CN111879308A - 一种基于位姿感知技术的智能塔机安全监控系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于位姿感知技术的智能塔机安全监控系统，包括：塔机黑匣子主控、视频监测系统、位姿感知装置和塔机在线监控平台。本发明针对传统的塔机，运用视频监控技术、端部位姿感知技术、塔机状态监测技术和无线通讯传输技术，对塔机进行全方位的状态监测，保证塔机在工作状态和非工作状态下的实时监测，记录反馈塔机实时参数，并能够在塔机作业过程中对塔机产生的危险信号进行预警，其危险信号超出规范值时，能够对塔机动作进行限位控制，极大的保障塔机工作的安全性。
Description
技术领域
本发明公开一种基于位姿感知技术的智能塔机安全监控系统及实现方法， 属于塔式起重机施工控制的技术领域。
背景技术
塔式起重机(以下简称塔机)作为建筑行业中被广泛应用的垂直运输机械， 因其工作覆盖面积大，配合性极强，协作面广泛、操作灵活、安装拆卸简单等 一系列的特点，对减轻建筑行业的人力资源、节省建设成本、提高工作效率、 减少劳动强度等方面起着极其重要的作用。伴随着塔式起重机在建筑行业的日 益显著的作用，如何保证塔机安全智能的进行作业，避免安全事故的发生就显 的尤为重要。
但现如今塔机技术虽在新时代的冲击下得到了发展，但其技术领域仍然处 在相对传统的水平，塔机由于其应用领域和技术水平的特殊性，塔机依旧在沿 袭传统的技术手段。加之近几年塔机事故频发，不断的警醒人们要对塔机行当 进行改革，实现塔机的智能化，安全化已是迫在眉睫。
故基于此，塔机行业急需一种既能保证塔机安全高效的进行施工作业，又 能对塔机进行全状态的安全监控，排查其作业隐患的塔机智能操作系统及方法。
发明内容
为解决上述存在的一系列技术问题，本发明提供一种基于位姿感知技术的 智能塔机安全监控系统。
本发明还公开一种利用上述监控系统实现对塔机位姿感知状态监控的方 法。
本发明的目的是为了运用视频监控、塔机位姿感知技术、塔机安全状态监 测及危险状态预警等相关先进技术，实现塔机的智能化作业。
本发明的技术方案是：
一种基于位姿感知技术的智能塔机安全监控系统，其特征在于，包括：塔 机黑匣子主控、视频监测系统、位姿感知装置和塔机在线监控平台；
所述塔机黑匣子主控包括：传感器、防碰撞模块、身份识别模块、强电控 制单元、无线传输模块和触摸屏显示器；
所述身份识别模块、强电控制单元和触摸屏显示器均采用有线的方式连接、 布置在司机室内；所述传感器分布在塔机的待测位置，并通过有线方式连接；
所述视频监测系统包括安装在塔机上的摄像头、安装在司机室内的高亮液 晶显示屏和无线网络通讯模块；所述摄像头通过有源以太网连接，所得视频信 号经由无线网络通讯模块上传带所述塔机在线监控平台进行管理储存；
所述位姿感知装置安装在塔机的回转支承以上部位，与所述塔机黑匣子主 控进行有线连接。
一种利用上述监控系统实现对塔机位姿感知状态监控的方法，其特征在于， 所述塔机黑匣子主控中：
所述传感器包括高度传感器，用于采集塔机高度；幅度传感器，用于采集 变幅小车位移；重量传感器，用于采集塔机起吊物重量；回转传感器，用于采 集塔机回转角度；风速仪，用于采集塔机周围的实时风速情况；
所述防碰撞模块在群塔环境下工作时，基于传感器采集塔机状态信息，通 过无线传输模块将多个塔机所采集的信息进行信息交互，处理得到塔机在群塔 环境下的防碰撞安全区域，并控制塔机避开危险区域；
所述身份识别模块，用于对操作人员进行身份验证，并记录操作人员开始 作业时间和结束作业时间，
所述强电控制单元连接到塔机电控柜中，当传感器所采集参数超过塔机独 立运行的安全阈值时，对塔机进行限位控制；
所述触摸屏显示器用于显示黑匣子主控中的各类参数，包括但不限于：
实时采集到的：塔机高度、塔机幅度、塔机起升重量、塔机起重力矩、风 速；
每次对塔机操作的：操作人员身份信息；
提前加载在黑匣子主控中的：塔机在群塔环境下的防碰撞安全区域、塔机 独立运行的安全阈值；
所述无线传输模块通过无线通讯的方式将所采集塔机实时状态参数上传到 塔机在线监控平台。
根据本发明优选的，所述视频监测系统中，所述摄像头包括安装在司机室 摄像头，用于拍摄司机工作状态；起升卷扬机摄像头，用于拍摄卷扬机上钢丝 绳的排线；吊钩摄像头，安装在起重臂尖端，用于拍摄吊钩状态；
所述高亮液晶显示屏安装在司机室内，用于显示摄像头拍摄画面，辅助司 机作业；
所述无线网络通讯模块，用于将上述采集到的视频经无线通讯上传到所述 塔机在线监控平台。
根据本发明优选的，所述视频监测系统为高清网络摄像机IPC设置多个视 频系统位置，用于对塔机进行全方位视频监测；优选的，所述吊钩摄像头对吊 钩进行自动变焦追踪，用于捕捉运动状态下的吊钩。
根据本发明优选的，所述位姿感知装置用于采集塔机塔身顶端的位姿变化 的状态数据，通过建立塔身钢结构完好状态刚度空间模型，在模型坐标系x’， y’，z’内划定塔机顶端安全位移区域，在塔机出现前倾，后倾和侧向倾斜不 同状态时，位姿感知装置采集塔机不同状态的位姿点，规定塔机塔身顶端端点 坐标(x,y)在划定的安全位移区域之内，则判定为塔机处于安全状态；塔机塔 身顶端端点坐标(x,y)在划定的安全位移区域之外，则判定为塔机处于危险状 态。
根据本发明优选的，所述塔机在线监控平台，用于储存塔机实时状态参数 是否超出防碰撞安全区域、塔机独立运行时是否超出安全阈值；用于储存视频 监测系统所采集到的塔机视频影像；用于储存塔机塔身顶端位姿变化状态；同 时储存：来自塔机黑匣子主控中针对塔机超出防碰撞安全区域、塔机独立运行 时超出安全阈值的报警数据；来自位姿感知装置针对塔机处于危险状态时的报 警数据；具有访问权限的用户通过网络登录塔机在线监控平台实时查看塔机视 频影像。
本发明的有益之处：
本发明针对传统的塔机，运用视频监控技术、端部位姿感知技术、塔机状 态监测技术和无线通讯传输技术，旨在实现塔机的数字化和智能化技术，对塔 机进行全方位的状态监测，保证塔机在工作状态和非工作状态下的实时监测， 记录反馈塔机实时参数，并能够在塔机作业过程中对塔机产生的危险信号进行 预警，其危险信号超出规范值时，能够对塔机动作进行限位控制，极大的保障 塔机工作的安全性。
附图说明
附图1，为本发明一种基于位姿感知技术的智能塔机安全监控系统在塔机 上的安装分布图；
在附图1中，强电控制单元点位1、卷扬机摄像机点位2、风速仪点位3、 重量传感器点位4、幅度传感器点位5、吊钩跟踪摄像机点位6、司机室摄像机 点位7、塔机黑匣子主控点位8、触摸器显示屏点位9、高亮液晶显示屏点位10、 高度传感器点位11、高度传感器点位、位姿感知装置点位12、回转传感器点位 13；
附图2，为本发明塔机在线监控平台的终端示意图；
在附图2中，塔机在线监控平台的终端14；
附图3，为本发明的系统组成示意图；
在附图3中，塔机黑匣子主控100、位姿感知装置200、视频监测系统300 和塔机在线监控平台400；身份识别模块110、强电控制单元120、传感器130、 触摸屏显示器140、防碰撞模块150和无线传输模块160；摄像头310、高亮液 晶显示屏320、无线网络通讯模块330；
附图4，为本发明塔机塔身顶端位姿感知装置建立x’，y’，z’模型坐标 示意图；
附图5，为实施例中塔机塔身顶端位姿感知装置建立塔机完好状态下塔机 塔身顶端端点安全区域图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义，基于本发明中的实施例，本领域普通技术 人员在没有做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。
实施例1、
如图2、3所示。
一种基于位姿感知技术的智能塔机安全监控系统，包括：塔机黑匣子主控 100、视频监测系统300、位姿感知装置200和塔机在线监控平台400；
所述塔机黑匣子主控100包括：传感器130、防碰撞模块150、身份识别模 块110、强电控制单元120、无线传输模块160和触摸屏显示器140；
所述身份识别模块110、强电控制单元120和触摸屏显示器140均采用有 线的方式连接、布置在司机室内；所述传感器130分布在塔机的待测位置，并 通过有线方式连接；
所述视频监测系统300包括安装在塔机上的摄像头310、安装在司机室内 的高亮液晶显示屏320和无线网络通讯模块330；所述摄像头310通过有源以太 网连接，所得视频信号经由无线网络通讯模块上传带所述塔机在线监控平台400 进行管理储存；
所述位姿感知装置200安装在塔机的回转支承以上部位，与所述塔机黑匣 子主控100进行有线连接。
实施例2、
如图1所示。
一种利用上述监控系统实现对塔机位姿感知状态监控的方法，所述塔机黑 匣子主控100中：
所述传感器130包括高度传感器，用于采集塔机高度；幅度传感器，用于 采集变幅小车位移；重量传感器，用于采集塔机起吊物重量；回转传感器，用 于采集塔机回转角度；风速仪，用于采集塔机周围的实时风速情况；
所述防碰撞模块150在群塔环境下工作时，基于传感器采集塔机状态信息， 通过无线传输模块160将多个塔机所采集的信息进行信息交互，处理得到塔机 在群塔环境下的防碰撞安全区域，并控制塔机避开危险区域；
所述身份识别模块110，用于对操作人员进行身份验证，并记录操作人员 开始作业时间和结束作业时间，使用人员身份认证无误后才能获得塔机的操作 使用权限；
所述强电控制单元120连接到塔机电控柜中，当传感器所采集参数超过塔 机独立运行的安全阈值时，对塔机进行限位控制；
所述触摸屏显示器140用于显示黑匣子主控100中的各类参数，包括但不 限于：
实时采集到的：塔机高度、塔机幅度、塔机起升重量、塔机起重力矩、风 速；
每次对塔机操作的：操作人员身份信息；
提前加载在黑匣子主控100中的：塔机在群塔环境下的防碰撞安全区域(参 见附图5，安全区域为一个长为L，宽为L’的矩形区域)、塔机独立运行的安 全阈值，此处所述的防碰撞安全区域和安全阈值是根据塔机型号及塔机所处的 工作环境或客户的要求提前设定的，并不是本发明所要保护的技术内容；
所述无线传输模块160通过无线通讯的方式将所采集塔机实时状态参数即 触摸屏显示器140所显示内容上传到塔机在线监控平台400，进行存储，其中， 所述触摸屏显示器140读取塔机黑匣子主控100的频率为500ms/次，所述传感 器130对塔机参数采集刷新频率为100ms/次。
所述视频监测系统300中，所述摄像头310包括安装在司机室摄像头，用 于拍摄司机工作状态；起升卷扬机摄像头，用于拍摄卷扬机上钢丝绳的排线； 吊钩摄像头，安装在起重臂尖端，用于拍摄吊钩状态；
所述高亮液晶显示屏320安装在司机室内，用于显示摄像头拍摄画面，辅 助司机作业；
所述无线网络通讯模块330，用于将上述采集到的视频经无线通讯上传到 所述塔机在线监控平台，进行显示和储存。
所述视频监测系统300为高清网络摄像机IPC设置多个视频系统位置，用 于对塔机进行全方位视频监测；优选的，所述吊钩摄像头对吊钩进行自动变焦 追踪，用于捕捉运动状态下的吊钩。
所述位姿感知装置200用于采集塔机塔身顶端的位姿变化的状态数据，通 过建立塔身钢结构完好状态刚度空间模型，在模型坐标系x’，y’，z’内划定 塔机顶端安全位移区域，在塔机出现前倾，后倾和侧向倾斜不同状态时，位姿 感知装置采集塔机不同状态的位姿点，规定塔机塔身顶端端点坐标(x,y)在划 定的安全位移区域之内，则判定为塔机处于安全状态；塔机塔身顶端端点坐标 (x,y)在划定的安全位移区域之外，则判定为塔机处于危险状态。例如，所述 位姿感知装置为中国专利ZL2007200330472.7记载的塔式起重机防倾翻监测仪， 但不限于此处所述的塔式起重机防倾翻监测仪，只要能够实现位姿感知装置所 述功能的，都属于本发明要保护的技术内容。
所述塔机在线监控平台，用于储存塔机实时状态参数是否超出防碰撞安全 区域、塔机独立运行时是否超出安全阈值；用于储存视频监测系统所采集到的 塔机视频影像；用于储存塔机塔身顶端位姿变化状态；同时储存：来自塔机黑 匣子主控中针对塔机超出防碰撞安全区域、塔机独立运行时超出安全阈值的报 警数据；来自位姿感知装置针对塔机处于危险状态时的报警数据；具有访问权 限的用户通过网络登录塔机在线监控平台实时查看塔机视频影像。
Claims (6)
1.一种基于位姿感知技术的智能塔机安全监控系统，其特征在于，包括：塔机黑匣子主控、视频监测系统、位姿感知装置和塔机在线监控平台；
所述塔机黑匣子主控包括：传感器、防碰撞模块、身份识别模块、强电控制单元、无线传输模块和触摸屏显示器；
所述身份识别模块、强电控制单元和触摸屏显示器均采用有线的方式连接、布置在司机室内；所述传感器分布在塔机的待测位置，并通过有线方式连接；
所述视频监测系统包括安装在塔机上的摄像头、安装在司机室内的高亮液晶显示屏和无线网络通讯模块；所述摄像头通过有源以太网连接，所得视频信号经由无线网络通讯模块上传带所述塔机在线监控平台进行管理储存；
所述位姿感知装置安装在塔机的回转支承以上部位，与所述塔机黑匣子主控进行有线连接。
2.一种利用上述监控系统实现对塔机位姿感知状态监控的方法，其特征在于，
所述塔机黑匣子主控中：
所述传感器包括高度传感器，用于采集塔机高度；幅度传感器，用于采集变幅小车位移；重量传感器，用于采集塔机起吊物重量；回转传感器，用于采集塔机回转角度；风速仪，用于采集塔机周围的实时风速情况；
所述防碰撞模块在群塔环境下工作时，基于传感器采集塔机状态信息，通过无线通讯模块将多个塔机所采集的信息进行信息交互，处理得到塔机在群塔环境下的防碰撞安全区域，并控制塔机避开危险区域；
所述身份识别模块，用于对操作人员进行身份验证，并记录操作人员开始作业时间和结束作业时间，
所述强电控制单元连接到塔机电控柜中，当传感器所采集参数超过塔机独立运行的安全阈值时，对塔机进行限位控制；
所述触摸屏显示器用于显示黑匣子主控中的各类参数，包括但不限于：
实时采集到的：塔机高度、塔机幅度、塔机起升重量、塔机起重力矩、风速；
每次对塔机操作的：操作人员身份信息；
提前加载在黑匣子主控中的：塔机在群塔环境下的防碰撞安全区域、塔机独立运行的安全阈值；
所述无线传输模块通过无线通讯的方式将所采集塔机实时状态参数上传到塔机在线监控平台。
3.根据权利要求2所述的一种利用上述监控系统实现对塔机位姿感知状态监控的方法，其特征在于，所述视频监测系统中，所述摄像头包括安装在司机室摄像头，用于拍摄司机工作状态；起升卷扬机摄像头，用于拍摄卷扬机上钢丝绳的排线；吊钩摄像头，安装在起重臂尖端，用于拍摄吊钩状态；
所述高亮液晶显示屏安装在司机室内，用于显示摄像头拍摄画面，辅助司机作业；
所述无线网络通讯模块，用于将上述采集到的视频经无线通讯上传到所述塔机在线监控平台。
4.根据权利要求3所述的一种利用上述监控系统实现对塔机位姿感知状态监控的方法，其特征在于，所述视频监测系统为高清网络摄像机IPC设置多个视频系统位置，用于对塔机进行全方位视频监测；优选的，所述吊钩摄像头对吊钩进行自动变焦追踪，用于捕捉运动状态下的吊钩。
5.根据权利要求2所述的一种利用上述监控系统实现对塔机位姿感知状态监控的方法，其特征在于，所述位姿感知装置用于采集塔机塔身顶端的位姿变化的状态数据，通过建立塔身钢结构完好状态刚度空间模型，在模型坐标系x’，y’，z’内划定塔机顶端安全位移区域，在塔机出现前倾，后倾和侧向倾斜不同状态时，位姿感知装置采集塔机不同状态的位姿点，规定塔机塔身顶端端点坐标(x,y)在划定的安全位移区域之内，则判定为塔机处于安全状态；塔机塔身顶端端点坐标(x,y)在划定的安全位移区域之外，则判定为塔机处于危险状态。
6.根据权利要求5所述的一种利用上述监控系统实现对塔机位姿感知状态监控的方法，其特征在于，所述塔机在线监控平台，用于储存塔机实时状态参数是否超出防碰撞安全区域、塔机独立运行时是否超出安全阈值；用于储存视频监测系统所采集到的塔机视频影像；用于储存塔机塔身顶端位姿变化状态；同时储存：来自塔机黑匣子主控中针对塔机超出防碰撞安全区域、塔机独立运行时超出安全阈值的报警数据；来自位姿感知装置针对塔机处于危险状态时的报警数据；具有访问权限的用户通过网络登录塔机在线监控平台实时查看塔机视频影像。
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