CN114852873A - 一种塔式起重机吊物定位及数据处理方法 - Google Patents

一种塔式起重机吊物定位及数据处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种塔式起重机吊物定位及数据处理方法，属于工程机械综合监控领域，通过在吊钩中心轴对称两侧平行于吊钩横向位置安装的两个天线计算的吊钩的基准点位置和在吊钩面向激光雷达方向的侧面安装的标志物的位置，得到基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角；使用立体区域表示吊物存在的空间范围，使用聚类方法得到立体区域点云簇，进而得到吊物的位置和轮廓，根据基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角得到吊物的碰撞轮廓；对于吊钩上方钢丝绳，将吊钩上方钢丝绳和吊钩部分的碰撞区域看作圆台，根据钢丝绳之间的间距及钢丝绳的高度得到圆台底部半径，进而确定圆台碰撞区域。通过本发明可以保证碰撞信息测量的可靠性和稳定性。

Description

一种塔式起重机吊物定位及数据处理方法
技术领域
本发明属于工程机械综合监控技术领域，更具体地，涉及一种塔式起重机吊物定位及数据处理方法。
背景技术
塔式起重机是施工领域重要的运输设备。塔机在运送货物时，塔机的吊物(包括吊装物体、吊钩、起吊钢丝绳等部件)与施工现场以及周边的建筑及障碍物可能发生碰撞。
针对以上问题，目前有基于激光雷达以及视觉的碰撞信息测量系统，但在吊物快速移动时，很难实时准确地检测出吊物的整体轮廓和姿态，会给吊物的碰撞信息测量带来很多隐患。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种塔式起重机吊物定位及数据处理方法，在无法精确检测吊物整体轮廓或姿态的情况下，能够有效评估吊物的实时碰撞轮廓以及运动趋势，保证碰撞信息测量的可靠性和稳定性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种塔式起重机吊物定位及数据处理方法，包括：
通过在吊钩中心轴对称两侧平行于吊钩横向位置安装的两个GNSS天线计算的吊钩的基准点位置和在吊钩面向激光雷达方向的侧面安装的标志物的位置，得到基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角，其中，激光雷达位于大臂根部驾驶舱附近预设范围内；
使用立体区域表示吊物存在的空间范围，使用聚类方法得到立体区域点云簇，进而得到吊物的位置和轮廓，根据基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角得到吊物的碰撞轮廓；
对于吊钩上方钢丝绳，将吊钩上方钢丝绳和吊钩部分的碰撞区域看作圆台，根据钢丝绳之间的间距及钢丝绳的高度得到圆台底部半径，进而确定圆台碰撞区域。
在一些可选的实施方案中，得到基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角，包括：
在t0时刻通过两个GNSS天线读取得到吊钩通过GNSS计算的基准点位置
Figure BDA0003679117690000021
其中，通过双天线测量到的位置及方向和吊钩基准点相对位置固定；
通过激光雷达测量标志物的位置，其中，标志物的位置与吊钩基准点的相对位置固定；
使用预设时间内标志物中心点的测量数据，通过标志物与吊钩基准点的相对位置计算出吊钩基准点的位置点集
Figure BDA0003679117690000022
的均值来估计此时的基准位置的观测数据
Figure BDA0003679117690000023
基于基准位置的两个计算值
Figure BDA0003679117690000024
和
Figure BDA0003679117690000025
得到基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角。
在一些可选的实施方案中，由
Figure BDA0003679117690000026
得到基准点位置测量值
Figure BDA0003679117690000027
由θa＝λθp+(1-λ)θq得到基准线和竖直方向的夹角θa，其中，λ表示权重因子，θp表示测量的第一基准线方向与竖直方向的夹角，θq表示测量的第二基准线方向与竖直方向的夹角，测量的第一基准线方向与GNSS天线的方向垂直，测量的第二基准线方向与标志物的竖向中心线平行。
在一些可选的实施方案中，使用立体区域表示吊物存在的空间范围，使用聚类方法得到立体区域点云簇，进而得到吊物的位置和轮廓，包括：
使用长方体区域表示吊物存在的空间范围，该长方体区域与吊钩的位置相对固定，由吊钩的基准位置确定长方体区域的位置；
使用聚类方法对长方体区域内的点云数据做聚类，得到若干簇点云，对每簇点云计算点云簇质心到长方体中心距离，距离最小的点云簇认为是吊物的点云簇；
得到属于吊物的点云簇后，通过计算几何方法求得属于吊物的点云簇得到包络面，使用包络面形成的多面体代表吊装物体，就得到了吊装物体的位置和轮廓。
在一些可选的实施方案中，根据基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角得到吊物的碰撞轮廓，包括：
以基准线为旋转轴，转动吊物轮廓，形成吊物轮廓回转体，作为吊装物体的碰撞轮廓，用于吊装物体与周边物体的碰撞距离计算以及干涉检测，其中，基准线通过基准点
Figure BDA0003679117690000031
与竖直方向的夹角为θa；
将吊物轮廓回转体最外边与吊钩环心连线，形成包络类圆锥面，作为吊钩下方钢丝绳的轮廓干涉区域，同样用于吊物与周边物体的碰撞距离检测以及干涉检测。
在一些可选的实施方案中，确定圆台碰撞区域，包括：
将吊钩及上方钢丝绳部分碰撞区域看作圆台，圆台顶部为变幅小车处，圆的直径取决于钢丝绳之间的间距，圆台的高度取决于基准位置到变幅小车的垂直间距；
设置钢丝绳的偏摆角度，根据偏摆角度、垂直间距、小车处钢丝绳的间距得到圆台底部的直径。
在一些可选的实施方案中，所述方法还包括：
通过预测基准位置的运动来预测吊装物体碰撞轮廓的运动，将测量的基准位置值根据塔机三个执行机构的运动方向分解为三个变量，建立每一个变量的一元一次方程，使用线性回归方法求解每个一元一次方程的两个参数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
将吊物的碰撞区域分为吊装物体、吊钩下方钢丝绳、吊钩上方钢丝绳，针对不同的碰撞区域采用有针对性的轮廓确定方法，在准确定位基准位置的前提下兼顾碰撞区域检测的有效性和可靠性，从而确保碰撞信息测量的稳定性。并在此基础上提出了吊装物体的运动预测方法，为防碰撞控制提供相关依据。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种吊装物体基准位置及基准线测量示意图；
图2是本发明实施例提供的一种吊装物体及吊钩下方钢丝绳碰撞轮廓测量示意图；
图3是本发明实施例提供的一种吊钩上方钢丝绳碰撞轮廓测量示意图；
图4是本发明实施例提供的一种塔机执行机构运动方向的示意图；
图中：1.1-激光雷达，1.2-激光雷达检测范围，2-GNSS天线，3-标志物，4-吊钩，5-基准位置，6.1-GNSS中心线，6.2-标志物中心线，7-吊钩下方钢丝绳，8-吊装物体，9-长方体范围，10.1-障碍物，10.2-长方体范围与障碍物干涉区域，11-大臂方向，12-吊钩上方钢丝绳。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明提供一种塔式起重机吊物定位及数据处理方法，包括吊装物体基准位置和基准线的测量方法、吊物(包括吊装物体8、吊钩下方钢丝绳7、吊钩上方钢丝绳12)的碰撞轮廓测量方法以及吊装物体的运动预测方法。
如图1所示，在吊钩4中心轴对称两侧平行于吊钩横向的位置安装两个GNSS天线2，通过双天线测量到的位置及方向和吊钩的基准点5相对位置固定。因此，通过在t0时刻读取得到吊钩的通过GNSS计算的基准点位置
Figure BDA0003679117690000058
激光雷达1.1安装在大臂根部驾驶舱附近，随大臂一起旋转，激光雷达检测范围1.2如图1所示，在吊钩面向激光雷达方向的侧面安装标志物3，该标志物的位置与吊钩基准点5的相对位置固定。换算到相同坐标系下，使用激光雷达测量标志点(即标志物3的中心)的位置。由于晃动、振动及测量设备误差，使用一段时间内标志点的观测数据，通过标志物与吊钩基准点的相对位置计算出吊钩基准点的位置点集
Figure BDA0003679117690000051
的均值来估计此时的基准位置的观测数据：
Figure BDA0003679117690000052
N为一段时间内标志点的观测数据的个数，可取为5，采样周期为20ms，ΔT＝N*20ms。
由此，得到基准位置的两个计算值
Figure BDA0003679117690000053
和
Figure BDA0003679117690000054
针对
Figure BDA0003679117690000055
测量的基准线方向6.1与GNSS天线的方向垂直(即测量的基准线方向6.1和竖直方向的夹角为θp)；针对
Figure BDA0003679117690000056
测量的基准线方向6.2与标志物的竖向中心线平行(即测量的基准线方向6.2和竖直方向的夹角为θq)。根据实际情况取权重因子λ∈[0,1]，则t0时刻基准位置测量值为：
Figure BDA0003679117690000057
基准线和竖直方向的夹角为：
θa＝λθp+(1-λ)θq
其中，λ的值会随塔机工况动态调整。当GNSS信号非常好且完全正常的时候，可以取λ＝1；当GNSS数据结算存在问题，同时激光雷达检测正常的时候，取λ＝0；当GNSS信号偏弱，而且激光雷达的检测存在一定瑕疵的时候，可以取λ＝0.5。
如图2所示，吊装物体位于吊钩下方，因此先用一个较大的长方体区域9来表示吊物可能存在的空间范围，该区域与吊钩的位置相对固定。由于已经测得吊钩的基准位置，则该空间长方体的位置也可以得到。塔式起重机工作时，障碍物10.1及工作平面有时也会侵入到该长方体区域内，如10.2所示。因此，需要先对长方体区域内的点做聚类。使用聚类方法DBSCAN对长方体区域内的点云数据做聚类，可以得到若干簇点云。对每簇点云计算其质心到长方体中心距离，距离最小的点云簇认为是吊物的点云簇。得到属于吊物的点云簇后，通过计算几何方法求得该点云簇得到包络面。使用该包络面形成的多面体代表吊装物体，这样就得到了吊装物体的位置和轮廓。进一步，由于吊装物体在空中会转动，所以不能简单地以此位姿下的轮廓代表吊物的碰撞轮廓。因此要再做进一步处理，以上述方法测量得到的基准线(基准线通过基准点
Figure BDA0003679117690000061
与竖直方向的夹角为θa)为旋转轴，转动吊物轮廓，形成回转体，为吊装物体的碰撞轮廓，用于吊装物体与周边物体的碰撞距离计算以及干涉检测。将吊物轮廓回转体最外边与吊钩环心连线，形成包络类圆锥面，作为吊钩下方钢丝绳的轮廓干涉区域，同样用于吊物与周边物体的碰撞距离检测以及干涉检测。
如图3所示，变幅小车和大臂11沿同一方向。对于吊钩上方的钢丝绳(吊钩和大臂上变幅小车之间的钢丝绳索)。由于吊钩及上方钢丝绳在塔机工作过程中会作类圆锥摆动，因此可将该部分碰撞区域看作圆台。圆台顶部为变幅小车处，圆的直径取决于钢丝绳之间的间距，圆台顶部的半径r等于变幅小车处钢丝绳间距的一半。圆台的高度取决于基准位置到变幅小车的垂直间距，圆台的高度等于吊钩上方钢丝绳的高度h，由于吊钩的基准位置已知，而大臂的高度是固定的，因此可以得到钢丝绳的高度h。由于该部分的碰撞区域检测不需要那么精确，但必须包含钢丝绳所有可能的运动位置，因此钢丝绳的偏摆角度α可以取一个固定值(5°-10°)，根据偏摆角度、垂直间距、小车处钢丝绳的间距得到圆台底部的直径。
则，圆台底部的半径为：
R＝r+h*tgα
本发明提供一种塔机吊装物体的运动预测方法，在塔式起重机工作过程中，可以预测其吊装物体的运动轨迹。该方法可以应用到塔式起重机预警、避障的场景中。此处，通过预测基准位置的运动来预测吊装物体碰撞轮廓的运动。将测量的基准位置值根据塔机三个执行机构的运动方向分解为三个变量，建立每一个变量的一元一次方程，使用线性回归方法求解每个一元一次方程的两个参数。
如图4所示，根据塔机执行机构的动作方向将i时刻基准位置值分解为ai＝[γi,li,hi]。以大臂旋转角度θ为例，设线性回归方程为γ＝b0+b1t，则根据t0时刻到tn-1时刻的值求解b0和b1，得到：
Figure BDA0003679117690000071
l和h的线性回归分析方法类似。将tn时刻带入线性回归方程，得到tn时刻的[γn,ln,hn]，进一步求得基准位置的预测位置an＝[γn,ln,hn]，从而确定吊装物体的预测位置。
综上，本发明结合GNSS检测和标志物的激光雷达检测，实现了基准位置的定位，并进一步得到了吊装物体、吊钩下方钢丝绳及吊钩上方钢丝绳的碰撞区域，保证了碰撞区域检测的可靠性，虽然有一些多余的区域，但是充分考虑了多余区域的合理性及有效性。最后，实现了基准位置运行轨迹的预测。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种塔式起重机吊物定位及数据处理方法，其特征在于，包括：
通过在吊钩中心轴对称两侧平行于吊钩横向位置安装的两个GNSS天线计算的吊钩的基准点位置和在吊钩面向激光雷达方向的侧面安装的标志物的位置，得到基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角，其中，激光雷达位于大臂根部驾驶舱附近预设范围内；
使用立体区域表示吊物存在的空间范围，使用聚类方法得到立体区域点云簇，进而得到吊物的位置和轮廓，根据基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角得到吊物的碰撞轮廓；
对于吊钩上方钢丝绳，将吊钩上方钢丝绳和吊钩部分的碰撞区域看作圆台，根据钢丝绳之间的间距及钢丝绳的高度得到圆台底部半径，进而确定圆台碰撞区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，得到基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角，包括：
在t0时刻通过两个GNSS天线读取得到吊钩通过GNSS计算的基准点位置
Figure FDA0003679117680000011
其中，通过双天线测量到的位置及方向和吊钩基准点相对位置固定；
通过激光雷达测量标志物的位置，其中，标志物的位置与吊钩基准点的相对位置固定；
使用预设时间内标志物中心点的测量数据，通过标志物与吊钩基准点的相对位置计算出吊钩基准点的位置点集
Figure FDA0003679117680000012
的均值来估计此时的基准位置的观测数据
Figure FDA0003679117680000013
基于基准位置的两个计算值
Figure FDA0003679117680000014
和
Figure FDA0003679117680000015
得到基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由
Figure FDA0003679117680000016
得到基准点位置测量值
Figure FDA0003679117680000021
由θa＝λθp+(1-λ)θq得到基准线和竖直方向的夹角θa，其中，λ表示权重因子，θp表示测量的第一基准线方向与竖直方向的夹角，θq表示测量的第二基准线方向与竖直方向的夹角，测量的第一基准线方向与GNSS天线的方向垂直，测量的第二基准线方向与标志物的竖向中心线平行。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用立体区域表示吊物存在的空间范围，使用聚类方法得到立体区域点云簇，进而得到吊物的位置和轮廓，包括：
使用长方体区域表示吊物存在的空间范围，该长方体区域与吊钩的位置相对固定，由吊钩的基准位置确定长方体区域的位置；
使用聚类方法对长方体区域内的点云数据做聚类，得到若干簇点云，对每簇点云计算点云簇质心到长方体中心距离，距离最小的点云簇认为是吊物的点云簇；
得到属于吊物的点云簇后，通过计算几何方法求得属于吊物的点云簇得到包络面，使用包络面形成的多面体代表吊装物体，就得到了吊装物体的位置和轮廓。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据基准点位置测量值以及基准线和竖直方向的夹角得到吊物的碰撞轮廓，包括：
以基准线为旋转轴，转动吊物轮廓，形成吊物轮廓回转体，作为吊装物体的碰撞轮廓，用于吊装物体与周边物体的碰撞距离计算以及干涉检测，其中，基准线通过基准点
Figure FDA0003679117680000022
与竖直方向的夹角为θa；
将吊物轮廓回转体最外边与吊钩环心连线，形成包络类圆锥面，作为吊钩下方钢丝绳的轮廓干涉区域，同样用于吊物与周边物体的碰撞距离检测以及干涉检测。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定圆台碰撞区域，包括：
将吊钩及上方钢丝绳部分碰撞区域看作圆台，圆台顶部为变幅小车处，圆的直径取决于钢丝绳之间的间距，圆台的高度取决于基准位置到变幅小车的垂直间距；
设置钢丝绳的偏摆角度，根据偏摆角度、垂直间距、小车处钢丝绳的间距得到圆台底部的直径。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过预测基准位置的运动来预测吊装物体碰撞轮廓的运动，将测量的基准位置值根据塔机三个执行机构的运动方向分解为三个变量，建立每一个变量的一元一次方程，使用线性回归方法求解每个一元一次方程的两个参数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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