CN115402953B - 塔吊安全预警方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于安全监控技术领域，提供了一种塔吊安全预警方法、装置及系统，所述方法包括以下步骤：基于预设在施工现场的地面UWB基站标定世界坐标系，并在世界坐标系下定位塔吊UWB基站的位置以标定塔吊坐标系；通过目标、吊物与地面UWB基站和/或塔吊UWB基站之间的通讯，获取世界坐标系下目标的第一位置信息，获取塔吊坐标系下目标的第二位置信息和吊物的位置信息；通过融合定位算法对第一位置信息、第二位置信息进行融合处理，得到最新位置信息；根据塔吊的运行状态和吊物的位置信息划分危险区域，并判断目标是否落入危险区域；本发明采用固定加移动两套基站系统定位人员位置，并可进行二者融合定位，提高了目标定位的精度、范围。
Description
技术领域
本发明属于安全监控技术领域，尤其涉及塔吊安全监控技术领域，具体公开了一种塔吊安全预警方法、装置及系统。
背景技术
保障人员安全是建筑工地施工时所必须同时考虑的，塔吊正下方的一定区域在其作业时存在风险，在复杂又忙碌的工地环境下，若有工人不慎进入该区域会有极大安全隐患。这就需要我们一方面准确的划定危险区域范围，另一方面对工人实现精确的定位，在工人进入危险区域时实现准确的预警。
传统的定位方法多采用GPS和蓝牙信标等方法，存在定位精度低、延迟高、易受环境影响、稳定性差等问题，难以被应用于对精度有极高要求的场景中。近年来，对超宽带无线通信(UWB)技术的深入研究诞生了很多应用，UWB定位具有精度高(小于50cm)、延迟低、穿透性强、抗干扰能力强、传输距离较远等优势。
但是，UWB定位应用于建筑工地，存在一些技术上的难点和痛点；技术应用的困难在于：一方面，工地设施复杂，安装在地面的UWB固定基站容易受到遮挡导致信号干扰而定位不准，尤其是在对作业人员的定位上面；施工进程中，工地建筑结构变动很大，要设置不受遮挡的UWB固定基站是比较麻烦的。另一方面，装在大臂上的UWB基站可以定位到人(信号遮挡较少)，但塔吊在施工过程中，其大臂会旋转，而且本体还会随着楼层加高不断升高，基站并不固定，其只能确认人和塔吊大臂的相对位置，(如专利“塔吊安全监控方法和系统”CN201911325161.7)，虽然能做预警，但对于整体的工地人员监控帮助有限。而且，过于信任非固定基站对人的定位，会造成漏检和误检。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种塔吊安全预警系统，旨在解决现有UWB定位系统受工地复杂设施、工地建筑结构变化的影响较大，以及只能确认人和塔吊大臂的相对位置导致监控性能较弱的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种塔吊安全预警方法，所述方法包括以下步骤：
基于预设在施工现场的地面UWB基站标定世界坐标系，并在世界坐标系下定位塔吊UWB基站的位置以标定塔吊坐标系；
通过目标、吊物与地面UWB基站和/或塔吊UWB基站之间的通讯，获取世界坐标系下目标的第一位置信息，获取塔吊坐标系下目标的第二位置信息和吊物的位置信息；
通过融合定位算法对第一位置信息、第二位置信息进行融合处理，得到最新位置信息；
根据塔吊的运行状态和吊物的位置信息划分危险区域，并判断目标的最新位置信息是否落入危险区域，并根据判断结果实时给出预警信息。
本发明实施例的另一目的在于提供一种塔吊安全预警装置，所述塔吊安全预警装置包括：坐标系标定模块、位置获取模块、融合定位模块和预警模块；
所述坐标系标定模块，用于基于预设在施工现场的地面UWB基站标定世界坐标系，并在世界坐标系下定位塔吊UWB基站的位置以标定塔吊坐标系；
所述位置获取模块，用于通过目标、吊物与地面UWB基站和/或塔吊UWB基站之间的通讯，获取世界坐标系下目标的第一位置信息，获取塔吊坐标系下目标的第二位置信息和吊物的位置信息；
所述融合定位模块，用于通过融合定位算法对第一位置信息、第二位置信息进行融合处理，得到最新位置信息；
所述预警模块，用于根据塔吊的运行状态和吊物的位置信息划分危险区域，并判断目标的最新位置信息是否落入危险区域，并根据判断结果实时给出预警信息。
本发明实施例的另一目的在于提供一种塔吊安全预警系统，所述塔吊安全预警系统包括：如上所述的塔吊安全预警装置；
所述塔吊安全预警系统还包括：地面UWB基站、可设置于目标或吊钩上的UWB标签、塔吊UWB基站和监控及中控系统；
所述地面UWB基站设置在施工现场，以构建覆盖所述施工现场全域的通信网络；
所述塔吊UWB基站设置在所述塔吊的塔身和塔臂；
所述监控及中控系统，通过地面UWB基站和/或塔吊UWB基站与UWB标签通讯连接；
其中，通过所述UWB标签与地面UWB基站获取目标的第一位置信息、通过所述UWB标签与塔吊UWB基站获取目标的第二位置信息。
本发明实施例提供的一种塔吊安全预警方法，采用固定加移动两套基站系统定位人员位置，并可进行二者融合定位，提高了目标定位的精度、定位的范围；同时，本发明的方法对落点危险区域的划分更加精确；还可将目标的位置信息(或坐标信息)与塔吊的危险区域进行比对，可以对因疏忽而误入危险区域的目标(工人)发出预警，从而大大降低塔吊的安全隐患；能够有效弥补传统定位方法精度不足、稳定性低的问题，可在后台服务器实现对全工地人员坐标信息与工地危险区域的统一管理和及时预警。
附图说明
图1为本发明实施例提供的塔吊安全预警方法的应用环境图；
图2为本发明实施例提供的塔吊安全预警方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的危险区域划分的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种塔吊安全预警装置的结构框图；
图5为本发明实施例提供的一种塔吊安全预警系统的结构框图；
图6为本发明实施例提供的另一种塔吊安全预警系统的结构框图；
图7为本发明实施例提供的辅助定位模块的结构框图；
图8为本发明实施例提供的塔吊安全预警系统中塔吊监控设备的结构框图；
图9为本发明实施例提供的塔吊安全预警系统中塔吊监控设备的应用环境图；
图10为本发明实施例提供的塔吊安全预警系统中塔吊UWB基站的应用简图；
图11为一个实施例中计算机设备的内部结构框图。
图中：100、塔吊安全预警装置；101、坐标系标定模块；102、位置获取模块；103、融合定位模块；104、预警模块；105、辅助定位模块；200、监控及中控系统；300、通信中继；400、智能安全帽；500、塔吊监控设备；S0、地面UWB基站；S1、塔吊UWB基站；S2、UWB标签；1051、惯性测量单元；1052、气压计；1053、高度计。
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。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。
图1为本发明实施例提供的塔吊安全预警方法的应用环境图，如图1所示，在该应用环境中，包括终端以及后台服务器。
后台服务器可以是一个或一组计算机设备，也可以是独立的物理服务器或终端，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群，可以是提供云服务器、云数据库、云存储和CDN等基础云计算服务的云服务器。
终端可以是在安全帽上集成有UWB标签的智能安全帽，智能安全帽由施工现场的工人佩戴，通过UWB标签与多个UWB基站，以及移动基站之间的信号传输(测距、测向信号)，实现智能安全帽的定位，也可以是智能手机、智能手环、智能手表等，但并不局限于此。智能安全帽以及后台服务器可以通过移动网络、局域网络等无线通信网络进行连接，本发明在此不做限制。
如图2所示，在一个实施例中，提出了一种塔吊安全预警方法，本实施例主要以该方法应用于上述图1中的智能安全帽(计算机设备或后台服务器)来举例说明。一种塔吊安全预警方法，具体可以包括以下步骤：
S201，基于预设在施工现场的地面UWB基站标定世界坐标系，并在世界坐标系下定位塔吊UWB基站的位置以标定塔吊坐标系；
在本步骤中，地面UWB基站通常选用UWB固定基站设备，一般是预先进行布置；具体包括以下步骤：
首先，在地面布置UWB固定基站设备S0，设置地面坐标系W0，即世界坐标系，并且标定各个UWB固定基站设备S0在W0中的绝对空间位置。为方便计算，地面坐标系W0应以地面某点作为原点，例如：临建设施、工地入口或项目办公室等；以垂直地面方向为Z轴，以水平方向为XY平面。
其次，在塔吊上安装塔吊UWB基站S1，一种安装方式如图10所示。设置塔吊坐标系W1，可以以塔吊驾驶舱附近位置为原点，以垂直方向为Z轴，以塔吊大臂方向为X轴，以垂直塔吊大臂的水平方向Y轴。W1随着塔吊的运动(包含建设过程中的加高、塔吊的旋转)，是一个运动的坐标系。考虑到塔吊的安装与运动约束，W1可由其原点坐标(x1，y1，z1)和其X轴在世界坐标系中的水平朝向角度a1来标定。
在一个实施例的应用场景中，W1可由如下的方式来标定：
对于S1中的每一个UWB设备，将其自身作为待定位的标签，以UWB固定基站设备S0为基站，通过AOA与TDOA结合的方式，实时获取它们在W0中的位置。如图10所示，则能实时获得5个安装点的世界坐标位置，包括2个塔吊支柱上的点p1、p2，和塔吊大臂上的点p3、p4、p5。设p.x，p.y，p.z分别表示某点p在W0的坐标，则：
针对图10的安装方式，W1坐标系的原点坐标：
x1＝1/2(p1·x+p2·x)，
y1＝1/2(p1·y+p2·y)，
z1＝1/3(p3·z+p4·z+p5·z)，
W1坐标系的水平朝向角度为：
需要说明的是：上述的计算方式，考虑了S1中的UWB固定基站设备之间相互的水平、垂直的安装约束，以求均值的方式来减小误差。基于上述方式，可以确定每个时刻塔吊坐标系W1、以及它上面的塔吊UWB基站S1的世界坐标位置。
在另一个实施例的应用场景中，可选地，塔吊坐标系W1还可以通过塔吊自身携带的倾角回转传感器(测量塔吊转角)、高度传感器(测量塔吊平台高度)来实时计算。但这种方式对于安装、标定(尤其是塔吊每个部件与世界坐标系W0)之间的标定要求较高。
S202，通过目标、吊物与地面UWB基站和/或塔吊UWB基站之间的通讯，获取世界坐标系下目标的第一位置信息，获取塔吊坐标系下目标的第二位置信息和吊物的位置信息；
本步骤中，所述目标、吊物位置均设置有UWB标签，分别是UWB标签S3、UWB标签S2；具体可以通过智能安全帽设置目标的UWB标签S3，通过在吊钩上设置吊物的UWB标签S2，因此可以实现目标、吊物与地面UWB基站和/或塔吊UWB基站之间的通讯；上述的目标可以是工人，也可以是进入工地的移动物体；以工人为例：工人佩戴的智能安全帽(智能安全帽可以通过在普通安全帽上设置UWB标签构成)上的UWB标签作为UWB定位接收装置(S3)，它既可以接收S0信号，即得世界坐标系W0下目标的第一位置信息；也可以接收S1信号，即得塔吊坐标系W1下目标的第二位置信息，分别实现定位。
在一个实施例的应用场景中，对于每个工人的定位，可以采用如下的方法实现UWB定位：
首先，基于S0基站信号(地面UWB基站发出的通信信号)，采用TDOA(TimeDifference Of Arrival)的方式，获取当前定位信息：pos0，pos0表示工人在世界坐标系W0下的位置；
然后，基于S1基站信号(塔吊UWB基站发出的通信信号)，采用TDOA的方式，获取当前定位信息：pos1’，pos1’表示了工人在塔吊坐标系W1下的位置；
进一步的，依据塔吊坐标系W1在世界坐标系W0中的位姿，利用坐标系转换，求取pos1’在W0中的对应的位置pos1。
同理，对于移动物体的定位也可以采用上述的方式实现，在此不再详述。
S203，通过融合定位算法对第一位置信息、第二位置信息进行融合处理，得到最新位置信息；
在本步骤中，所述的融合处理，具体可以通过以下融合原则进行：
信号强度原则，当仅有pos0或者仅有pos1信号时，分别采用pos0或者pos1作为其UWB定位；当pos0和pos1之间定位距离差值超过10米时，仅以信号较强的一方作为其UWB定位；
就近原则，计算所获得的pos1、pos0到塔吊中心点(W1原点)的水平方向距离的较小值，如果小于某个阈值(如，50m)，则表明工人距离塔吊较近，采用pos1作为其UWB定位；计算pos0到塔吊中心点的水平方向距离的距离，如果大于某个阈值(如，300m)，表明工人距离塔吊较远，采用pos0作为其UWB定位；
此外，可同时采用pos0和pos1的融合获取其UWB定位，融合公式为：
pos＝α*pos0+(1-α)*pos1
其中，pos为融合后的UWB定位，d0，d1分别表示pos1、pos0到塔吊中心点(W1原点)的水平方向距离。在一些应用场景中，还可以采用其他的定位方式，实际作业中，也可以根据实际情况进行调整。
S204，根据塔吊的运行状态和吊物的位置信息划分危险区域，并判断目标的最新位置信息是否落入危险区域，并根据判断结果实时给出预警信息。
本实施例中，提出了一种塔吊安全预警方法，本发明采用固定加移动两套基站系统定位目标的位置，并可进行二者融合定位，提高了目标定位的精度、定位的范围；同时，本发明的方法对落点危险区域的划分更加精确；还可将目标的位置信息(或坐标信息)与塔吊的危险区域进行比对，可以对因疏忽而误入危险区域的目标(工人)发出预警，从而大大降低塔吊的安全隐患；能够有效弥补传统定位方法精度不足、稳定性低的问题，可在后台服务器实现对全工地人员坐标信息与工地危险区域的统一管理和及时预警。
在本实施例的一个场景中，步骤S204中，通过判断第一位置信息或第二位置信息相对于塔吊的较近值，对该较近值是否落入危险区域进行对比，进而实现进行安全预警。
在一个实施例中，所述方法还包括：获取目标的辅助定位信息，通过融合定位算法对第一位置信息、第二位置信息和辅助定位信息进行融合处理，得到最新位置信息。
本实施例中，所述的辅助定位信息可以是目标位置的高度数据或气压数据，在进行融化定位时，通过高度原则，计算所获得的pos1距离地面的高度，将其与所得高度数据平均，如果高于某个高度(如，30m)，表明工人在建筑作业面上工作，而非地面工作，采用pos1作为其UWB定位；提高了定位的精确度。
在本实施例的一个使用场景中，辅助定位信息可以通过智能安全帽(或安全帽)上的惯性测量单元(IMU)、气压计等设备获取；基于固定加运动UWB基站结合的方式，结合安全帽上的惯性测量单元(IMU)、气压计等其他信息融合，实现工人精准实时三维定位，同时融合多源信息定位塔吊下方具体危险区域，进而将工人坐标信息与塔吊危险区域进行比对，可以对因疏忽而误入危险区域的工人发出预警从而大大降低塔吊的安全隐患。
在本实施例的一个使用场景中，对于每个时刻获取到的目标UWB定位pos(pos0和pos1)，在连续的局部范围内，结合IMU的信号，进行位置跟踪优化；例如采用卡尔曼滤波融合法的松耦合融合。
具体地，卡尔曼滤波融合多源信息得到更精准位置信息示例：
假设所有数据符合高斯分布，均可以表示为N(均值，方差)。
可以获取到的数据：
安全帽在t-1时刻的位置的概率分布其中d1就是上个时刻位置的误差。
安全帽速度的概率分布为其中d2是速度的误差。
传感器在t时刻测量到的安全帽的位置的概率分布为其中d3就是传感器的误差。
根据上一时刻安全帽的位置和安全帽的速度(假设匀速)估计出当前时刻安全帽的位置的粗略估计值，有：
X在t时刻的精确估计值＝X在t时刻的粗略估计值*Zt，
在一个实施例中，将获取的所述塔吊坐标系下目标的第二位置信息，转换为世界坐标系下目标的第二位置信息，以进行融合处理。
本实施例中，首先，基于S0基站信号，采用TDOA的方式，获取当前定位信息：pos0，pos0表示工人在世界坐标系W0下的位置；
然后，基于S1基站信号，采用TDOA的方式，获取当前定位信息：pos1’，pos1’表示了工人在塔吊坐标系W1下的位置；
进一步的，依据塔吊坐标系W1在世界坐标系W0中的位姿，利用坐标系转换，求取pos1’在W0中的对应的位置pos1，实现目标位置信息的坐标系转换。
如图3所示，在一个实施例中，所述危险区域的划分，具体包括：
S301，根据吊物的位置信息确定吊物地面投影位置以及最远可能掉落位置，通过二者连线，确定吊物可能掉落的区域Zone1；
S302，根据区域Zone1结合塔吊的运行状态，确定塔吊作业影响区域Zone2，作为危险区域。
本实施例的一个使用场景中，首先，基于塔吊UWB基站S1信号，采用TDOA的方式，获取塔吊吊钩的UWB设备S2的实时空间位置P’；P’可代表塔吊所吊起物体(即吊物)的空间位置。
通过连续时刻的P’位置信息，计算对应的速度V’；V’可代表塔吊所吊起物体的实时速度；P’和V’均为W1坐标系下数据，分别将其转化为W0坐标系下数据，可以得到吊起物体(即吊物)的世界坐标位置P、吊物到地面高度H和吊物速度V。
通过位置P，可得到物体在地面投影点A0(P.x，P.y，z0)，z0为投影点对应地面高度；
通过位置P、吊物到地面高度H和吊物速度V，计算吊物意外掉落情况下的预估落点A1，以极端情况的平抛运动为例，假设吊物速度V为水平方向飞出，其与X轴方向夹角为θ，可以采用如下的公式：
A1＝(P.x+dcosθ，P.y+dsinθ，z0)
将A0和A1的连线线段，以一定的膨胀系数(如10米)扩张，即为当前重物可能掉落的区域Zone1；
其次，基于塔吊UWB基站S1在W0中的定位信息，结合塔吊的臂长，可定义出塔吊作业影响区域Zone2(既包括了地面区域，也包括了作业楼面的空间区域)。
基于塔吊作业影响区域Zone2以及吊物可能掉落的区域Zone1，进行危险判断及示警。
在一个使用场景照，进行危险判断及示警的流程可以是：
后台中控实时收集塔吊运行状态、工地内每个作业人员的位置；
实时给出如下判断：当有人员进入，塔吊作业影响区域Zone2时，通过中控系统自动向作业人员安全帽发送语音提醒，进入塔吊作业区域，注意安全；
当有人员进入重物可能掉落的区域Zone1时，连续发送警告信息，提醒其离开，如果人员不及时离开，同步提醒塔吊操作人员注意，以及报安全督导查看；如图1所示。
如图4所示，在另一个实施例中，一种塔吊安全预警装置，所述塔吊安全预警装置100包括：坐标系标定模块101、位置获取模块102、融合定位模块103和预警模块104；
所述坐标系标定模块101，用于基于预设在施工现场的地面UWB基站标定世界坐标系，并在世界坐标系下定位塔吊UWB基站的位置以标定塔吊坐标系；
所述位置获取模块102，用于通过目标、吊物与地面UWB基站和/或塔吊UWB基站之间的通讯，获取世界坐标系下目标的第一位置信息，获取塔吊坐标系下目标的第二位置信息和吊物的位置信息；
所述融合定位模块103，用于通过融合定位算法对第一位置信息、第二位置信息进行融合处理，得到最新位置信息；
所述预警模块104，用于根据塔吊的运行状态和吊物的位置信息划分危险区域，并判断目标的最新位置信息是否落入危险区域，并根据判断结果实时给出预警信息。
本实施例中的塔吊安全预警装置100，可以是一种软硬结合的设备，例如计算机设备；图11示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备具体可以是图1中的云端(或后台服务器)，配设有设置在智能安全帽的UWB设备(或UWB标签)。如图11所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、输入装置和显示屏(或监视器，用于实现监控)。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现塔吊安全预警方法；具体可以是坐标系标定模块、位置获取模块、融合定位模块和预警模块各自执行的步骤。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行塔吊安全预警方法。计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图11中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，本申请提供的塔吊安全预警装置100可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在如图11所示的计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成该塔吊安全预警装置的各个程序模块，比如，图4所示的坐标系标定模块、位置获取模块、融合定位模块和预警模块。各个程序模块构成的计算机程序使得处理器执行本说明书中描述的本申请各个实施例的塔吊安全预警方法中的步骤。
例如，图11所示的计算机设备可以通过如图4所示的塔吊安全预警装置中的坐标系标定模块执行步骤S201。计算机设备可通过位置获取模块执行步骤S202。计算机设备可通过融合定位模块执行步骤S203。计算机设备可通过预警模块执行步骤S204。
在一个实施例中，如图4所示，所述塔吊安全预警装置100还包括：辅助定位模块105；
所述辅助定位模块105，用于获取目标的辅助定位信息。
具体地，所述辅助定位信息包括IMU信号、气压高度计信号，对上述获取的最新位置信息，即UWB定位信号(如前文所述pos0，pos1)、IMU信号、气压高度计信号等进行多传感器信号融合，并根据融合后的信息进行预警。
在一个实施例中，所述辅助定位模块105包括惯性测量单元1051、气压计1052、高度计1053；所述惯性测量单元用于获取IMU信号，气压计、高度计用于获取包含气压高度信息的气压高度计信号。
如图5所示，在另一个实施例中，一种塔吊安全预警系统，所述塔吊安全预警系统包括：如上所述的塔吊安全预警装置100、地面UWB基站S0、可设置于目标或吊钩上的UWB标签、塔吊UWB基站S1和监控及中控系统200；
所述地面UWB基站S0设置在施工现场，以构建覆盖所述施工现场全域的通信网络；
所述塔吊UWB基站S1设置在所述塔吊的塔身和塔臂；具体地，如图10所示，在塔身设置两个塔吊UWB基站S1(记为S1，相对塔身固定不动)，在塔臂设置三个塔吊UWB基站S1，和设置于吊钩上方的UWB标签(记为S2)；组成塔吊UWB基站系统。塔吊UWB基站系统在塔吊工作过程中，UWB标签S2通过基站S1的定位信号，确认自身相对于塔吊的精确位置，从而达到对塔吊所载吊物的位置和速度的预估，同时把信息传输给塔吊的主机或监控及中控系统。
所述监控及中控系统200，通过地面UWB基站和/或塔吊UWB基站与UWB标签通讯连接；
其中，通过所述UWB标签与地面UWB基站获取目标的第一位置信息、通过所述UWB标签与塔吊UWB基站获取目标的第二位置信息。
上述，地面UWB基站S0，作为固定UWB基站设置有多个，以全面覆盖施工现场为宜；负责发射信号，为智能安全帽提供定位(智能安全帽设置有UWB标签)；一种情况下，两个及以上的固定UWB基站，与智能安全帽上设置的UWB标签进行通信，即可定位智能安全帽的位置，进而定位目标的位置。
塔吊UWB基站S1作为移动UWB基站，设置有多个，该塔吊UWB基站S1包括可接收S0信号的标签，实现自身定位，同时还发射信号，为与之匹配的UWB标签提供定位；例如：塔吊的吊钩上的UWB设备，它是安装在吊钩上的UWB定位接收装置S2，可接收S1的信号，实现吊钩的定位。
如图7所示，在一个实施例中，所述UWB标签设置在辅助定位模块500上，所述辅助定位模块105包括有惯性测量单元1051、气压计1052、高度计1053中的一种或多种。
在一个实施例的应用场景中，所述辅助定位模块包括有惯性测量单元1051、气压计1052；惯性测量单元1051、气压计1052均设置在智能安全帽上。
在一个实施例的应用场景中，所述辅助定位模块105包括有惯性测量单元1051、气压高度计；惯性测量单元1051、气压高度计均设置在智能安全帽400上。
在一个实施例的应用场景中，所述辅助定位模块105包括有惯性测量单元1051、气压计1052、高度计1053；惯性测量单元1051、气压计1052、高度计1053均设置在智能安全帽400上。
上述，根据施工场景的不同，可以选择不同的智能安全帽400，不同的智能安全帽400上设置的辅助定位模块可以相同也可以不同，包括的部件可以不同，实现的功能有所差异，便于在定位精度和设备成本之间有效均衡，实现成本和定位的平衡。
本实施例中，设置在辅助定位模块上的UWB标签为S3，S3指的是工人智能安全帽400(或安全帽)上的UWB定位接收装置，参见图1、图6；它既可以接收S0信号，也可以接收S1信号，分别实现定位。
在一个实施例场景中，所述监控及中控系统200可以是集成有监视器的后台服务器或计算机设备，所述监视器的后台服务器或计算机设备可以通过通信中继300实现与地面UWB基站S0和塔吊UWB基站S1的通信；
具体地，监控及中控系统200通过通信中继获取地面UWB基站S0与目标S3的测向、测距信号，得到目标S3的第一位置信息；通过通信中继获取塔吊UWB基站S1与目标S3的测向、测距信号，得到目标S3的第二位置信息，进而得到最新位置信息(如前文所述pos0，pos1)，通过pos0和pos1的融合获取其UWB定位；通过通信中继S3获取塔吊UWB基站S1与吊物S2的测向、测距信号，得到吊物的位置信息；通过辅助定位模块上的惯性测量单元(IMU)、气压高度计(或气压计)，获得目标的IMU信号、气压高度信息；基于辅助定位信息，进一步进行融合定位，实现更高精度的目标位置定位。
在一个实施例场景中，所述监控及中控系统200与塔吊原有的塔吊监控设备500进行通信，以获取塔吊的运行状态；
具体地，如图8、图9所示，塔吊监控设备500包含有主机，以及与所述主机连接的风速传感器、人脸识别器、塔群防碰撞器(例如接近传感器或接近开关传感器)、幅度传感器、倾角回转传感器、重量传感器和高度传感器；以实现对塔吊的作业情况或运行状态进行监测。
在一个实施例场景中，通过倾角回转传感器可以测量塔吊转角、高度传感器可以测量塔吊平台高度、重量传感器可以测量塔吊负载、风速传感器可以测量塔吊附近风速；测量所得的数据由塔吊的主机收集，可集中处理，同时通过通信中继传输实时信息，即实时传输塔吊的运行状态。
在一个实施例场景中，如图9所示，为一种塔吊安全预警系统中塔吊监控设备的应用环境图；其中，带箭头实线表示数据的传输；带箭头虚线表示定位无线信号的传输；布置地面UWB基站时，选择相对塔吊无遮挡、且在施工过程中不发生相对变动的位置进行布设；每个地面UWB基站均可通过通信中继传输信号；并可上报其健康状态；主要为工地的大多数移动UWB设备提供定位信号，帮助实现定位。
在一个实施例中，提出了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
S201，基于预设在施工现场的地面UWB基站标定世界坐标系，并在世界坐标系下定位塔吊UWB基站的位置以标定塔吊坐标系；
S202，通过目标、吊物与地面UWB基站和/或塔吊UWB基站之间的通讯，获取世界坐标系下目标的第一位置信息，获取塔吊坐标系下目标的第二位置信息和吊物的位置信息；
S203，通过融合定位算法对第一位置信息、第二位置信息进行融合处理，得到最新位置信息；
S204，根据塔吊的运行状态和吊物的位置信息划分危险区域，并判断目标的最新位置信息是否落入危险区域，并根据判断结果实时给出预警信息。
在一个实施例中，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行以下步骤：
S201，基于预设在施工现场的地面UWB基站标定世界坐标系，并在世界坐标系下定位塔吊UWB基站的位置以标定塔吊坐标系；
S202，通过目标、吊物与地面UWB基站和/或塔吊UWB基站之间的通讯，获取世界坐标系下目标的第一位置信息，获取塔吊坐标系下目标的第二位置信息和吊物的位置信息；
S203，通过融合定位算法对第一位置信息、第二位置信息进行融合处理，得到最新位置信息；
S204，根据塔吊的运行状态和吊物的位置信息划分危险区域，并判断目标的最新位置信息是否落入危险区域，并根据判断结果实时给出预警信息。
应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种塔吊安全预警方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
基于预设在施工现场的地面UWB基站标定世界坐标系，并在世界坐标系下定位塔吊UWB基站的位置以标定塔吊坐标系；
通过目标、吊物与地面UWB基站和/或塔吊UWB基站之间的通讯，获取世界坐标系下目标的第一位置信息，获取塔吊坐标系下目标的第二位置信息和吊物的位置信息；
依据塔吊坐标系在世界坐标系中的位姿，利用坐标系转换，求取塔吊坐标系中的第二位置在世界坐标系中的对应的位置；通过融合原则对第一位置和第二位置在世界坐标系中的对应位置进行融合处理，得到目标的UWB定位信息；
根据塔吊的运行状态和吊物的位置信息划分危险区域，并判断目标的最新位置信息是否落入危险区域，并根据判断结果实时给出预警信息；其中融合原则为就近原则或信号强度原则。
2.根据权利要求1所述的塔吊安全预警方法，其特征在于，所述方法还包括：获取目标的辅助定位信息，通过融合定位算法对目标的UWB定位信息和辅助定位信息进行融合处理，得到更新的位置信息；其中辅助定位信息为惯性、气压或高度中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的塔吊安全预警方法，其特征在于，所述融合定位算法采用卡尔曼滤波融合法。
4.根据权利要求1所述的塔吊安全预警方法，其特征在于，所述危险区域的划分，具体包括：
根据吊物的位置信息确定吊物地面投影位置以及最远可能掉落位置，通过二者连线，确定吊物可能掉落的区域Zone1；
根据区域Zone1结合塔吊的运行状态，确定塔吊作业影响区域Zone2，作为危险区域。
5.一种塔吊安全预警装置，其特征在于，所述塔吊安全预警装置包括：坐标系标定模块、位置获取模块、融合定位模块和预警模块；
所述坐标系标定模块，用于基于预设在施工现场的地面UWB基站标定世界坐标系，并在世界坐标系下定位塔吊UWB基站的位置以标定塔吊坐标系；
所述位置获取模块，用于通过目标、吊物与地面UWB基站和/或塔吊UWB基站之间的通讯，获取世界坐标系下目标的第一位置信息，获取塔吊坐标系下目标的第二位置信息和吊物的位置信息；
所述融合定位模块，依据塔吊坐标系在世界坐标系中的位姿，利用坐标系转换，求取塔吊坐标系中的第二位置在世界坐标系中的对应的位置；通过融合原则对第一位置和第二位置在世界坐标系中的对应位置进行融合处理，得到目标的UWB定位信息；
所述预警模块，用于根据塔吊的运行状态和吊物的位置信息划分危险区域，并判断目标的最新位置信息是否落入危险区域，并根据判断结果实时给出预警信息；其中融合原则为就近原则或信号强度原则。
6.根据权利要求5所述的塔吊安全预警装置，其特征在于，所述塔吊安全预警装置还包括：辅助定位模块；
所述辅助定位模块，用于获取目标的辅助定位信息；所述融合定位模块还用于通过融合定位算法对目标的UWB定位信息和辅助定位信息进行融合处理，得到更新的位置信息；其中辅助定位信息为惯性、气压或高度中的一种或多种。
7.一种塔吊安全预警系统，其特征在于，所述塔吊安全预警系统包括：如权利要求5或6所述的塔吊安全预警装置。
8.根据权利要求7所述的塔吊安全预警系统，其特征在于，所述塔吊安全预警系统还包括：地面UWB基站、可设置于目标或吊钩上的UWB标签、塔吊UWB基站和监控及中控系统；
所述地面UWB基站设置在施工现场，以构建覆盖所述施工现场全域的通信网络；
所述塔吊UWB基站设置在所述塔吊的塔身和塔臂；
所述监控及中控系统，通过地面UWB基站和/或塔吊UWB基站与UWB标签通讯连接；
其中，通过所述UWB标签与地面UWB基站获取目标的第一位置信息、通过所述UWB标签与塔吊UWB基站获取目标的第二位置信息。
9.根据权利要求8所述的塔吊安全预警系统，其特征在于，所述UWB标签设置在辅助定位模块上，所述辅助定位模块包括有惯性测量单元、气压计、高度计中的一种或多种。
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