CN109993935A - 一种施工机械定位及其安全区域监测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种施工机械定位及其安全区域监测的装置及其使用方法，目的在于监测施工机械或其运动部件的作业位置，确保其在安全区域内。本发明采用了激光测距加图像识别跟踪方案，通过测量施工机械到图像采集装置的距离及相关的角度，计算出施工机械的相对坐标，并判断是否在设定的安全区域内。本方案包含测距靶标、激光测距仪，两轴云台，图像采集装置、靶标识别单元、云台控制单元、角度测量装置、位置计算单元、通信装置、安全区域判别单元、报警装置。应用本发明的装置和方法，能够减少施工事故，减少财产的损失和人员的伤亡，克服安全警示牌和围栏在复杂施工环境下的局限性。

Description

一种施工机械定位及其安全区域监测的装置和方法

技术领域

本发明涉及施工安全保护领域，特别涉及一种施工机械定位及其安全区域监测的装置和方法。

背景技术

吊车、塔吊、挖掘机、叉车、铲车、压路机，高空作业车，混凝土泵车等施工机械或工程机械被广泛使用。在很多施工现场中，存在一些区域禁止某些施工机械进入作业，如容易垮塌的地面、地下管网上方地面；有些地方是不能触碰的，如带电设备，高架桥等；有些地方甚至要远远避开的，如电压1万以上的架空电力线，其周围有感应电，要保持足够的安全距离。目前的做法是设置警示牌或安全围栏，但是这种传统的方法有较大的局限性：

1)这些危险区域有的在空中，有的隐蔽在地下，很多时候不方便设置警示牌或围栏。

2)很多施工机械的部件，例如吊车的吊臂和吊钩、泵车的悬臂，高空作业车的升降台，其活动范围很大。例如，在架空电力线的下方施工，吊车的吊臂有触碰的危险，地面围栏能限制吊车车身，但无法限制吊臂的升高和转动范围，即使能在高空挂警示牌也难以保证安全，因为吊车操作员要密切注意被吊物体和地面位置，难以兼顾吊臂顶端是否触碰电线；

3)不同的施工机械设备有不同的限制，设置警示牌或围栏影响施工的便利，难以既保证安全又不影响施工效率。例如有些施工现场地面不能通过重型设备，如果用围栏防护，尽管安全了，但会使得本可以通过的小型车辆和人员不方便，影响施工效率；

4)施工现场比较混乱，各种设备、人员混合作业，施工机械操作员长时间在恶劣环境下工作，难以保持清醒头脑，加上往来人员和设备的遮挡，有时疏忽或看不到警示牌，以致酿成事故，造成人员和财产的重大损失，这样的事例不少，如吊车触碰电线、挖掘机挖坏地下管道、高空作业车人员触碰电线等。

总之，目前施工现场使用警示牌或围栏的方法有其局限性，对于复杂的施工现场，有必要使用新的科技手段。

要确认施工机械是否在安全区域内，首先要对其进行定位，目前广泛使用的定位方法是卫星定位，如GPS、北斗定位等，但民用卫星定位精度目前不能达到10米以下，有报道说最新的卫星定位精度有较大提高，但是目前尚未有大规模商业应用，而且卫星定位的精度受信号和环境影响，变动范围很大，容易被干扰，其理论上的精度值只有在空旷地面的理想状态下才能达到，如有树木、高楼或高架桥遮挡，常常无法正常工作，此外要搜星，运动中响应慢，显然无法提供可靠的安全警示，必须要找其他方案。

发明内容

本发明的目的在于监测施工机械(指轮式或履带式可行驶施工机械、塔吊等，不包括个人的、小型的施工工具)或其运动部件的作业位置，确保其在安全区域内。

要达到该目的，首先要定位施工机械的位置，该位置是相对于安全区域的，不必获得经纬度，可以通过建立本地参考坐标系定位。

根据施工现场及施工机械的特点概况几个一般性的定位要求：

1)能在室外、室内、地下矿井、坑道等多种复杂的施工环境中使用，

2)能进行长、宽、高3个维度的监测，

3)能满足大部分施工机械和现场的定位精度要求。

为解决上述技术问题，本发明采用了激光测距加图像识别跟踪方案，通过测量施工机械到图像采集装置的距离及相关的角度，计算出施工机械的相对坐标，并判断是否在设定的安全区域内。

本发明提供了一种施工机械定位及其安全区域监测的装置，所述装置包含测距靶标、激光测距仪，两轴云台，图像采集装置、靶标识别单元、云台控制单元、角度测量装置、位置计算单元、通信装置、安全区域判别单元和报警装置；

所述测距靶标是所述激光测距仪的反射目标，该测距靶标安装于用于施工的施工机械上；

所述两轴云台安装于地面，用于调整安装于两轴云台上的图像采集装置和激光测距仪的方向，以使图像采集装置镜头中心对准所述测距靶标的中心，并使激光测距仪指向所述测距靶标；

所述图像采集装置设于所述两轴云台上,所采集的图像输出到所述靶标识别单元；

所述靶标识别单元用于在所述图像采集装置采集的整幅图像中识别出测距靶标图像的轮廓，计算该轮廓中心到整幅图像中心的纵向和横向误差，并将纵向和横向误差反馈给所述云台控制单元；如靶标识别单元无法识别，报警，等待操作员介入；

所述云台控制单元运行公知的自动控制算法，由所述纵向和横向误差计算出控制参数，所述两轴云台根据控制参数进行调节，带动所述激光测距仪与所述图像采集装置做水平旋转和仰俯转动，以使所述图像采集装置镜头中心持续对准所述测距靶标的中心；

所述激光测距仪设于所述两轴云台上，且与所述图像采集装置镜头中心的指向相同，用于测算所述图像采集装置与测距靶标之间的距离R，并将R通过通信装置发送到所述位置计算单元；

所述角度测量装置固定在两轴云台上，用于测量所述两轴云台的两个转轴的转动角度，并通过通信装置发送角度值到所述位置计算单元；

所述位置计算单元根据接收到的距离R和所述两轴云台的两个转轴的转动角度，计算出所述测距靶标的中心的坐标；

所述安全区域判别单元判断测距靶标的中心坐标是否在预设的安全区域内，如判断结果为否，则所述安全区域判别单元向所述报警装置发送报警信息；

所述通信装置用于实现激光测距仪，图像采集装置、靶标识别单元、两轴云台、云台控制单元、角度测量装置、位置计算单元、安全区域判别单元、报警装置之间的数据传输。

优选地，所述测距靶标的外形为球状、半球状或球冠状。

优选地，所述两轴云台包括俯仰转轴和水平转轴，俯仰转轴使图像采集装置做俯仰运动，水平转轴使图像采集装置做水平旋转，水平转轴的轴心线垂直于水平面且轴心线的延长线通过俯仰转轴的几何中心点；

所述图像采集装置安装于俯仰转轴上，图像采集装置的几何中心点和俯仰转轴的几何中心点重合。

优选地，本地xyz直角坐标系和角度计算，所述本地xyz直角坐标系以所述图像采集装置的几何中心点为坐标原点，所述x轴和y轴与水平面平行，z轴垂直于水平面；

俯仰角是所述图像采集装置镜头的中轴线相对xy水平面的角度α；

水平旋转角是所述图像采集装置镜头的中轴线在xy平面的垂直投影相对于x轴的角度β。

优选地，所述位置计算单元根据接收到的R、α和β值，计算出测距靶标的中心的横坐标x，纵坐标y，竖坐标z；其计算公式为：

z＝R*sinα,x＝R*cosα*cosβ,y＝R*cosα*sinβ。

优选地，所述的测距靶标的外形为球状、半球状或球冠状；

所述位置计算单元根据接收到的R、α和β值，计算出测距靶标的中心的横坐标x，纵坐标y，竖坐标z；其计算公式为：

z＝(R+r)*sinα,x＝(R+r)*cosα*cosβ,y＝(R+r)*cosα*sinβ

其中r是测距靶标的半径。

优选地，施工机械上安装有一台程序计算设备，作为所述靶标识别单元、云台控制单元、位置计算单元和安全区域判别单元的硬件。

优选地，所述两轴云台或与两轴云台相连接的装置上有一台程序计算设备，作为靶标识别单元、云台控制单元和位置计算单元的硬件；所述施工机械上安有另一台程序计算设备，作为所述的安全区域判别单元的硬件，两台程序计算设备之间用wifi通信。

优选地，所述两轴云台或与两轴云台相连接的装置上有一台程序计算设备，作为所述的靶标识别单元、云台控制单元、位置计算单元和安全区域判别单元的硬件。

本发明还提供了一种所述装置施工机械定位及其安全区域监测方法，包括以下步骤：

(1)初始化：预设施工机械的安全区域和坐标系，调整两轴云台的角度，使图像采集装置采集到的图像中包含测距靶标的图像；

(2)靶标识别单元识别出测距靶标图像的轮廓，计算该轮廓中心到整幅图像中心的纵向和横向误差，误差以像素为单位，并将所述误差反馈给所述云台控制单元；如靶标识别单元无法识别，报警，等待操作员介入；

(3)所述云台控制单元根据所述误差对所述两轴云台进行自动控制，调节两轴云台角度，使得图像采集装置镜头中心对准测距靶标的中心；

(4)所述激光测距仪测量所述图像采集装置与所述测距靶标之间的距离R,所述角度测量装置测量所述两轴云台的水平旋转角β及俯仰角α；

(5)所述位置计算单元计算所述测距靶标中心的坐标；

(6)所述安全区域判别单元判断所述测距靶标的坐标是否在安全区域内，如果判别结果为是，则进入步骤(7)；如果判别结果为否，则所述安全区域判别单元向所述报警装置发送报警信息，等待操作人员介入；

(7)如施工结束，停机，否则到步骤2。

本发明与现有技术相比具有以下优势和有益效果：

应用本发明的装置和方法，能够有效监测施工机械及其部件是否在安全区域内作业，克服安全警示牌和围栏在复杂施工环境下的局限性，减少施工事故，减少财产的损失和人员的伤亡。进一步，本发明不限于用于施工机械，还可以用于在固定范围内定位和监测各种运动的物体，如工厂内的机器人等。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的安全区域及坐标系平面示意图；

图3是本发明的方法程序流程图。

具体实施方式

在本例中，把云台和测量云台轴的角度传感器看作两个部分；通信装置是一个总称，指物理和逻辑意义上用于传输数据的全部装置，包括但不限于通信线路、接口、功能模块、设备；程序计算设备指具有程序运算功能的硬件装置，包括但不限于单片机、数据处理专用芯片、可编程控制器、智能手机或计算机等。下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示,一种施工机械定位及其安全区域监测的装置的系统结构示意图,包括测距靶标1，摄像机2，激光测距仪3，两轴云台(包括俯仰转轴4和水平转轴5)，吊车吊臂6，报警喇叭7，电脑8，吊臂操控室9，单片机10。本实施例的目标是监测吊车的吊臂顶端，确保其在安全区域内运动，防止其靠近某些建筑物、带电设备、高压线。

本实施例中测距靶标1固定于吊车吊臂6的顶端，其球状外形可使得拍摄的测距靶标图像形状不受到吊臂转动的影响，定位精度相对其他形状靶标更高。图像采集装置采用摄像机2，安装于两轴云台的俯仰转轴4上，摄像机2的几何中心点(长、宽、高的中点)与两轴云台的俯仰转轴4的几何中心点重合，俯仰转轴4可使摄像机做俯仰运动，水平转轴5可使得摄像机2在水平面旋转，转轴5的轴向垂直于水平面，5的轴心线垂直于水平面且其延长线通过转轴4的几何中心点。由公知技术可知，通过2个轴的调整，可使得摄像机对准靶标，于是激光测距仪3可测得摄像机2到靶标1的距离R。

云台俯仰转轴4上安有角度传感器，可测得俯仰角α，云台水平转轴5也安有角度传感器，可测得水平旋转角β。云台上还装有wifi通信模块和单片机10，将R，α、β值和摄像机所拍摄图像发送给电脑8。电脑8安装在吊车的吊臂操控室9。

图2为俯视图，x轴和y轴与水平面平行，z轴垂直于水平面，坐标系原点在摄像机2的几何中心点。摄像机2镜头的中轴线在xy平面的垂直投影与坐标系x轴所夹的角度为β，安全区域11的边界形状和位置要在施工作业前测得，并录入电脑8(图1)中的安全区域判别单元，如靶标1的运动超出安全区域11，警报器7(图1)就报警。

由图1，图2可知，测距靶标中心的坐标(x,y,z)计算公式为：

z＝R*sinα,x＝R*cosα*cosβ,y＝R*cosα*sinβ,

其中R为从摄像机到靶标的距离值，如果采用长筒状摄像机，其长度影响精度，就以长筒状摄像机的几何中心点为距离测量端点。z为靶标1相对于摄像机2中心的高度。此处忽略测距靶标的半径r，因其远小于R，在定位精度容许范围之内。如需更高的定位精度，可将测距靶标的半径r加入，则公式修正为：

z＝(R+r)*sinα,x＝(R+r)*cosα*cosβ,y＝(R+r)*cosα*sinβ。

以上坐标计算由位置计算单元完成。位置计算单元、靶标识别单元、云台控制单元和安全区域判别单元由电脑8运行。电脑8可采用台式机、笔记本电脑或平板电脑，还可采用单片机、数据处理专用芯片、可编程控制器或手机等类似于计算机的程序运算装置。云台控制单元根据公知控制算法给出云台的控制参数，通过wifi发送给云台上的单片机，控制云台的运动。此外，另一个方案是：靶标识别单元、云台控制单元、位置计算单元由云台上的单片机10执行，安全区域判别单元由电脑8执行，定位数据由单片机10发给电脑8。以上两个方案各有优点，前一方案集中运行，便于统一管理调试，后一方案需要传输的数据少，实时性强，抗干扰强。总之，靶标识别单元、云台控制单元、位置计算单元、安全区域判别单元可根据实际需要，灵活地分配给电脑8和单片机10执行，此外它们也可以做成独立的软硬一体的装置，因为每个单元的功能都是独立的。

图3为方法的程序流程图，整个系统工作流程如下：

(1)、初始化。设定本地坐标系方向，摄像机2的中心为本地坐标系的原点，以该原点为基准计算所述安全区域的参数并输入安全区域判别单元。调整云台角度，使得摄像机能拍摄到测距靶标。

(2)、靶标识别单元识别出靶标图像的轮廓，计算该轮廓中心到整幅图像中心的纵向和横向误差，误差以像素为单位，并将所述误差反馈给所述云台控制单元。如无法识别，报警，等待操作员介入。

(3)、所述云台控制单元根据所述误差对所述云台进行自动控制，调节其角度,使得摄像机2指向靶标1中心。

(4)、激光测距仪3测量距离R,角度测量装置测量所述云台的水平角及俯仰角。

(5)、所述位置计算单元计算测距靶标1的坐标。

(6)、所述安全区域判别单元判断测距靶标1的坐标是否在安全区域内，如在其内就到步骤7，否则就报警，并等待操作人员介入。

(7)、如施工结束，停机，否则到步骤2。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种施工机械定位及其安全区域监测的装置，其特征在于，所述装置包含测距靶标、激光测距仪，两轴云台，图像采集装置、靶标识别单元、云台控制单元、角度测量装置、位置计算单元、通信装置、安全区域判别单元和报警装置；

所述测距靶标是所述激光测距仪的反射目标，该测距靶标安装于用于施工的施工机械上；

所述两轴云台安装于地面，用于调整安装于两轴云台上的图像采集装置和激光测距仪的方向，以使图像采集装置镜头中心对准所述测距靶标的中心，并使激光测距仪指向所述测距靶标；

所述图像采集装置设于所述两轴云台上,所采集的图像输出到所述靶标识别单元；

所述靶标识别单元用于在所述图像采集装置采集的整幅图像中识别出测距靶标图像的轮廓，计算该轮廓中心到整幅图像中心的纵向和横向误差，并将纵向和横向误差反馈给所述云台控制单元；如靶标识别单元无法识别，报警，等待操作员介入；

所述云台控制单元运行公知的自动控制算法，由所述纵向和横向误差计算出控制参数，所述两轴云台根据控制参数进行调节，带动所述激光测距仪与所述图像采集装置做水平旋转和仰俯转动，以使所述图像采集装置镜头中心持续对准所述测距靶标的中心；

所述激光测距仪设于所述两轴云台上，且与所述图像采集装置镜头中心的指向相同，用于测算所述图像采集装置与测距靶标之间的距离R，并将R通过通信装置发送到所述位置计算单元；

所述角度测量装置固定在两轴云台上，用于测量所述两轴云台的两个转轴的转动角度，并通过通信装置发送角度值到所述位置计算单元；

所述位置计算单元根据接收到的距离R和所述两轴云台的两个转轴的转动角度，计算出所述测距靶标的中心的坐标；

所述安全区域判别单元判断测距靶标的中心坐标是否在预设的安全区域内，如判断结果为否，则所述安全区域判别单元向所述报警装置发送报警信息；

所述通信装置用于实现激光测距仪，图像采集装置、靶标识别单元、两轴云台、云台控制单元、角度测量装置、位置计算单元、安全区域判别单元、报警装置之间的数据传输。

2.根据权利要求1所述的施工机械定位及其安全区域监测的装置，其特征在于，所述测距靶标的外形为球状、半球状或球冠状。

3.根据权利要求1所述的施工机械定位及其安全区域监测的装置，其特征在于，所述两轴云台包括俯仰转轴和水平转轴，俯仰转轴使图像采集装置做俯仰运动，水平转轴使图像采集装置做水平旋转，水平转轴的轴心线垂直于水平面且轴心线的延长线通过俯仰转轴的几何中心点；

所述图像采集装置安装于俯仰转轴上，图像采集装置的几何中心点和俯仰转轴的几何中心点重合。

4.根据权利要求3所述的施工机械定位及其安全区域监测的装置，其特征在于，本地xyz直角坐标系和角度计算，所述本地xyz直角坐标系以所述图像采集装置的几何中心点为坐标原点，所述x轴和y轴与水平面平行，z轴垂直于水平面；

俯仰角是所述图像采集装置镜头的中轴线相对xy水平面的角度α；

水平旋转角是所述图像采集装置镜头的中轴线在xy平面的垂直投影相对于x轴的角度β。

5.根据权利要求4所述的施工机械定位及其安全区域监测的装置，其特征在于，所述位置计算单元根据接收到的R、α和β值，计算出测距靶标的中心的横坐标x，纵坐标y，竖坐标z；其计算公式为：

z＝R*sinα,x＝R*cosα*cosβ,y＝R*cosα*sinβ。

6.如权利要求4所述的施工机械定位及其安全区域监测的装置，其特征在于，所述的测距靶标的外形为球状、半球状或球冠状；

所述位置计算单元根据接收到的R、α和β值，计算出测距靶标的中心的横坐标x，纵坐标y，竖坐标z；其计算公式为：

z＝(R+r)*sinα,x＝(R+r)*cosα*cosβ,y＝(R+r)*cosα*sinβ

其中r是测距靶标的半径。

7.如权利要求1所述的施工机械定位及其安全区域监测的装置，其特征在于，施工机械上安装有一台程序计算设备，作为所述靶标识别单元、云台控制单元、位置计算单元和安全区域判别单元的硬件。

8.如权利要求1所述的施工机械定位及其安全区域监测的装置，其特征在于，所述两轴云台或与两轴云台相连接的装置上有一台程序计算设备，作为靶标识别单元、云台控制单元和位置计算单元的硬件；所述施工机械上安有另一台程序计算设备，作为所述的安全区域判别单元的硬件，两台程序计算设备之间用wifi通信。

9.如权利要求1所述的施工机械定位及其安全区域监测的装置，其特征在于，所述两轴云台或与两轴云台相连接的装置上有一台程序计算设备，作为所述的靶标识别单元、云台控制单元、位置计算单元和安全区域判别单元的硬件。

10.一种利用权利要求1所述装置的施工机械定位及其安全区域监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化：预设施工机械的安全区域和坐标系，调整两轴云台的角度，使图像采集装置采集到的图像中包含测距靶标的图像；

(2)靶标识别单元识别出测距靶标图像的轮廓，计算该轮廓中心到整幅图像中心的纵向和横向误差，误差以像素为单位，并将所述误差反馈给所述云台控制单元；如靶标识别单元无法识别，报警，等待操作员介入；

(3)所述云台控制单元根据所述误差对所述两轴云台进行自动控制，调节两轴云台角度，使得图像采集装置镜头中心对准测距靶标的中心；

(4)所述激光测距仪测量所述图像采集装置与所述测距靶标之间的距离R,所述角度测量装置测量所述两轴云台的水平旋转角β及俯仰角α；

(5)所述位置计算单元计算所述测距靶标中心的坐标；

(6)所述安全区域判别单元判断所述测距靶标的坐标是否在安全区域内，如果判别结果为是，则进入步骤(7)；如果判别结果为否，则所述安全区域判别单元向所述报警装置发送报警信息，等待操作人员介入；

(7)如施工结束，停机，否则到步骤2。