一种塔吊自动化防撞方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及施工监控技术领域，具体公开了一种塔吊自动化防撞方法及系统，方法包括：按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型；以固定频率更新施工场地三维模型以及当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标；在塔吊开始起重时，获取物体起吊点坐标以及预定到位点坐标；按照预设的路径规划策略以及施工场地三维模型为塔吊规划运行路径，生成对应的运行参数；根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范围；根据摆动范围和当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可能发生碰撞；控制塔吊进行制动等。本发明专利技术塔吊自动化防撞方法及系统，能够实时跟踪运动物体，使塔吊运行时不与外部设备发生碰撞，保障塔吊运行安全。

【技术实现步骤摘要】
一种塔吊自动化防撞方法及系统
本专利技术涉及施工监控技术及图像处理
，尤其涉及一种塔吊自动化防撞方法及系统。
技术介绍
塔吊是建筑工作中关键的机械设备，在楼宇修建的场所塔吊随处可见，可以有效的节省人力、降低建设成本和提高施工进度。由于其器械结构的庞大，高空作业的特性，复杂多变的工作环境，容易发生碰撞导致高空坠落、机械伤害、坍塌等事故。塔吊作业中要求多人协同配合，一方面由于塔机驾驶室位置较高，塔机操作员视野受到很大限制，多通过经验进行工作，具有盲目性，操作难度高；另一方面，地面指挥人员无法掌握高空目标点情况，塔吊操作员与地面其他工作人员的信息交流受阻，安全性、精确性、效率要求显然无法满足工程项目建设需求。目前塔吊防碰撞技术主要有视频监控技术、传感器监控。现行的视频监控技术没有针对性，仅仅是塔吊现场画面记录，没有充分利用图像数据信息进行分析，并不能直接指导塔机操作员操作或实现自动化操作，传感器监控模式由于塔吊吊臂、拉杆某些关键部位限制不允许安装传感器，监测布点受限，因此基于传感器的监控模式监控能力有限，获得的信息仅仅局限在一些敏感的技术参数上，无法及时获得较为全面、直观的塔吊运行情况。技术专利CN201820290159.5塔吊吊钩全景监控装置可实现塔吊吊钩处周边环境的实时监控影像传输，一定程度上解决了操作人员视觉盲区的问题，但智能化程度较低，仅仅提供视频画面信息。技术专利CN201721561934.8一种塔吊监控系统，将角度测量模块、风速传感器、超声波探测器等传感器安装于塔身、起重臂等位置，由于塔吊结构的特殊性，传感器布设在高空中安全性不高。因此本领域人员亟需寻找一种新的技术方案来解决上述的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的技术问题，本专利技术提供一种塔吊自动化防撞方法及系统。一种塔吊自动化防撞方法，包括：在建筑主体及塔吊周边布设若干个视频监控摄像头；按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型；以固定频率更新施工场地三维模型以及当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标；在塔吊开始起重时，获取物体起吊点坐标以及预定到位点坐标；按照预设的路径规划策略以及施工场地三维模型为塔吊规划运行路径，生成对应的运行参数；根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范围；根据摆动范围和当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可能发生碰撞；若否，控制塔吊按运行参数继续进行物体运输；若是，控制塔吊进行制动；在塔吊制动期间根据预设的倾覆计算策略预测塔吊是否可能发生倾覆。进一步地，根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范围，包括：根据实时的运行参数识别塔吊的运行模式，运行模式分为升降模式、变幅模式、回转模式、回转变幅模式、升降变幅模式、升降回转模式以及升降回转变幅模式；根据实时运行参数以及运行模式计算制动参数，制动参数包括摆臂的制动时间、摆臂的制动距离、摆臂的制动角度、物体的制动距离、物体的摆幅、缆绳的长度、缆绳与竖直方向的夹角、小车的制动时间、小车的制动距离；根据制动参数计算物体和摆臂的摆动范围。进一步地，实时运行参数包括当前缆绳的长度l0、缆绳速度vc、回转角度θ0、回转角速度ω、小车幅度r0、小车变幅速度vc、物体坐标(r1,θ1,h1)、物体速度v1、摆臂长度rm、摆臂高度h0、起重载荷Fc，以及竖向锁止、回转锁止、横向锁止时的平均加速度ac、α、ar，既有场地外轮廓网格坐标(rt,θt,ht)组成的点集Ut。进一步地，在升降模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：计算物体的制动距离，为摆动范围为W＝{(r1,θ1,h)|h∈[h1,h1+Sm]}；在变幅模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：计算小车的制动时间，为小车的制动距离为：制动结束后物体坐标为(r1+v1t,θ1,h1+l0(1-cosα1))，其中，α1为制动后缆绳与竖直方向的夹角，为：物体与缆绳垂直的速度分量为v1cosα1，计算物体上升的高度为g为重力加速度；计算缆绳与竖直方向的夹角为则物体在最大摆幅处的物体坐标为(r0+Sc±l0sinα2,θ1,h1+l0(1-cosα2))；摆动范围为：W＝{(r,θ1,h)|r∈[r0+Sc-l0sinα2，r0+Sc+l0sinα2],h∈[h1,h1+l0(1-cosα2)]}；在回转模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：计算摆臂的制动时间和制动距离，为：摆臂的制动角度为θ0+θd；则摆臂的摆动范围为：W1＝{(r,θ,h0)|r∈(0,rm],θ∈(θ0,θ0+θd]}；计算物体坐标为(r1,θ1+ωt,h1)，物体以小车作为固定端做圆锥摆运动，其角速度为：其中，为圆锥摆运动时缆绳与竖直方向的夹角；根据方程求解的值，其中F为缆绳的拉力；则为式中λ为则物体的摆动范围W2为h＝h1的平面，且以(r0,θ0+θd,h1)为圆心，半径为的圆，即则总的摆动范围为W＝W1∪W2。进一步地，在升降回转变幅模式下计算制动参数以及摆动范围，包括：计算制动结束后小车的坐标为计算制动结束后缆绳的长度，为计算摆臂的制动时间和制动距离，为：摆臂的制度角度为θ0+θd，则摆臂的摆动范围为W1＝{(r,θ,h0)|r∈(0,rm],θ∈(θ0,θ0+θd]}；根据方程计算缆绳与竖直方向的夹角为式中，λ为则物体的摆动范围W2为的平面，且以为圆心，半径为的圆，即则总的摆动范围为W＝W1∪W2。进一步地，方法还包括：为摆动范围增加安全裕量，将摆动范围更新为：Ws＝{(r,θ,h)|(rcosθ-ricosθi)2+(rsinθ-risinθi)2+(h-hi)2≤rs2,(ri,θi,hi)∈W}。进一步地，根据摆动范围和当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可能发生碰撞，为：根据Ws和Ut设定判断条件为进一步地，倾覆计算策略为：设定制动期间竖向最大制动加速度为则制动期间最大起重力矩为当吊塔能承受的最大力矩为Mmax时，倾覆判断条件为其中，λ为安全系数，且λ大于1。进一步地，按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型，包括：在塔吊收起起重挂钩时开启视频监控摄像头，控制塔吊不断调整回传角并控制视频监控摄像头同时采集现场图像；根据预设的图像预处理策略对现场图像进行预处理，生成预处理图像；根据预设的图像效果评价策略对预处理图像进行评价；若预处理图像处理效果不合格，则调整视频监控摄像头的角度并变换镜头倍数和镜头焦距，重新采集现场图像；若合格，则根据预处理图像建立施工场地三维模型，并在预设的平面网格精度下提取网格点(x0,y0)的高程z0。本专利技术还提供一种塔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种塔吊自动化防撞方法，其特征在于，包括：/n在建筑主体及塔吊周边布设若干个视频监控摄像头；/n按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型；/n以固定频率更新所述施工场地三维模型以及当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标；/n在塔吊开始起重时，获取物体起吊点坐标以及预定到位点坐标；/n按照预设的路径规划策略以及所述施工场地三维模型为塔吊规划运行路径，生成对应的运行参数；/n根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范围；/n根据所述摆动范围和当前时刻下所述既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可能发生碰撞；若否，控制塔吊按所述运行参数继续进行物体运输；若是，/n控制塔吊进行制动；/n在塔吊制动期间根据预设的倾覆计算策略预测塔吊是否可能发生倾覆。/n

【技术特征摘要】
1.一种塔吊自动化防撞方法，其特征在于，包括：
在建筑主体及塔吊周边布设若干个视频监控摄像头；
按照预设的模型建立策略建立施工场地三维模型；
以固定频率更新所述施工场地三维模型以及当前时刻下既有场地外轮廓网格坐标；
在塔吊开始起重时，获取物体起吊点坐标以及预定到位点坐标；
按照预设的路径规划策略以及所述施工场地三维模型为塔吊规划运行路径，生成对应的运行参数；
根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范围；
根据所述摆动范围和当前时刻下所述既有场地外轮廓网格坐标判断是否有可能发生碰撞；若否，控制塔吊按所述运行参数继续进行物体运输；若是，
控制塔吊进行制动；
在塔吊制动期间根据预设的倾覆计算策略预测塔吊是否可能发生倾覆。


2.如权利要求1所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，所述根据塔吊的实时运行参数以及预设的摆动范围计算策略计算物体和摆臂的摆动范围，包括：
根据实时的运行参数识别塔吊的运行模式，所述运行模式分为升降模式、变幅模式、回转模式、回转变幅模式、升降变幅模式、升降回转模式以及升降回转变幅模式；
根据实时运行参数以及所述运行模式计算制动参数，所述制动参数包括摆臂的制动时间、摆臂的制动距离、摆臂的制动角度、物体的制动距离、物体的摆幅、缆绳的长度、缆绳与竖直方向的夹角、小车的制动时间、小车的制动距离；
根据所述制动参数计算物体和摆臂的摆动范围。


3.如权利要求2所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，实时运行参数包括当前缆绳的长度l0、缆绳速度vc、回转角度θ0、回转角速度ω、小车幅度r0、小车变幅速度vc、物体坐标(r1,θ1,h1)、物体速度v1、摆臂长度rm、摆臂高度h0、起重载荷Fc，以及竖向锁止、回转锁止、横向锁止时的平均加速度ac、α、ar，既有场地外轮廓网格坐标(rt,θt,ht)组成的点集Ut。


4.如权利要求3所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，
在所述升降模式下计算所述制动参数以及所述摆动范围，包括：
计算物体的制动距离，为
所述摆动范围为W＝{(r1,θ1,h)|h∈[h1,h1+Sm]}；
在所述变幅模式下计算所述制动参数以及所述摆动范围，包括：
计算小车的制动时间，为小车的制动距离为：
制动结束后物体坐标为(r1+v1t,θ1,h1+l0(1-cosα1))，其中，α1为制动后缆绳与竖直方向的夹角，为：



物体与缆绳垂直的速度分量为v1cosα1，计算物体上升的高度为g为重力加速度；
计算缆绳与竖直方向的夹角为
则物体在最大摆幅处的物体坐标为(r0+Sc±l0sinα2,θ1,h1+l0(1-cosα2))；
所述摆动范围为：
W＝{(r,θ1,h)|r∈[r0+Sc-l0sinα2，r0+Sc+l0sinα2],h∈[h1,h1+l0(1-cosα2)]}；
在所述回转模式下计算所述制动参数以及所述摆动范围，包括：
计算摆臂的制动时间和制动距离，为：摆臂的制动角度为θ0+θd；
则摆臂的摆动范围为：W1＝{(r,θ,h0)|r∈(0,rm],θ∈(θ0,θ0+θd]}；
计算物体坐标为(r1,θ1+ωt,h1)，物体以小车作为固定端做圆锥摆运动，其角速度为：其中，为圆锥摆运动时缆绳与竖直方向的夹角；
根据方程求解的值，其中F为缆绳的拉力；
则为式中λ为则物体的摆动范围W2为h＝h1的平面，且以(r0,θ0+θd,h1)为圆心，半径为的圆，即



则总的摆动范围为W＝W1∪W2。


5.如权利要求4所述的塔吊自动化防撞方法，其特征在于，
在所述升降回转变幅模式下计算所述制动参数以及所述摆动范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈航，黎杰明，胡贺松，刘宇，谭灵生，乔升访，
申请(专利权)人：广州市建筑科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44