CN111402634A - 一种基于uwb定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统 - Google Patents

一种基于uwb定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111402634A
CN111402634A CN202010207988.4A CN202010207988A CN111402634A CN 111402634 A CN111402634 A CN 111402634A CN 202010207988 A CN202010207988 A CN 202010207988A CN 111402634 A CN111402634 A CN 111402634A
Authority
CN
China
Prior art keywords
equipment
positioning
virtual
central axis
electronic fence
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010207988.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111402634B (zh
Inventor
闫海生
吕培印
刘淼
王浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BEIJING AGILETECH ENGINEERING CONSULTANTS CO LTD
Original Assignee
BEIJING AGILETECH ENGINEERING CONSULTANTS CO LTD
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BEIJING AGILETECH ENGINEERING CONSULTANTS CO LTD filed Critical BEIJING AGILETECH ENGINEERING CONSULTANTS CO LTD
Priority to CN202010207988.4A priority Critical patent/CN111402634B/zh
Publication of CN111402634A publication Critical patent/CN111402634A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111402634B publication Critical patent/CN111402634B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
    • G08G1/16—Anti-collision systems
    • G08G1/166—Anti-collision systems for active traffic, e.g. moving vehicles, pedestrians, bikes
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons
    • G08B21/0202—Child monitoring systems using a transmitter-receiver system carried by the parent and the child
    • G08B21/0261—System arrangements wherein the object is to detect trespassing over a fixed physical boundary, e.g. the end of a garden
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons
    • G08B21/0202—Child monitoring systems using a transmitter-receiver system carried by the parent and the child
    • G08B21/0266—System arrangements wherein the object is to detect the exact distance between parent and child or surveyor and item
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons
    • G08B21/0202—Child monitoring systems using a transmitter-receiver system carried by the parent and the child
    • G08B21/0277—Communication between units on a local network, e.g. Bluetooth, piconet, zigbee, Wireless Personal Area Networks [WPAN]

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Child & Adolescent Psychology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统，设置方法包括以下步骤：S1、基于设备的结构计算设备虚拟外边界；S2、根据设备上作业部件的作业方法，计算作业部件虚拟外边界；S3、基于设备运行速度，设定安全阈值；S4、在设备虚拟外边界或/和作业部件虚拟外边界上，增加安全阈值所对应的区间，得到设备虚拟电子围栏，虚拟电子围栏在设备处于移动状态时启用，在静止时关闭。本申请通过计算物体的虚拟外边界，基于信号频率特性与物体的运行速度，精确设定安全阈值，在虚拟外边界外增加安全阈值范围，保证了虚拟电子围栏的精准度，减少了安全事故发生的几率，为安全生产提供保障。

Description

一种基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统
技术领域
本发明涉及人车防碰撞技术领域，尤其是涉及一种基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统。
背景技术
目前，各种机械设备越来越多地应用到生产建设的各方面，人与机械共处的机会也越来越多，机械设备的司机通过眼睛观察周边情况，判断视线范围内的其他人员分布，以此决定是否需要采取鸣笛、紧急制动等安全措施。然而在施工现场，由于视线盲区、噪音、照明不足及扬尘引起的作业环境能见度低、疲劳驾驶等因素，机械设备司机往往难以掌握作业影响区周边其他人员的分布情况，司机在作业过程中存在较大的安全隐患。
目前，采用人员、设备无线定位技术解决人员机械防碰撞这一类问题。无线定位技术领域可分为广域定位和短距离无线定位，广域定位可分为卫星定位和移动定位；短距离定位主要包括WLAN、RFID、UWB、蓝牙、超声波等。
与室外环境相比，在室内环境中感测位置信息并达到非常可观的精度是极具挑战性的，部分原因是各种物体反射和信号的分散、遮挡导致。超宽带UWB(Ultra WideBand)与其他定位技术相比，它具有更好的性能，如穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低等，具有更高的精度，更适用于室内定位。
目前，超宽带(UWB)在人机防碰撞方面，主要是通过安装在机械上的射频(定位基站)识别有源标签来检测行人的存在。在铁路大型养路机械四周角点和边缘按照一定规律布设UWB基站，在施工人员的安全帽或衣物等随身携带物品上安装定位标签。定位标签发射一定频率的高频窄脉冲；定位基站作为接收机通过接收定位标签发送的脉冲，测算出标签的二维坐标信息，并将坐标信息传递给后台服务器。服务器收到坐标信息后进行位置记录和运动趋势预测，并结合施工车辆的运动信息，对可能的碰撞风险进行预测和评估。当碰撞风险较大时，预警系统启动，同时对施工车辆司机、施工车辆作业员、车外施工人员同时进行危险报警，避免安全事故的发生。
多台定位基站安装在施工机械上，成本较高，基站易损坏。定位基站单台成本较高，在施工场地内机械较多的情况下，需要大量投入定位基站，无形中增加了成本投入。且基站布设在施工机械上，在轨道交通施工现场环境复杂、有限空间内作业，往往会碰撞、损坏定位基站，不但造成信号中断，而且增加了定位系统运维成本。
在轨道交通建设工程领域，人机处于同一环境，特别是在盾构土建内，人车的防碰撞技术还未应用，人、车碰撞事件时有发生。
因此，如何防止人车的碰撞，设定物体的安全范围，减少安全事故的发生机率，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统，将基站固定设置在作业现场，在机械与人员上设置定位标签，基于定位标签和物体的类型，分别设定机械各作业部件的虚拟外边界，在虚拟外边界的基础上，增加安全阈值范围，形成机械设备的虚拟电子围栏，对进入虚拟电子围栏的人或机械进行预警，实现了物体之间的防碰撞，提高了安全性。
本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法，设备上设置定位标签，基于设备的结构与作业方法，设定设备的虚拟电子围栏，包括以下步骤：
S1、基于设备的结构计算设备虚拟外边界；
S2、根据设备上作业部件的作业方法，计算作业部件虚拟外边界；
S3、基于设备运行速度，设定安全阈值；
S4、在设备虚拟外边界或/和作业部件虚拟外边界上，增加安全阈值所对应的区间，得到设备虚拟电子围栏。
本发明进一步设置为：步骤S1中，在设备的前后两端分别设置一个定位标签，计算设备虚拟外边界，包括以下步骤：
A1、连接前后定位标签，得到标签连线；
A2、将标签连线旋转，计算设备模拟中轴线两端的垂线；
A3、计算模拟中轴线两端与垂线的交叉点坐标；
A4、对交叉点坐标进行验证，获得交叉点最终坐标；
A5、根据交叉点最终坐标，得到设备模拟中轴线；
A6、对设备模拟中轴线做中垂线；
A7、根据定位标签与设备前后左右边界的距离，平移模拟中轴线、中垂线，得到的区域即为设备外边界。
本发明进一步设置为：各步骤具体为：
B1、通过前后定位标签的坐标，得到标签连线的表达式；
B2、根据前后定位标签与设备左右两边界的距离，计算标签连线旋转的角度表达式，根据旋转角度，列出设备模拟中轴线两端的垂线表达式；
B3、结合前后定位标签与设备左右两边界的距离，计算模拟中轴线两端与垂线的交叉点坐标；
B4、根据模拟中轴线的长度小于标签连线原则，对交叉点坐标进行验证，获得交叉点最终坐标；
B5、连接两个交叉点最终坐标，得到两垂线之间的设备模拟中轴线；
B6、对两垂线之间的模拟中轴线再做中垂线；
B7、结合前后定位标签与设备前后左右边界的距离，平移模拟中轴线、中垂线，得到的区域即为设备虚拟外边界。
本发明进一步设置为：设备前端的定位标签A的坐标为a(x1，y1)，后端的定位标签B的坐标为b(x2，y2)，则a、b两点之间的第一直线的方程为：
y＝k1x+b1 (1)；
式中，k1和b1均可由已知坐标(x1，y1)和(x2，y2)求得；
将第一直线旋转，得到模拟中轴线，其旋转角度α由下式表示：
Figure BDA0002421827440000041
式中，l1、l2分别表示A标签距设备右侧边界、左侧边界的估算距离，l3、l4分别表示B标签距设备右侧边界、左侧边界的估算距离；
在模拟中轴线的两端作垂线，前端垂线由下式表示：
y′＝k2x+b2 (3)
式中，
Figure BDA0002421827440000051
Figure BDA0002421827440000052
后端垂线由下式表示：
y″＝k3x+b3 (6)
式中，
Figure BDA0002421827440000053
Figure BDA0002421827440000054
根据下式，计算模拟中轴线与前端垂线的交叉点a′的坐标(x3，y3)：
Figure BDA0002421827440000055
根据下式，计算模拟中轴线与后端垂线的交叉点b′的坐标(x4，y4)：
Figure BDA0002421827440000056
采用下式，对公式(9、10)的解进行验证，得到a′、b′的正解：
Figure BDA0002421827440000057
过点a′、b′作直线，得到模拟中轴线，由下式表达：
y″′＝k4x+b4 (12)；
式中，k4和b4由(x3，y3)和(x4，y4)代入求解；
对模拟中轴线作中垂线，由下式表达：
y″″＝k5x+b5 (13)；
式中，
Figure BDA0002421827440000061
Figure BDA0002421827440000062
将中垂线沿模拟中轴线分别向前、向后平移距离d:
Figure BDA0002421827440000063
式中,d1、d2分别表示A标签距设备前端边缘估算距离、B标签距设备后端边缘估算距离；
将模拟中轴线沿中垂线分别向左、向右平移距离l:
Figure BDA0002421827440000064
平移后的四条直线所围成的区域，定位为设备的虚拟外边界。
本发明进一步设置为：步骤S2中，设备上作业部件的作业方法包括直线方式、旋转方式，对于直线方式，其虚拟外边界的设置方式与结构虚拟外边界的设置方式相同；对于旋转方式，以其旋转中心为圆心，以作业部件的长度在地面的投影为半径，设置虚拟外边界。
本发明进一步设置为：步骤S3中，根据设备的运行速度、定位标签的信号发射频率，计算安全阈值。
本发明进一步设置为：根据定位标签的信号发射频率，计算出信号发射周期T，结合设备与人员的运行速度，计算设备的安全阈值。
本发明进一步设置为：以设备的最高运行速度、人员的最快行进速度，计算设备的预警安全阈值；以设备的正常运行速度、人员的正常行进速度，计算设备的报警安全阈值。
本发明进一步设置为：根据信号发射频率、信号传输延迟，结合设备与人员的运行速度，计算设备的安全阈值。
本发明进一步设置为：还包括在设备静止状态时关闭虚拟电子围栏，在设备移动状态时启动虚拟电子围栏。
本发明进一步设置为：设备上设置定位标签，确定定位标签在上一时刻的第一坐标，及相隔设定时间间隔后下一时刻的第二坐标，根据第一坐标、第二坐标计算设备前后位置距离，若前后位置距离大于等于设定距离阈值，则判定设备处于移动状态中，若前后位置距离小于设定距离阈值，则判定设备处于静止状态中。
本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置系统，包括存储装置、控制中心，所述存储装置用于存储能够被控制中心加载并执行虚拟电子围栏设置方法的计算机程序，控制中心用于加载并执行虚拟电子围栏设置方法的计算机程序。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
1.本申请的方法，通过计算物体的虚拟外边界，基于安全阈值，设置物体的虚拟电子围栏，设定了物体的安全范围，对进入安全范围的物体进行预警，保证的生产的安全性；
2.进一步地，本申请的方法，通过机械设备上的定位标签，通过计算获得机械设备上各作业部件的虚拟外边界，为防碰撞提供了基础；
3.进一步地，本申请的方法，对各作业部件分别计算虚拟外边界，基于物体的行进速度，设置安全阈值，实现了虚拟电子围栏的合理设置，保证了安全范围的划定合理可行；
4.进一步地，本申请的方法，考虑到信号频率与信号的传输延迟，精确设定安全阈值，保证了虚拟电子围栏的精准度；
5.本申请的系统，采用虚拟电子围栏的设置方法，对基站范围内的机械设置安全范围，对进入机械安全范围的物体进行预警或报警，降低了防碰撞设备的成本，提高了安全性。
附图说明
图1是本发明的一个具体实施例的虚拟电子围栏设置方法流程示意图；
图2是本发明的一个具体实施例的长臂吊车的虚拟外边界的示意图；
图3是本发明的一个具体实施例的矩形虚拟电子围栏的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施例一
本发明的一种基于UWB定位的虚拟电子围栏设置方法，应用于物体的防碰撞技术中，在物体防碰撞技术中，包括基站、至少二个物体，物体之间的防碰撞方法，包括以下步骤：
S1、基站位置固定，每个物体上设置定位标签，基于UWB确定物体的位置；
S2、基于各物体的结构与运动方式，确定物体各部分的虚拟外边界；
S3、基于设备虚拟外边界，设定物体的虚拟电子围栏；
S4、当第二物体进入第一物体的虚拟电子围栏时，报警。
行走类机械设备包括混凝土罐车、运渣车；行走及旋转类机械设备包括挖掘机。
在本申请的一个具体实施例中，步骤S1中，物体包括人、机械设备，对于人体，设置一个定位标签，人体是一个运动的点。
对于机械设备，设置至少二个定位标签，用于确定设备的虚拟外边界与运动范围。
机械设备包括工程车辆。工程车辆包括行走类机械设备、行走及旋转类机械设备、长臂吊车、电瓶车。
行走类机械设备包括混凝土罐车、运渣车，行走类机械设备是整体运动的，在设备的前后分别设置一个定位标签，就能够确定物体的行走虚拟外边界。
行走及旋转类机械设备包括挖掘机，包括二个运动部分，分别用于行进与挖掘，因而需要分别设置运动范围，基于运动范围，确定机械的虚拟外边界。具体地，分别在机械设备的前后设置一个定位标签，用于确定机械的行走虚拟外边界，在作业部件的中心轴与顶端分别设置一个定位标签，用于确定运动虚拟外边界；或只在作业部件的轴心设置一个定位标签，用于确定运动虚拟外边界。
长臂吊车，包括三个运动部分，分别用于行进、吊臂运动、吊钩运动，同样需要分别进行确定虚拟外边界；在吊车的前后分别设置一个定位标签，用于确定行进虚拟外边界；在吊臂的前后两端分别设置一个定位标签，用于确定吊臂运动的虚拟外边界；在吊钩顶端设置一个定位标签，用于确定吊钩运动的虚拟外边界。
如图2所示，长臂吊车的行进虚拟外边界如矩形1所示，吊臂运动的虚拟外边界如矩形2所示，吊钩运动的虚拟外边界如圆形3所示。
步骤S2中，人体体积很小，其虚拟电子围栏为一个点。
基于机械的行走虚拟外边界，设置为矩形。
对于绕中心点转动的行动虚拟外边界，设置为以中心点为圆心的圆。
步骤S3中，基于设备虚拟外边界，增加至少一个安全阈值，形成物体的虚拟电子围栏范围。
在虚拟外边界外沿，再增加安全阈值范围，形成虚拟电子围栏。
增加二个安全阈值范围，在最外围形成预警区域，在次外围形成报警区域，保证安全。
因而，对于直线运动的作业部件，其虚拟电子围栏为矩形，对于绕中心点转动的作业部件，虚拟电子围栏为圆形。
安全阈值的设定，需要考虑定位标签发射信号频率、信号延迟时间、两个物体各自的行进速度，当二个物体的行进速度高时，相对行进的速度就高，安全阈值就越大；当信号的频率较低时，上次发射信号与本次发射信号的间隔就大，安全阈值越大；传输信号时的延迟时间越长，安全阈值越大。
物体的运动速度是一个区间范围的，人员、机械设备的正常行进速度要低于最高行进速度。如果以正常行进速度设定安全阈值，则可能引起安全隐患，因此，以两个物体的最高行进速度，计算预警安全阈值；以两个物体的正常行进速度，计算报警安全阈值；或以一个物体的正常行进速度，计算报警安全阈值。
具体实施例二
本发明的一种基于UWB定位的设备虚拟电子围栏的设置方法，如图1所示，包括以下步骤：
S11、基于设备的结构计算设备虚拟外边界；
S12、根据设备上作业部件的作业方法，计算作业部件虚拟外边界；
S13、基于设备运行速度，设定安全阈值；
S14、在设备虚拟外边界或/和作业部件虚拟外边界上，增加安全阈值所对应的区间，得到设备虚拟电子围栏。
在本申请的一个具体实施例中，步骤S11中，在设备的前后两端分别设置一个定位标签，计算设备虚拟外边界，包括以下步骤：
A1、连接前后定位标签，得到标签连线；
A2、将标签连线旋转，计算设备模拟中轴线两端的垂线；
A3、计算模拟中轴线两端与垂线的交叉点坐标；
A4、对交叉点坐标进行验证，获得交叉点最终坐标；
A5、根据交叉点最终坐标，得到设备模拟中轴线；
A6、对设备模拟中轴线做中垂线；
A7、根据定位标签与设备前后左右边界的距离，平移模拟中轴线、中垂线，得到的区域即为设备外边界。
一般情况下，机械设备按照中轴线左右对称。
考虑车载定位标签安装时的安全性和稳定性，以及考虑到机械设备本身的结构，定位标签安装时几乎不可能直接安装在机械设备的中轴线上，如图3所示。因此，需找到机械的计算中轴线。最后根据计算中轴线进行外扩，形成机械的计算外边界。
B1、通过前后定位标签的坐标，得到标签连线的表达式。
设机械设备前端的定位标签A的坐标为a(x1，y1)，后端的定位标签B的坐标为b(x2，y2)，则a、b两点之间的连线的方程表达式为：
y＝k1x+b1 (1)；
将坐标(x1，y1)和(x2，y2)代入表达式(1)，求解得到k1和b1的值。将此连线记为第一直线。
用l1、l2分别表示A标签距设备右侧边界、左侧边界的估算距离，l3、l4分别表示B标签距设备右侧边界、左侧边界的估算距离；此处设备右侧边界、左侧边界为设备的实际边界。
B2、根据前后定位标签与设备左右两边界的距离，计算标签连线旋转的角度表达式，根据旋转角度，列出设备模拟中轴线两端的垂线表达式；
将第一直线旋转，得到模拟中轴线，其旋转角度α由下式表示：
Figure BDA0002421827440000121
在模拟中轴线的两端作垂线，前端垂线表达式由下式表示：
y′＝k2x+b2 (3)
式中，
Figure BDA0002421827440000131
Figure BDA0002421827440000132
后端垂线表达式由下式表示：
y″＝k3x+b3 (6)
式中，
Figure BDA0002421827440000133
Figure BDA0002421827440000134
因为是同一条直线的垂线，其斜率相同，在表达式中k2、k3的取值是相同的。
B3、结合前后定位标签与设备左右两边界的距离，计算模拟中轴线两端与垂线的交叉点坐标。
根据下式，计算模拟中轴线与前端垂线的交叉点a′的坐标(x3，y3)；
Figure BDA0002421827440000135
根据下式，计算模拟中轴线与后端垂线的交叉点b′的坐标(x4，y4)；
Figure BDA0002421827440000136
求解得到(x3，y3)可能有两组解，同理，求解得到的(x4，y4)也可能有两组解。
B4、根据模拟中轴线的长度小于标签连线原则，对交叉点坐标进行验证，获得交叉点最终坐标。
采用下式进行验证：
Figure BDA0002421827440000141
满足公式(11)的解为正解，得到a′、b′的坐标。
B5、连接两个交叉点最终坐标，得到两垂线之间的设备模拟中轴线。
过点a′、b′作直线，得到模拟中轴线，由下式表达：
y″′＝k4x+b4 (12)；
将(x3，y3)和(x4，y4)代入公式(12)，求解得到k4和b4的值。
B6、对两垂线之间的模拟中轴线再做中垂线。
对模拟中轴线作中垂线，由下式表达：
y″″＝k5x+b5 (13)；
式中，
Figure BDA0002421827440000142
Figure BDA0002421827440000143
B7、结合前后定位标签与与设备前后左右边界的距离，平移模拟中轴线、中垂线，得到的区域即为设备外边界。
将中垂线沿模拟中轴线分别向前、向后平移距离d:
Figure BDA0002421827440000144
式中,d1、d2分别表示A标签距设备前端边缘估算距离、B标签距设备后端边缘估算距离；设备前端边缘、后端边缘是设备的实际边沿。
将模拟中轴线沿中垂线分别向左、向右平移距离l:
Figure BDA0002421827440000151
平移后的四条直线所围成的区域，定位为设备的虚拟外边界。
在虚拟外边界基础上，外扩范围Q1，形成报警电子围栏；在外扩范围Q1的基础上，再外扩范围Q2，形成预警电子围栏。
设人员所在位置为P，其坐标为p(x5，y5)，直线y″′＝k4x+b4与直线y″″＝k5x+b5的距离分别为：
Figure BDA0002421827440000152
Figure BDA0002421827440000153
人员闯入电子围栏的判别条件为：
①当L≤(1+Q1+Q2)且(d+Q1)<D≤(d+Q1+Q2)，或D≤(d+Q1+Q2)且(1+Q1)<L≤(1+Q1+Q2)时，判定人员闯入机械设备虚拟电子围栏-预警边界，并触发预警。
②当L≤(1+Q1+Q2)且D≤(d+Q1)，或
D≤(d+Q1+Q2)且L≤(1+Q1)时，
判定人员闯入机械设备虚拟电子围栏-报警边界，触发报警。
步骤S12中，设备上作业部件的作业方法包括直线方式、旋转方式，对于直线方式，其虚拟外边界的设置方式与结构虚拟外边界的设置方式相同；对于旋转方式，以其旋转中心为圆心，以作业部件的长度在地面的投影为半径，设置虚拟外边界。
圆形虚拟外边界的设置方式如下：
设定位标签C安装在接近旋转部件的旋转轴心部位，坐标为c(x0，y0)，旋转部件臂长水平最大投影距离为d0。
以虚拟中轴线轴心坐标外扩距离d0，形成旋转作业部件的虚拟外边界，由下式表示：
Figure BDA0002421827440000161
以c(x0，y0)点为圆心，R1为半径，形成虚拟电子围栏-报警边界，在R2为半径，形成虚拟电子围栏-预警边界；其中d0<R1<R2。
设人员所在位置为P，其坐标为p(x6，y6)，P点距离C的距离为：
Figure BDA0002421827440000162
人员闯入圆形电子围栏的判别条件为：
①当R≤R2时，判定人员闯入旋转部件虚拟电子围栏-预警边界，触发预警。
②当R≤R1时，判定人员闯入旋转部件虚拟电子围栏-报警边界，触发报警。
具体实施例三
本申请中，根据信号频率、信号延迟、物体行进速度确定设置安全阈值。
以下设定是为了方便说明安全阈值的计算方法，其数据不代表实际数值。
设定位标签的信号发射频率为2次/秒，即发射周期T为0.5秒。
设信息延迟时间t1为0.5秒。
设人员的最快行走速度V1＝1.5m/s，正常行走速度V2＝1m/s。
设机械在场内的最快行进速度V3＝5.5m/s，一般行进速度V4＝2.8m/s。最快行进速度相当于每小时20公里，一般行进速度相当于每小时10公里。
触发虚拟电子围栏的最大延迟时间t＝T+t1＝1秒。
安全阈值分以下几种情况进行讨论：
(1)人员最快行走速度与机械最快行进速度情况下，相对行进速度为两者之和：V′＝V3+V1＝8m/s，
考虑电子围栏的最大延迟时间t，则电子围栏最小外扩范围为：
Q′＝v′t＝8×1＝8(m)
(2)人员正常行走与机械一般移动情况下，人与机械的相对行进速度是：
V″＝V2+V4＝1+2.8＝3.8(m/s) (21)；
考虑电子围栏的最大延迟时间t，则电子围栏最小外扩范围为：
Q″＝V″t＝3.8×1＝3.8(m) (22)；
(3)人员静止与机械一般移动情况下，人与机械的相对行进速度是：
V″′＝0+V4＝0+2.8＝2.8 (m/s)
考虑电子围栏的最大延迟时间t，则电子围栏最小外扩范围为：
Q″′＝V″′t＝2.8×1＝2.8(m) (23)；
根据定位标签的信号发射频率，计算出信号发射周期T，结合设备与人员的运行速度，计算设备的安全阈值。
以设备的最高运行速度、人员的最快行进速度，计算设备的预警安全阈值；以设备的正常运行速度、人员的正常行进速度，计算设备的报警安全阈值。
根据信号发射频率、信号传输延迟，结合设备与人员的运行速度，计算设备的安全阈值。
矩形虚拟电子围栏的预警界限取值：Q1＝Q″′；
报警界限取值：Q2＝Q″-Q″′；
圆形虚拟电子围栏的预警界限取值：R1＝d0+Q″′
报警界限取值：R2＝d0+Q″
具体实施例四
本发明的虚拟电子围栏的开启与关闭，与设备的运动状态相关，在设备处于移动状态时，启用虚拟电子围栏，在设备处于静止状态时，关闭虚拟电子围栏。
设备运动状态的判断，设备在设定时间间隔前后之间的距离有关，当前一时间的坐标与后一时刻的坐标之间的距离大于等于设定距离阈值时，判定设备处于移动状态；反之，判定设备处于静止状态。
本申请的一个具体实施例中，设备由静止到移动的判别，其设定时间间隔为定位标签发射信号的周期，设机械设备一个定位标签在上一周期的坐标p1为(x7，y7)，在下一个周期的坐标p2为(x8，y8)，则前后时刻之间，两坐标之间的距离dp1为：
Figure BDA0002421827440000191
UWB定位的最高精度为M。而机械达到5M时，能够明确判定其处于移动状态。同时考虑车载定位标签的信号遮挡和传输稳定性，选取5M作为设定距离值。因此，当dp1≥5M时，判定为机械设备移动，机械设备电子围栏启动；当dp1＜5M时，判定为机械设备静止，机械设备电子围栏关闭。
一旦判定机械设备为移动状态，则启动电子围栏，电子围栏启动后，不再进行该判定。
设备由移动到静止的判别，在设定时间间隔的前后，定位标签的坐标分别为p3(x9，y9)、p4(x10，y10)，则两坐标之间的距离dp2为：
Figure BDA0002421827440000192
同样的，当dp2≥5M时，判定为机械设备移动，机械设备电子围栏启动；当dp2＜5M时，判定为机械设备静止，机械设备电子围栏关闭。
设定时间间隔是通过实践取得。
具体实施例五
本发明的一种基于UWB定位的虚拟电子围栏设置系统，包括三个基站、交换机、计算中心、N个定位标签，定位标签用于确定物体的大小、运动方向、运动范围，基站分别固定在土建工程中不同位置，交换机的一端分别与各基站连接，另一端与计算中心连接，用于进行数据传输，每个定位标签以设定频率发射脉冲信号。
计算中心包括存储器、控制器，存储器用于存储防碰撞计算机程序，控制器用于加载并执行防碰撞计算机程序。
计算中心采集定位标签数据，根据定位标签，计算机械设备的虚拟外边界，根据行进速度、发射信号频率、信号延迟时间确定机械设备的虚拟电子围栏；监测是否有第二物体进入所述第一物体的虚拟电子围栏，根据监测结果决定是否报警。
在土建工程中，物体包括行走类机械设备、行走及旋转类机械设备、长臂吊车、盾构电瓶车、人员；行走类机械设备的虚拟电子围栏为矩形；行走及旋转类机械设备的虚拟电子围栏为矩形围栏与圆形围栏的结合；
长臂吊车的虚拟电子围栏为吊车矩形围栏、长臂矩形围栏与吊钩圆形围栏的结合；盾构电瓶车的虚拟电子围栏为矩形，人员的虚拟电子围栏为矩形。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法，其特征在于：设备上设置定位标签，基于设备的结构与作业方法，设定设备的虚拟电子围栏，包括以下步骤：
S1、基于设备的结构计算设备虚拟外边界；
S2、根据设备上作业部件的作业方法，计算作业部件虚拟外边界；
S3、基于设备运行速度，设定安全阈值；
S4、在设备虚拟外边界或/和作业部件虚拟外边界上，增加安全阈值所对应的区间，得到设备虚拟电子围栏。
2.根据权利要求1所述基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法，其特征在于：步骤S1中，在设备的前后两端分别设置一个定位标签，计算设备虚拟外边界，包括以下步骤：
A1、连接前后定位标签，得到标签连线；
A2、将标签连线旋转，计算设备模拟中轴线两端的垂线；
A3、计算模拟中轴线两端与垂线的交叉点坐标；
A4、对交叉点坐标进行验证，获得交叉点最终坐标；
A5、根据交叉点最终坐标，得到设备模拟中轴线；
A6、对设备模拟中轴线做中垂线；
A7、根据定位标签与设备前后左右边界的距离，平移模拟中轴线、中垂线，得到的区域即为设备外边界。
3.根据权利要求2所述基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法，其特征在于：各步骤具体为：
B1、通过前后定位标签的坐标，得到标签连线的表达式；
B2、根据前后定位标签与设备左右两边界的距离，计算标签连线旋转的角度表达式，根据旋转角度，列出设备模拟中轴线两端的垂线表达式；
B3、结合前后定位标签与设备左右两边界的距离，计算模拟中轴线两端与垂线的交叉点坐标；
B4、根据模拟中轴线的长度小于标签连线原则，对交叉点坐标进行验证，获得交叉点最终坐标；
B5、连接两个交叉点最终坐标，得到两垂线之间的设备模拟中轴线；
B6、对两垂线之间的模拟中轴线再做中垂线；
B7、结合前后定位标签与设备前后左右边界的距离，平移模拟中轴线、中垂线，得到的区域即为设备虚拟外边界。
4.根据权利要求2或3所述基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法，其特征在于：
设备前端的定位标签A的坐标为a(x1，y1)，后端的定位标签B的坐标为b(x2，y2)，则a、b两点之间的第一直线的方程为：
y＝k1x+b1 (1)；
式中，k1和b1均可由已知坐标(x1，y1)和(x2，y2)求得；
将第一直线旋转，得到模拟中轴线，其旋转角度α由下式表示：
Figure FDA0002421827430000021
式中，l1、l2分别表示A标签距设备右侧边界、左侧边界的估算距离，l3、l4分别表示B标签距设备右侧边界、左侧边界的估算距离；
在模拟中轴线的两端作垂线，前端垂线由下式表示：
y′＝k2x+b2 (3)
式中，
Figure FDA0002421827430000031
Figure FDA0002421827430000032
后端垂线由下式表示：
y″＝k3x+b3 (6)
式中，
Figure FDA0002421827430000033
Figure FDA0002421827430000034
根据下式：
Figure FDA0002421827430000035
计算模拟中轴线与前端垂线的交叉点a′的坐标(x3，y3)；
根据下式：
Figure FDA0002421827430000036
计算模拟中轴线与后端垂线的交叉点b′的坐标(x4，y4)；
采用下式：
Figure FDA0002421827430000037
对公式(9、10)的解进行验证，得到a′、b′的正解；
过点a′、b′作直线，得到模拟中轴线，由下式表达：
y″′＝k4x+b4 (12)；
式中，k4和b4由(x3，y3)和(x4，y4)代入求解；
对模拟中轴线作中垂线，由下式表达：
y″″＝k5x+b5 (13)；
式中，
Figure FDA0002421827430000041
Figure FDA0002421827430000042
将中垂线沿模拟中轴线分别向前、向后平移距离d:
Figure FDA0002421827430000043
式中,d1、d2分别表示A标签距设备前端边缘估算距离、B标签距设备后端边缘估算距离；
将模拟中轴线沿中垂线分别向左、向右平移距离l:
Figure FDA0002421827430000044
平移后的四条直线所围成的区域，定位为设备的虚拟外边界。
5.根据权利要求1所述基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法，其特征在于：步骤S2中，设备上作业部件的作业方法包括直线方式、旋转方式，对于直线方式，其虚拟外边界的设置方式与结构虚拟外边界的设置方式相同；对于旋转方式，以其旋转中心为圆心，以作业部件的长度在地面的投影为半径，设置虚拟外边界。
6.根据权利要求1所述基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法，其特征在于：步骤S3中，根据设备的运行速度、定位标签的信号发射频率，计算安全阈值；以设备的最高运行速度、人员的最快行进速度，计算设备的预警安全阈值；以设备的正常运行速度、人员的正常行进速度，计算设备的报警安全阈值。
7.根据权利要求1所述基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法，其特征在于：根据定位标签的信号发射频率，计算出信号发射周期T，结合设备与人员的运行速度，计算设备的安全阈值；或根据信号发射频率、信号传输延迟，结合设备与人员的运行速度，计算设备的安全阈值。
8.根据权利要求1所述基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法，其特征在于：还包括在设备静止状态时关闭虚拟电子围栏，在设备移动状态时启动虚拟电子围栏。
9.根据权利要求8所述基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置方法，其特征在于：设备上设置定位标签，确定定位标签在上一时刻的第一坐标，及相隔设定时间间隔后下一时刻的第二坐标，根据第一坐标、第二坐标计算设备前后位置距离，若前后位置距离大于等于设定距离阈值，则判定设备处于移动状态中，若前后位置距离小于设定距离阈值，则判定设备处于静止状态中。
10.一种基于UWB定位的设备虚拟电子围栏设置系统，其特征在于：包括存储装置、控制中心，所述存储装置用于存储能够被控制中心加载并执行如权利要求1-9任意一项方法的计算机程序，控制中心用于加载并执行如权利要求1-9任意一项方法的计算机程序。
CN202010207988.4A 2020-03-23 2020-03-23 一种基于uwb定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统 Active CN111402634B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010207988.4A CN111402634B (zh) 2020-03-23 2020-03-23 一种基于uwb定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010207988.4A CN111402634B (zh) 2020-03-23 2020-03-23 一种基于uwb定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111402634A true CN111402634A (zh) 2020-07-10
CN111402634B CN111402634B (zh) 2021-05-18

Family

ID=71429107

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010207988.4A Active CN111402634B (zh) 2020-03-23 2020-03-23 一种基于uwb定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111402634B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111951529A (zh) * 2020-08-18 2020-11-17 福建省协晨建设工程有限公司 一种市政施工人员施工防护警示系统
CN114140992A (zh) * 2021-12-06 2022-03-04 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 电子围栏预警方法、装置、计算机设备和存储介质
CN116052223A (zh) * 2023-04-03 2023-05-02 浪潮通用软件有限公司 基于机器视觉识别作业区域人的方法、系统、设备及介质
US11898331B2 (en) 2020-12-02 2024-02-13 Caterpillar Sarl System and method for detecting objects within a working area

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1930593A (zh) * 2003-03-26 2007-03-14 勒费德公司 车辆接近警报系统和方法
US8726846B2 (en) * 2010-05-18 2014-05-20 Woodstream Corporation Custom-shape wireless dog fence system and method with reduced clock speed variation between multiple base units and collar
CN105225415A (zh) * 2015-09-30 2016-01-06 北京奇虎科技有限公司 地理位置监测方法及地理位置监测设备
US9276630B2 (en) * 2013-03-15 2016-03-01 Qualcomm Incorporated Low energy signaling scheme for beacon fencing applications
CN105701964A (zh) * 2014-12-15 2016-06-22 西门子公司 用于危险环境的动态虚拟围栏
CN108320451A (zh) * 2018-01-30 2018-07-24 上海电力学院 一种用于线路检修安全防护的虚拟围栏预警系统
CN109147272A (zh) * 2018-09-03 2019-01-04 国网天津市电力公司 基于超宽带uwb定位的变电站违规越线提示方法
CN110775105A (zh) * 2019-11-07 2020-02-11 交控科技股份有限公司 基于uwb在地铁车辆段进行列车监控的方法及系统

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1930593A (zh) * 2003-03-26 2007-03-14 勒费德公司 车辆接近警报系统和方法
US8726846B2 (en) * 2010-05-18 2014-05-20 Woodstream Corporation Custom-shape wireless dog fence system and method with reduced clock speed variation between multiple base units and collar
US9276630B2 (en) * 2013-03-15 2016-03-01 Qualcomm Incorporated Low energy signaling scheme for beacon fencing applications
CN105701964A (zh) * 2014-12-15 2016-06-22 西门子公司 用于危险环境的动态虚拟围栏
CN105225415A (zh) * 2015-09-30 2016-01-06 北京奇虎科技有限公司 地理位置监测方法及地理位置监测设备
CN108320451A (zh) * 2018-01-30 2018-07-24 上海电力学院 一种用于线路检修安全防护的虚拟围栏预警系统
CN109147272A (zh) * 2018-09-03 2019-01-04 国网天津市电力公司 基于超宽带uwb定位的变电站违规越线提示方法
CN110775105A (zh) * 2019-11-07 2020-02-11 交控科技股份有限公司 基于uwb在地铁车辆段进行列车监控的方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周喜平,姜斌: "车辆监控中电子围栏的设计与实现", 《电脑知识与技术》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111951529A (zh) * 2020-08-18 2020-11-17 福建省协晨建设工程有限公司 一种市政施工人员施工防护警示系统
US11898331B2 (en) 2020-12-02 2024-02-13 Caterpillar Sarl System and method for detecting objects within a working area
CN114140992A (zh) * 2021-12-06 2022-03-04 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 电子围栏预警方法、装置、计算机设备和存储介质
CN116052223A (zh) * 2023-04-03 2023-05-02 浪潮通用软件有限公司 基于机器视觉识别作业区域人的方法、系统、设备及介质

Also Published As

Publication number Publication date
CN111402634B (zh) 2021-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111402633B (zh) 一种基于uwb定位的物体防碰撞方法和土建工程防碰撞系统
CN111402634B (zh) 一种基于uwb定位的设备虚拟电子围栏设置方法和系统
CN109095356B (zh) 工程机械及其作业空间动态防碰撞方法、装置和系统
CA2904456C (en) Advanced warning and risk evasion system and method
CN107945574B (zh) 一种车辆碰撞预警方法、装置及设备
CN107807633A (zh) 一种路侧设备、车载设备以及自动驾驶感知方法及系统
CN108196286B (zh) 一种基于gps/rfid组合定位的缆机塔机防碰撞预警系统
CN103523055B (zh) 一种大坡度盾构隧道内运输车防碰撞预警系统及其工作方法
CN2905742Y (zh) 塔吊群协同作业安全监控装置
CN108062600A (zh) 一种基于矩形建模的车辆碰撞预警方法及装置
CN206900319U (zh) 一种汽车及其雷达布置结构
CN109095355A (zh) 作业空间防碰撞方法和系统、探测设备和控制设备
CN105486459A (zh) 变电站气体泄漏检测移动平台及检测方法
CN107139918A (zh) 一种车辆碰撞提示方法及车辆
CN110316056A (zh) 防止交通对象追尾方法、装置、计算机设备和存储介质
CN203047064U (zh) 一种防止车辆转弯时与非机动车发生碰撞的提示装置
CN109231012A (zh) 电站门座式起重机群碰撞防护智能控制系统
CN106218612A (zh) 一种汽车安全行驶的方法、装置以及终端
CN202077064U (zh) 一种用于机动车的车际网络管理系统
CN115123932A (zh) 一种塔机机群防碰撞控制方法、系统及介质
CN106646488A (zh) 车载道路障碍物检测系统
CN209401165U (zh) 一种用于道路安全的车辆检测系统
CN104609207A (zh) 一种料场堆取料机防撞控制方法
CN113490273B (zh) 基于uwb定位的轨道车溜车预警方法、系统及介质
JP2981943B2 (ja) 作業機械の警報システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant