CN115565320A - 基于激光测距的空间物体侵入探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于激光测距的空间物体侵入探测系统及方法，包括多组探测装置，每一组探测装置包括通过舵机连接的激光测距传感器和通信单元；与通信单元连接的后台服务器，获取每一组探测装置中激光测传感器在舵机带动下获取的距离信息，当某一组探测装置获取到的物体距离信息处于入侵范围内时，将与该组探测装置相邻的另一组探测装置的扫描参数设置为相同形成双重扫描，两组相邻的探测装置共同获取到物体侵入信息后，发出报警信息。形成双重扫描，两组相邻的探测装置共同获取到侵入信息后，确认有物体侵入探测区域，发出报警信息，既能够避免使用复杂地图模型的方式以节省算力，还能够提高精度避免误报。

Description

基于激光测距的空间物体侵入探测系统及方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体为基于激光测距的空间物体侵入探测系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

吊装设备作业期间，需要防止无关人员进入吊装现场，防止发生意外，在一些电力、铁路等重要领域中，吊装作业往往发生在正在运行的设备附近，需要通过预警的方式提醒周围人员和参与吊装的作业人员，有物体(可能是人或者设备)进入吊装区域，目前虽然已经尝试使用电子围栏提醒进入现场的人员，但电子围栏不适用于需要进行区域动态管理的地方。

目前在变电站现场吊装作业过程中，通常采用定位装置结合地图模型进行吊装越限预警探测，需要预先进行模型搭建，该方式受复杂的建模过程影响，依赖较高的算力，不利于现场安装部署。

另外，该探测方式的报警精度取决于模型的精度，而很多地图的三维模型经过二次开发后与原有勘测模型精度差异较大，导致探测报警误差过大。在探测过程中，探测到的随机物体，如飞鸟、树叶等物体，导致系统会误报，从而难以满足吊装作业对物体侵入时的预警需求。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供基于激光测距的空间物体侵入探测系统及方法，采用激光测距和舵机结合的方式，进行动态入侵测距报警，当有人或物入侵在测距报警范围内，及时报警。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供基于激光测距的空间物体侵入探测系统，包括：

探测装置，具有多组，每一组探测装置包括通过舵机连接的激光测距传感器和通信单元；

后台服务器，与通信单元连接，获取每一组探测装置中激光测传感器在舵机带动下获取的距离信息，当某一组探测装置获取到的物体距离信息处于入侵范围内时，将与该组探测装置相邻的另一组探测装置的扫描参数设置为相同形成双重扫描，两组相邻的探测装置共同获取到物体侵入信息后，发出报警信息。

探测装置中还具有舵机控制单元，舵机控制单元通过舵机连接激光测距传感器，控制舵机转动的速度和角度，带动激光测距传感器旋转，以获取测量区域内物体的距离信息。

探测装置通过通信单元与后台服务器通讯，根据后台服务器d处理结果发出报警信息。

探测装置通过安装支架固定在所需的检测区域中。

探测装置分别在水平面和垂直面扫描检测区域中物体至探测装置的距离。

本发明的第二个方面提供上述系统的探测方法，包括以下步骤：

根据作业区域，每一组探测装置沿垂直或水平方向依据设定的速度扫描设定角度范围，获取物体到探测装置的距离信息；

第k组探测装置获取到的距离信息处于入侵范围内时，该组探测装置中的舵机测量角度根据设定的变化幅度缩短，舵机测量速度根据设定的变化幅度提高；

与k组探测装置相邻的探测装置为f组，第k组探测装置获取到的距离信息处于入侵范围内时，将f组探测装置的扫描参数设置为k组探测装置的舵机参数，f组探测装置执行k组探测装置的扫描方向，形成双重扫描；

当k组探测装置和f组探测装置均探测到物体入侵时发出报警信息。

经过双重扫描未探测到物体入侵，则k组探测装置和f组探测装置恢复原探测方向和探测参数。

根据作业区域，具有n组探测装置进行激光测距扫描，其中n＝1,2,3，...。

根据作业区域，沿垂直或水平方向扫描。

沿垂直和水平方向扫描的探测装置成对设置。

舵机旋转带动激光测距传感器在设定的角度范围内获取距离信息，舵机旋转速度不小于2倍的监测对象运行速度。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、当某一组探测装置获取到的距离信息处于入侵范围内时，此时的探测区域内疑似有物体入侵，将与该组探测装置相邻的另一组探测装置的扫描参数，设置为该获取到疑似侵入信息的探测装置后，形成双重扫描，两组相邻的探测装置共同获取到侵入信息后，确认有物体侵入探测区域，发出报警信息，既能够避免使用复杂地图模型的方式以节省算力，还能够提高精度避免误报。

2、每一组探测装置能够根据探测区域的实际形状布置，部署方式简单，适用于人员和设备物体入侵探测，通过多个装置组合，可实现区域100％覆盖，毫秒级越限报警，双重扫描防止误报。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的探测装置结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的探测装置在水平面和垂直面扫描的示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的探测装置布置在吊装区域的位置示意图；

图4是本发明一个或多个实施例提供的探测装置扫描形成的扇形包围区域示意图；

图5是本发明一个或多个实施例提供的探测装置形成的系统结构示意图；

图6是本发明一个或多个实施例提供的系统中的通信控制结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，目前在变电站现场吊装作业过程中，通常采用定位装置结合地图模型进行吊装越限预警探测，需要预先进行模型搭建，该方式受复杂的建模过程影响，依赖较高的算力，不利于现场安装部署。该探测方式的报警精度取决于模型的精度，而很多地图的三维模型经过二次开发后与原有勘测模型精度差异较大，导致探测报警误差过大。在探测过程中，探测到的随机物体，如飞鸟、树叶等物体，导致系统会误报，从而难以满足吊装作业对物体侵入时的预警需求。

另一种方式是电子围栏，其不适用于需要进行区域动态管理的地方，只能简单的通过信号的通断判断是否有物体穿过电子围栏从而发出预警。而现有激光雷达扫描探测装置一般用于获取距离，通常不能在探测到入侵物体时实现准确识别和探测。

变电站现场的吊装作业往往发生在正在运行的设备附近，要确保吊装作业不会影响到周边设备的正常运行，则吊装设备与周边的其余正常设备之间存在安全距离的要求，因此以下实施例给出基于激光测距的空间物体侵入探测系统及方法，采用激光测距和舵机结合的方式，进行动态入侵测距报警，当有人或物入侵在测距报警范围内，及时报警，从而使吊装设备满足安全距离的要求。

实施例一：

如图1-6所示，基于激光测距的空间物体侵入探测系统，包括：

探测装置，具有多组，每一组探测装置包括通过舵机连接的激光测距传感器和通信单元；

后台服务器，与通信单元连接，获取每一组探测装置中激光测传感器在舵机带动下获取的距离信息，经处理后发出提醒。

具体的：

如图1所示，舵机控制单元通过舵机连接激光测距传感器，控制舵机转动的速度和角度，从而带动激光测距传感器旋转，以获取测量区域内人员和物体距离，通过通信单元发送给后台服务器处理后，根据处理结果发出报警提示信号，每一组探测单元通过安装支架支撑，使探测装置固定在所需的检测区域中。

通信单元具有无线或有线通讯能力，例如可以为4G通信。

舵机控制单元具备就地控制能力，例如可以通过电位器设置激光测距传感器报警范围的上下限。

如图2所示，本实施例中的探测装置具有至少两组，分别在水平面和垂直面扫描检测区域中物体或人员的距离。

本实施例中，每一组探测装置中的舵机控制单元可以利用单片机为处理器，例如图5-6所示，每一组探测装置中的舵机控制单元采用STM32单片机作为控制器，通过分别与该单片机连接的激光测距传感器、4G模块、声光报警器、运行指示灯、限制装置、上限调节电位器、下限调节电位器以按钮形成通信控制电路；每一组探测装置通过有线或无线方式与后台服务器连接。

当某一组探测装置获取到的距离信息处于入侵范围内时，此时的探测区域内疑似有物体入侵，将与该组探测装置相邻的另一组探测装置的扫描参数，设置为该获取到疑似侵入信息的探测装置后，形成双重扫描，两组相邻的探测装置共同获取到侵入信息后，确认有物体侵入探测区域，发出报警信息，既能够避免使用复杂地图模型的方式以节省算力，还能够提高精度避免误报。

每一组探测装置能够根据探测区域的实际形状布置，部署方式简单，适用于人员和设备物体入侵探测，通过多个装置组合，可实现区域100％覆盖，毫秒级越限报警，双重扫描防止误报。

实施例二：

上述系统实现物体侵入的探测方法如下，包括以下步骤：

根据作业区域，每一组探测装置沿垂直或水平方向依据设定的速度扫描设定角度范围，获取物体到探测装置的距离信息；

第k组探测装置获取到的距离信息处于入侵范围内时，该组探测装置中的舵机测量角度根据设定的变化幅度缩短，舵机测量速度根据设定的变化幅度提高；

与k组探测装置相邻的探测装置为f组，将f组探测装置的扫描参数设置为k组探测装置的舵机参数，f组探测装置执行k组探测装置的扫描方向；

当k组探测装置和f组探测装置均探测到物体入侵时发出报警信息。

具体的：

步骤1：测量开始，舵机转动；

步骤2：根据作业区域，可设置n组探测装置进行激光测距扫描，其中n＝1,2,3...；例如，如图3所示，本实施例的作业区域为处于带电运行设备中的吊装区域；

步骤3：通过测距仪测量现场的工作区域距离，设置探测装置扫描报警阈值的上限{d_1h，d_2h，d_3h，...，d_nh}和下限{d_1l，d_2l，d_3l，...，d_nl}；

步骤4：根据作业区域，设置扫描方向，包括探测装置垂直扫描和水平扫描，垂直扫描可管控水平方向作业，水平扫描可管控垂直方向作业，可将作业面全面覆盖；

步骤5：根据作业区域，设置各个舵机扫描角度{θ₁，θ₂，θ₃，...，θ_n}，扫描角度范围为为0～360°，其中n为现场设置的扫描装置数量，例如图4所示的，每一个探测装置中的舵机形成角度为150°的扇形扫描区域；

步骤6：根据作业监控对象，设置舵机旋转速度{ω₁，ω₂，ω₃，...，ω_n}，设置舵机旋转速度由监测入侵的对象速度决定，舵机旋转速度需大于等于2倍监测对象速度；

本实施例中，入侵对象如变电站吊装吊车，可以通过吊臂上安装的速度传感器以通信的方式获取吊装作业时吊臂的移动速度，从而调整舵机的扫描速度。

本实施例中，根据香农采样定理，为了不失真恢复模拟信号，采样频率应不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。借鉴该定理，扫描速度大约等于2倍监测对象，可在第一时间发现探测物体入侵，保证预警的准确性和实时性。

步骤5：启动激光扫描测距仪，获取测量距离为{d₁，d₂，d₃，...，d_n}；

步骤6：判断各个舵机测量距离是否处在[d_kl,d_kh]范围内，k＝1,2,3,...,n，当d_kl≤d_k≤d_kh时，探测装置将信息上报至后台服务器，后台服务器下发指令给第k个探测装置缩短舵机测量角度，提高舵机测量速度；

此时发现检测区域疑似被物体入侵，扫描到的入侵角度范围内存在距离变化，为了防止误告警，立刻提高舵机速度进行高速扫描，确认是否有物体入侵。

步骤7：后台服务器将相邻探测装置f扫描参数设置为第k个探测装置的舵机参数[ω_k，θ_k，d_kl,d_kh]，相邻探测装置f扫描第k个探测装置扫描方向；

本实施例中，现场可布置4台装置，将探测区域形成长方体监测面，对角线布置，每2个装置在1个点，扫描两个面，处于同一个点位的2个装置互为相邻探测装置f。

本实施例中，如发现检测区域疑似被物体入侵，k装置缩短角度范围来确认是否有物体入侵，防止误报，同时为了防止物体入侵超过k扫描装置的角度，用相邻装置f扫描k装置原有的扫描面，准确预警，防止漏报。

步骤8：通过双重扫描，当第k个探测装置和第f个探测装置均探测到物体入侵，发出报警信号；

步骤9：经过双重探测未探测到相应物体入侵，则第k个探测装置和第f个探测装置恢复原探测方向和探测参数。

当某一组探测装置获取到的距离信息处于入侵范围内时，此时的探测区域内疑似有物体入侵，将与该组探测装置相邻的另一组探测装置的扫描参数，设置为该获取到疑似侵入信息的探测装置后，形成双重扫描，两组相邻的探测装置共同获取到侵入信息后，确认有物体侵入探测区域，发出报警信息，既能够避免使用复杂地图模型的方式以节省算力，还能够提高精度避免误报。

每一组探测装置能够根据探测区域的实际形状布置，部署方式简单，适用于人员和设备物体入侵探测，通过多个装置组合，可实现区域100％覆盖，毫秒级越限报警，双重扫描防止误报。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于激光测距的空间物体侵入探测系统，其特征在于：包括：

探测装置，具有多组，每一组探测装置包括通过舵机连接的激光测距传感器和通信单元；

后台服务器，与通信单元连接，获取每一组探测装置中激光测传感器在舵机带动下获取的距离信息，当某一组探测装置获取到的物体距离信息处于入侵范围内时，将与该组探测装置相邻的另一组探测装置的扫描参数设置为相同形成双重扫描，两组相邻的探测装置共同获取到物体侵入信息后，发出报警信息。

2.如权利要求1所述的基于激光测距的空间物体侵入探测系统，其特征在于：所述探测装置中还具有舵机控制单元，舵机控制单元通过舵机连接激光测距传感器，控制舵机转动的速度和角度，带动激光测距传感器旋转，以获取测量区域内物体的距离信息。

3.如权利要求1所述的基于激光测距的空间物体侵入探测系统，其特征在于：所述探测装置通过通信单元与后台服务器通讯，根据后台服务器d处理结果发出报警信息。

4.如权利要求1所述的基于激光测距的空间物体侵入探测系统，其特征在于：所述探测装置通过安装支架固定在所需的检测区域中。

5.如权利要求1所述的基于激光测距的空间物体侵入探测系统，其特征在于：所述探测装置分别在水平面和垂直面扫描检测区域中物体至探测装置的距离。

6.基于权利要求1-5任一项所述系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

根据作业区域，每一组探测装置沿垂直或水平方向依据设定的速度扫描设定角度范围，获取物体到探测装置的距离信息；

第k组探测装置获取到的距离信息处于入侵范围内时，该组探测装置中的舵机测量角度根据设定的变化幅度缩短，舵机测量速度根据设定的变化幅度提高；

与k组探测装置相邻的探测装置为f组，第k组探测装置获取到的距离信息处于入侵范围内时，将f组探测装置的扫描参数设置为k组探测装置的舵机参数，f组探测装置执行k组探测装置的扫描方向，形成双重扫描；

当k组探测装置和f组探测装置均探测到物体入侵时发出报警信息。

7.如权利要求6所述的基于激光测距的空间物体侵入探测方法，其特征在于：经过双重扫描未探测到物体入侵，则k组探测装置和f组探测装置恢复原探测方向和探测参数。

8.如权利要求6所述的基于激光测距的空间物体侵入探测方法，其特征在于：根据作业区域，具有n组探测装置进行激光测距扫描，其中n＝1,2,3，...。

9.如权利要求6所述的基于激光测距的空间物体侵入探测方法，其特征在于：根据作业区域，沿垂直或水平方向扫描；沿垂直和水平方向扫描的探测装置成对设置。

10.如权利要求6所述的基于激光测距的空间物体侵入探测方法，其特征在于：舵机旋转带动激光测距传感器在设定的角度范围内获取距离信息，舵机旋转速度不小于2倍的监测对象运行速度。

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