CN115215221A - 塔式起重机及其控制方法、控制装置和控制器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种塔式起重机及其控制方法、控制装置和控制器，用于塔式起重机的控制方法包括：获取塔式起重机的吊物的俯视面的图像信息、俯视面上的各个点的位置信息和预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离；根据图像信息和位置信息确定俯视面上的各个点的像素坐标；根据像素坐标和预设点在竖直方向上与所述预设表面之间的距离确定俯视面的外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离；根据外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离确定碰撞安全距离。本发明实施例可以精准获取轮廓信息，用于防碰撞和路径规划，实现远距离、多环境下的轮廓信息自动识别，对吊物轮廓变化进行实时监测，优化防碰撞和路径规划效果。

Description

塔式起重机及其控制方法、控制装置和控制器

技术领域

本发明涉及塔式起重机控制技术领域，具体地涉及一种塔式起重机及其控制方法、控制装置和控制器。

背景技术

目前在塔式起重机防碰撞领域中，吊物轮廓大小一般通过手动输入获取或利用图像的颜色信息进行识别获取，根据吊钩与障碍物的距离以及吊物轮廓值进行防碰撞操作，也有通过跟踪激光雷达与图象进行数据融合识别获取的。目前在路径规划中吊物的轮廓大小主要通过手动输入或产品信息导入来获取，通过吊物与障碍物的距离计算得到一系列的避障路径最终达到目的。在塔式起重机防碰撞和路径规划领域中，对吊物轮廓大小的实时精准识别是非常重要的，这一技术使得塔式起重机防碰撞和路径规划实时优化得以实现，手动输入的轮廓大小固定，随着吊物的改变需要频繁手动修改，相对自动识别吊物轮廓较为繁琐；通过单纯的图像信息识别吊物轮廓大小的准确率偏低，随着吊物高度的变大，误差变大，且受环境影响较大；现有的激光雷达与图象结合的识别方式将跟踪用激光雷达和图象采集单元安装在塔式起重机大臂根部，是从吊物侧面获得相关轮廓数据，得到的轮廓信息相较于从吊物正上方获得的轮廓数据分布不均，使得得到的轮廓信息不够精准；目前各类技术都缺少对吊物实时轮廓变化的精准识别，这使得塔式起重机防碰撞和路径规划难以实现精准监控与实时优化。因此，急需提出一种技术方案来解决现有技术中的上述技术问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种塔式起重机及其控制方法、控制装置和控制器，解决现有技术中的前述技术问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于塔式起重机的控制方法，包括：获取塔式起重机的吊物的俯视面的图像信息、俯视面上的各个点的位置信息和预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离，其中预设点为塔式起重机的吊绳与塔式起重机的吊钩的连接处在竖直方向上在俯视面上的投影点，预设表面为塔式起重机的变幅小车的下表面或塔式起重机的臂尖的下表面；根据图像信息和位置信息确定俯视面上的各个点的像素坐标；根据像素坐标和预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离确定俯视面的外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离；以及根据外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离确定碰撞安全距离。

在本发明实施例中，根据像素坐标和预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离确定俯视面的外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离，包括：根据以下公式确定外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离：

其中，Rn为外轮廓上的第n个点在水平方向上与预设点的距离信息，α为修正系数，(xn,yn)为外轮廓上的第n个点的像素坐标，(x0,y0)为预设点的像素坐标，h为预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离。

在本发明实施例中，修正系数的取值范围为5-20。

在本发明实施例中，根据外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离确定碰撞安全距离，包括：将外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离中的最大值作为碰撞安全距离。

本发明第二方面提供一种控制器，被配置成执行前述实施例的用于塔式起重机的控制方法。

本发明第三方面提供一种用于塔式起重机的控制装置，包括：图像采集设备，被配置成采集塔式起重机的吊物的俯视面的图像信息；激光雷达，被配置成采集俯视面上的各个点的位置信息；毫米波雷达，被配置成采集预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离，其中预设点为塔式起重机的吊绳与塔式起重机的吊钩的连接处在竖直方向上在俯视面上的投影点，预设表面为塔式起重机的变幅小车的下表面或塔式起重机的臂尖的下表面；以及前述实施例的控制器。

在本发明实施例中，图像采集设备、激光雷达和毫米波雷达均安装于预设表面上，且图像采集设备的检测面、激光雷达的检测面和毫米波雷达的检测面均竖直向下设置。

在本发明实施例中，激光雷达的探测距离和毫米波雷达的探测距离均大于或等于100米。

在本发明实施例中，控制器通过有线方式或无线方式分别与图像采集设备、毫米波雷达和激光雷达信号连接。

本发明第四方面提供一种塔式起重机，包括前述实施例的用于塔式起重机的控制装置。

本发明前述实施例通过其技术方案可以获取更加精准的轮廓信息，提高后续用于防碰撞和路径规划时的稳定性，实现远距离、多环境下的吊物的轮廓信息自动识别，对吊物轮廓变化进行实时监测，优化防碰撞和路径规划效果。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明实施例用于塔式起重机的控制方法100的流程示意图；

图2是本发明实施例的用于塔式起重机的控制装置200的结构示意图；以及

图3是本发明实施例的塔式起重机300的结构示意图；以及

图4是本发明示例所提供的用于塔式起重机的控制装置的应用场景示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

需要说明，若本申请实施方式中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1所示，在本发明实施例中，提供一种用于塔式起重机的控制方法100，包括以下步骤：

步骤S110：获取塔式起重机的吊物的俯视面的图像信息、俯视面上的各个点的位置信息和预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离，其中预设点为塔式起重机的吊绳与塔式起重机的吊钩的连接处在竖直方向上在俯视面上的投影点，预设表面为塔式起重机的变幅小车的下表面或塔式起重机的臂尖的下表面。在本发明实施例中，“俯视面”是指俯视所述吊物可以看到的吊物的表面。本领域技术人员应当知道的是，在本发明实施例中，“各个点”是指多个离散采样点，根据这些采样点的位置信息足够复现“各个点”所属的对象如“俯视面”或“外轮廓”。具体地，例如可通过摄像头等图像采集设备采集塔式起重机的吊物的俯视面的图像信息。例如可通过激光雷达等设备采集俯视面上的各个点的位置信息，激光雷达例如通过扫描得到包括了俯视面上的各个点的位置信息的点云信息，因此，本领域技术人员应当理解的是，此外，激光雷达扫描物体表面获取点云信息为现有技术，具体可参见现有技术中的描述，在此不再赘述。例如可通过毫米波雷达等设备采集预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离。塔式起重机种类包括动臂塔式起重机、锤头塔式起重机和平头塔式起重机等，举例来说，对于锤头塔式起重机和平头塔式起重机而言预设表面例如为塔式起重机的变幅小车的下表面，对于动臂塔式起重机而言预设表面例如为臂尖的下表面。

步骤S120：根据图像信息和位置信息确定俯视面上的各个点的像素坐标。根据图像信息和位置信息确定俯视面上的各个点的像素坐标为现有技术，具体可参见现有技术中的描述，在此不再赘述。

步骤S130：根据像素坐标和预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离确定俯视面的外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离。以及

步骤S140：根据外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离确定碰撞安全距离。碰撞安全距离可以用于后续制定防碰撞与路径规划策略。

具体地，根据像素坐标和预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离确定俯视面的外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离，也即步骤S130例如包括以下步骤：

根据以下公式确定外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离：

其中，Rn为外轮廓上的第n个点在水平方向上与预设点的距离信息，α为修正系数，(xn,yn)为外轮廓上的第n个点的像素坐标，(x0,y0)为预设点的像素坐标，h为预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离。

具体地，Rn和h的单位例如均为米。

具体地，修正系数的取值范围例如为5-20，也即修正系数可以取值为5-20之间的任意一个数值，如5、6、7.5、8、9、11、12.6、15、18、20等数值。

具体地，根据外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离确定碰撞安全距离，例如包括：

将外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离中的最大值作为碰撞安全距离。

在本发明实施例中，提供一种控制器，其例如被配置成执行根据任意一项前述实施例的用于塔式起重机的控制方法100。

其中，用于塔式起重机的控制方法100的具体功能和细节可参考前述实施例的相关描述，在此不再赘述。

具体地，控制器例如可为工控机、嵌入式系统、微处理器和可编程逻辑器件等控制设备。

更具体地，控制器例如为塔式起重机的车载控制器。

如图2所示，在本发明实施例中，提供一种用于塔式起重机的控制装置200，包括：控制器210、图像采集设备230、激光雷达250和毫米波雷达270。

其中，控制器210例如为根据任意一项前述实施例的控制器。控制器210的具体功能和细节可参考前述实施例的相关描述，在此不再赘述。

图像采集设备230例如被配置成采集塔式起重机的吊物的俯视面的图像信息。图像采集设备230例如可为摄像头、相机等图像采集设备。

激光雷达250例如被配置成采集俯视面上的各个点的位置信息。

毫米波雷达270例如被配置成采集预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离，其中预设点为塔式起重机的吊绳与塔式起重机的吊钩的连接处在竖直方向上在俯视面上的投影点，预设表面为塔式起重机的变幅小车的下表面或塔式起重机的臂尖的下表面。采集预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离例如还可以通过激光雷达、超声波雷达、限位器等设备来实现，也即不局限于使用毫米波雷达270来实现采集预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离的功能。

具体地，图像采集设备230、激光雷达250和毫米波雷达270例如均安装于预设表面上，且图像采集设备230的检测面、激光雷达250的检测面和毫米波雷达270的检测面例如均竖直向下设置。

具体地，激光雷达250的探测距离和毫米波雷达270的探测距离例如均大于或等于100米。

具体地，控制器210例如通过有线方式或无线方式分别与图像采集设备230、毫米波雷达250和激光雷达信号270连接。有线方式包括但不限于CAN总线、光纤等，无线方式包括但不限于4G、5G、WiFi等。

如图3所示，在本发明实施例中，提供一种塔式起重机300，包括：控制装置310。

其中，控制装置310例如为根据任意一项前述实施例的用于塔式起重机的控制装置200。控制装置310的具体功能和细节可参考前述实施例的相关描述，在此不再赘述。

下面结合一应用示例来详细说明本发明实施例的用于塔式起重机的控制方法100、用于塔式起重机的控制装置200和塔式起重机300，本发明示例的具体内容如下：

如图4所示，为本发明示例所提供的用于塔式起重机的控制装置的应用场景示意图。在变幅小车下方具体例如在小车下表面安装一个摄像头、一个激光雷达和一个毫米波雷达，摄像头、激光雷达和毫米波雷达的检测面均竖直向下设置且分别与塔式起重机的车载控制器(图中未示出)信号连接，摄像头、激光雷达和毫米波雷达的安装位置并不局限于图4中的左右关系设置，也即不限制于激光雷达设置在摄像头的左侧，毫米波雷达设置在摄像头的右侧，只要摄像头、激光雷达和毫米波雷达均设置在变幅小车的下表面上即可。

如图4中所示，虚线区域1为摄像头探测范围，虚线区域2为激光雷达探测范围，虚线区域3为毫米波雷达探测范围。预设点如吊绳与吊钩的连接处在竖直方向上在俯视面上的投影点在竖直方向上与变幅小车的下表面之间的距离例如为h。

摄像头、激光雷达和毫米波雷达的有效探测距离例如均能达到100米，通过对摄像头、激光雷达和毫米波雷达所采集得到的多种信息进行融合处理可以精准、快速识别吊物的轮廓信息如俯视面的外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离以及碰撞安全距离。

激光雷达在吊物的上方持续扫描得到吊物的俯视面的实时点云信息。摄像头在吊物上方持续采集吊物的俯视面的图象。毫米波雷达持续获取预设点如吊绳与吊钩的连接处在竖直方向上在俯视面上的投影点在竖直方向上与变幅小车的下表面之间的距离。激光雷达、摄像头和毫米波雷达采集到的实时数据信息会通过有线或无线的方式传输到塔式起重机的司机室中的车载控制器中进行处理。例如利用基于卷积神经网络的图象处理方法对摄像头采集的吊物的俯视面的图象进行特征提取以得到俯视面的图像特征信息，再将图像特征信息融合激光雷达扫描得到的吊物的俯视面的实时点云信息处理得到俯视面上的点的像素坐标，之后根据俯视面上的点的像素坐标和预设点在竖直方向上与变幅小车的下表面之间的距离以及下式计算得到俯视面的外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离。

其中，Rn为外轮廓上的第n个点在水平方向上与预设点的距离信息，α为修正系数，(xn,yn)为外轮廓上的第n个点的像素坐标，(x0,y0)为预设点的像素坐标，h为预设点在竖直方向上与变幅小车的下表面之间的距离。修正系数可以通过试验确定，具体例如可取值为5-20之间的任意数值。Rn和h的单位例如均为米。

根据外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离可以进一步确定碰撞安全距离，从而可用于后续制定防碰撞与路径规划策略。如图4所示，若本发明示例的吊物的俯视面的外轮廓为五边形，若该五边形的五个顶点在水平方向上与预设点的距离分别为R₁、R₂、R₃、R₄、R₅，那么R₁、R₂、R₃、R₄、R₅中的最大值即为该俯视面的外轮廓上的各个点在水平方向上与预设点的距离中的最大值，也即R₁、R₂、R₃、R₄、R₅中的最大值会被确定为碰撞安全距离。

本发明示例采用摄像头、激光雷达和毫米波雷达可以相互弥补各自缺点，能够在复杂环境、远距离情况下精准获取吊物的轮廓信息。塔式起重机的车载控制器通过有线或无线的方式获取摄像头、激光雷达和毫米波雷达采集的吊物信息，并对吊物信息进行融合分析处理可以获取吊物的精准、实时的轮廓信息，有助于防碰撞、路径规划系统根据吊物的精准、实时的轮廓信息精准、实时地调整防碰撞与路径规划策略，实现更加精准、更加实时的防碰撞和路径规划效果。可以克服现有技术中通过图像识别和激光雷达融合技术但未考虑吊物高度，且扫描角度在侧面，难以得到吊物的精准轮廓大小的缺陷，以及克服现的有防碰撞技术和路径规划方案只能粗略估计吊物轮廓大小，且未实时考虑吊物轮廓变化的缺陷。

综上所述，本发明实施例通过前述技术方案，可以实现以下部分或全部技术效果：

(1)可以获取更加精准的轮廓信息，提高后续用于防碰撞和路径规划时的稳定性，且可以实现远距离、多环境下的吊物的轮廓信息自动识别，克服现有方案由于通过图像识别和激光雷达融合技术、未考虑吊物高度、扫描角度在侧面等原因导致难以得到吊物的精准轮廓信息的缺陷。

(2)可以对吊物轮廓变化进行实时监测，可以优化防碰撞和路径规划效果，克服现的有防碰撞技术和路径规划方案只能粗略估计吊物轮廓大小，且未实时考虑吊物轮廓变化的缺陷。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用于塔式起重机的控制方法，其特征在于，包括：

获取所述塔式起重机的吊物的俯视面的图像信息、所述俯视面上的各个点的位置信息和预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离，其中所述预设点为所述塔式起重机的吊绳与所述塔式起重机的吊钩的连接处在竖直方向上在所述俯视面上的投影点，所述预设表面为所述塔式起重机的变幅小车的下表面或所述塔式起重机的臂尖的下表面；

根据所述图像信息和所述位置信息确定所述俯视面上的各个点的像素坐标；

根据所述像素坐标和所述预设点在竖直方向上与所述预设表面之间的距离确定所述俯视面的外轮廓上的各个点在水平方向上与所述预设点的距离；以及

根据所述外轮廓上的各个点在水平方向上与所述预设点的距离确定碰撞安全距离。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述像素坐标和所述预设点在竖直方向上与所述预设表面之间的距离确定所述俯视面的外轮廓上的各个点在水平方向上与所述预设点的距离，包括：

根据以下公式确定所述外轮廓上的各个点在水平方向上与所述预设点的距离：

其中，Rn为所述外轮廓上的第n个点在水平方向上与所述预设点的距离信息，α为修正系数，(xn,yn)为所述外轮廓上的第n个点的像素坐标，(x0,y0)为所述预设点的像素坐标，h为所述预设点在竖直方向上与所述预设表面之间的距离。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述修正系数的取值范围为5-20。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述外轮廓上的各个点在水平方向上与所述预设点的距离确定碰撞安全距离，包括：

将所述外轮廓上的各个点在水平方向上与所述预设点的距离中的最大值作为所述碰撞安全距离。

5.一种控制器，其特征在于，被配置成执行根据权利要求1至4中任意一项所述的用于塔式起重机的控制方法。

6.一种用于塔式起重机的控制装置，其特征在于，包括：

图像采集设备，被配置成采集所述塔式起重机的吊物的俯视面的图像信息；

激光雷达，被配置成采集所述俯视面上的各个点的位置信息；

毫米波雷达，被配置成采集预设点在竖直方向上与预设表面之间的距离，其中所述预设点为所述塔式起重机的吊绳与所述塔式起重机的吊钩的连接处在竖直方向上在所述俯视面上的投影点，所述预设表面为所述塔式起重机的变幅小车的下表面或所述塔式起重机的臂尖的下表面；以及

根据权利要求5所述的控制器。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述图像采集设备、所述激光雷达和所述毫米波雷达均安装于所述预设表面上，且所述图像采集设备的检测面、所述激光雷达的检测面和所述毫米波雷达的检测面均竖直向下设置。

8.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述激光雷达的探测距离和所述毫米波雷达的探测距离均大于或等于100米。

9.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述控制器通过有线方式或无线方式分别与所述图像采集设备、所述毫米波雷达和所述激光雷达信号连接。

10.一种塔式起重机，其特征在于，包括根据权利要求6-9中任意一项所述的用于塔式起重机的控制装置。

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