转角为θ，仰角为α，臂长L，则下一个回转角为θ´；根据作业臂最大长度的计算的，计算出转角θ´，仰角为α与最大可伸臂长Lmax的数值；
当最大可伸臂长Lmax大于当前的臂长L,可以进行回转到θ´，回转到下一个角度θ´再进行计算对比；
当最大臂长值Lmax小于当前的臂长，则此时转角θ´就是可允许回转的范围θmax。
2.根据权利要求1所述的高空作业车防碰撞方法，其特征在于：
步骤三，作业车实时位置检测；
作业车检测装置（1）实时检测到作业车的状态参数：臂长L、仰角α和回转角为θ；
车载计算机（4）根据连续检测到的一组参数，数据进行拟合判断作业臂长度、仰角和回转角，并判断下一时刻作业臂的动作，伸臂、缩臂、上变幅、下变幅、 左回转、右回转与静止状态；计算出下一时刻作业臂长度L´、仰角α´和回转角θ´。
3.根据权利要求1所述的高空作业车防碰撞方法，其特征在于：
步骤四，防碰撞判断；
所述防碰撞判断包括作业臂伸缩防碰撞、作业臂变幅防碰撞和作业臂回转防碰撞；
作业臂伸缩防碰撞：
根据步骤三，若检测判断作业臂为伸臂动作，下一时刻臂长L´，则根据伸缩作业边界曲线，可以查询臂长L´，仰角α、回转角θ状态时的最大可伸臂长Lmax数据表，得到在仰角α、回转角θ位置的最大可伸臂长为Lmax；
将下一时刻的臂长L´与最大可伸臂长Lmax比较，根据之间差值的不同，车载计算机（4）发送信号至控制装置（3），控制装置（3）控制作业车正常运行、减速运动、微动或停止；
作业臂变幅防碰撞：
根据步骤三，若检测判断作业臂为变幅动作，下一时刻仰角为α´，则根据变幅作业边界曲线，可以查询臂长L，仰角α、回转角θ的状态时最大可变幅αmax数据表，得到在臂长为L、回转角θ位置的最大可变幅仰角αmax；
将下一时刻变幅仰角α´与最大可变幅仰角αmax比较，根据之间差值的不同，车载计算机（4）发送信号至控制装置（3），控制装置（3）控制作业车正常运行、减速运动、微动或停止；
作业臂回转防碰撞：
根据步骤三，若检测判断作业臂为回转动作，下一时刻回转角为θ´，则根据回转作业边界曲线，可以查询臂长L，仰角α的最大可回转θmax数据表，得到在臂长为L、仰角α位置的最大可回转角θmax；
将下一时刻回转角度θ´与最大可回转角θmax比较，根据之间差值的不同，车载计算机（4）发送信号至控制装置（3），控制装置（3）控制作业车正常运行、减速运动、微动或停止。
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