WO2013091426A1 - 工程机械以及其安全状态确定方法、装置和系统 - Google Patents

工程机械以及其安全状态确定方法、装置和系统 Download PDF

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WO2013091426A1
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ladder
safety
construction machine
level
equivalent
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PCT/CN2012/082273
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Inventor
周磊
刘召华
邓鹏飞
高文
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中联重科股份有限公司
湖南中联重科专用车有限责任公司
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    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66F—HOISTING, LIFTING, HAULING OR PUSHING, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. DEVICES WHICH APPLY A LIFTING OR PUSHING FORCE DIRECTLY TO THE SURFACE OF A LOAD
    • B66F11/00—Lifting devices specially adapted for particular uses not otherwise provided for
    • B66F11/04—Lifting devices specially adapted for particular uses not otherwise provided for for movable platforms or cabins, e.g. on vehicles, permitting workmen to place themselves in any desired position for carrying out required operations
    • B66F11/044—Working platforms suspended from booms
    • B66F11/046—Working platforms suspended from booms of the telescoping type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66F—HOISTING, LIFTING, HAULING OR PUSHING, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. DEVICES WHICH APPLY A LIFTING OR PUSHING FORCE DIRECTLY TO THE SURFACE OF A LOAD
    • B66F17/00—Safety devices, e.g. for limiting or indicating lifting force
    • B66F17/006—Safety devices, e.g. for limiting or indicating lifting force for working platforms

Definitions

  • the invention relates to a safety state determination method and device applied to a construction machine, in particular to a safety state determination method and device for safely operating an engineering machine working component under an arbitrary support area and achieving an optimal working range. It relates to construction machinery using such a device. Background technique
  • the outriggers When the ladder fire truck is working, it is necessary to expand the legs to increase the working range of the top loading, which facilitates the deployment of various rescue work.
  • the outriggers There are a variety of forms for the outriggers to be deployed, including H-shaped legs, X-shaped legs, and swinging-type legs similar to the pumping system.
  • the ladder ladder fire truck can work under the condition that the outriggers are fully deployed or the one-legged legs are deployed to meet the complicated and urgent rescue work.
  • the range of the ladder can be operated to the maximum, but at this time the space required for the outriggers to expand is very large; only the one-side legs have the advantage of small space requirements, but it greatly reduces the ladder fire truck The scope of the rescue.
  • Fig. 7 and Fig. 8 respectively show the safe working area of the ladder when the associated ladder fire truck legs are fully deployed and only the one side legs are deployed. By comparison, it can be seen that when only the single side legs are deployed, the required space is required. Small, but the operating range of the ladder is also reduced by nearly half.
  • the present invention is directed to a method of determining the safety status of a construction machine.
  • the method for determining the safety state of a construction machine comprises the following steps:
  • the present invention also provides an apparatus for determining a safety state of a construction machine, comprising: a safety control area construction module, an equivalent centroid calculation module, a position relationship determination module, and a safety status determination module,
  • the safety control area building module is configured to construct at least a position according to the deployed leg of the construction machine Primary safety control area;
  • the equivalent centroid calculation module is configured to calculate an equivalent centroid of the engineering machine
  • the position relationship determining module is configured to determine a positional relationship between an equivalent centroid of the construction machine and the at least one level safety control area;
  • the safety state determining module is configured to determine a safety state of the construction machine according to the positional relationship.
  • the present invention also provides a system for determining a safety state of a construction machine, comprising: a first set of sensors, a second set of sensors, and the above-described means for determining a safety state of the construction machine, the first set of sensors for detecting the The amount of expansion and contraction of the legs of the construction machine in the horizontal direction, and the second set of sensors is used to detect the motion parameters of the working components.
  • the present invention also provides a construction machine comprising a bottom mount, a turntable mounted on the bottom mount, and a work component mounted on the turntable, and further comprising the above-described means for determining the safety state of the construction machine.
  • the present invention also provides a construction machine comprising a bottom mount, a turntable mounted on the bottom mount, and a work component mounted on the turntable, and the above-described system for determining the safety state of the construction machine.
  • the method and device of the invention construct a safety control area according to the unfolding condition of the legs, and combine the equivalent centroid of the engineering machine to judge the safety condition of the construction machine, so that the working parts of the engineering machine can work safely.
  • the maximum range that is, the construction machinery working parts can be safely operated under any supporting area and the working range is optimized.
  • FIG. 1 is a schematic structural view of a ladder fire truck according to some embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a flow chart of determining a safety state of a construction machine employed in some embodiments of the present invention.
  • 3 is a schematic diagram of a security control region established in some embodiments of the present invention and its relationship with an equivalent centroid.
  • 4 is a schematic diagram of a three-level security control region established in some embodiments of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of structural weight distribution and motion parameters of a ladder fire truck according to some embodiments of the present invention.
  • Figure 6 is a horizontal plan view showing the weight distribution of the ladder fire truck structure and its motion parameters in some embodiments of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a safe working area of a ladder when the legs of the ladder fire truck are fully deployed in the related art.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a safe working area of a ladder when only one side leg of the ladder fire truck is deployed in the related art. detailed description
  • Figure 1 illustrates the construction of a ladder fire truck in some embodiments of the present invention.
  • the ladder fire truck includes the bottom 11 (including the non-rotating, telescopic, and extension parts below the slewing structure and the slewing support), the ladder, the turntable 12, and the four legs 1A, 1B, 1C.
  • ID, ladder includes the first ladder 5 (including the first ladder, bracket and its accessories), the second ladder 6 (including the second ladder and its accessories), the third ladder 7 (including the first Three ladders and their attachments), the fourth section of the ladder 8 (including the fourth section of the ladder and its accessories), the fifth section of the ladder 9 (including the fifth section of the ladder and its accessories) and the sixth section of the ladder 10 (including The sixth section ladder, its accessories and the work bucket), the second section ladder 6, the third section ladder 7, the fourth section ladder 8, the fifth section ladder 9 and the sixth section ladder 10 are extended by the synchronous telescopic mechanism. Or retract.
  • the turntable 12 is mounted on the bottom mount 11 for rotation about the center of revolution 0, and the ladder is mounted on the turntable 12 for rotation about the center of rotation R.
  • the attachment refers to the non-elastic portion of the ladder frame.
  • the system for determining the safety status of the construction machinery applied to the ladder fire truck includes: a first group of sensors, a second group of sensors, and means for determining the safety status of the construction machinery.
  • the first group of sensors includes fourth to seventh sensors (not shown) for detecting the amount of expansion and contraction of the four legs 1A, 1B, 1C and ID in the horizontal direction, respectively.
  • the second set of sensors includes a first sensor 2 for detecting a pitch angle of the ladder, a second sensor 3 for detecting a swing angle of the ladder, and a second for detecting the amount of protrusion of each ladder relative to the upper ladder Three sensors 4.
  • the first sensor 2 can employ an angle sensor
  • the second sensor 3 can employ a rotary encoder
  • the third to seventh sensors can employ a length sensor.
  • the apparatus for determining a safety state of the construction machine includes a safety control area construction module, an equivalent centroid calculation module, a position relationship determination module, and a safety state determination module, wherein the safety control area construction module is used according to the legs of the construction machine
  • the expanded position constructs at least one level of safety control area
  • the equivalent centroid calculation module is used to calculate the equivalent centroid of the construction machine
  • the position relationship determining module is configured to determine the equivalent centroid of the construction machine and the at least one level of safety control area Position relationship
  • the safety status determining module is configured to determine a safety state of the construction machine according to the positional relationship.
  • the security control area construction module may include a support area construction sub-module and an offset sub-module, and the support area construction sub-module is used to detect the extension and contraction of each leg in the horizontal direction. The position of the outrigger is obtained, and then the support region surrounded by the legs is constructed; the offset sub-module is used to translate the edges of the support region inward by an offset to construct a level Security control area.
  • the security control region construction module may include a support region construction submodule and an offset submodule, and the support region construction submodule is configured to detect each leg in a horizontal direction. The amount of expansion and contraction is obtained, and the position of the outriggers is obtained, thereby constructing a support region surrounded by the legs; the offset sub-module is used for respectively shifting the sides of the support region inward by a plurality of offsets to construct A plurality of regions of the same center are formed, thereby forming a multi-level security control region in which the security level is gradually lowered from the inside to the outside.
  • the equivalent centroid calculation module may include a torque equivalent calculation sub-module for calculating an equivalent centroid of the construction machine using a torque equivalent method.
  • a torque equivalent calculation sub-module for calculating an equivalent centroid of the construction machine using a torque equivalent method.
  • various equivalent centroid calculation methods can be used to calculate the equivalent centroid of the construction machine.
  • the position relationship determining module may include a sum of angle calculation sub-module and a judging sub-module, and an angle sum calculation sub-module for calculating each level of the security control area for each level of the security control area.
  • the method further includes an output module for outputting the determined security status in the form of voice, picture, alarm, and/or text.
  • control module for restricting the work component from performing a work action that may cause a hazard when determining that the work machine is in an unsafe state or at a certain safety level.
  • the torque equivalent calculation sub-module may include a ladder equivalent centroid calculation sub-module and an engineering mechanical equivalent centroid calculation sub-module, and a ladder equivalent-center-of-mass calculation sub-module for comparing the equivalent centroids of each ladder according to the ladder the mass from the center of rotation R of the horn sections of the ladder sections and the ladder Gi measured in real time the amount of projection J, G u calculated mass of the ladder and the ladder with respect to the centroid distance equivalent amplitude center of rotation R of Engineering
  • the mechanical equivalent centroid calculation sub-module is configured to: calculate the equivalent centroid of the ladder relative to the horizontal plane projection distance of the swing center 0 by using the distance and the corresponding variable angle ⁇ , respectively using the ladder, the turntable and the bottom three components respectively
  • the equivalent centroid is calculated in relation to the horizontal plane projection distance of the center of rotation 0 and the rotation angle 0 to calculate the coordinate value of the corresponding equivalent centroid projected on the horizontal plane, and then the construction machine is calculated relative to the center of rotation in combination with the mass of
  • Figure 2 illustrates a method of determining the safety status of a construction machine in some embodiments. As shown in Figure 2, the method includes the following steps:
  • S4. Determine the safety status of the construction machine according to the positional relationship.
  • the step of outputting the determined security status may further be further included. For example, it is output by voice prompt, alarm sound, and the like.
  • a work action that may result in a hazard when it is determined that the work machine is in an unsafe state or some safety level.
  • the first level of security control area is constructed using the following method:
  • each leg in the horizontal direction is detected, and the position after the legs are unfolded is obtained, and a support region surrounded by the legs is constructed.
  • the support 1A supports the center A
  • the coordinates are ( ), the coordinates of the support center B of the leg 1B are ( 5 , ), the coordinates of the support center C of the leg 1C are ( C , ; T C ), and the coordinates of the support center D of the leg 1D are thus constructed four Supporting area AR surrounded by legs 1A, 1B, 1C, ID;
  • the four sides of the support area AR are respectively shifted inward by an offset amount ⁇ to construct a safety control area A3, and the coordinates of the four vertices a, b, c, and d of the safety control area A3 are respectively For ( ⁇ ., ⁇ )
  • a multi-level safety control area may be constructed, and the construction method may be: detecting the amount of expansion and contraction of each leg in the horizontal direction, obtaining the position after the legs are deployed, and constructing a support area surrounded by the legs; Each of the sides of the support region translates a plurality of offsets inwardly to construct a plurality of regions of the same center, thereby forming a multi-level security control region in which the security level is gradually reduced from the inside to the outside.
  • Figure 4 shows a three-level security control zone 4, ⁇ , 'from 4 to 4 security is reduced in turn, ⁇ is safe, ⁇ is general, 4 is dangerous.
  • the multiple offsets are pre-set values based on the operating conditions and safety factors of the ladder truck.
  • the equivalent centroid of the engineering machine in any working state can be calculated according to the torque equivalent method.
  • the torque equivalent method for the six-section fire ladder truck shown in Figure 1, it can be calculated by the following method:
  • variable ⁇ is used to indicate the angle of change of the ladder
  • variable ⁇ is used to indicate the angle of rotation of the ladder
  • variable is used to indicate the amount of expansion and contraction of each ladder of the ladder, and the section indicating the ladder is in the retracted state.
  • the distance of the center of rotation R is represented by G u
  • the mass of the ladder is represented by G u .
  • the black dots at the end of the arrow in Figure 6 indicate the corresponding equivalent centroids.
  • G G U + G t + G d ;
  • the positional relationship between the equivalent centroid of the construction machine and the safety control area is determined by the following method, thereby determining the safety state of the construction machine:
  • the effective center of mass is located in the safety control area A3 of this level, and it can be judged that the operation is safe; if the sum of the angles is less than 360 degrees, the equivalent centroid of the ladder fire truck is located in the safety control area A3 of the level, and the operation can be judged to be critical. State, there is a danger.
  • the sum of the angles may be compared with a preset level value to determine the safety level of the construction machine, the level value is less than 360, and the level value is The lower the level of security.
  • a preset level value For example: Set two grading values 350 and 340. When less than 360 degrees and greater than 350 degrees, it can be judged as a general safety level, and when it is less than 350 degrees and greater than 340 degrees, it can be judged as a dangerous level, and when it is less than 340. At the time of the degree, it can be judged that there is a very dangerous level of possible tilting.
  • the magnitude of the level value here is related to the magnitude of the offset ⁇ when constructing the security control area A3. The larger the offset ⁇ , the smaller the level value can be set here.
  • the positional relationship between the equivalent centroid of the construction machine and the multi-level safety control area can be judged by the following method: For each level of the safety control area, each phase of the safety control area is calculated. The sum of the angles between the adjacent two vertices and the equivalent centroid of the construction machine; if the sum of the angles is equal to
  • the equivalent centroid of the construction machine is located in the safety control area of the stage; if the sum of the angles is less than 360 degrees, the equivalent centroid of the construction machine is outside the safety control area of the stage. Further determining the safety level of the construction machine according to the position of the equivalent centroid in the multi-level safety control area. For example, for the three-level safety control zone 4 shown in FIG. 4, (G in FIG. 4, (G in FIG. 4, (G in FIG.
  • the sum of the angles is equal to 360 degrees, and the sum of the angles formed by the equivalent centroid G and the line connecting the vertices is equal to 360 degrees, then the equivalent centroid G is located outside the ⁇ 4, and the operation is in the general safety range;
  • the sum of the angles formed by the connecting lines of the effect centroid G and the four vertices is less than 360 degrees, and the sum of the angles formed by the connecting lines of the equivalent centroid G and the four vertices is less than 360 degrees, and the equivalent centroid G is connected with the vertices.
  • the sum of the angles formed by the lines is equal to 360 degrees, and the equivalent centroid G is located outside the crucible, and the operation is in danger.
  • the device or system for determining the safety state of a construction machine has at least the following beneficial effects:
  • the fire ladder truck can work under the condition that the legs can not be fully deployed, and the working range of the single side leg technology can be improved; the rescue ability of the fire ladder truck in the complex and demanding rescue environment can be improved.

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Abstract

公开了一种工程机械以及其安全状态确定方法、装置和系统。该方法包括以下步骤：根据工程机械的支腿（1A、1B、1C、1D）展开后的位置构建至少一级安全控制区域（A1-A3，S1）；计算所述工程机械的等效质心（G，S2）；判断所述工程机械的等效质心与所述至少一级安全控制区域的位置关系（S3）；根据所述位置关系确定所述工程机械的安全状态（S4）。该装置包括安全控制区域构建模块、等效质心计算模块、位置关系确定模块以及安全状态确定模块。所述系统包括上述装置、用于检测所述工程机械的支腿的水平方向的伸缩量的第一组传感器、用于检测作业部件的运动参数的第二组传感器（2-4）。该工程机械包括下装（11）、转台（12）以及作业部件（5-10），还包括上述装置或系统。采用所述方法和装置，能够提高工程机械在复杂救援环境下的救援能力，保证工程机械安全作业。

Description

工程机械以及其安全状态确定方法、 装置和系统
技术领域
本发明涉及一种应用于工程机械的安全状态确定方法和装置，特别涉及一种用于使 工程机械作业部件在任意支撑区域下安全操作且作业范围达到最佳的安全状态确定方 法和装置， 还涉及采用这种装置的工程机械。 背景技术
云梯消防车进行工作时， 需要展开支腿以增加其上装的工作范围， 便于各种救援工 作的展开。 支腿展开的形式有多种， 有 H型支腿， 有 X型支腿， 有类似泵车系统的摆 动展开型支腿等。
目前云梯消防车可以在支腿全部展开或者单边支腿展开的情况下工作， 以适应复 杂、 紧急的救援工作。 当支腿全部展开时， 云梯可以操作的范围达到最大， 但是此时支 腿展开需要的空间十分大； 仅单边支腿展开具有空间要求小的优势， 但其极大的降低了 云梯消防车的救援范围。图 7和图 8分别示出了相关云梯消防车支腿全展开和仅单边支 腿展开时云梯的安全工作区域， 通过比较可以看出， 当仅单边支腿展开的时候， 需要的 空间小， 但是云梯操作范围也减小了接近一半。
为了使救援工作适应复杂、 苛刻的救援环境， 如何在不降低安全的基础上， 最大限 度的提高其救援范围， 是十分重要的。 发明内容
本发明旨在提供一种确定工程机械安全状态的方法。
本发明确定工程机械安全状态的方法， 包括以下步骤：
根据所述工程机械的支腿展开后的位置构建至少一级安全控制区域；
计算所述工程机械的等效质心；
判断所述工程机械的等效质心与所述至少一级安全控制区域的位置关系； 以及 根据所述位置关系， 确定工程机械的安全状态。
本发明还提供了一种确定工程机械安全状态的装置， 其特征在于： 包括安全控制区 域构建模块、 等效质心计算模块、 位置关系确定模块以及安全状态确定模块，
所述安全控制区域构建模块用于根据所述工程机械的支腿展开后的位置构建至少 一级安全控制区域；
所述等效质心计算模块用于计算所述工程机械的等效质心；
所述位置关系确定模块用于判断所述工程机械的等效质心与所述至少一级安全控 制区域的位置关系；
所述安全状态确定模块用于根据所述位置关系， 确定工程机械的安全状态。
本发明还提供了一种确定工程机械安全状态的系统， 其特征在于： 包括第一组传感 器、第二组传感器和上述确定工程机械安全状态的装置， 所述第一组传感器用于检测所 述工程机械的支腿在水平方向的伸縮量，所述第二组传感器用于检测作业部件的运动参 数。
本发明还提供了一种工程机械， 包括下装、 安装在下装上的转台、 以及安装在转台 上的作业部件， 还包括上述确定工程机械安全状态的装置。
本发明还提供了一种工程机械， 包括下装、 安装在下装上的转台、 以及安装在转台 上的作业部件， 还包括上述确定工程机械安全状态的系统。
与相关技术相比， 本发明方法和装置根据支腿展开情况构建安全控制区域， 结合工 程机械的等效质心， 判断工程机械的安全情况， 从而让工程机械的作业部件能够工作在 能保障安全的最大范围， 即能够使工程机械作业部件在任意支撑区域下安全操作且作业 范围达到最佳。 采用本发明方法和装置， 能够提高工程机械在复杂、 苛刻救援环境下的 救援能力， 保证工程机械安全作业。 附图说明
图 1为本发明一些实施例中的云梯消防车的结构示意图。
图 2为本发明一些实施例中采用的确定工程机械安全状态的流程图。
图 3为本发明一些实施例中建立的安全控制区域以及它与等效质心的关系示意图。 图 4为本发明一些实施例中建立的三级安全控制区域的示意图。
图 5为本发明一些实施例中的云梯消防车的结构重量分布及其运动参数示意图。 图 6为本发明一些实施例中的云梯消防车结构重量分布及其运动参数的水平面投影 图。
图 7为相关技术中云梯消防车支腿全展开时云梯安全工作区域的示意图。
图 8为相关技术中云梯消防车仅单边支腿展开时云梯安全工作区域的示意图。 具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。
图 1示出了本发明一些实施例中的云梯消防车的结构。 如图 1所示， 本云梯消防车 包括下装 11 (含下车结构件及回转支撑以下的不可回转、 伸縮、 举伸的部分）、 云梯、 转台 12和四个支腿 1A、 1B、 1C、 ID, 云梯包括第一节梯 5 (含第一节梯架、 托架及其 附件）、 第二节梯 6 (含第二节梯架及其附件）、 第三节梯 7 (含第三节梯架及其附件）、 第四节梯 8 (含第四节梯架及其附件）、 第五节梯 9 (含第五节梯架及其附件）和第六节 梯 10 (含第六节梯架、 其附件及工作斗）， 第二节梯 6、 第三节梯 7、 第四节梯 8、 第五 节梯 9和第六节梯 10通过同步伸縮机构驱动实现伸出或回縮。 转台 12安装在下装 11 上可绕回转中心 0转动， 云梯安装在转台 12上可绕变幅旋转中心 R旋转。 上述各节梯 架中， 附件指梯架的非伸縮部分。
应用于本云梯消防车的确定工程机械安全状态的系统包括： 第一组传感器、 第二组 传感器和确定工程机械安全状态的装置。第一组传感器含第四传感器至第七传感器（图 中未示出）， 分别用于检测四个支腿 1A、 1B、 1C、 ID在水平方向的伸縮量。 第二组传 感器包括用于检测云梯变幅角度的第一传感器 2、 用于检测云梯回转角度的第二传感器 3、和用于检测每节梯架相对上一节梯架的伸出量的第三传感器 4。第一传感器 2可以采 用角度传感器， 第二传感器 3可以采用回转编码器， 第三至第七传感器可以采用长度传 感器。
一些实施例中， 确定工程机械安全状态的装置包括安全控制区域构建模块、 等效质 心计算模块、 位置关系确定模块以及安全状态确定模块， 其中， 安全控制区域构建模块 用于根据工程机械的支腿展开后的位置构建至少一级安全控制区域；等效质心计算模块 用于计算工程机械的等效质心；位置关系确定模块用于判断工程机械的等效质心与所述 至少一级安全控制区域的位置关系； 安全状态确定模块用于根据所述位置关系， 确定工 程机械的安全状态。
一些实施例中， 只构建一个安全控制区域， 相应地， 安全控制区域构建模块可以包 括支撑区域构建子模块和偏移子模块，支撑区域构建子模块用于检测每个支腿在水平方 向的伸縮量， 获得支腿展开后的位置， 进而构建出支腿围成的支撑区域； 偏移子模块用 于将所述支撑区域的各条边分别向内平移一个偏移量， 以构建出一级安全控制区域。
一些实施例中， 构建多个安全控制区域， 相应地， 安全控制区域构建模块可以包括 支撑区域构建子模块和偏移子模块，支撑区域构建子模块用于检测每个支腿在水平方向 的伸縮量， 获得支腿展开后的位置， 进而构建出支腿围成的支撑区域； 偏移子模块用于 将所述支撑区域的各条边分别向内平移多个偏移量， 以构建出多个相同中心的区域， 从 而形成从内向外安全等级逐渐降低的多级安全控制区域。
一些实施例中， 等效质心计算模块可以包括力矩等效法计算子模块， 该力矩等效法 计算子模块用于采用力矩等效法计算所述工程机械的等效质心。但并不限于此， 可以采 用各种现有的等效质心计算方法计算工程机械的等效质心。
一些实施例中， 位置关系确定模块可以包括夹角之和计算子模块和判断子模块， 夹 角之和计算子模块， 用于针对每级安全控制区域， 分别计算该级安全控制区域每相邻两 个顶点与所述工程机械的等效质心的连线的夹角之和； 判断子模块， 用于根据所述夹角 之和， 判断等效质心和对应安全控制区域的位置关系。
一些实施例中， 进一步还包括输出模块， 输出模块用于将确定的安全状态以语音、 画面、 报警声和 /或文字形式输出。
一些实施例中， 进一步还包括控制模块， 控制模块用于在确定工程机械处于非安全 状态或某些安全等级时， 限制作业部件执行可能导致危险的作业动作。
一些实施例中，力矩等效法计算子模块可以包括云梯等效质心计算子模块和工程机 械等效质心计算子模块， 云梯等效质心计算子模块， 用于根据云梯各节梯的等效质心相 对于变幅旋转中心 R的距离 各节梯的质量 Gi以及实时测得的各节梯的伸出量 J，计 算云梯的质量 Gu和云梯的等效质心相对于变幅旋转中心 R的距离 工程机械等效质 心计算子模块，用于：利用所述距离 和对应的变幅角度 α计算云梯的等效质心相对于 回转中心 0的水平面投影距离，分别用云梯、转台和下装三个部件各自的等效质心相对 于回转中心 0的水平面投影距离与回转角度 0结合计算对应的等效质心在水平面投影 的坐标值，进而结合所述三个部件的质量计算所述工程机械相对于回转中心 0的等效质 心的位置坐标 (χ， 和质量 G。
图 2示出一些实施例中的确定工程机械安全状态的方法。 如图 2所示， 该方法包括 以下步骤：
51.根据工程机械 （如云梯消防车） 的支腿展开后的位置构建至少一级安全控制区 域；
52. 计算工程机械的等效质心；
53.判断工程机械的等效质心与至少一级安全控制区域的位置关系； 以及
S4.根据位置关系， 确定工程机械的安全状态。 一些实施例中， 进一步还可以包括将确定的安全状态输出的步骤。 例如通过语音提 示、 报警声等方式输出。
一些实施例中， 进一步还可以包括： 当确定工程机械处于非安全状态或某些安全等 级时， 限制作业部件执行可能导致危险的作业动作的步骤。 例如， 在图 4所示三级安全 控制区域 4、 Λ、 Λ中， 若判断等效质心位于 之外， 车辆有倾翻可能时， 则对作业 部件（如云梯） 的动作进行限制， 使作业部件仅保留任何可朝安全方向运动的操作， 如 回縮梯架等。
一些实施例中， 采用以下方法构建一级安全控制区域：
检测每个支腿在水平方向的伸縮量， 获得支腿展开后的位置， 构建出支腿围成的支 撑区域。 假设测量得到云梯消防车四个支腿 1A、 1B、 1C、 ID相对于车辆中心在水平方 向展开长度分别为 、 /2、 /3、 /4， 根据该测量结果定义支腿 1A支撑中心 A的坐标为 ( )，支腿 1B支撑中心 B的坐标为（ 5, )，支腿 1C支撑中心 C的坐标为（ C , ;TC )， 支腿 1D支撑中心 D的坐标为 从而构建出四个支腿 1A、 1B、 1C、 ID围成的 支撑区域 AR;
然后， 如图 3所示， 将支撑区域 AR的四条边分别向内平移偏移量 λ， 构建出一个 安全控制区域 A3，安全控制区域 A3的四个顶点 a、b、c、d的坐标分别为 (χ。,Λ)
(xc,jc) 图 3中 O表示转台的回转中心。 其中， 偏移量 λ是根据云梯消防车 的工作状态及安全因素预先设置的数值。
一些实施例中， 可以构建多级安全控制区域， 构建方法可以为： 检测每个支腿在水 平方向的伸縮量， 获得支腿展开后的位置， 构建出支腿围成的支撑区域； 将所述支撑区 域的各条边分别向内平移多个偏移量， 构建出多个相同中心的区域， 从而形成从内向外 安全等级逐渐降低的多级安全控制区域。例如， 图 4所示构建出了一种三级安全控制区 域 4、 Α、 ' 从 4到 4安全性依次降低， Λ为安全、 Α为一般、 4为危险。 同样地， 多个偏移量是根据云梯消防车的工作状态及安全因素预先设置的数值。
一些实施例中， 可以根据力矩等效法计算工程机械任意工作状态下的等效质心。 例 如， 针对图 1所示的六节消防云梯车， 可通过以下方法计算：
参照图 5和图 6， 用变量 α表示云梯的变幅角度， 用变量 ø表示云梯的回转角度， 用变量 表示云梯各节梯的伸縮量，用 表示云梯在縮回状态时第 节梯的等效质点相 对于变幅旋转中心 R的距离， 用 第 节梯的质量， 用 表示云梯的等效质心相对于 变幅旋转中心 R的距离， 用 Gu表示云梯的质量。 图 6中箭头尾端的黑点表示相应的等 效质心。 由于各节梯是通过同步伸縮机构来驱动其伸出和回縮的， 所以每节梯相对于上 一节梯的伸縮量是相等的， 可以得出， 当云梯伸出时， 从第二节梯 6到第六节梯 10， 每 节梯的等效质心相对于变幅旋转中心 R的距离为 ν2 +Δ,ν3 +2Δ,ν4+3Δ,ν5 +4Δ,ν6 +5Δ； 实时测量云梯的变幅角度 c 回转角度 ø以及各节梯的伸縮量
根据云梯各节梯的等效质心相对于变幅旋转中心 R的距离 νζ·、 各节梯的质量 C¾以 及实时测得的伸出量 计算云梯的质量 Gu和云梯的等效质心相对于变幅旋转中心 R 的距离 vu; 更具体地， 可 下公式得出： = 1,···,6)， ；
Figure imgf000008_0001
然后通过下式计算云梯消防车相对于回转中心 0的等效质心的位置坐标 (x， J)和质 量 G
_ Gu (vu cos a-k) cos φ + Gtvt cos φ + Gdvd
X— Gu+Gt + Gd ；
Figure imgf000008_0002
y ；
G = GU+Gt + Gd ;
其中， 为云梯转台的等效质心相对于回转中心 0 的水平面投影距离， Gt为转台 的质量， ^为下装的等效质心相对于回转中心 0 的水平面投影距离， 距离^是相对一 直不变的， 且近似位于车辆的中心上， 为下装的质量， 为变幅旋转中心 R相对于回 转中心 0的水平面投影距离。
一些实施例中， 对于构建的一级安全控制区域， 通过以下方法判断工程机械的等效 质心与该安全控制区域的位置关系， 进而确定工程机械的安全状态：
如图 3所示 （图 3中用 G表示云梯消防车相对于回转中心 0的等效质心）， 分别在 等效质心 G与安全区域各顶点 a、 b、 c、 d之间连线， 定义： 顶点 d、 等效质心6、 顶点 a的夹角为 ， 顶点 a、 等效质心6、 顶点 b的夹角为 ， 顶点 b、 等效质心6、 顶点 c 的夹角为 ， 顶点 c、 等效质心6、 顶点 d的夹角为 ， 夹角之和 + + + ； 当 云梯进行任何操作时， 计算夹角之和^ 若夹角之和 等于 360度， 则云梯消防车的等 效质心位于该级安全控制区域 A3内， 可以判定操作是安全的； 若夹角之和 小于 360 度， 则云梯消防车的等效质心位于该级安全控制区域 A3夕卜， 可以判定操作处于临界状 态， 有可能发生危险。
进一步地， 当等效质心 G位于该安全控制区域 A3外时， 还可以将夹角之和 与预 先设置的等级值比较， 确定工程机械的安全等级， 所述等级值小于 360、 且等级值越小 安全等级越低。 例如： 设定两个等级值 350和 340， 当 小于 360度而大于 350度时， 可以判定为一般安全等级， 而当 小于 350度而大于 340度时， 可以判定为危险等级， 而当 小于 340度时， 可以判定为有倾翻可能的非常危险等级。 可以理解地， 此处的等 级值的大小与构建安全控制区域 A3时的偏移量 λ的大小有关系， 偏移量 λ越大， 此处 的等级值可以设置的较小。
一些实施例中， 对于构建的多级安全控制区域， 可以通过以下方法判断工程机械的 等效质心与多级安全控制区域的位置关系： 针对每级安全控制区域， 计算该级安全控制 区域每相邻两个顶点与工程机械的等效质心的连线的夹角之和； 若所述夹角之和等于
360度，则工程机械的等效质心位于该级安全控制区域内；若所述夹角之和小于 360度， 则所述工程机械的等效质心位于该级安全控制区域外。进而根据所述等效质心在所述多 级安全控制区域的位置， 确定工程机械的安全等级。 例如， 对于图 4所示的三级安全控 制区域 4、 (图 4中用 G表示云梯消防车相对于回转中心 0的等效质心）， 当等 效质心 G与 4各顶点的连线形成的夹角之和等于 360度， 等效质心 G与 Λ各顶点的连 线形成的夹角之和等于 360度，等效质心 G与 各顶点的连线形成的夹角之和等于 360 度， 则等效质心 G位于 4内， 此时操作处于安全范围； 当等效质心 G与 4各顶点的连 线形成的夹角之和小于 360度，等效质心 G与 4各顶点的连线形成的夹角之和等于 360 度， 等效质心 G与 Λ各顶点的连线形成的夹角之和等于 360度， 则等效质心 G位于 Λ 内 4外， 此时操作处于一般安全范围； 当等效质心 G与 4各顶点的连线形成的夹角之 和小于 360度， 等效质心 G与 4各顶点的连线形成的夹角之和小于 360度， 等效质心 G与 各顶点的连线形成的夹角之和等于 360度， 则等效质心 G位于 Λ内 Λ外， 此时 操作处于危险范围； 当等效质心 G与 ^各顶点的连线形成的夹角之和小于 360度， 等 效质心 G与 Λ各顶点的连线形成的夹角之和小于 360度， 等效质心 G与 Λ各顶点的连 线形成的夹角之和小于 360度， 则等效质心 G位于 Λ之外， 此时车辆有倾翻可能。 本发明一些实施例的确定工程机械安全状态的装置或系统应用于消防云梯车，至少 具有以下有益效果：
1. 消防云梯车可以在支腿不能全展开的情况下工作， 并较单边支腿技术提升了更 大的工作范围； 能够提高消防云梯车在复杂、 苛刻救援环境下的救援能力。
2. 增加了车辆工作倾翻的安全级别判定， 并可以此对车辆进行操作安全限定。 可以理解地，本发明确定工程机械安全状态的装置或系统还可应用于其它的工程机 械， 如液压伸縮式吊车， 等等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式， 本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。 应当指出， 对于本技术 领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰， 这些改进和 润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

权利要求
1. 一种确定工程机械安全状态的方法， 其特征在于， 包括以下步骤：
根据所述工程机械的支腿展开后的位置构建至少一级安全控制区域；
计算所述工程机械的等效质心；
判断所述工程机械的等效质心与所述至少一级安全控制区域的位置关系； 以及 根据所述位置关系， 确定工程机械的安全状态
2. 根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 所述至少一级安全控制区域为一级安 全控制区域， 其构建方法包括以下步骤：：
检测每个支腿在水平方向的伸縮量， 获得支腿展开后的位置， 构建出支腿围成的支 撑区域；
将所述支撑区域的各条边分别向内平移一个偏移量， 构建出一级安全控制区域。
3.根据权利要求 2所述的方法，其特征在于，确定工程机械的安全状态的方法包括: 所述等效质心位于该安全控制区域内， 则确定工程机械安全， 否则确定工程机械不安全。
4. 根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 所述至少一级安全控制区域为多级安 全控制区域， 其构建方法包括以下步骤：
检测每个支腿在水平方向的伸縮量， 获得支腿展开后的位置， 构建出支腿围成的支 撑区域；
将所述支撑区域的各条边分别向内平移多个偏移量， 构建出多个相同中心的区域， 从而形成从内向外安全等级逐渐降低的多级安全控制区域。
5.根据权利要求 4所述的方法，其特征在于，确定工程机械的安全状态的方法包括: 根据所述等效质心在所述多级安全控制区域的位置， 确定工程机械的安全等级。
6. 根据权利要求 2-5中任意一项所述的方法， 其特征在于， 所述偏移量是根据所述 工程机械的工作状态及安全因素预先设置的。
7. 根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于： 采用力矩等效法计算所述工程机械的 等效质心。
8. 根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 判断所述工程机械的等效质心与安全 控制区域的位置关系的方法包括以下步骤：
针对每级安全控制区域， 计算该级安全控制区域每相邻两个顶点与所述工程机械的 等效质心的连线的夹角之和；
若所述夹角之和等于 360度，则所述工程机械的等效质心位于该级安全控制区域内； 若所述夹角之和小于 360度，则所述工程机械的等效质心位于该级安全控制区域外。
9. 根据权利要求 8所述的方法， 其特征在于， 所述至少一级安全控制区域为一级安 全控制区域， 确定工程机械的安全状态的方法包括： 所述等效质心位于该安全控制区域 内， 则确定工程机械安全， 当所述等效质心位于该安全控制区域外时， 将所述夹角之和 与预先设置的等级值比较， 确定工程机械的安全等级， 所述等级值小于 360、且等级值越 小安全等级越低。
10. 根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 还包括将确定的安全状态输出的步 骤。
11 . 根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 还包括： 当确定工程机械处于非安 全状态或某些安全等级时， 限制作业部件执行可能导致危险的作业动作的步骤。
12. 根据权利要求 7所述的方法， 其特征在于， 所述工程机械为云梯车， 作业部件 为云梯， 计算等效质心的方法包括以下步骤：
根据云梯各节梯的等效质心相对于变幅旋转中心 R的距离 νζ·、 各节梯的质量 Gi以及 实时测得的伸出量 ，计算云梯的质量 Gu和云梯的等效质心相对于变幅旋转中心 R的距 利用所述距离 和对应的变幅角度 a计算云梯的等效质心相对于回转中心 0的水平 面投影距离， 分别用云梯、 转台和下装三个部件各自的等效质心相对于回转中心 0的水 平面投影距离与回转角度 Φ结合计算对应的等效质心在水平面投影的坐标值，进而结合 所述三个部件的质量计算所述工程机械相对于回转中心 0 的等效质心的位置坐标 (X， y) 和质量 G。
13. 一种确定工程机械安全状态的装置， 其特征在于： 包括安全控制区域构建模块、 等效质心计算模块、 位置关系确定模块以及安全状态确定模块，
所述安全控制区域构建模块用于根据所述工程机械的支腿展开后的位置构建至少一 级安全控制区域；
所述等效质心计算模块用于计算所述工程机械的等效质心；
所述位置关系确定模块用于判断所述工程机械的等效质心与所述至少一级安全控制 区域的位置关系；
所述安全状态确定模块用于根据所述位置关系， 确定工程机械的安全状态。
14. 根据权利要求 13所述的装置， 其特征在于： 所述安全控制区域构建模块包括支 撑区域构建子模块和偏移子模块，
所述支撑区域构建子模块， 用于检测每个支腿在水平方向的伸縮量， 获得支腿展开 后的位置， 进而构建出支腿围成的支撑区域；
所述偏移子模块， 用于将所述支撑区域的各条边分别向内平移一个偏移量， 以构建 出一级安全控制区域。
15. 根据权利要求 13所述的装置， 其特征在于： 所述安全控制区域构建模块包括支 撑区域构建子模块和偏移子模块，
所述支撑区域构建子模块， 用于检测每个支腿在水平方向的伸縮量， 获得支腿展开 后的位置， 进而构建出支腿围成的支撑区域；
所述偏移子模块， 用于将所述支撑区域的各条边分别向内平移多个偏移量， 以构建 出多个相同中心的区域， 从而形成从内向外安全等级逐渐降低的多级安全控制区域。
16. 根据权利要求 13所述的装置， 其特征在于： 所述等效质心计算模块包括力矩等 效法计算子模块， 该力矩等效法计算子模块用于采用力矩等效法计算所述工程机械的等 效质心。
17. 根据权利要求 13所述的装置， 其特征在于： 所述位置关系确定模块包括夹角之 和计算子模块和判断子模块，
所述夹角之和计算子模块， 用于针对每级安全控制区域， 分别计算该级安全控制区 域每相邻两个顶点与所述工程机械的等效质心的连线的夹角之和；
所述判断子模块， 用于根据所述夹角之和， 判断等效质心和对应安全控制区域的位 置关系。
18. 根据权利要求 13所述的装置， 其特征在于： 进一步还包括输出模块， 所述输出 模块用于将确定的安全状态以语音、 画面、 报警声和 /或文字形式输出。
19. 根据权利要求 13所述的装置， 其特征在于： 进一步还包括控制模块， 所述控制 模块用于在确定工程机械处于非安全状态或某些安全等级时， 限制作业部件执行可能导 致危险的作业动作。
20. 根据权利要求 16所述的装置， 其特征在于： 所述力矩等效法计算子模块包括云 梯等效质心计算子模块和工程机械等效质心计算子模块，
所述云梯等效质心计算子模块， 用于根据云梯各节梯的等效质心相对于变幅旋转中 心 R的距离 ^、各节梯的质量 C¾以及实时测得的各节梯的伸出量 J， 计算云梯的质量 和云梯的等效质心相对于变幅旋转中心 R的距离
所述工程机械等效质心计算子模块， 用于： 利用所述距离 和对应的变幅角度 α计 算云梯的等效质心相对于回转中心 0的水平面投影距离， 分别用云梯、 转台和下装三个 部件各自的等效质心相对于回转中心 0的水平面投影距离与回转角度 0结合计算对应的 等效质心在水平面投影的坐标值， 进而结合所述三个部件的质量计算所述工程机械相对 于回转中心 0的等效质心的位置坐标 (χ， )和质量 G。
21. 一种确定工程机械安全状态的系统， 其特征在于： 包括第一组传感器、 第二组 传感器和权利要求 13-20中任意一项所述的装置， 所述第一组传感器用于检测所述工程 机械的支腿在水平方向的伸縮量， 所述第二组传感器用于检测作业部件的运动参数。
22. 根据权利要求 21所述的系统， 其特征在于： 所述第二组传感器包括用于测量所 述云梯的变幅角度 a 的第一传感器、 用于测量所述云梯的回转角度 Φ的第二传感器， 以及用于测量所述云梯的各节梯的伸縮量 的第三传感器。
23. 一种工程机械， 包括下装、 安装在下装上的转台、 以及安装在转台上的作业部 件， 其特征在于： 还包括权利要求 13-20任一项所述的装置。
24. 一种工程机械， 包括下装、 安装在下装上的转台、 以及安装在转台上的作业部 件， 其特征在于： 还包括权利要求 21或 22所述的系统。
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