CN111908342A - 一种适用于塔机吊臂的辅助防碰撞方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种适用于塔机吊臂的辅助防碰撞方法和系统，方法至少包括以下步骤：在塔机操作模式中的手动操作模式下基于传感器模块获取塔机当前吊臂的转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息；基于障碍物检测模块确定吊臂转动方向的障碍物信息；控制模块检测到操作人员对于方向模块和制动模块的人工操作，所述控制模块基于操作人员对于所述方向模块和所述制动模块的人工操作生成第一控制命令；中央处理器基于所述障碍物信息、所述塔机当前吊臂转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息生成第二控制命令；所述第一控制命令和所述第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令来控制塔机吊臂躲避障碍物。

Description

一种适用于塔机吊臂的辅助防碰撞方法和系统

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种适用于塔机吊臂的辅助防碰撞方法和系统。

背景技术

随着我国建筑行业的发展以及用地的紧缩，为了缩短项目工期，多建筑密集高效施工已成为土木行业的常态。塔吊作为施工领域的重要角色，其作业环境日益复杂，然而传统吊装作业采用操作员与吊装员相互配合的方式指挥塔吊交叉重叠作业。虽然这些专业人员需要考取相关驾驶证和具备一定文化水平方能上岗，但这种方法总体上智能化较低，信息对接不准确或及时，难以应对某些复杂情况。例如，由于塔式起重机的工作空间大，操作室空间小，造成了司机视野容易出现盲区，在操作过程中容易与其他建筑物发生碰撞；并且在盲区作业中无线电信号不稳定导致的信号工与塔机司机沟通交流不准确，与周围建筑物或多台近距离交叉作业发生的碰撞，均会给塔式起重机安全施工带来种种隐患，轻者设备损伤、重者机翻人亡。

近年来塔吊机碰撞事故高发也逐渐印证了这一点。传统的依靠人工值守的监测技术逐渐无法满足现代化施工工地上塔吊机群的防碰撞预警需求。现代吊装塔机的操作变得越来越自动化，并逐渐趋向于提供能够减少操作员手动操作的驾驶控制系统。

然而，现在很多的碰撞事故是由于操作员在关键时刻做出不正确的驾驶操作而导致的。例如，塔机吊臂在快速转动的情况下，遇到突发障碍物时，缺乏经验的操作人员会下意识地紧急制动或者反方向转动操作手柄，由于吊臂转动速度较快，在紧急制动时，吊钩由于惯性甩动过大极易造成吊钩失去控制以及货物的惯性较大而影响吊臂的转向，又或者由于操作人员缺乏经验导致吊臂转向不及时导致意外发生。而对于一般的自动化防碰撞系统，在吊臂转动区域内遇到突发的障碍物时，其过于考虑安全因素，在安全阈量较大的情况下，直接发出警报或者采用紧急制动措施，对操作人员造成不好的操作体验。

例如，公开号为CN109052201A的中国专利文献公开了一种起重设备防碰撞预警系统及其方法。系统基于分布式模块化构架，包括分布式模块化布置的信息采集系统、信息传输系统、现场控制系统，各设备和固定障碍物置于同一坐标体系中；方法包括：采集各设备运动部件实时位置、运动方向及速度信息，经各起重设备现场初步解算后，进行相关的信息互换，计算出有碰撞可能，并预警，每0.1秒循环重复一次上述步骤。本发明构建分布式防碰撞系统架构，制定防碰撞计算规则，将起重设备间的碰撞问题分解为运动部件间的碰撞问题，采用二叉树遍历递归算法以保证碰撞现象的预测精度，再将碰撞现象进行共性化处理，编制碰撞预警算法；根据防碰撞规则和算法编制实现碰撞预警。但是，该专利提供的系统及其方法是基于塔机之间或固定障碍物进行防碰撞预警进行处理，没有考虑到突然出现的障碍物如何进行防碰撞处理。而且，该专利提供系统及其方法是在碰撞即将发生前采取制动措施，没有考虑到吊臂上的吊钩因为惯性问题继续转动，可能会与障碍物发生碰撞。此外，也无法有效地解决在吊臂快速转动时由于操作人员躲避障碍物而下意识地过度地转动操作手柄而可能导致事故意外的问题。

例如，公开号为CN105347211B的中国专利文献公开了一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，包括数据采集模块、数据处理模块、控制模块和显示模块；所述的数据采集模块与施工现场的视频监控系统连接；所述的数据处理模块与数据采集模块连接；所述的控制模块与数据处理模块连接；所述的显示模块与控制模块和数据采集模块连接。本发明以图形数值、声音实时显示当前实际工作参数和塔式起重机额定工作能力参数，具有集全景可视、可控、防倾翻和防碰撞功能于一体的功能。但是，该专利提供的智能检测与防护集成系统只是提供预警报警提示，没有提供相应的辅助操作人员躲避障碍物的功能，尤其是在吊臂快速转动的情况下，需要操作人员快速反应，而操作人员的下意识的快速反应可能会产生多度操作，导致吊臂转动的失控，从而发生事故。

例如，公开号为CN105540467A的中国专利文献公开了一种吊装设备的智能化控制系统，包括智能控制器和无线遥控器；所述智能控制器设于吊装设备的驾驶室内，所述智能控制器包括第一微处理器和电源装置；所述无线遥控器包括第二微处理器；还包括故障自检功能，所述故障自检功能由防碰撞系统、电机保护系统、防倾翻系统、漏电保护系统、无人控制系统以及防止无关人员操控系统组成。上述系统分别与所述第一微处理器连接；本发明提供了一种吊装设备的智能化控制系统，其具有防碰撞、电机保护、防倾翻、漏电保护、无人控制以及防止无关人员操控的特点。但是，该专利提供的智能化控制系统虽然具有自动驾驶功能，也仅是在碰撞即将发生前采取制动措施，无法有效地解决在吊臂快速转动时吊钩惯性过大可能导致事故意外的问题。而且，也存在过于考虑安全因素，在安全阈量较大的情况下，直接发出警报或者采用紧急制动措施，不仅对操作人员造成不好的操作体验，也会影响工作效率。

例如，公开号为CN107285206B的中国专利文献公开了一种基于塔式起重机避碰预警系统的防碰撞方法，将塔式起重机的建筑施工现场虚拟成可控制操作的图像现场并集成在对应系统的防碰撞自动控制模块中以实现防碰撞，具体为：将建筑施工现场中包括相对障碍物、目标吊臂、相关环境的参数特征一一映射至图像现场；在建筑施工现场中发生的运动经过图像现场的防碰撞算法计算后，发出执行建筑施工现场运动的控制指令；本发明提出了将实体与虚拟两个空间一一映射后来解决空间防碰撞的方法，设置具有几何模型的防撞区，对实际参数进行几何虚拟化后进行算法研究，得出结果后进行指令操控，实现防碰撞的全方位可靠性，减小安全隐患，提高工作效率，降低生产成本，保证塔机独立作业的可靠性和灵活性。

例如，公开号为CN107473109B的中国专利文献公开了一种塔机防碰撞方法和系统，方法包括采集目标物的图像信息和移动信息；判断目标物为移动目标物还是静止目标物；如果为移动目标物，则根据移动信息建立目标物背景框架和邻近背景框架，将目标物背景框架和邻近背景框架进行拼接并进行移动轨迹预测得到二维移动轨迹预测；利用激光入射移动目标物获取反弹的射线对移动目标物进行追踪得到三维移动轨迹预测；如果为静止目标物，则根据图像信息对静止目标物进行定位，并根据定位的结果计算几何坐标和物距；判断物距是否满足安全阈值，并在不满足安全阈值的情况下，启动报警控制程序。本发明可以通过图形识别技术解决吊装物本身与固定或移动障碍物的碰撞问题，实现绿色装配式建筑工程。

例如，公开号为CN109132898A的中国专利文献公开了一种建筑施工群塔吊防碰撞预警方法，包括对两两塔吊之间的碰撞情况以及塔吊与障碍物建筑之间的碰撞情况进行分类；建立整体三维直角坐标系；根据施工工地上任意两塔吊在xy平面上坐标判断两塔吊是否存在碰撞区域；根据施工工地上任意塔吊的塔前吊臂端点坐标、前吊臂长度以及障碍物建筑的轮廓点坐标等判断塔吊与障碍物建筑之间是否存在碰撞区域；判断两塔吊可能发生碰撞的部件是否都进入碰撞区域从而进行预警；对吊臂安全距离与对吊钩的移动轨迹进行预判确定塔吊是否可以安全通过障碍物建筑。本发明具有智能化高、执行快捷以及高效精准的特点，避免了塔机操作人员因视野受阻和视觉误差导致的塔吊碰撞事故，并减少额外的劳动力支出。

上述专利仅在碰撞即将发生前采取制动措施，没有考虑到吊臂上的吊钩因为惯性问题继续转动，可能会与障碍物发生碰撞的问题。此外，也无法有效地解决在吊臂快速转动时由于操作人员躲避障碍物而下意识地过度地转动操作手柄而可能导致事故意外的问题。

因此，亟需一种遇到障碍物时能够辅助操作人员的驾驶操作的方法，使得在保证安全躲避障碍物的前提下，同时确保塔机的稳定工作。

此外，一方面由于申请人所理解的本领域技术人员与审查部门必然有所差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留依据审查指南相关规定随时在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术塔机的防碰撞系统，仅能在碰撞即将发生前采取制动措施，没有考虑到吊臂上的吊钩因为惯性问题继续转动，可能会与障碍物发生碰撞以及也无法有效地解决在吊臂快速转动时由于操作人员躲避障碍物而下意识地过度地转动操作手柄而可能导致事故意外的问题，本发明在手动操作模式下，根据吊臂转动角度的快慢、吊钩载运的物体与障碍物之间的相对距离和相对速度，动态地调整人工的第一控制命令和此系统生成的第二控制命令之间的动态混合比例，既可以保留通过计算机计算后自动操作模式的转动稳定性，又能保留手动操作模式下的转动敏捷性，并通过动态混合比例的方式削弱了操作人员下意识的过度反应对吊臂转动的稳定性造成的影响，以达到在保证安全躲避障碍物的前提下，能够确保塔机的稳定操控的目的。

一种适用于塔机吊臂的辅助防碰撞方法，至少包括以下步骤。在塔机操作模式中的手动操作模式下：基于传感器模块获取塔机当前吊臂的转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息；基于障碍物检测模块确定吊臂转动方向的障碍物信息；控制模块检测到操作人员对于方向模块和制动模块的人工操作，所述控制模块基于操作人员对于所述方向模块和所述制动模块的人工操作生成第一控制命令；中央处理器基于所述障碍物信息、所述塔机当前吊臂转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息生成第二控制命令；所述第一控制命令和所述第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令来控制塔机吊臂躲避障碍物。

根据一种优选实施方式，所述控制模块基于操作人员对于所述方向模块和所述制动模块的人工操作生成与所述人工操作相匹配的第一方向控制指令和第一制动控制指令。所述控制模块根据所述第一方向控制指令和所述第一制动控制指令生成第一控制命令。所述控制模块基于所述第二控制命令生成在所述第二控制命令下的第二方向控制指令和第二制动控制指令。

根据一种优选实施方式，所述第一控制命令和所述第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令的步骤包括：所述第一控制命令中的所述第一方向控制指令和所述第二控制命令中的所述第二方向控制指令按照控制逻辑混合比例的方式形成混合方向控制指令；所述第一控制命令中的第一制动控制指令和所述第二控制命令中的第二制动控制指令按照控制逻辑混合比例的方式形成混合制动控制指令；根据所述混合方向控制指令和所述混合制动控制指令生成所述混合控制命令。

根据一种优选实施方式，所述第一方向控制指令和所述第二方向控制指令被配置为混合比例动态变化的模式来形成所述混合方向控制指令。所述第一制动控制指令和所述第二制动控制指令被配置为混合比例动态变化的模式来形成所述混合制动控制指令。

根据一种优选实施方式，所述障碍物信息至少包括障碍物类型、障碍物形状体积、障碍物与塔机吊臂的距离、障碍物与塔机吊臂的相对速度、障碍物与吊钩载运的物体的距离。所述吊钩载运的物体信息至少包括吊钩载运的物体质量、物体的形状体积、物体的类型、物体与障碍物的相对高度信息。

根据一种优选实施方式，所述方法还至少包括以下步骤。在塔机操作模式中的自动操作模式下：基于所述障碍物检测模块确定吊臂转动方向的障碍物的类型是静态障碍物还是动态障碍物；所述中央处理器计算得到吊臂和/或吊钩和/或吊钩载运的物体避免与障碍物碰撞的最小制动时间以及吊臂和/或吊钩和/或吊钩载运的物体避免与障碍物碰撞的最小转向时间；所述控制模块根据所述障碍物的类型和最小转向时间生成第三方向控制指令和第三制动控制指令，并依次控制塔机吊臂的制动和方向操控。

根据一种优选实施方式，当障碍物的类型为静态障碍物时，在所述制动模块执行所述第三制动控制指令来控制塔机吊臂制动后的第一时刻LPS通过所述方向模块执行所述第三方向控制指令来控制塔机吊臂的方向操控。当障碍物的类型为动态障碍物时，所述制动模块执行所述第三制动控制指令来控制塔机吊臂制动后的第二时刻LPS通过所述方向模块执行第三方向控制指令来控制塔机吊臂的方向操控。

根据一种优选实施方式，当障碍物类型为静态障碍物在所述第一时刻LPS之后出现时，和/或当障碍物类型为动态障碍物在所述第二时刻LPS之后出现时，所述控制模块仅通过所述制动模块执行第四制动控制指令来控制塔机吊臂的制动。

一种适用于塔机吊臂的辅助防碰撞系统，至少包括传感器模块、控制模块、中央处理器和障碍物检测模块。所述控制模块包括方向模块和制动模块。所述控制系统被配置为：在手动操作模式下，基于传感器模块获取塔机当前吊臂的转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息；基于障碍物检测模块确定吊臂转动方向的障碍物信息；控制模块检测到操作人员对于方向模块和制动模块的人工操作，所述控制模块基于操作人员对于所述方向模块和所述制动模块的人工操作生成第一控制命令；中央处理器基于所述障碍物信息、所述塔机当前吊臂转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息生成第二控制命令；所述第一控制命令和所述第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令来控制塔机吊臂躲避障碍物。

根据一种优选实施方式，所述控制模块被配置为：基于操作人员对于所述方向模块和所述制动模块的人工操作生成与所述人工操作相匹配的第一方向控制指令和第一制动控制指令；根据所述第一方向控制指令和所述第一制动控制指令生成第一控制命令；所述控制模块基于所述第二控制命令生成在所述第二控制命令下的第二方向控制指令和第二制动控制指令。

本发明的有益技术效果为以下一项或多项：

(1)本发明在手动操作模式下，根据吊臂转动角度的快慢、吊钩载运的物体与障碍物之间的相对距离和相对速度，动态地调整人工的第一控制命令和此系统生成的第二控制命令之间的动态混合比例，既可以保留通过计算机计算后自动操作模式的转动稳定性，又能保留手动操作模式下的转动敏捷性，并通过动态混合比例的方式削弱了操作人员下意识的过度反应对吊臂转动的稳定性造成的影响，以达到在保证安全躲避障碍物的前提下，能够确保塔机的稳定操控的目的；

(2)本发明在自动操作模式下，通过基于障碍物的类型有区别地设定自动紧急制动的时刻和自动紧急转向的时刻，以此优化自动制动和自动转向发生的时刻，并同时依次执行自动紧急制动与自动紧急转向以避免与障碍物的潜在的碰撞，能够更加平稳地避开障碍物，从而有效的提高塔机操控的安全性。

附图说明

图1是本发明控制系统的一个优选实施方式的逻辑关系示意图；和

图2是本发明控制系统的一个优选实施方式的流程示意图。

附图标记列表

11：传感器模块 12：控制模块 13：中央处理器

14：障碍物检测模块 121：方向模块 122：制动模块

具体实施方式

下面结合附图1和2进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种适用于塔机吊臂的辅助防碰撞方法。塔机的操控模式包括手动操作模式和自动操作模式，在手动操作模式下，至少包括以下步骤，如图2所示。

S100：基于传感器模块11获取塔机当前吊臂的转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息，基于障碍物检测模块14确定吊臂转动方向的障碍物信息。

优选的，在塔机操作模式中的手动操作模式下，障碍物检测模块14获取以塔机为中心，吊臂为半径范围内的障碍物信息，障碍物信息至少包括障碍物类型、障碍物形状体积、障碍物与塔机吊臂的距离障碍物与吊钩载运的物体的距离。障碍物检测模块可以包括GPS、雷达、激光雷达、光感相机、热感相机、超声波传感器和红外传感器中的一种或多种。塔机吊臂的前端或者吊钩可以安装能够全方位的监测障碍物接近信息的至少一个超声波发射器。超声波发射器可以安装在塔机吊臂的左、右、前和后方向上。传感器模块11可以是陀螺仪、速度传感器或者是加速度传感器。

优选地，吊钩载运的物体信息至少包括吊钩载运的物体质量、物体的形状体积、物体的类型、物体与障碍物的相对高度信息。优选地，物体的质量能够反馈物理运动的惯量信息。物体的形状体积能够反馈物体与障碍物是否会产生碰撞。物理的类型，例如是钢筋、水泥，水泥与障碍物相撞具有一定的缓冲能力，而钢筋与障碍物可能会产生严重的后果。物体与障碍物的相对高度信息，可以得到在吊臂制动后，物体摆动行进的距离，并计算在该距离下是否会与障碍物相撞。

优选地，障碍物检测模块14可以通过记录超声波的发射和反馈接收时间并计算时间差的方式可以确定塔机吊臂与转动前方的障碍物之间的相对距离。同时，障碍物与塔机吊臂的相对速度可以通过中央处理器13结合塔机吊臂的当前角速度和指定时间内塔机吊臂与障碍物之间的相对距离的减小值来计算得到。

优选的，障碍物检测模块14可以配置为识别或判断障碍物是动态障碍物还是静态障碍物。障碍物包括其他塔机的吊臂、货物、建筑、行人、车辆等。特别地，障碍物检测模块14可以配置为检测障碍物的宽度，并且当宽度小于约1m时，障碍物可以被识别为行人并且当宽度大于约1m时，障碍物可以被识别为其他塔机的吊臂或建筑物。

S200：控制模块12检测到操作人员对于方向模块121和制动模块122的人工操作，控制模块12基于操作人员对于方向模块121和制动模块122的人工操作生成第一控制命令。优选地，中央处理器13和制动模块122包括物理运算处理芯片、大数据芯片、AI芯片和将上述芯片进行封装集成后的运算服务器中的一种或多种。

优选地，当操作人员在操控吊臂转动的途中发现转动前方的一定距离内有障碍物时，便会对方向模块121和制动模块122施加人工操作。优选地，方向模块121的控制对象是操控手柄，用于控制吊臂的转动方向，制动模块122的控制对象是刹车和加速。具体的，可以将制动指令从最重急刹车到最轻的点刹车按照制动效果线性地分为10、9、8、7、6、5、4、3、2、1十个等级。将转向指令为塔机吊臂的转动方向，转动方向分为左右两个方向转动操控手柄，并且还相应的设置有挡位拨杆。具体地，将挡位拨杆设置为1、2、3、4、5个挡位等级。挡位反馈式吊臂的角加速度信息。当操作人员对方向模块121和制动模块122施加人工操作后，塔机吊臂并不执行相应的转向和刹车操作；而是由控制模块生成与人工操作相匹配的第一方向控制指令和第一制动控制指令。优选地，第一方向控制指令至少包括塔机吊臂反向转动的档位以及反向运动的次数。由于反方向多次转动吊臂可以起到类似点刹的效果，也是塔机操控的一般模式，因此第一方向控制指令不仅包含方向的指令，也包含转向的速度的挡位信息，即吊臂反方向运动的速度或加速度。

S300：中央处理器13基于障碍物信息、塔机当前吊臂转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息生成第二控制命令。优选的，当操作人员对方向模块121和制动模块122施加人工操作的同时，中央处理器13根据塔机吊臂转动的角速度、障碍物大小、塔机吊臂与障碍物距离、障碍物与塔机吊臂的相对速度、障碍物与吊钩载运的物体的距离等信息生成第二方向控制指令和第二制动控制指令。

S400：结合塔机吊臂当前速度信息、障碍物信息，第一控制命令和第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令来控制塔机吊臂躲避障碍物。优选的，第一控制命令和第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令并通过混合控制命令来控制塔机躲避障碍物。

第一控制命令和第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令的步骤包括：第一控制命令中的第一方向控制指令和第二控制命令中的第二方向控制指令按照控制逻辑混合比例的方式形成混合方向控制指令；第一控制命令中的第一制动控制指令和第二控制命令中的第二制动控制指令按照控制逻辑混合比例的方式形成混合制动控制指令；根据混合方向控制指令和混合制动控制指令生成混合控制命令。优选地，第一方向控制指令和第二方向控制指令被配置为混合比例动态变化的模式来形成混合方向控制指令。第一制动控制指令和第二制动控制指令被配置为混合比例动态变化的模式来形成混合制动控制指令。

优选的，在塔机操作模式中的手动操作模式下，当塔机吊臂转动角速度达到20rad/min时，塔机吊钩的转动前方直线距离为20m路面上出现体积较大且不规整的建筑物时，操作人员出于本能反应会习惯性的紧急制动并快速反方向操控手柄盘来躲避障碍物。优选地，对于塔机吊臂作业来说，要时刻保持吊钩载运的物体的稳定，避免因吊臂运动不稳定，导致物体来回摆动，不仅会影响吊臂的转动，也会对塔机的整个系统工作产生影响。控制模块12检测到操作人员的第一控制命令为8级制动后反方向转动角加速度为4挡，在一般情况下，由于吊臂需要平稳运行，在紧急制动时会破坏吊臂和吊钩的运动平衡，会导致吊钩以及吊钩载运的物体来回摆动，而吊钩以及物体的摆动又会反作用给吊臂一个扭力，破坏吊臂的紧急制动状态，增加塔机的工作负荷，甚至破坏塔机和吊臂之间的机械连接部件。又或者由于操作人员缺乏经验导致刹车和反向操控不及时导致意外发生。此时，中央处理器13此时基于障碍物和塔机吊臂的相对距离、相对速度和吊臂当前角速度信息生成第二控制命令，第二制动控制指令和第一制动控制指令按照逻辑比例混合形成混合制动控制指令，第二方向控制指令和第一方向控制指令按照逻辑比例混合形成混合控制指令，例如此时第二制动控制指令为6级制动，第二方向控制指令为反向转动加速度2挡，第二控制命令会削弱第一控制命令，优选的，在20rad/min时，第一控制命令和第二控制命令按照2：8的比例进行混合生成混合控制命令，混合控制指令为6*0.8+8*0.2＝6.4级制动和反向加速度挡位4*0.8+2*0.2＝3.6，在出现小数点的情况下，按照逢八进一的方式确定最后的挡位，例如，3.6挡为3挡。最终在保证躲避障碍物的前提下，保证塔机的吊臂以平稳的方式运转。同时，在吊臂转动的角速度越高的情况下，削弱第一控制命令的混合比例，提高第二控制命令的混合比例，以防止吊臂在高速行进时，突遇障碍物导致操作人员下意识地过大的施加第一控制命令而导致意外的发生。

优选的，第一制动控制指令和第二制动控制指令被配置为混合比例动态变化的模式来形成混合制动控制指令，具体的，第一控制命令中的第一方向控制指令和第二控制命令中的第二方向控制指令按照控制逻辑混合比例的方式形成混合方向控制指令；第一控制命令中的第一制动控制指令和第二控制命令中的第二制动控制指令按照控制逻辑混合比例的方式形成混合制动控制指令。

优选的，在塔机操作模式中的手动操作模式下，当吊臂转动的角速度速达到10rad/min且吊钩距离吊臂20m，吊钩前方直线距离为50m的地面上突然出现行人时，由于此时人工执行的第一控制命令具有较强的准确性，因此第一控制命令和第二控制命令按照9：1的比例进行混合生成混合控制命令。

优选地，在塔机操作模式中的手动操作模式下，当中央处理器13检测到第一控制命令与第二控制命令有着相反的指令时，更具体的，第一方向控制指令为反向，第二方向控制指令为正向，具体的，中央处理器13基于障碍物检测模块14检测到周围有其他动态障碍物经过，例如其他塔机的吊臂或车辆正沿着吊臂转动的方向经过，此时第一方向控制指令和第二方向控制指令按照0：10的比例进行混合形成混合控制命令，完全消除第一方向控制指令反向转动的影响，避免吊臂反向转动而发生意外。

本发明在塔机操作模式中的手动操作模式下，根据吊臂运动角速度的快慢、吊臂与障碍物之间的相对距离和相对速度，动态地调整人工的第一控制命令和此系统生成的第二控制命令之间的动态混合比例，既可以保留通过计算机计算后自动操作模式的操控的稳定性，又能保留手动操作模式下的操作敏捷性。通过动态混合比例的方式削弱了操作人员下意识的过度反应对塔机吊臂运行的稳定性造成的影响，以达到在保证安全躲避障碍物的前提下，能够确保塔机的稳定操控的目的。优选的，第一控制命令和第二控制命令能够按照控制逻辑混合比例的方式形成混合控制命令，其中，按照削弱第一控制命令的执行反馈量的方式能够增强第二控制命令的控制效果，按照削弱第二控制命令的执行反馈量的方式能够增强第一控制命令的控制效果。实际中在检测到有障碍物靠近的情况下，操作人员可以基于其目测获知的吊臂的实际运动状况和障碍物制定躲避障碍物的策略，例如操作人员能够通过多次点刹缓冲的方式来实现稳定的制动，或者是在紧急制动后反向转动吊臂减缓吊钩和/或吊钩上载运的货物的摆动，避免吊钩和/或吊钩上载运的货物在惯性的作用下碰撞到障碍物等。在多次点刹或者是紧急制动后的反向操作的过程中，缺乏操作经验的操作人员往往不能够准确把握当前速度及距离下避免该障碍物所需的点刹频率和反向加速度，而采用塔机吊臂能够达到的反向加速度或是突然紧急制动来进行避障，突然紧急制动或是增加反向加速度都会导致操控的不稳定性，而且吊臂突然制动势必会产生较大的扭力，破坏塔机和吊臂的机械部件。在该种情况下，在本发明的控制系统中，则通过识别障碍物信息并根据吊臂相对于障碍物的当前速度和有限制动距离等影响因素的计算，来配置点刹的频率和吊臂反向转动的加速度，适当地削弱第二控制命令所需的点刹的频率或是吊臂反向转动的加速度，即在保证能够避障的情况下，对第二控制命令生成的点刹的频率或是吊臂反向转动的加速度进行一定量的衰减。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

该控制方法在自动操作模式下：基于障碍物检测模块14确定塔机吊臂前方的障碍物的类型是动态障碍物还是静态障碍物；中央处理器13计算得到吊臂和/或吊钩和/或吊钩载运的物体避免与障碍物碰撞的最小制动时间以及吊臂和/或吊钩和/或吊钩载运的物体避免与障碍物碰撞的最小转向时间；控制模块12根据障碍物的类型和最小转向时间生成第三方向控制指令和第三制动控制指令，并依次控制塔机吊臂的制动和方向操控。

优选的，障碍物检测模块14可以配置为识别或判断障碍物是动态障碍物还是静态障碍物。障碍物包括其他塔机的吊臂、货物、建筑、行人、车辆等。特别地，障碍物检测模块14可以配置为检测障碍物的宽度，并且当宽度小于约1m时，障碍物可以被识别为行人并且当宽度大于约1m时，障碍物可以被识别为其他塔机的吊臂或建筑物。

优选的，中央处理器13可以计算最小制动时间、最小转向时间以及计算吊臂到碰撞的时间TTC。

优选的，当障碍物的类型为其他塔机的吊臂或建筑物时，制动模块122执行第三制动控制指令来控制吊臂制动。在吊臂制动后的第一时刻LPS1通过方向模块121执行第三方向控制指令来控制吊臂的转动方向。优选地，当障碍物的类型为行人时，制动模块122执行第三制动控制指令来控制塔机吊臂的制动。制动后的第二时刻LPS2通过方向模块121执行第三方向控制指令来控制吊臂的转动方向。优选的，控制模块12可以包括电子/发动机控制模块、传动系统控制模块、变速器控制模块、制动控制模块、中央控制模块中的一种或多种。方向模块121可以为反相器。优选地，LPS1指当障碍物是其他塔机的吊臂时，通过反向转动避免其他塔机的吊臂碰撞所需的第一时刻。优选地，LPS2指当障碍物是行人时，通过反向转动吊臂避免与行人碰撞所需的第二时刻。

优选的，当障碍物在第一时刻LPS1之后出现，并且障碍物为其他塔机的吊臂或建筑物时，控制模块12仅通过制动模块122执行第四制动控制指令来控制吊臂的制动。优选地，当障碍物在第一时刻LPS2之后出现，并且障碍物为行人时，控制模块12仅通过制动模块122执行第四制动控制指令来控制塔机吊臂的制动。特别的，由于当障碍物是其他塔机的吊臂，并且相向转动，使得障碍物与吊臂的相对速度更大。优选地，当障碍物是车辆和行人同时出现时，可以先避免行人的碰撞。

优选的，本发明在自动操作模式下，根据障碍物的不同类型区别地设定自动紧急制动的时刻和自动紧急转向的时刻，以此优化自动制动和自动转向发生的时刻，同时依次执行自动紧急制动与自动紧急转向以避免与障碍物的潜在的碰撞，来更平稳地避开障碍物。

实施例3

本实施例是对实施例1和实施例2的进一步改进，重复的内容不再赘述。

一种适用于塔机吊臂的辅助防碰撞系统，至少包括传感器模块11、控制模块12、中央处理器13和障碍物检测模块14。控制模块12包括方向模块121和制动模块122。控制系统被配置为：在手动操作模式下，基于传感器模块11获取塔机当前吊臂的转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息；基于障碍物检测模块14确定吊臂转动方向的障碍物信息；控制模块12检测到操作人员对于方向模块121和制动模块122的人工操作，控制模块12基于操作人员对于方向模块121和制动模块122的人工操作生成第一控制命令；中央处理器13基于障碍物信息、塔机当前吊臂转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息生成第二控制命令；第一控制命令和第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令来控制塔机吊臂躲避障碍物。

优选的，在塔机操作模式中的手动操作模式下，障碍物检测模块14获取以塔机为中心，吊臂为半径范围内的障碍物信息，障碍物信息至少包括障碍物类型、障碍物形状体积、障碍物与塔机吊臂的距离障碍物与吊钩载运的物体的距离。障碍物检测模块可以包括GPS、雷达、激光雷达、光感相机、热感相机、超声波传感器和红外传感器中的一种或多种。塔机吊臂的前端或者吊钩可以安装能够全方位的监测障碍物接近信息的至少一个超声波发射器。超声波发射器可以安装在塔机吊臂的左、右、前和后方向上。传感器模块11可以是陀螺仪、速度传感器或者是加速度传感器。

优选地，吊钩载运的物体信息至少包括吊钩载运的物体质量、物体的形状体积、物体的类型、物体与障碍物的相对高度信息。优选地，物体的质量能够反馈物理运动的惯量信息。物体的形状体积能够反馈物体与障碍物是否会产生碰撞。物理的类型，例如是钢筋、水泥，水泥与障碍物相撞具有一定的缓冲能力，而钢筋与障碍物可能会产生严重的后果。物体与障碍物的相对高度信息，可以得到在吊臂制动后，物体摆动行进的距离，并计算在该距离下是否会与障碍物相撞。

优选的，障碍物检测模块14可以配置为识别或判断障碍物是动态障碍物还是静态障碍物。障碍物包括其他塔机的吊臂、货物、建筑、行人、车辆等。特别地，障碍物检测模块14可以配置为检测障碍物的宽度，并且当宽度小于约1m时，障碍物可以被识别为行人并且当宽度大于约1m时，障碍物可以被识别为其他塔机的吊臂或建筑物。

优选地，中央处理器13和制动模块122包括物理运算处理芯片、大数据芯片、AI芯片和将上述芯片进行封装集成后的运算服务器中的一种或多种。

优选地，当操作人员在操控吊臂转动的途中发现转动前方的一定距离内有障碍物时，便会对方向模块121和制动模块122施加人工操作。优选地，方向模块121的控制对象是操控手柄，用于控制吊臂的转动方向，制动模块122的控制对象是刹车和加速。具体的，可以将制动指令从最重急刹车到最轻的点刹车按照制动效果线性地分为10、9、8、7、6、5、4、3、2、1十个等级。将转向指令为塔机吊臂的转动方向，转动方向分为左右两个方向转动操控手柄，并且还相应的设置有挡位拨杆。具体地，将挡位拨杆设置为1、2、3、4、5个挡位等级。挡位反馈式吊臂的角加速度信息。当操作人员对方向模块121和制动模块122施加人工操作后，相应的转向和刹车操作，塔机吊臂并不执行该操作；而是由控制模块生成与人工操作相匹配的第一方向控制指令和第一制动控制指令。优选地，第一方向控制指令至少包括塔机吊臂反向转动的档位以及反向运动的次数。由于反方向多次转动吊臂可以起到类似点刹的效果，也是塔机操控的一般模式，因此第一方向控制指令不仅包含方向的指令，也包含转向的速度的挡位信息，即吊臂反方向运动的速度或加速度。

根据一种优选实施方式，控制模块12被配置为：基于操作人员对于方向模块121和制动模块122的人工操作生成与人工操作相匹配的第一方向控制指令和第一制动控制指令；根据第一方向控制指令和第一制动控制指令生成第一控制命令；控制模块12基于第二控制命令生成在第二控制命令下的第二方向控制指令和第二制动控制指令。

优选的，第一制动控制指令和第二制动控制指令被配置为混合比例动态变化的模式来形成混合制动控制指令，具体的，第一控制命令中的第一方向控制指令和第二控制命令中的第二方向控制指令按照控制逻辑混合比例的方式形成混合方向控制指令；第一控制命令中的第一制动控制指令和第二控制命令中的第二制动控制指令按照控制逻辑混合比例的方式形成混合制动控制指令。

优选的，在塔机操作模式中的手动操作模式下，当吊臂转动的角速度达到10rad/min且吊钩距离吊臂20m，吊钩前方直线距离为50m的地面上突然出现行人时，由于此时人工执行的第一控制命令具有较强的准确性，因此第一控制命令和第二控制命令按照9：1的比例进行混合生成混合控制命令。

优选地，在自动操作模式下，本系统可以基于障碍物检测模块14确定塔机吊臂前方的障碍物的类型是动态障碍物还静态障碍物。中央处理器13计算得到吊臂和/或吊钩和/或吊钩载运的物体避免与障碍物碰撞的最小制动时间。也可以计算得到吊臂和/或吊钩和/或吊钩载运的物体避免与障碍物碰撞的最小转向时间。控制模块12根据障碍物的类型和最小转向时间生成第三方向控制指令和第三制动控制指令。

优选的，障碍物检测模块14可以配置为识别或判断障碍物是动态障碍物还是静态障碍物。障碍物包括其他塔机的吊臂、货物、建筑、行人、车辆等。特别地，障碍物检测模块14可以配置为检测障碍物的宽度，并且当宽度小于约1m时，障碍物可以被识别为行人并且当宽度大于约1m时，障碍物可以被识别为其他塔机的吊臂或建筑物。

优选的，当障碍物的类型为其他塔机的吊臂或建筑物时，制动模块122执行第三制动控制指令来控制吊臂制动。在吊臂制动后的第一时刻LPS1通过方向模块121执行第三方向控制指令来控制吊臂的转动方向。优选地，当障碍物的类型为行人时，制动模块122执行第三制动控制指令来控制塔机吊臂的制动。制动后的第二时刻LPS2通过方向模块121执行第三方向控制指令来控制吊臂的转动方向。优选的，控制模块12可以包括电子/发动机控制模块、传动系统控制模块、变速器控制模块、制动控制模块、中央控制模块中的一种或多种。方向模块121可以为反相器。优选地，LPS1指当障碍物是其他塔机的吊臂时，通过反向转动避免其他塔机的吊臂碰撞所需的第一时刻。优选地，LPS2指当障碍物是行人时，通过反向转动吊臂避免与行人碰撞所需的第二时刻。

优选的，当障碍物在第一时刻LPS1之后出现，并且障碍物为其他塔机的吊臂或建筑物时，控制模块12仅通过制动模块122执行第四制动控制指令来控制吊臂的制动。优选地，当障碍物在第一时刻LPS2之后出现，并且障碍物为行人时，控制模块12仅通过制动模块122执行第四制动控制指令来控制塔机吊臂的制动。特别的，由于当障碍物是其他塔机的吊臂，并且相向转动，使得障碍物与吊臂的相对速度更大。优选地，当障碍物是车辆和行人同时出现时，可以先避免行人的碰撞。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种适用于塔机吊臂的辅助防碰撞方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

在塔机操作模式中的手动操作模式下：

基于传感器模块(11)获取塔机当前吊臂的转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息；

基于障碍物检测模块(14)确定吊臂转动方向的障碍物信息；

控制模块(12)检测到操作人员对于方向模块(121)和制动模块(122)的人工操作，所述控制模块(12)基于操作人员对于所述方向模块(121)和所述制动模块(122)的人工操作生成第一控制命令；

中央处理器(13)基于所述障碍物信息、所述塔机当前吊臂转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息生成第二控制命令；

所述第一控制命令和所述第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令来控制塔机吊臂躲避障碍物。

2.根据权利要求1所述的辅助防碰撞方法，其特征在于，

所述控制模块(12)基于操作人员对于所述方向模块(121)和所述制动模块(122)的人工操作生成与所述人工操作相匹配的第一方向控制指令和第一制动控制指令，并且根据所述第一方向控制指令和所述第一制动控制指令生成第一控制命令；

所述控制模块(12)基于所述第二控制命令生成在所述第二控制命令下的第二方向控制指令和第二制动控制指令。

3.根据权利要求2所述的辅助防碰撞方法，其特征在于，所述第一控制命令和所述第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令的步骤包括：

所述第一控制命令中的所述第一方向控制指令和所述第二控制命令中的所述第二方向控制指令按照控制逻辑混合比例的方式形成混合方向控制指令；

所述第一控制命令中的第一制动控制指令和所述第二控制命令中的第二制动控制指令按照控制逻辑混合比例的方式形成混合制动控制指令；

根据所述混合方向控制指令和所述混合制动控制指令生成所述混合控制命令。

4.根据前述权利要求之一所述的辅助防碰撞方法，其特征在于，

所述第一方向控制指令和所述第二方向控制指令被配置为混合比例动态变化的模式来形成所述混合方向控制指令；

所述第一制动控制指令和所述第二制动控制指令被配置为混合比例动态变化的模式来形成所述混合制动控制指令。

5.根据前述权利要求之一所述的辅助防碰撞方法，其特征在于，

所述障碍物信息至少包括障碍物类型、障碍物形状体积、障碍物与塔机吊臂的距离、障碍物与塔机吊臂的相对速度、障碍物与吊钩载运的物体的距离；

所述吊钩载运的物体信息至少包括吊钩载运的物体质量、物体的形状体积、物体的类型、物体与障碍物的相对高度信息。

6.根据前述权利要求之一所述的辅助防碰撞方法，其特征在于，所述方法还至少包括以下步骤：

在塔机操作模式中的自动操作模式下：

基于所述障碍物检测模块(14)确定吊臂转动方向的障碍物的类型是静态障碍物还是动态障碍物；

所述中央处理器(13)计算得到吊臂和/或吊钩和/或吊钩载运的物体避免与障碍物碰撞的最小制动时间以及吊臂和/或吊钩和/或吊钩载运的物体避免与障碍物碰撞的最小转向时间；

所述控制模块(12)根据所述障碍物的类型和最小转向时间生成第三方向控制指令和第三制动控制指令，并依次控制塔机吊臂的制动和方向操控。

7.根据权利要求6所述的辅助防碰撞方法，其特征在于，当障碍物的类型为静态障碍物时，在所述制动模块(122)执行所述第三制动控制指令来控制塔机吊臂制动后的第一时刻LPS1通过所述方向模块(121)执行所述第三方向控制指令来控制塔机吊臂的方向操控，并且

当障碍物的类型为动态障碍物时，所述制动模块(122)执行所述第三制动控制指令来控制塔机吊臂制动后的第二时刻LPS2通过所述方向模块(121)执行第三方向控制指令来控制塔机吊臂的方向操控。

8.根据权利要求7所述的辅助防碰撞方法，其特征在于，当障碍物类型为静态障碍物在所述第一时刻LPS1之后出现时，和/或当障碍物类型为动态障碍物在所述第二时刻LPS2之后出现时，所述控制模块(12)仅通过所述制动模块(122)执行第四制动控制指令来控制塔机吊臂的制动。

9.一种适用于塔机吊臂的辅助防碰撞系统，至少包括传感器模块(11)、控制模块(12)、中央处理器(13)和障碍物检测模块(14)，其特征在于，所述控制模块(12)包括方向模块(121)和制动模块(122)，所述控制系统被配置为：

在手动操作模式下，基于传感器模块(11)获取塔机当前吊臂的转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息；

基于障碍物检测模块(14)确定吊臂转动方向的障碍物信息；

控制模块(12)检测到操作人员对于方向模块(121)和制动模块(122)的人工操作，所述控制模块(12)基于操作人员对于所述方向模块(121)和所述制动模块(122)的人工操作生成第一控制命令；

中央处理器(13)基于所述障碍物信息、所述塔机当前吊臂转动角速度信息、吊钩与吊臂的距离信息以及吊钩载运的物体信息生成第二控制命令；

所述第一控制命令和所述第二控制命令按照逻辑混合的方式形成混合控制命令来控制塔机吊臂躲避障碍物。

10.根据权利要求9所述的躲避障碍物控制系统，其特征在于，所述控制模块(12)被配置为：

基于操作人员对于所述方向模块(121)和所述制动模块(122)的人工操作生成与所述人工操作相匹配的第一方向控制指令和第一制动控制指令；

根据所述第一方向控制指令和所述第一制动控制指令生成第一控制命令；

所述控制模块(12)基于所述第二控制命令生成在所述第二控制命令下的第二方向控制指令和第二制动控制指令。

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