CN112850501A - 一种塔吊自动化防撞方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及施工监控技术领域，具体公开了一种塔吊自动化防撞方法及系统，方法包括：按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型；以固定频率更新施工场地三维模型以及当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标；在塔吊开始起重时，获取物体起吊点坐标以及预定到位点坐标；按照预设的路径规划策略以及施工场地三维模型为塔吊规划运行路径，生成对应的运行参数；根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范围；根据摆动范围和当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可能发生碰撞；控制塔吊进行制动等。本发明塔吊自动化防撞方法及系统，能够实时跟踪运动物体，使塔吊运行时不与外部设备发生碰撞，保障塔吊运行安全。

Description

一种塔吊自动化防撞方法及系统

技术领域

本发明涉及施工监控技术及图像处理技术领域，尤其涉及一种塔吊自动化 防撞方法及系统。

背景技术

塔吊是建筑工作中关键的机械设备，在楼宇修建的场所塔吊随处可见，可 以有效的节省人力、降低建设成本和提高施工进度。由于其器械结构的庞大， 高空作业的特性，复杂多变的工作环境，容易发生碰撞导致高空坠落、机械伤 害、坍塌等事故。塔吊作业中要求多人协同配合，一方面由于塔机驾驶室位置 较高，塔机操作员视野受到很大限制，多通过经验进行工作，具有盲目性，操 作难度高；另一方面，地面指挥人员无法掌握高空目标点情况，塔吊操作员与 地面其他工作人员的信息交流受阻，安全性、精确性、效率要求显然无法满足 工程项目建设需求。

目前塔吊防碰撞技术主要有视频监控技术、传感器监控。现行的视频监控 技术没有针对性，仅仅是塔吊现场画面记录，没有充分利用图像数据信息进行 分析，并不能直接指导塔机操作员操作或实现自动化操作，传感器监控模式由 于塔吊吊臂、拉杆某些关键部位限制不允许安装传感器，监测布点受限，因此 基于传感器的监控模式监控能力有限，获得的信息仅仅局限在一些敏感的技术 参数上，无法及时获得较为全面、直观的塔吊运行情况。

实用新型专利CN201820290159.5塔吊吊钩全景监控装置可实现塔吊吊钩处 周边环境的实时监控影像传输，一定程度上解决了操作人员视觉盲区的问题， 但智能化程度较低，仅仅提供视频画面信息。实用新型专利CN201721561934.8 一种塔吊监控系统，将角度测量模块、风速传感器、超声波探测器等传感器安 装于塔身、起重臂等位置，由于塔吊结构的特殊性，传感器布设在高空中安全 性不高。

因此本领域人员亟需寻找一种新的技术方案来解决上述的问题。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种塔吊自动化防撞方法及系统。

一种塔吊自动化防撞方法，包括：

在建筑主体及塔吊周边布设若干个视频监控摄像头；

按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型；

以固定频率更新施工场地三维模型以及当前时刻下既有场地外轮廓网格坐 标；

在塔吊开始起重时，获取物体起吊点坐标以及预定到位点坐标；

按照预设的路径规划策略以及施工场地三维模型为塔吊规划运行路径，生 成对应的运行参数；

根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的 摆动范围；

根据摆动范围和当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可能发生 碰撞；若否，控制塔吊按运行参数继续进行物体运输；若是，

控制塔吊进行制动；

在塔吊制动期间根据预设的倾覆计算策略预测塔吊是否可能发生倾覆。

进一步地，根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物 体和摆臂的摆动范围，包括：

根据实时的运行参数识别塔吊的运行模式，运行模式分为升降模式、变幅 模式、回转模式、回转变幅模式、升降变幅模式、升降回转模式以及升降回转 变幅模式；

根据实时运行参数以及运行模式计算制动参数，制动参数包括摆臂的制动 时间、摆臂的制动距离、摆臂的制动角度、物体的制动距离、物体的摆幅、缆 绳的长度、缆绳与竖直方向的夹角、小车的制动时间、小车的制动距离；

根据制动参数计算物体和摆臂的摆动范围。

进一步地，实时运行参数包括当前缆绳的长度l₀、缆绳速度v_c、回转角度θ₀、 回转角速度ω、小车幅度r₀、小车变幅速度v_c、物体坐标(r₁,θ₁,h₁)、物体速度v₁、 摆臂长度r_m、摆臂高度h₀、起重载荷F_c，以及竖向锁止、回转锁止、横向锁止 时的平均加速度a_c、α、a_r，既有场地外轮廓网格坐标(r_t,θ_t,h_t)组成的点集U_t。

进一步地，在升降模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：

计算物体的制动距离，为

摆动范围为W＝{(r₁,θ₁,h)|h∈[h₁,h₁+S_m]}；

在变幅模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：

计算小车的制动时间，为

小车的制动距离为：

制动结束后物体坐标为(r₁+v₁t,θ₁,h₁+l₀(1-cosα₁))，其中，α₁为制动后缆绳 与竖直方向的夹角，为：

物体与缆绳垂直的速度分量为v₁cosα₁，计算物体上升的高度为

g为重力加速度；

计算缆绳与竖直方向的夹角为

则物体在最大摆幅处的物体坐标为(r₀+S_c±l₀sinα₂,θ₁,h₁+l₀(1-cosα₂))；

摆动范围为：

W＝{(r,θ₁,h)|r∈[r₀+S_c-l₀sinα₂，r₀+S_c+l₀sinα₂],h∈[h₁,h₁+l₀(1-cosα₂)]}；

在回转模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：

计算摆臂的制动时间和制动距离，为：

摆臂的制动角度为θ₀+θ_d；

则摆臂的摆动范围为：W₁＝{(r,θ,h₀)|r∈(0,r_m],θ∈(θ₀,θ₀+θ_d]}；

计算物体坐标为(r₁,θ₁+ωt,h₁)，物体以小车作为固定端做圆锥摆运动，其角 速度为：

其中，

为圆锥摆运动时缆绳与竖直方向的夹角；

根据方程

求解

的值，其中F为缆绳的拉力；

则

为

式中λ为

则物体的摆动范围W2为 h＝h₁的平面，且以(r₀,θ₀+θ_d,h₁)为圆心，半径为

的圆，即

则总的摆动范围为W＝W₁∪W₂。

进一步地，在升降回转变幅模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：

计算制动结束后小车的坐标为

计算制动结束后缆绳的长度，为

计算摆臂的制动时间和制动距离，为：

摆臂的制度角度为 θ₀+θ_d，则摆臂的摆动范围为W₁＝{(r,θ,h₀)|r∈(0,r_m],θ∈(θ₀,θ₀+θ_d]}；

根据方程

计算缆绳与竖直方向的夹角

为

式中，λ为

则物体的摆动范围W₂为

的平面，且以

为圆心，半径为

的圆，即

则总的摆动范围为W＝W₁∪W₂。

进一步地，方法还包括：

为摆动范围增加安全裕量，将摆动范围更新为：

W_s＝{(r,θ,h)|(rcosθ-r_icosθ_i)²+(rsinθ-r_isinθ_i)²+(h-h_i)²≤r_s ²,(r_i,θ_i,h_i)∈W}。

进一步地，根据摆动范围和当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标判断是否 有可能发生碰撞，为：根据W_s和U_t设定判断条件为

进一步地，倾覆计算策略为：

设定制动期间竖向最大制动加速度为

则制动期间最大起重力矩为

当吊塔能承受的最大力矩为M_max时，倾覆判断条件为

其中，λ为安全系数，且λ大于1。

进一步地，按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型，包括：

在塔吊收起起重挂钩时开启视频监控摄像头，控制塔吊不断调整回传角并 控制视频监控摄像头同时采集现场图像；

根据预设的图像预处理策略对现场图像进行预处理，生成预处理图像；

根据预设的图像效果评价策略对预处理图像进行评价；若预处理图像处理 效果不合格，

则调整视频监控摄像头的角度并变换镜头倍数和镜头焦距，重新采集现场 图像；

若合格，则根据预处理图像建立施工场地三维模型，并在预设的平面网格 精度下提取网格点(x₀,y₀)的高程z₀。

本发明还提供一种塔吊自动化防撞系统，系统包括若干个视频监控摄像头， 以及塔吊、控制平台、驱动装置以及制动装置，其中：

若干个视频监控摄像头布设在建筑主体及塔吊周边，与控制平台通讯连接， 用于拍摄现场图像并发送给控制平台；

驱动装置安装于塔吊上，与控制平台通讯连接，用于驱动塔吊进行物体运 送；

制动装置安装于塔吊上，包括竖向锁止模块、横向锁止模块以及回转锁止 模块，均与控制平台通讯连接，分别用于在竖向、横向以及回转方向对驱动装 置进行制动；

控制平台包括三维模型建立模块、运行起终点获取模块、路径规划模块、 摆动范围计算模块、碰撞判断模块以及倾覆计算模块；三维模型建立模块，与 路径规划模块、碰撞判断模块相连接，三维模型建立模块用于按照预设的模型 建立策略建立施工场地三维模型，以及以固定频率更新施工场地三维模型以及 当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标；运行起终点获取模块，与路径规划模块 相连接，运行起终点获取模块用于在在塔吊开始起重时获取物体起吊点坐标以 及预定到位点坐标；路径规划模块，与三维模型建立模块、运行起终点获取模 块以及摆动范围计算模块相连接，路径规划模块用于按照预设的路径规划策略 以及施工场地三维模型为塔吊规划运行路径，生成对应的运行参数；摆动范围 计算模块，与路径规划模块、碰撞判断模块相连接，摆动范围计算模块用于根 据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范 围；碰撞判断模块，与三维模型建立模块、摆动范围计算模块相连接，碰撞判 断模块用于根据摆动范围和当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可 能发生碰撞；若是，则向制动装置发送制动指令；倾覆计算模块，与碰撞判断 模块相连接，倾覆计算模块用于在制动装置工作时根据预设的倾覆计算策略预 测塔吊是否可能发生倾覆。

本发明实施例的塔吊自动化防撞方法及系统，基于图像处理的视频监控， 能够实时分析塔吊运行情况，可以直观指导塔机操作员及地面指挥人员的操作； 能够实时跟踪运动物体，使塔吊运行时不与外部设备发生碰撞，保障塔吊运行 安全；为物体运输规划并动态调整最优路径，使得物体在满足不碰撞的条件下， 运输效率最高，省时省力；本系统实现自动化监控，无须布设传感器，即可获 取物体运动变化量，实时监测塔吊运行情况。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实施例的塔吊自动化防撞方法的步骤流程图(一)；

图2为本发明实施例的塔吊自动化防撞方法的步骤流程图(二)；

图3为本发明实施例的塔吊自动化防撞方法的步骤流程图(三)；

图4为本发明实施例的塔吊自动化防撞方法的步骤流程图(四)；

图5为本发明实施例的一种塔吊自动化防撞系统的结构组成图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳 动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供一种塔吊自动化防撞方法，包括以下步骤：

步骤S101：在建筑主体及塔吊周边布设若干个视频监控摄像头。

本实施例中的视频监控摄像头用于采集建筑主体以及塔吊周边的现场图像， 此处没有限定其数量，优选的，以能够确保建筑主体及塔吊周边无拍摄死角为 最佳实施方式。本实施例的视频监控摄像头没有安装在塔吊上，不会对塔吊的 运行造成干扰，视频监控摄像头也不会发生相对移动，后续步骤对现场图像的 处理也能够保持一致的方式进行，进一步简化了图像处理过程。

步骤S102：按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型。

具体的，如图2所示，步骤S102包括：

步骤S1021：在塔吊收起起重挂钩时开启视频监控摄像头，控制塔吊不断调 整回传角并控制视频监控摄像头同时采集现场图像。

步骤S1022：根据预设的图像预处理策略对现场图像进行预处理，生成预处 理图像。图像预处理的目的在于区分物体与背景，减少后续步骤中的干扰因素。 主要处理方式包括有图像增强、增强运动物体与背景对比度、图像边缘检测等， 提取塔吊、吊臂以及吊钩等特征，便于定位运动目标。

步骤S1023：根据预设的图像效果评价策略对预处理图像进行评价。

预先设定的图像效果评价策略可由本领域技术人员自行设定，例如出现背 景混乱的图片时，是不利于特征提取的，故若预处理图像处理效果不合格，则 执行步骤S1024。

步骤S1024：调整视频监控摄像头的角度并变换镜头倍数和镜头焦距，重新 采集现场图像。并继续执行步骤S1022，对现场图像进行预处理，以及步骤S1023， 对预处理图像进行评价。

若预处理图像处理效果合格，则执行步骤S1025。

步骤S1025：则根据预处理图像建立施工场地三维模型，并在预设的平面网 格精度下提取网格点(x₀,y₀)的高程z₀。

此步骤建立出施工场地三维模型，并确定出其中网格点的坐标。建模可通 过倾斜摄影、三维激光扫描等建模方法，平面网格精度由本领域技术人员自行 设定，考虑到整体模型的尺寸，将平面网格精度设定为1m较为适宜。

步骤S103：以固定频率更新施工场地三维模型以及当前时刻下既有场地外 轮廓网格坐标。

建立好施工场地三维模型之后，在后续步骤执行时，一直以固定频率进行 模型的更新，以及当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标的获取，用于后续步骤 执行的计算因素。设定当前时刻为t，则既有场地外轮廓网格坐标表示为 (x_t,y_t,z_t)。

步骤S104：在塔吊开始起重时，获取物体起吊点坐标以及预定到位点坐标。

确定物体初始位置与落地位置后，通过透视成像与摄影测量一致性原理， 在实际场景空间中，物体经过模型变换矩阵进行平移及缩放变化，确定其大小、 位置和形状；再经过透视投影矩阵进行透视变换，推出实际场景中目标的空间 坐标，得到物体起吊点坐标及预定到位点坐标分别为(x₀,y₀,z₀),(x₁,y₁,z₁)。透视 变换矩阵的变换公式为：

步骤S105：按照预设的路径规划策略以及施工场地三维模型为塔吊规划运 行路径，生成对应的运行参数。

基于光流算法，给图像中的每个像素点赋予一个速度矢量，形成了一个运 动矢量场。当图像中有运动物体时，目标和背景存在着相对运动。运动物体所 形成的速度矢量必然和背景的速度矢量有所不同，利用图像序列中变化像素在 时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性来找到上一帧跟当前帧之间存在的对 应关系，从而计算出相邻帧之间物体的运动信息，预测物体运动趋势。

据此可以计算出物体的位置并跟踪运动目标，某一帧物体运动的瞬时速度 v₀，下一帧图像物体运动的瞬时速度v₁，根据视频监控摄像头采集现场图像频率 参数，得到两帧图像时间间隔t，即可得到重物运动加速度

利用这些 变化量可以估计物体落地时的速度及加速度，避免碰撞冲击。当重物达到目标 落地位置，在物体运动轨迹方向向上，加速度a≤0，速度v＝0，物体平稳落地 不发生碰撞。当前位置H小于安全距离

控制电机增大拉力，直至H≥S。 为保证安全性控制a尽量小，即H＝S。

按照施工场地三维模型，将塔吊、摆臂、吊钩及物体设为空间A，建筑物 主体及周边建筑物设为空间B，当

即满足塔吊不发生碰撞。在满足 不发生碰撞的基础上，重物从起始位置(x₀,y₀,z₀)到落地位置(x₁,y₁,z₁)轨迹越接 近直线，平均曲率越小，路径越短，此时即为最优路径。

将物体运动分解为三个方向的分运动，在塔吊的拉力F₁作用下在竖直方向 向上或向下平动；在小车的作用力F₂作用下沿水平方向向左或向右平动；在旋 转机构的作用力F₃作用下塔吊吊臂在水平面内转动，从而带动物体在水平面上 转动。直线运动中，物体的合速度与合外力必须保持方向平行，即(G为物体 重力)

(F₁-G):F₂:F₃＝(x₁-x₀):(y₁-y₀):(z₁-z₀)

因而物体运动应满足：

K为运动轨迹曲率，△s为轨迹长度，△α为起止两点切线转角。

按照物体运动预测趋势，动态调整电机三个方向作用力，使得运动轨迹趋 于最优路径。

此步骤中的运行参数至少包括有缆绳的长度、缆绳速度、回转角度、回转 角速度、小车幅度、小车变幅速度、物体坐标、物体速度、摆臂长度、摆臂高 度、起重载荷，以及竖向锁止、回转锁止、横向锁止时的平均加速度，既有场 地外轮廓网格坐标组成的点集等。

步骤S106：根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物 体和摆臂的摆动范围。

如图3所示，本发明实施例步骤S106具体包括：

步骤S1061：根据实时的运行参数识别塔吊的运行模式，运行模式分为升降 模式、变幅模式、回转模式、回转变幅模式、升降变幅模式、升降回转模式以 及升降回转变幅模式。

由于本实施例之前建立的是三维模型为直角坐标系，为便于分析，首先以 塔吊底部中心位置为原点将三维坐标转换成柱坐标，若直角坐标系下某点的坐 标为(x,y,z)，转化为柱坐标时该点的坐标为(r,θ,h)，二者关系如下：

在塔吊开始运行后，根据光流算法跟踪物体运动，获取吊塔以及物体的动 态坐标以及运动变化量，实时的运行参数至少包括有：当前缆绳的长度l₀、缆绳 速度v_c、回转角度θ₀、回转角速度ω、小车幅度r₀、小车变幅速度v_c、物体坐标 (r₁,θ₁,h₁)、物体速度v₁、摆臂长度r_m、摆臂高度h₀、起重载荷F_c，以及竖向锁止、 回转锁止、横向锁止时的平均加速度a_c、α、a_r，既有场地外轮廓网格坐标 (r_t,θ_t,h_t)组成的点集U_t。

步骤S1062：根据实时运行参数以及运行模式计算制动参数，制动参数包括 摆臂的制动时间、摆臂的制动距离、摆臂的制动角度、物体的制动距离、物体 的摆幅、缆绳的长度、缆绳与竖直方向的夹角、小车的制动时间、小车的制动 距离。

步骤S1063：根据制动参数计算物体和摆臂的摆动范围。

具体的，计算制动参数以及摆动范围包括：

(1)在升降模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：

在只升降的情况下，摆臂和小车均静止，物体只在竖直方向上运行，因此 在竖直方向上进行锁止后，计算物体的制动距离，为

因此，摆动范围为W＝{(r₁,θ₁,h)|h∈[h₁,h₁+S_m]}。

(2)在变幅模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：

在只变幅的情况下，摆臂和缆绳均静止，物体只在摆臂所在的竖直平面内 运动，横向锁止后，计算小车的制动时间，为

小车的制动距离为：

制动结束后小车的幅度为r₀+S_c，假设小车制动后物体仍以原速度前进，则 制动结束后物体坐标为(r₁+v₁t,θ₁,h₁+l₀(1-cosα₁))，其中，α₁为制动后缆绳与竖 直方向的夹角，为：

制动结束后，物体开始做单摆运动，此时物体与缆绳垂直的速度分量为 v₁cosα₁，由于能量守恒，计算在最大摆幅处，物体上升的高度为

式中g为重力加速度；计算此时缆绳与竖直方向的夹角为

则物体在最大摆幅处的物体坐标为(r₀+S_c±l₀sinα₂,θ₁,h₁+l₀(1-cosα₂))；因此摆 动范围为：W＝{(r,θ₁,h)|r∈[r₀+S_c-l₀sinα₂，r₀+S_c+l₀sinα₂],h∈[h₁,h₁+l₀(1-cosα₂)]}。

(3)在回转模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：在回转的情况下， 小车和缆绳均静止，摆臂旋转后缆绳牵动物体运动，若回转锁止，则计算摆臂 的制动时间和制动距离，为：

则制动结束后摆臂的制动角度为θ₀+θ_d； 则摆臂的摆动范围为：W₁＝{(r,θ,h₀)|r∈(0,r_m],θ∈(θ₀,θ₀+θ_d]}；假设回转制动后，物体 仍以原速度运动，则制动结束后物体的坐标计算为(r₁,θ₁+ωt,h₁)，制动结束后， 物体以小车作为固定端做圆锥摆运动，其角速度为：

其中，

为 圆锥摆运动时缆绳与竖直方向的夹角；

根据物体在竖直方向、水平方向受力平衡，则得出方程

利用方程求解

的值，其中F为缆绳的拉力；

则

为

式中λ为

则物体的摆动范围W₂为 h＝h₁的平面，且以(r₀,θ₀+θ_d,h₁)为圆心，半径为

的圆，即

则总的摆动范围为W＝W₁∪W₂。

(4)在回转变幅模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：

在回转和变幅同时发生的情况下，若同时回转锁止、变幅锁止，则计算制 动结束后小车坐标为

计算摆臂的制动时间和制动距离，为：

摆臂的制度角度为θ₀+θ_d，则摆臂的摆动范围为W₁＝{(r,θ,h₀)|r∈(0,r_m],θ∈(θ₀,θ₀+θ_d]}；由于制动后物体以小车为固定点做圆锥 摆运动，为了提高安全性，其运动速度取制动之前的v₁，则根据物体竖直方向和 水平方向受力平衡，可得出如下方程：

根据方程计算缆绳与竖直方向的夹角

为

式中，λ为

则物体的摆动范围W₂为h＝h₁的平面，且以

为圆心，半径为

的圆，即

则总的摆动范围为W＝W₁∪W₂。

(5)在升降变幅模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：

在升降和变幅同时发生的情况下，若竖直锁止和横向锁止同时实现，则计 算制动结束后缆绳的长度，为

余下计算方式与变幅模式相近，假设 制动开始后，物体仍以原速度前进，则制动结束后物体的坐标为：

其中，α₁为制动后缆绳与竖直方向的夹角，为：

制动结束后，物体开始做单摆运动，物体与缆绳垂直的速度分量为v₁cosα₁， 由于能量守恒，计算在最大摆幅处，物体上升的高度为

g为重力 加速度；此时缆绳与竖直方向的夹角为

则物体在最大摆幅 处的物体坐标为(r₀+S_c±l₀′sinα₂,θ₁,h₁+l₀′(1-cosα₂))；因此摆动范围为：W＝{(r,θ₁,h)|r∈[r₀+S_c-l₀'sinα₂，r₀+S_c+l₀'sinα₂],h∈[h₁,h₁+l₀'(1-cosα₂)]}。

(6)在升降回转模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：

在升降和回转同时发生的情况下，若竖向锁止和横向锁止同时实现，则计 算制动结束后缆绳的长度，为

剩余过程与回转模式接近，计算摆臂 的制动时间和制动距离，为：

摆臂的制动角度为θ₀+θ_d；则摆臂 的摆动范围为：W₁＝{(r,θ,h₀)|r∈(0,r_m],θ∈(θ₀,θ₀+θ_d]}；

假设制动开始后，物体仍以原速度前进，则制动结束后物体坐标为

制动结束后物体以小车作为固定端做圆锥摆运动，其角速度为：

其中，

为圆锥摆运动时缆绳与竖直方向的夹角；

根据物体竖直方向和水平方向受力平衡得出方程

根 据该方程求解

的值，其中F为缆绳的拉力；

则

为

式中λ为

则物体的摆动范围W₂为

的平面，且以

为圆心，半径为

的圆，即

则总的摆动范围为W＝W₁∪W₂。

(7)在升降回转变幅模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：

在升降、回转以及变幅这三种运动同时发生的情况下，则计算制动结束后 小车的坐标为

计算制动结束后缆绳的长度，为

计 算摆臂的制动时间和制动距离，为：

摆臂的制度角度为θ₀+θ_d， 则摆臂的摆动范围为W₁＝{(r,θ,h₀)|r∈(0,r_m],θ∈(θ₀,θ₀+θ_d]}；制动后物体以小车 为固定点做圆锥摆运动，为提高安全性，其运动速度取为制动前的运动速度v₁， 则根据物体竖直方向和水平方向的受力平衡，可得如下方程

根据方程计算缆绳与竖直方向的夹角

为

式中，λ为

则物体的摆动范围W₂为

的平面，且以

为圆心，半径为

的圆，即

则总的摆动范围为W＝W₁∪W₂。

步骤S107：根据摆动范围和当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标判断是否 有可能发生碰撞。

通过以上对摆动范围的分析，设定摆动范围W_s和既有场地外轮廓网格坐标 集U_t的关系是否满足

若既有场地外轮廓网格坐标点集U_t与碰撞范 围W_s的交集为空集，则认为安全，否则认为可能发生碰撞。所以，若不满足关 系式，则说明没有可能会发生碰撞，则执行步骤S108。

若满足关系式，则说明可能会发生碰撞，则执行步骤S109。

步骤S108：控制塔吊按运行参数继续进行物体运输。

在运输过程中一直以设定频率继续执行步骤S106，直至塔吊将物体运输至 预定到位点坐标时，物体的速度v＝0，加速度a≤0。

步骤S109：控制塔吊进行制动。

根据升降模式、变幅模式、回转模式、回转变幅模式、升降变幅模式、升 降回转模式以及升降回转变幅模式等运行模式，对应进行竖向锁止、横向锁止 以及回转锁止，实现对塔吊的制动。

步骤S110：在塔吊制动期间根据预设的倾覆计算策略预测塔吊是否可能发 生倾覆。

本实施例中的倾覆计算策略为：

设定制动期间竖向最大制动加速度为

则制动期间最大起重力矩为

当吊塔能承受的最大力矩为M_max时，倾覆判断条件为

其中，λ为安全系数，且λ大于1。

如图4所示，本发明的另一种实施例，在以上实施例的基础上，还包括：

步骤S111：为摆动范围增加安全裕量r_s，将摆动范围更新为：

W_s＝{(r,θ,h)|(rcosθ-r_icosθ_i)²+(rsinθ-r_isinθ_i)²+(h-h_i)²≤r_s ²,(r_i,θ_i,h_i)∈W}。

本发明实施例还包括一种塔吊自动化防撞系统，如图5所示，系统包括若 干个视频监控摄像头20，以及塔吊、控制平台30、驱动装置40以及制动装置 50，其中：

若干个视频监控摄像头20布设在建筑主体及塔吊周边，与控制平台30通 讯连接，用于拍摄现场图像并发送给控制平台30；

驱动装置40安装于塔吊上，与控制平台30通讯连接，用于驱动塔吊进行 物体运送；

制动装置50安装于塔吊上，包括竖向锁止模块501、横向锁止模块501以 及回转锁止模块503，均与控制平台30通讯连接，分别用于在竖向、横向以及 回转方向对驱动装置40进行制动，从而在出现险情时限制塔吊的升降、变幅以 及回转。

控制平台30包括三维模型建立模块301、运行起终点获取模块302、路径 规划模块303、摆动范围计算模块304、碰撞判断模块305以及倾覆计算模块306； 三维模型建立模块301，与路径规划模块303、碰撞判断模块305相连接，三维 模型建立模块301用于按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型，以及 以固定频率更新施工场地三维模型以及当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标； 运行起终点获取模块302，与路径规划模块303相连接，运行起终点获取模块 302用于在在塔吊开始起重时获取物体起吊点坐标以及预定到位点坐标；路径规 划模块303，与三维模型建立模块301、运行起终点获取模块302以及摆动范围 计算模块304相连接，路径规划模块303用于按照预设的路径规划策略以及施 工场地三维模型为塔吊规划运行路径，生成对应的运行参数；摆动范围计算模 块304，与路径规划模块303、碰撞判断模块305相连接，摆动范围计算模块304 用于根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的 摆动范围；碰撞判断模块305，与三维模型建立模块301、摆动范围计算模块304 相连接，碰撞判断模块305用于根据摆动范围和当前时刻下既有场地外轮廓网 格坐标判断是否有可能发生碰撞；若是，则向制动装置发送制动指令；倾覆计 算模块306，与碰撞判断模块305相连接，倾覆计算模块306用于在制动装置工作时根据预设的倾覆计算策略预测塔吊是否可能发生倾覆。

本发明实施例的塔吊自动化防撞方法及系统，基于图像处理的视频监控， 能够实时分析塔吊运行情况，可以直观指导塔机操作员及地面指挥人员的操作； 能够实时跟踪运动物体，使塔吊运行时不与外部设备发生碰撞，保障塔吊运行 安全；为物体运输规划并动态调整最优路径，使得物体在满足不碰撞的条件下， 运输效率最高，省时省力；本系统实现自动化监控，无须布设传感器，即可获 取物体运动变化量，实时监测塔吊运行情况。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里 具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术 人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的 范围。

Claims (10)

1.一种塔吊自动化防撞方法，其特征在于，包括：

在建筑主体及塔吊周边布设若干个视频监控摄像头；

按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型；

以固定频率更新所述施工场地三维模型以及当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标；

在塔吊开始起重时，获取物体起吊点坐标以及预定到位点坐标；

按照预设的路径规划策略以及所述施工场地三维模型为塔吊规划运行路径，生成对应的运行参数；

根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范围；

根据所述摆动范围和当前时刻下所述既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可能发生碰撞；若否，控制塔吊按所述运行参数继续进行物体运输；若是，

控制塔吊进行制动；

在塔吊制动期间根据预设的倾覆计算策略预测塔吊是否可能发生倾覆。

2.如权利要求1所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，所述根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范围，包括：

根据实时的运行参数识别塔吊的运行模式，所述运行模式分为升降模式、变幅模式、回转模式、回转变幅模式、升降变幅模式、升降回转模式以及升降回转变幅模式；

根据实时运行参数以及所述运行模式计算制动参数，所述制动参数包括摆臂的制动时间、摆臂的制动距离、摆臂的制动角度、物体的制动距离、物体的摆幅、缆绳的长度、缆绳与竖直方向的夹角、小车的制动时间、小车的制动距离；

根据所述制动参数计算物体和摆臂的摆动范围。

3.如权利要求2所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，实时运行参数包括当前缆绳的长度l₀、缆绳速度v_c、回转角度θ₀、回转角速度ω、小车幅度r₀、小车变幅速度v_c、物体坐标(r₁,θ₁,h₁)、物体速度v₁、摆臂长度r_m、摆臂高度h₀、起重载荷F_c，以及竖向锁止、回转锁止、横向锁止时的平均加速度a_c、α、a_r，既有场地外轮廓网格坐标(r_t,θ_t,h_t)组成的点集U_t。

4.如权利要求3所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，

在所述升降模式下计算所述制动参数以及所述摆动范围，包括：

计算物体的制动距离，为

所述摆动范围为W＝{(r₁,θ₁,h)|h∈[h₁,h₁+S_m]}；

在所述变幅模式下计算所述制动参数以及所述摆动范围，包括：

计算小车的制动时间，为

小车的制动距离为：

制动结束后物体坐标为(r₁+v₁t,θ₁,h₁+l₀(1-cosα₁))，其中，α₁为制动后缆绳与竖直方向的夹角，为：

物体与缆绳垂直的速度分量为v₁cosα₁，计算物体上升的高度为

g为重力加速度；

计算缆绳与竖直方向的夹角为

则物体在最大摆幅处的物体坐标为(r₀+S_c±l₀sinα₂,θ₁,h₁+l₀(1-cosα₂))；

所述摆动范围为：

W＝{(r,θ₁,h)|r∈[r₀+S_c-l₀sinα₂，r₀+S_c+l₀sinα₂],h∈[h₁,h₁+l₀(1-cosα₂)]}；

在所述回转模式下计算所述制动参数以及所述摆动范围，包括：

计算摆臂的制动时间和制动距离，为：

摆臂的制动角度为θ₀+θ_d；

则摆臂的摆动范围为：W₁＝{(r,θ,h₀)|r∈(0,r_m],θ∈(θ₀,θ₀+θ_d]}；

计算物体坐标为(r₁,θ₁+ωt,h₁)，物体以小车作为固定端做圆锥摆运动，其角速度为：

其中，

为圆锥摆运动时缆绳与竖直方向的夹角；

根据方程

求解

的值，其中F为缆绳的拉力；

则

为

式中λ为

则物体的摆动范围W₂为h＝h₁的平面，且以(r₀,θ₀+θ_d,h₁)为圆心，半径为

的圆，即

则总的摆动范围为W＝W₁∪W₂。

5.如权利要求4所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，

在所述升降回转变幅模式下计算所述制动参数以及所述摆动范围，包括：

计算制动结束后小车的坐标为

计算制动结束后缆绳的长度，为

计算摆臂的制动时间和制动距离，为：

摆臂的制度角度为θ₀+θ_d，则摆臂的摆动范围为W₁＝{(r,θ,h₀)|r∈(0,r_m],θ∈(θ₀,θ₀+θ_d]}；

根据方程

计算缆绳与竖直方向的夹角

为

式中，λ为

则物体的摆动范围W₂为

的平面，且以

为圆心，半径为

的圆，即

则总的摆动范围为W＝W₁∪W₂。

6.如权利要求5所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，还包括：

为所述摆动范围增加安全裕量，将所述摆动范围更新为：

7.如权利要求6所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，所述根据所述摆动范围和当前时刻下所述既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可能发生碰撞，为：根据W_s和U_t设定判断条件为

8.如权利要求7所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，所述倾覆计算策略为：

设定制动期间竖向最大制动加速度为

则制动期间最大起重力矩为

当吊塔能承受的最大力矩为M_max时，倾覆判断条件为

其中，λ为安全系数，且λ大于1。

9.如权利要求1-8所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型，包括：

在塔吊收起起重挂钩时开启所述视频监控摄像头，控制塔吊不断调整回传角并控制所述视频监控摄像头同时采集现场图像；

根据预设的图像预处理策略对所述现场图像进行预处理，生成预处理图像；

根据预设的图像效果评价策略对所述预处理图像进行评价；若所述预处理图像处理效果不合格，

则调整所述视频监控摄像头的角度并变换镜头倍数和镜头焦距，重新采集现场图像；

若合格，则根据所述预处理图像建立施工场地三维模型，并在预设的平面网格精度下提取网格点(x₀,y₀)的高程z₀。

10.一种塔吊自动化防撞系统，其特征在于，所述系统包括若干个视频监控摄像头，以及塔吊、控制平台、驱动装置以及制动装置，其中：

若干个所述视频监控摄像头布设在建筑主体及所述塔吊周边，与所述控制平台通讯连接，用于拍摄现场图像并发送给所述控制平台；

所述驱动装置安装于所述塔吊上，与所述控制平台通讯连接，用于驱动所述塔吊进行物体运送；

所述制动装置安装于所述塔吊上，包括竖向锁止模块、横向锁止模块以及回转锁止模块，均与所述控制平台通讯连接，分别用于在竖向、横向以及回转方向对所述驱动装置进行制动；

所述控制平台包括三维模型建立模块、运行起终点获取模块、路径规划模块、摆动范围计算模块、碰撞判断模块以及倾覆计算模块；所述三维模型建立模块，与所述路径规划模块、碰撞判断模块相连接，所述三维模型建立模块用于按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型，以及以固定频率更新所述施工场地三维模型以及当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标；所述运行起终点获取模块，与所述路径规划模块相连接，所述运行起终点获取模块用于在在塔吊开始起重时获取物体起吊点坐标以及预定到位点坐标；所述路径规划模块，与所述三维模型建立模块、运行起终点获取模块以及所述摆动范围计算模块相连接，所述路径规划模块用于按照预设的路径规划策略以及所述施工场地三维模型为塔吊规划运行路径，生成对应的运行参数；所述摆动范围计算模块，与所述路径规划模块、碰撞判断模块相连接，所述摆动范围计算模块用于根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范围；所述碰撞判断模块，与所述三维模型建立模块、摆动范围计算模块相连接，所述碰撞判断模块用于根据所述摆动范围和当前时刻下所述既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可能发生碰撞；若是，则向所述制动装置发送制动指令；所述倾覆计算模块，与所述碰撞判断模块相连接，所述倾覆计算模块用于在制动装置工作时根据预设的倾覆计算策略预测塔吊是否可能发生倾覆。

Images