CN113283123A - 无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置及其方法，其中点云数据获取模块分别获取施工现场各功能区域的点云数据，障碍模型构建模块基于点云数据构建各功能区域的空间栅格模型，得到施工现场的空间障碍模型，容错空间生成模块基于吊运路径途经空间障碍模型的空间区域得到沿吊运路径形成的吊运件容错空间，摆动姿态判断模块实时获取吊运件受到的风载荷，判断出吊运件在风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态，吊运设备控制模块基于在摆动姿态下吊运件和容错空间之间的干涉情况控制塔吊的当前吊运执行机构的启停。该装置能够通过对塔吊进行紧急控制来避免吊运件与障碍物发生碰撞。

Description

无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置及其方法

技术领域

本申请涉及塔吊设备控制技术领域，特别涉及无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置及其方法。

背景技术

塔吊，又称塔式起重机，是建筑工地上常用的一种起重设备，作用是吊运施工所需的钢筋、木楞、混凝土、钢管等建材物料。在每次对物料进行吊运之前，吊钩先受滑轮控制下降到物料的上方附近，物料已经承装到堆料区的吊具内或打包到堆料区的吊具上，吊具上套有钢索或连接结构作为吊具的提拉部分，以该提拉部分作为与吊钩套接的媒介，该提拉部分会被搭放到吊钩的内侧钩状表面上，然后吊钩受滑轮控制起升，提拉部分并带动吊具及其内或其上的物料离地上升。

在吊运过程中，转载有物料的吊具受到变幅小车、回转机构、滑轮等机构的驱动将作为吊运件的吊具移载到需求位置处，但在此过程中，出于外界环境因素的变化、场景设施的变化等原因，吊具在吊运过程中可能会与其他实物发生干涉导致相撞，因此如何及时识别出可能导致相撞的场景并及时对塔吊设备进行紧急控制以实现对吊具和物料的保护，是目前亟需解决的问题。

发明内容

基于此，为了通过对塔吊进行紧急控制来避免吊运件与障碍物发生碰撞，本申请公开了以下技术方案。

一方面，提供了一种无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置，包括：

点云数据获取模块，用于分别获取施工现场各功能区域的点云数据；

障碍模型构建模块，用于基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型，得到施工现场的空间障碍模型；

容错空间生成模块，用于基于所述吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间；

摆动姿态判断模块，用于实时获取吊运件受到的风载荷，判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态；

吊运设备控制模块，用于基于在所述摆动姿态下吊运件和所述容错空间之间的干涉情况控制塔吊的当前吊运执行机构的启停。

在一种可能的实施方式中，所述障碍模型构建模块包括：

有效点云提取单元，用于依据待测功能区域的尺寸数据从所述点云数据中提取出有效点云；

栅格尺寸确定单元，用于依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸；

栅格模型生成单元，用于判断所述有效点云中每个点所在的栅格单元，通过包含有点的栅格单元生成空间栅格模型。

在一种可能的实施方式中，所述栅格尺寸确定单元包括：

功能类划分子单元，用于对施工现场的各功能区域进行功能类别的划分，得到多个功能类；

期望类划分子单元，用于依据各功能类与施工作业的相关度和功能区域内的内容物当前所处的生命周期进程对内容物的表面进行精度划分，将内容物具有的最高精度要求作为功能区域的精度要求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类；

栅格尺寸确定子单元，用于依据各所述期望类的精度要求为各期望类分配栅格单元尺寸。

在一种可能的实施方式中，所述容错空间生成模块包括：

栅格模型获取单元，用于获取所述吊运路径上的目标路径，并获取所述目标路径所在功能区域及其各相邻功能区域的当前空间栅格模型；

模型截面获取单元，用于从将所述目标路径中均匀选取多个路径点，获取每个路径点处的水平面，并获取各水平面截取的所述当前空间栅格模型的截面；

容错区域获取单元，用于获取所述路径点与相应截面中各顶点的连线，获取最外侧的连线与最外侧连线之间的截面部分形成的扫描区域，获取同一水平面下扫描区域之间的空置区域，将扫描区域与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域；

容错空间获取单元，用于将各水平面下的容错区域按路径点的顺序进行依次放样，得到吊运件容错空间。

在一种可能的实施方式中，所述摆动姿态判断模块包括：

基础姿态获取单元，用于基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态；

受风面积获取单元，用于建立与所述受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积；

摆动姿态获取单元，用于基于所述风载荷和所述吊运件的重量得到摆动姿态，其中，所述风载荷基于受风风速和所述受风面积得到。

另一方面，还提供了一种无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护方法，包括：

分别获取施工现场各功能区域的点云数据；

基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型，得到施工现场的空间障碍模型；

基于所述吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间；

实时获取吊运件受到的风载荷，判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态；

基于在所述摆动姿态下吊运件和所述容错空间之间的干涉情况控制塔吊的当前吊运执行机构的启停。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型，包括：

依据待测功能区域的尺寸数据从所述点云数据中提取出有效点云；

依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸；

判断所述有效点云中每个点所在的栅格单元，通过包含有点的栅格单元生成空间栅格模型。

在一种可能的实施方式中，所述依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸，包括：

对施工现场的各功能区域进行功能类别的划分，得到多个功能类；

依据各功能类与施工作业的相关度和功能区域内的内容物当前所处的生命周期进程对内容物的表面进行精度划分，将内容物具有的最高精度要求作为功能区域的精度要求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类；

依据各所述期望类的精度要求为各期望类分配栅格单元尺寸。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间，包括：

获取所述吊运路径上的目标路径，并获取所述目标路径所在功能区域及其各相邻功能区域的当前空间栅格模型；

从将所述目标路径中均匀选取多个路径点，获取每个路径点处的水平面，并获取各水平面截取的所述当前空间栅格模型的截面；

获取所述路径点与相应截面中各顶点的连线，获取最外侧的连线与最外侧连线之间的截面部分形成的扫描区域，获取同一水平面下扫描区域之间的空置区域，将扫描区域与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域；

将各水平面下的容错区域按路径点的顺序进行依次放样，得到吊运件容错空间。

在一种可能的实施方式中，所述实时获取吊运件受到的风载荷，判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态，包括：

基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态；

建立与所述受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积；

基于所述风载荷和所述吊运件的重量得到摆动姿态，其中，所述风载荷基于受风风速和所述受风面积得到。

本申请公开的无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置及其方法，本实施例针对无人驾驶塔吊的吊运特点，通过对吊运件周围场景进行空间形态的检测来弥补吊运路径无法与周围空间形态相匹配的缺陷，并同时考虑的风载荷以及所处吊运阶段带来的摆动姿态风险，在吊运件与周围障碍物碰撞之前检测到该风险并控制塔吊停止当前动作，避免碰撞事故的发生。

附图说明

以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本申请，而不能理解为对本申请的保护范围的限制。

图1是本申请公开的无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置实施例的结构框图。

图2是空间障碍模型的整体结构示意图。

图3是省略地面后的各功能区域划分及内容物空间结构示意图。

图4是吊运路径示意图。

图5是容错区域示意图。

图6是吊运件在起升阶段竖直上升且未受到气流影响时的示意图。

图7是吊运件在起升阶段竖直上升且受到气流影响后的摆动姿态示意图。

图8是本申请公开的无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

下面参考图1-图7详细描述本申请公开的无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置实施例。如图1所示，本实施例公开的装置主要包括有：点云数据获取模块、障碍模型构建模块、容错空间生成模块、摆动姿态判断模块和吊运设备控制模块。

点云数据获取模块用于分别获取施工现场各功能区域的点云数据。

建筑工地的施工现场为一个场地固定的空间区域，该空间区域会因为实施功能的不同而被划分为多个功能区域，例如空间区域可以包括建筑装修作业区、建筑本体结构搭建作业区、基坑围护作业区、土方开挖作业区、桩基施工作业区、物料存储区、吊具存储区、材料加工区、人员办公区、人员生活区等等。

功能区域是通常是预先划分完成的，针对这些功能区域，可以将多个三维激光扫描仪作为点云数据获取模块安装在施工现场的功能区域边角处，并获取对应功能区域的点云数据，每个三维激光扫描仪可以负责其中一个功能区域全部范围或部分范围的点云数据采集，也可以在测距和场景允许的情况下通过设置转向机构使得一个三维激光扫描仪负责多个相邻的功能区域的点云数据采集，有时同一个功能区域可能需要有多个三维激光扫描仪共同进行扫描检测才能得到功能区域的全貌。由于施工现场的场景变化较慢，因此扫描仪可以是定期进行一次扫描并获取到一次点云数据，实现对现场空间形态的更新。

三维激光扫描仪可以选用脉冲式或相位式，其有效测程的选用依据施工现场的长宽数据或功能区域的长宽数据而定，由于点云数据无需将功能区域的过于细节化的内容展现出来，因此在点位精度方面可以选用精度较低的产品，并且由于施工现场功能区域内的场景变化较慢，因此在扫描速度方面可以选用速度较慢的产品。

障碍模型构建模块用于基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型，得到施工现场的空间障碍模型。

空间栅格模型由多个正方体的栅格单元组成，用于表达相应功能区域内的建筑设施、物料等实体内容的空间形态，其中，栅格单元的体积大小决定了空间栅格模型的粒度，也就是模型精度。

各空间栅格模型共同拼接组成施工现场的空间障碍模型。由于空间障碍模型中的内容物（也就是各功能区域的内容物）均有可能成为吊运件移动过程中的障碍物，因此称为空间障碍模型。可以理解的是，由于塔吊会出现在其中一个或多个作业区内，因此模型中也会存在塔吊本身的栅格部分，本实施例中的空间障碍模型如图2及图3所示。其中，图2为空间障碍模型的整体结构示意图，图3为省略地面后的各功能区域划分及内容物空间结构示意图，其中，施工现场空间区域被划分为以下功能区域：建筑装修作业区100，建筑本体结构搭建作业区200，塔吊区300，物料存储区400，吊具存储区500，材料加工区600，人员办公区700，人员生活区800，以及备用区900。建筑装修作业区100内存在有待装修建筑110，建筑本体结构搭建作业区200内存在有待搭建建筑210，塔吊区300内存在有塔吊310，物料存储区400内存在有堆叠在一起的物料形成的物料堆410，吊具存储区500内存在有多个堆叠在一起的吊具510，材料加工区600内存在有临时加工棚610，人员办公区700内存在有简易办公楼710，人员生活区800内存在有临时板房810，备用区900内未存在有任何内容物。

由于在整体施工的不同阶段下，施工现场的功能区域是会发生变化的，因此空间障碍模型是定期或根据需要而更新的，例如图3中的备用区900可能在需要的时候被用于物料存储而变为另一个物料存储区，也可能过段时间会变为新的塔吊区，其他功能区域也会随施工阶段的不同而发生增减和区域变化等情况，更新频率主要取决于点云数据获取的周期以及更新需求的大小。

容错空间生成模块用于基于所述吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间。

吊运路径是塔吊将吊运件从起始位置吊送至目标位置过程中途经的空间轨迹，对于无人驾驶塔吊来说，每一次吊运时，吊运件的吊运路径均是预先规划好的，在吊运件挂载到塔吊的吊钩上之后，塔吊会自动按照预先设计好的吊运路径控制滑轮、变幅小车、回转机构等执行机构带动吊运件进行空间移动，直至到达目标位置。具体如图4所示，图中略去了部分功能区域及其内容物，并展示了以物料堆410中的其中一个物料为吊运件通过塔吊310向待装修建筑110的楼顶吊运的的吊运路径，其中先经过起升阶段A1，然后是回转阶段B1，之后是变幅阶段C1，最后是下降阶段D1，最终到达位于待装修建筑110顶部的目标位置。

空间障碍模型反映的是整个施工现场的内容物，因此吊运路径相当于是在空间障碍模型中的移动而不会超出模型的空间范围，也就是说，吊运件的移动始终是在空间障碍模型内发生的。在吊运件沿吊运路径移动的过程时，吊运件本身占用的空间在沿吊运路径移动时扫描延伸出的空间区域即为“途经所述空间障碍模型的空间区域”。

同时，吊运件在吊运过程可能发生摆动导致产生姿态变化，而不同姿态下吊运件的占用空间不同，为了避免吊运件与其他建筑、设施、吊具甚至其他塔吊等内容物发生相撞，因此需要生成吊运件容错空间并通过容错空间来预测是否会发生相撞事故。因此，吊运件容错空间指的是吊运件沿预先设计好的吊运路径移动时在当前空间障碍模型下的最大可动空间范围。

摆动姿态判断模块用于实时获取吊运件受到的风载荷，判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态。

在吊运件从起吊之后至落地之前的过程中，塔吊设备在驱动吊运件移动的过程中可能会使得吊运件发生以滑轮为圆心进行类似单摆运动似的摆动，例如在进行变幅、回转时，并且吊运件在空中还可能会受到空中气流施加的风载荷，风载荷同样可能使吊运件发生摆动，而摆动后的姿态即为摆动姿态。因此为了避免吊运件因摆动姿态而与周围的其他内容物发生相撞，就需要先判断出吊运件的摆动姿态。

摆动姿态具体可以包括摆动方向和摆动角度，摆动方向指的是吊运件偏离原位置的偏离方向，摆动角度指的是以滑轮为圆心时摆动方向与原位置之间的夹角大小。

例如，在吊运件的竖直起升阶段，滑轮控制吊绳（连接滑轮与吊钩）带动吊钩起升，当起吊过程中有横向气流经过吊运件时，吊运件会因为受到气流的风载荷而发生一定程度的摆动，吊绳在无任何摆动的情况下会垂直于地面，而摆动后的吊绳会与无任何摆动的吊绳之间存在一个夹角，该夹角就是摆动角度，该夹角相对于无任何摆动的吊绳的方向就是摆动方向，其中，起吊过程中摆动方向的影响因素主要是风载荷，并且摆动方向与风载荷施加与吊运件的方向相同，而摆动角度的影响因素主要是风载荷的大小。此时的摆动姿态仅由于风载荷而产生。

又例如，在吊运件的水平转向阶段，滑轮将吊运件起吊到一定高度后，在保持高度不变的情况下，回转机构带动吊臂进行水平转动，从而带动吊运件进行圆周运动，此时由于圆周运动时吊运件受到向心力，因此同样会发生一定程度的摆动，以及吊绳与无任何摆动的吊绳之间同样会存在一个夹角，该夹角就是摆动角度，该夹角相对于无任何摆动的吊绳的方向就是摆动方向，其中，转向过程中摆动方向的影响因素主要是回转机构经由吊绳向吊运件施加的驱动力方向，而摆动角度的影响因素主要是驱动力大小。此时的摆动姿态仅由于当前吊运执行机构驱动力而产生。

可以理解的是，摆动姿态也可能是同时由风载荷和驱动力共同作用形成的，例如在水平转向过程中遇到横向风载荷。

需要说明的是，由于当前受到的风载荷不会立即转化成摆动姿态，而是需要一定时间才会达到摆动姿态的状态，因此检测出当前的风载荷后还有一定时间用来紧急控制执行机构的启停，由此来避免一定时间后即将发生的摆动姿态以及该姿态下带来的碰撞事故。

吊运设备控制模块用于基于在所述摆动姿态下吊运件和所述容错空间之间的干涉情况控制塔吊的当前吊运执行机构的启停。

容错空间是吊运件的动作允许范围，而摆动姿态是吊运件的实际动作，若实际动作与动作允许范围之间发生干涉，也就是发生重叠和交叉，则说明吊运件的摆动会导致其与附近的同功能区域或相邻功能区域内的内容物接触，也就是发生碰撞，此时需要立即控制执行当前吊运阶段的吊运执行机构停止动作。

例如，当前处于起吊阶段，吊运件正在上升，在生成吊运路径时，路径途经的各个位置处均未有任何遮挡和障碍，但由于建筑物施工过程中在路径途经的某一位置处新搭建了一排钢筋，导致在生成容错空间时发现吊运件沿路径上升时会与容错空间的边界发生干涉，因为容错空间由于钢筋的存在而变小，而吊运件此时未受到任何风载荷而处于平稳上升状态，因此生成吊运件当前位置之后的一段容错空间时，就会发现会产生干涉，因此需要立即控制负责起升阶段运行的滑轮等执行机构和塔吊设备停止运行，避免吊运件与钢筋发生碰撞。

又例如，当前处于变幅阶段，吊运件正在平移，吊运件的一侧设有与吊运件不同功能区域的建筑障碍物，也就是说吊运件正在贴着障碍物平移，此时突然刮风且风向朝向障碍物，吊运件受到风载荷而向障碍物的方向摆动，当发现摆动姿态已经大到会与容错空间发生干涉，也就是与障碍物发生碰撞，此时立即控制变幅小车停止运行，并采取一些措施来减小吊运件的摆动程度，避免其与障碍物的相撞，例如通过安装在吊钩上的摆动耳转动，向钢索施加反向作用力，以此来减小摆动角度，进而避免与障碍物相撞，或者通过吊钩上的夹紧装置将钢索夹紧，通过钢索的应力来抵消部分摆动力，以此来减小摆动角度。

本实施例针对无人驾驶塔吊的吊运特点，通过对吊运件周围场景进行空间形态的检测来弥补吊运路径无法与周围空间形态相匹配的缺陷，并同时考虑的风载荷以及所处吊运阶段带来的摆动姿态风险，在吊运件与周围障碍物碰撞之前检测到该风险并控制塔吊停止当前动作，避免碰撞事故的发生。

在一种实施方式中，所述障碍模型构建模块包括：有效点云提取单元、栅格尺寸确定单元和栅格模型生成单元。

有效点云提取单元用于依据待测功能区域的尺寸数据从所述点云数据中提取出有效点云。

由于功能区域中相对于三维激光扫描仪的安装位置的最远的位置点也会位于扫描仪的有效测程内，因此三维激光扫描仪采集到的点云数据中可能包含有一些位于本功能区域（也就是待测功能区域）以外的内容物的点，因此在进行点云处理之前，先把不属于本功能区域的点云数据剔除，得到属于本功能区域内的点云数据，也就是有效点云。

栅格尺寸确定单元用于依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸。

场景更新期望指的是对功能区域内的内容物的变化频率、变化幅度等情况的期望，例如对于建筑装修作业区100和建筑本体结构搭建作业区200来说，由于其持续处于作业状态，因此这些区域内的主体结构可能始终处于变化状态，也就是建筑的装修和搭建会使得建筑的形态经常发生变化，因此场景更新期望较高；对于物料存储区400和吊具存储区500来说，由于其经常会被卸载外界运送来的建材物料以及使用吊具进行承装吊运，物料堆和吊具堆的形态也会经常发生变化，因此场景更新期望适中；对于剩余的功能区域来说，由于其均为固定的建筑，形态上基本不会发生任何变化，因此场景更新期望很低。

场景更新期望越高，形态变化频率和幅度就越大，因此栅格单元的尺寸就设定的越小，而栅格单元尺寸越小，说明空间栅格模型的精度和分辨率越高，反映出的功能区域的形态内容越全面，使得作业区和存储区的实体内容物的空间形态能够被更全面的感知到。由此可知，同一个空间障碍模型内的各空间栅格模型的精度是可以不完全相同的。例如在待搭建建筑210的顶部临时架设一个钢筋，钢筋的架设位置可能距离就在预先规划好的吊运件降落位置很近甚至就位于降落位置处，或者架设位置使得钢筋可能会与吊运途中的吊运件相撞，因此形态变化频率和幅度会影响到吊运过程中能够顺利进行以及是否需要启停控制，而为了正确识别出该钢筋的尺寸和形态以便于更好地预测相撞和控制启停，可以对模型精度进行适应性调整，也就是调整栅格单元尺寸。

栅格模型生成单元用于判断所述有效点云中每个点所在的栅格单元，通过包含有点的栅格单元生成空间栅格模型。

假设某功能区域的空间范围为(200,200,0)至(600,400,500)，且该功能区域的场景更新期望对应的栅格单元尺寸为10*10*10，则此时的空间栅格模型最多可以包含40*20*50个栅格单元，该功能区域的有效点云中的每个点均位于其中的一个栅格单元内，有些栅格单元内包含有多个点，有些栅格单元则不包含任何一个点，将每个包含有一个或多个点的栅格单元进行统计，并由这些统计出的栅格单元形成空间栅格模型。可以理解的是，若该功能区域的场景更新期望对应的栅格单元尺寸为5*5*5，则此时的空间栅格模型最多可以包含80*40*100个栅格单元，在精度上高于栅格单元尺寸为10*10*10时的精度。

在一种实施方式中，所述栅格尺寸确定单元包括：功能类划分子单元、期望类划分子单元和栅格尺寸确定子单元。

功能类划分子单元用于对施工现场的各功能区域进行功能类别的划分，得到多个功能类。

以图3为当前施工阶段下的功能区域分布为例，则建筑装修作业区100、建筑本体结构搭建作业区200和塔吊区300均属于作业区，物料存储区400和吊具存储区500均属于存储区，材料加工区600属于加工区，人员办公区700和人员生活区800均属于生活区，备用区900属于空白区，由此得到作业类、存储类、加工类、生活类和空白类。

期望类划分子单元用于依据各功能类与施工作业的相关度和功能区域内的内容物当前所处的生命周期进程对内容物的表面进行精度划分，将内容物具有的最高精度要求作为功能区域的精度要求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类。

作业类、存储类、加工类、生活类和空白类中，作业类和存储类与施工作业的相关度最高，加工类与施工作业的相关度适中，生活类和空白类与施工作业的相关度最低。

不同内容物的生命周期不同，生命周期中的阶段和进程也不同，例如两个作业区中，内容物为正在施工中的建筑，其中作业区100处于生命周期中的装修阶段，而作业区200处于结构搭建阶段，对于施工中的建筑来说，生命周期从实际动工开始，包括土方开挖、基坑围护、桩基施工、主体结构搭建、装饰装修等阶段，最终完成施工，生命周期历经多个阶段，且不同阶段之间的空间形态不同、阶段内的形态变化程度也不同，主体结构搭建阶段时，楼体会逐渐增高，钢筋水泥会导致外侧空间形态的变化，待搭建建筑210的顶面的空间形态变化频率最高，侧面的空间形态变化频率低于顶面，装修阶段时，则主要是内部空间形态的变化，因此待装修建筑110所有外表面的变化频率均低于待搭建建筑210侧面的变化频率。

又例如两个生活区中，内容物为办公楼710和板房810，这些内容物落成速度快且落成后不会发生空间形态变化。

由此，通过相关度和生命周期进程对内容物的表面划分精度要求，可知待搭建建筑210顶面的精度要求最高，然后是待搭建建筑210的所有侧面，然后是待装修建筑110的所有外表面，办公楼710和板房810的所有外表面的精度要求则最低。精度要求具体可以通过数值来计算，例如将相关度折算成相关度系数，各内容物的表面在当前生命周期进程下的空间形态变化频率也折算为变化系数，通过相关度系数和变化系数的乘积得到精度要求等级。

划分出内容物表面的精度要求后，同一内容物上可能同时包含有不同精度要求的表面，因此以具有的最高精度要求作为该内容物的整体精度要求，例如待搭建建筑210整体的精度要求以其顶面的精度要求为准，而功能区域的精度要求则以该功能区域内具有的最高精度要求内容物的精度要求为准，由此得到各功能区域的精度要求，而功能区域的精度要求反映的就是功能区域的场景更新期望。不同精度要求的功能区域被进一步划分，相当于对功能类进行了进一步划分，得到期望类。例如原属同一功能类的两个作业区因为整体精度要求的不同而分别划分至不同的期望类中，其中作业区200所在的期望类的精度要求高于作业区100所在期望类的精度要求。

栅格尺寸确定子单元用于依据各所述期望类的精度要求为各期望类分配栅格单元尺寸。

各期望类中的功能区域精度要求均不相同，也就是各期望类的场景更新期望均不相同，通过精度-栅格尺寸之间的关联关系，确定出不同精度要求下的栅格单元尺寸，最终得到各功能区域的栅格单元尺寸，其中精度要求越高，栅格单元尺寸越小。

在一种实施方式中，所述容错空间生成模块包括：栅格模型获取单元、模型截面获取单元、容错区域获取单元和容错空间获取单元。

栅格模型获取单元用于获取所述吊运路径上的目标路径，并获取所述目标路径所在功能区域及其各相邻功能区域的当前空间栅格模型。

目标路径指的是位于吊运路径上的当前需要被判断容错空间大小的一段路径，在形成吊运件容错空间时，可以是将整个吊运路径的吊运件容错空间同时生成，此时的目标路径就是吊运路径本身，此种情况下，若从吊运路径生成之后到吊运件容错空间生成时刻的这段时间内，若附近的内容物发生变化以及吊运过程中突然到来的风载荷的影响导致吊运件可能与内容物相撞，则可以在吊运过程中及时知晓并予以启停控制，避免相撞事故发生。进一步的，目标路径可以只是吊运路径的一小部分，随着吊运件的吊运，依次对之后的一段路径进行容错空间获取，若在吊运过程中发生了空间栅格模型的更新，则可以使用最新的模型来进行容错空间获取，进一步提高了容错空间的准确性和时效性，避免了在吊运件起吊后有建材突然出现在路径旁导致吊运件受风影响与之相撞的情况。

目标路径可以是从吊运件当前位置作为起点，经过设定距离的路径长度后为终点，并到达当前目标路径的终点之前，以该终点为新的起点，进行下一目标路径的容错空间获取，直至新的起点为整个吊运路径的终点。

假设当前吊运路径为图4中箭头所示的路径，且吊运件正在准备起吊，则目标路径为从吊运件当前位置点为起点，沿吊运路径升高5米后的位置点为终点，获取该5米路径内的容错空间。吊运件当前位于物料存储区400，物料存储区400的相邻功能区域为材料加工区600、塔吊区300和吊具存储区500，获取该三个区域在当前最新的空间障碍模型中的空间栅格模型，其中的内容物包括了塔吊310、物料堆410和临时加工棚610。

模型截面获取单元用于从将所述目标路径中均匀选取多个路径点，获取每个路径点处的水平面，并获取各水平面截取的所述当前空间栅格模型的截面。

路径点的选取可以是依据栅格尺寸进行的，各路径点的间距要小于上述相邻功能区域中的最小栅格长度，使得截面中必然会出现内容物在目标路径长度上的所有形态特征。假设每0.1米选取一个路径点，由于每个路径点均有各自的高度，因此可截取50个水平面，也就能得到50个截面，由于各内容物的形态可能存在变化，因此不同截面中各内容物的二维图像是不同的，例如在第1个路径点的截面中存在临时加工棚610的长方体截面形状，而第31个路径点的截面中，由于第31个路径点的高度超出了临时加工棚610的高度，因此截面中不再出现临时加工棚610；又例如在第1个路径点的截面中，物料堆410的截面为位于吊运件一侧的多个相邻长方体（吊运件为边缘处且处于非最高层的一个料箱），而在第21个路径点的截面中，物料堆410的截面中少了一个长方体，因为高度到达了物料堆410中的更上一层，物料堆410呈金字塔状堆叠因此该层的料箱少了一个。

容错区域获取单元用于获取所述路径点与相应截面中各顶点的连线，获取最外侧的连线与最外侧连线之间的截面部分形成的扫描区域，获取同一水平面下扫描区域之间的空置区域，将扫描区域与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域。

图5为某个水平面下的容错区域示意图，其中两个长方体为功能区域中吊运件附近的内容物，中心的圆点代表吊运件，吊运件分别向两个长方体的四个顶点做连线，其中最外侧的连线为实线，非最外侧的连线为虚线，将对应于同一内容物的两个最外侧连线之间的截面作为扫描区域，得到两个阴影部分的扫描区域，而两个扫描区域之间还夹有两个阴影部分的空置区域，四个区域共同形成容错区域，在容错区域内的吊运件摆动不会导致相撞，超出容错区域的摆动则会导致相撞。

容错空间获取单元用于将各水平面下的容错区域按路径点的顺序进行依次放样，得到吊运件容错空间。

放样指的是三维建模过程中将多个二维形状进行连接和拟合形成三维形状，由多个水平面的截面进行依次连接和拟合，得到容错区域形成的容错空间。

在一种实施方式中，所述摆动姿态判断模块包括：基础姿态获取单元、受风面积获取单元、风载荷计算单元和摆动姿态获取单元。

基础姿态获取单元用于基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态。

若要得到吊运件受气流影响下的摆动姿态，则首先要获取到受风面积，而受风面积的获取需要先确定出吊运件在受气流影响前的姿态，也就是基础姿态。基础姿态就是吊运件未受到任何气流影响下的姿态，但由于在不同吊运阶段下的吊运件本身也会有姿态变化，因此基础姿态是基于当前吊运阶段确定的。

若当前吊运阶段为起升阶段或下降阶段或其他在水平方向上无移动量的吊运阶段，则吊运件的基础姿态即为平稳且无任何摆动的姿态；若当前吊运阶段为转向阶段或变幅阶段或其他在水平方向上有移动量的吊运阶段，则吊运件的基础姿态为仅受吊运影响而产生的摆动姿态，该摆动姿态是已知的，可依据预先建立的吊运阶段与摆动姿态的对应关系得到，例如预先记录下在各个吊运阶段下并且是无气流影响的情况下的吊运件摆动姿态，建立阶段-摆动的映射关系，直接通过该映射关系得到吊运阶段的摆动姿态。

受风面积获取单元用于建立与所述受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积。

得到基础姿态后，可以建立基础姿态下吊运件的模型，然后利用扫掠平面从吊运件模型的一端开始扫掠直至完全经过吊运件模型。假设当前的基础姿态为平稳姿态（无气流），风向与料箱的体对角线上的两个顶点的连线相平行，风向传感器检测到该风向后，得到与风向垂直的扫掠平面，例如在其中一个扫掠平面的截面处，该截面同时经过料箱的三个均与同一棱角通过棱边相邻的棱角，而在该扫掠平面下得到的最大截面为一个正六边形，该正六边形的面积即为受风面积，

摆动姿态获取单元用于基于所述风载荷和所述吊运件的重量得到摆动姿态，其中，所述风载荷基于受风风速和所述受风面积得到。

得到受风面积后，就可以结合受风风速计算吊运件受到的风载荷F，风载荷F具体可以通过以下公式计算：F=ρ*v²*s，其中ρ为空气密度，v为受风风速，s为受风面积。

得到风载荷后，由于吊运件的总重量是已知的，其由吊具自身重量和物料重量相加得到。吊具发生摆动的其中一种情况下的位置变化请参阅图6和图7，图6中料箱411处于起升阶段，受到图中向上箭头所示的拉力，同时还受到向左箭头所示的风载荷，图7为料箱411由于受到向左箭头所指方向的气流的风载荷F_推，并且受到吊绳311的拉力F_拉以及重力G，对料箱做自动受力分析后，得到关于摆动角度θ1的计算公式：tan(θ1)= F_推/mg，其中m为吊运件的总重量，g为重力加速度，摆动方向则由合力的方向确定，由此得到当前的摆动姿态。由于处于起升阶段，因此不会受到塔吊施加的水平方向的力，因此摆动方向只由受风风向决定，并被判定为与受风风向相同。

可以理解的是，还有可能是吊运件处于受到水平方向力的吊运阶段时受到气流影响，或者在持续受到气流影响时进入到了使吊运件受到水平方向力的吊运阶段，这两种情况下，吊运件除了会受到气流风载荷以外，还会受到钢索在水平方向的拉力，但关于吊运件的受力分析和摆动姿态的获取方式则是相同的，只是参与受力分析的力的大小和方向有所区别而已。

下面参考图8详细描述本申请公开的无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护方法实施例。本实施例是用于实施前述的紧急启停控制保护装置实施例的方法。

如图8所示，本实施例公开的方法包括如下步骤：

S100、分别获取施工现场各功能区域的点云数据；

S200、基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型，得到施工现场的空间障碍模型；

S300、基于所述吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间；

S400、实时获取吊运件受到的风载荷，判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态；

S500、基于在所述摆动姿态下吊运件和所述容错空间之间的干涉情况控制塔吊的当前吊运执行机构的启停。

在一种实施方式中，所述基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型，包括：

依据待测功能区域的尺寸数据从所述点云数据中提取出有效点云；

依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸；

判断所述有效点云中每个点所在的栅格单元，通过包含有点的栅格单元生成空间栅格模型。

在一种实施方式中，所述依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸，包括：

对施工现场的各功能区域进行功能类别的划分，得到多个功能类；

依据各功能类与施工作业的相关度和功能区域内的内容物当前所处的生命周期进程对内容物的表面进行精度划分，将内容物具有的最高精度要求作为功能区域的精度要求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类；

依据各所述期望类的精度要求为各期望类分配栅格单元尺寸。

在一种实施方式中，所述基于所述吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间，包括：

获取所述吊运路径上的目标路径，并获取所述目标路径所在功能区域及其各相邻功能区域的当前空间栅格模型；

从将所述目标路径中均匀选取多个路径点，获取每个路径点处的水平面，并获取各水平面截取的所述当前空间栅格模型的截面；

获取所述路径点与相应截面中各顶点的连线，获取最外侧的连线与最外侧连线之间的截面部分形成的扫描区域，获取同一水平面下扫描区域之间的空置区域，将扫描区域与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域；

将各水平面下的容错区域按路径点的顺序进行依次放样，得到吊运件容错空间。

在一种实施方式中，所述实时获取吊运件受到的风载荷，判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态，包括：

基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态；

建立与所述受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积；

基于所述风载荷和所述吊运件的重量得到摆动姿态，其中，所述风载荷基于受风风速和所述受风面积得到。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，均仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序等。

本文中的模块、单元或组件的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，在实际实现时可以有其他的划分方式，例如多个模块和/或单元可以结合或集成于另一个系统中。作为分离部件说明的模块、单元、组件在物理上可以是分开的，也可以是不分开的。作为单元显示的部件可以是物理单元，也可以不是物理单元，即可以位于一个具体地方，也可以分布到网格单元中。因此可以根据实际需要选择其中的部分或全部的单元来实现实施例的方案。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置，其特征在于，包括：

点云数据获取模块，用于分别获取施工现场各功能区域的点云数据；

障碍模型构建模块，用于基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型，得到施工现场的空间障碍模型；

容错空间生成模块，用于基于吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间；

摆动姿态判断模块，用于实时获取吊运件受到的风载荷，判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态；

吊运设备控制模块，用于基于在所述摆动姿态下吊运件和所述容错空间之间的干涉情况控制塔吊的当前吊运执行机构的启停。

2.如权利要求1所述的紧急启停控制保护装置，其特征在于，所述障碍模型构建模块包括：

有效点云提取单元，用于依据待测功能区域的尺寸数据从所述点云数据中提取出有效点云；

栅格尺寸确定单元，用于依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸；

栅格模型生成单元，用于判断所述有效点云中每个点所在的栅格单元，通过包含有点的栅格单元生成空间栅格模型。

3.如权利要求2所述的紧急启停控制保护装置，其特征在于，所述栅格尺寸确定单元包括：

功能类划分子单元，用于对施工现场的各功能区域进行功能类别的划分，得到多个功能类；

期望类划分子单元，用于依据各功能类与施工作业的相关度和功能区域内的内容物当前所处的生命周期进程对内容物的表面进行精度划分，将内容物具有的最高精度要求作为功能区域的精度要求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类；

栅格尺寸确定子单元，用于依据各所述期望类的精度要求为各期望类分配栅格单元尺寸。

4.如权利要求1所述的紧急启停控制保护装置，其特征在于，所述容错空间生成模块包括：

栅格模型获取单元，用于获取所述吊运路径上的目标路径，并获取所述目标路径所在功能区域及其各相邻功能区域的当前空间栅格模型；

模型截面获取单元，用于从将所述目标路径中均匀选取多个路径点，获取每个路径点处的水平面，并获取各水平面截取的所述当前空间栅格模型的截面；

容错区域获取单元，用于获取所述路径点与相应截面中各顶点的连线，获取最外侧的连线与最外侧连线之间的截面部分形成的扫描区域，获取同一水平面下扫描区域之间的空置区域，将扫描区域与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域；

容错空间获取单元，用于将各水平面下的容错区域按路径点的顺序进行依次放样，得到吊运件容错空间。

5.如权利要求1所述的紧急启停控制保护装置，其特征在于，所述摆动姿态判断模块包括：

基础姿态获取单元，用于基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态；

受风面积获取单元，用于建立与受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积；

摆动姿态获取单元，用于基于所述风载荷和所述吊运件的重量得到摆动姿态，其中，所述风载荷基于受风风速和所述受风面积得到。

6.一种无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护方法，其特征在于，包括：

分别获取施工现场各功能区域的点云数据；

基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型，得到施工现场的空间障碍模型；

基于吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间；

实时获取吊运件受到的风载荷，判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态；

基于在所述摆动姿态下吊运件和所述容错空间之间的干涉情况控制塔吊的当前吊运执行机构的启停。

7.如权利要求6所述的紧急启停控制保护方法，其特征在于，所述基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型，包括：

依据待测功能区域的尺寸数据从所述点云数据中提取出有效点云；

依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸；

判断所述有效点云中每个点所在的栅格单元，通过包含有点的栅格单元生成空间栅格模型。

8.如权利要求7所述的紧急启停控制保护方法，其特征在于，所述依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸，包括：

对施工现场的各功能区域进行功能类别的划分，得到多个功能类；

依据各功能类与施工作业的相关度和功能区域内的内容物当前所处的生命周期进程对内容物的表面进行精度划分，将内容物具有的最高精度要求作为功能区域的精度要求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类；

依据各所述期望类的精度要求为各期望类分配栅格单元尺寸。

9.如权利要求6所述的紧急启停控制保护方法，其特征在于，所述基于所述吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间，包括：

获取所述吊运路径上的目标路径，并获取所述目标路径所在功能区域及其各相邻功能区域的当前空间栅格模型；

从将所述目标路径中均匀选取多个路径点，获取每个路径点处的水平面，并获取各水平面截取的所述当前空间栅格模型的截面；

获取所述路径点与相应截面中各顶点的连线，获取最外侧的连线与最外侧连线之间的截面部分形成的扫描区域，获取同一水平面下扫描区域之间的空置区域，将扫描区域与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域；

将各水平面下的容错区域按路径点的顺序进行依次放样，得到吊运件容错空间。

10.如权利要求6所述的紧急启停控制保护方法，其特征在于，所述实时获取吊运件受到的风载荷，判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态，包括：

基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态；

建立与受风风向垂直的扫掠平面，通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠，将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积；

基于所述风载荷和所述吊运件的重量得到摆动姿态，其中，所述风载荷基于受风风速和所述受风面积得到。

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