一种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法与流程

2021-02-17 12:02:34|

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本发明涉及建筑施工安全技术领域，具体来说，涉及一种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法。

背景技术：

随着建筑业的高速发展，施工过程中使用大量塔吊同时作业，作为高危作业所引起的安全事故屡见不鲜，造成了巨大的生命财产损失。无论是单塔吊的运行，还是大型工地多数量的塔吊群同步作业，在施工中均需要注意防止发生碰撞，这对于安全生产有着极其重要意义。塔吊防碰撞的传统操作方式都是依靠地面配合人员观察塔吊工作状态，在将要发生碰撞的时候通过对讲机通知塔吊司机进行操作来避免碰撞。这种方式需要额外人力资源并依靠人的主观性，容易产生相关人员因出现疲劳或者走神等判断不准确造成的碰撞发生。

技术实现要素：

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法，解决传统的塔吊防碰撞方法需要额外人力资源并依靠人的主观性，容易产生相关人员因出现疲劳或者走神等判断不准确造成的碰撞发生。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样的：

采用一种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据塔吊类型分别计算大臂端点、塔基、塔尾各部分在地面映射坐标；

步骤S2，分别计算本地中心到对方大臂端点、本地中心到对方塔基、本地中心到对方塔尾的长度；

步骤S3，根据三部分长度判断是否有碰撞关系；

步骤S4，若发生碰撞，则计算多个碰撞点间差距；

步骤S5，判断大臂方向，若为正，则根据碰撞点坐标，整理参数坐标位置；

步骤S6，根据塔吊的结构确立塔吊的直线方程；

步骤S7，根据塔吊的直线方程判断是否只有一个碰撞点；

步骤S8，判断塔吊大臂是否发生交叉；

步骤S9，根据从各个设置项中得到碰撞预警报警阈值，判断是否存在报警；

步骤S10，判断交点塔吊的高度是否小于安全高度，若交点塔吊的高度小于安全高度，则返回初始状态；若交点塔吊的高度大于安全高度，则处理挂钩与对方大臂的关系，确立回转报警状态。

进一步，所述步骤S3中，碰撞关系的判断具体包括以下步骤：

步骤S31，若三部分长度不发生碰撞，则虚拟增加大臂安全长度，判断是否发生碰撞；若不发生碰撞，则清除所有报警状态，并返回初始状态，若发生碰撞，则计算不安全碰撞点；

步骤S32，若三部分长度发生碰撞，则计算碰撞点坐标以及碰撞线段。

进一步，所述步骤S6中，塔吊包括本地塔吊和对方塔吊，直线方程分别如下所示：

本地塔吊Y3=K3X+b3；Y4=K4X+b4；

对方塔吊Y1=K1X+b1；Y2=K2X+b2；

其中，K1，K2，K3，K4，b1，b2，b3，b4值是根据各自塔吊的规格以及投射高度计算出来的。

进一步，所述步骤S7中，碰撞点的判断具体包括以下步骤：

步骤S71，若只有一个碰撞点，则判断是否发生碰撞；

步骤S72，若有多个碰撞点，参考坐标系是以对方大臂的方向作为X正方向，根据碰撞的坐标点重新建立新坐标系，根据塔吊结构确立本机塔吊直线方程，并判断塔吊大臂是否发生交叉；

步骤S73，若未发生交叉，则根据两个塔吊的相互关系，确立各自需要的直线方程组；

步骤S74，利用得到的两个塔吊的直线方程组，计算可能发生的碰撞点，确立回转报警状态。

进一步，所述步骤S71中，判断碰撞的具体包含以下步骤：

步骤S711，若发生碰撞，则根据大臂位置判断发生碰撞位置，确立回转碰撞状态，其中，单点碰撞无需判断小车位置。

进一步，所述步骤S72中，判断塔吊大臂的交叉具体包含以下步骤：

步骤S721，若塔吊大臂发生交叉，则确立塔吊高度，计算交点处的高度以及交叉点的碰撞关系；

步骤S73，根据两个塔吊的相互关系，确立各自需要的直线方程组；

步骤S74，利用得到的两个塔吊的直线方程组，计算可能发生的碰撞点，并确立回转报警状态。

进一步，所述步骤S8中，塔吊大臂交叉的判断具体包括以下步骤：

步骤S81，若塔吊大臂发生交叉，则判断交叉区域是否在对方塔吊上方，如果是，则处理挂钩与对方大臂的关系，确立小车报警状态；

步骤S82，若塔吊大臂未发生交叉，则判断本塔吊后臂朝向是否为对方大臂，若是对方大臂，则设置处理标志。

进一步，所述步骤S9中，报警的判断具体包括以下步骤：

步骤S91，若报警，则返回初始状态；

步骤S92，若未报警，则计算挂钩轨迹与对方大臂交点，并计算出交点到挂钩的弧长。

进一步，同一组的所述塔吊之间通过无线高速模块进行姿态数据的交互，判断本身塔吊与对方干涉塔吊是否存在碰撞点，并计算碰撞点的具体位置，之后根据本身的姿态数据对碰撞点进行预警报警和解除塔司的相应操作。

进一步，所述塔吊三维空间防碰撞方法以编码的形式储存在PCB板的控制器上，其中，PCB板上镶嵌了相关元器件的控制主板，是防碰撞方法的数据处理中心。

本发明的有益效果：这种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法提高了工作效率，避免通过人为判断塔吊碰撞是否发生的情况，最终提高塔吊防碰撞机制的准确性的同时，去掉多余的人力成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述一种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法的流程图一；

图2是根据本发明实施例所述一种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法的流程图二；

图3是根据本发明实施例所述一种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法具体实施时的碰撞示意图一，其中，1为大臂，2为吊钩，3为区域Z，4为吊钩的轨迹；

图4是根据本发明实施例所述一种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法具体实施时的碰撞示意图二，其中，5为对方塔吊，6为本地塔吊。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，根据本发明实施例所述的一种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据塔吊类型分别计算大臂端点、塔基、塔尾各部分在地面映射坐标；

步骤S2，分别计算本地中心到对方大臂端点、本地中心到对方塔基、本地中心到对方塔尾的长度；

步骤S3，根据三部分长度判断是否有碰撞关系；

步骤S4，若发生碰撞，则计算多个碰撞点间差距；

步骤S5，判断大臂方向，若为正，则根据碰撞点坐标，整理参数坐标位置；

步骤S6，根据塔吊的结构确立塔吊的直线方程；

步骤S7，根据塔吊的直线方程判断是否只有一个碰撞点；

步骤S8，判断塔吊大臂是否发生交叉；

步骤S9，根据从各个设置项中得到碰撞预警报警阈值，判断是否存在报警；

在本实施例中，所述步骤S3中，碰撞关系的判断具体包括以下步骤：

步骤S32，若三部分长度发生碰撞，则计算碰撞点坐标以及碰撞线段。

在本实施例中，所述步骤S6中，塔吊包括本地塔吊和对方塔吊，直线方程分别如下所示：

本地塔吊Y3=K3X+b3；Y4=K4X+b4；

对方塔吊Y1=K1X+b1；Y2=K2X+b2；

其中，K1，K2，K3，K4，b1，b2，b3，b4值是根据各自塔吊的规格以及投射高度计算出来的。

在本实施例中，所述步骤S7中，碰撞点的判断具体包括以下步骤：

步骤S71，若只有一个碰撞点，则判断是否发生碰撞；

步骤S73，若未发生交叉，则根据两个塔吊的相互关系，确立各自需要的直线方程组；

步骤S74，利用得到的两个塔吊的直线方程组，计算可能发生的碰撞点，确立回转报警状态。

在本实施例中，所述步骤S71中，判断碰撞的具体包含以下步骤：

步骤S711，若发生碰撞，则根据大臂位置判断发生碰撞位置，确立回转碰撞状态，其中，单点碰撞无需判断小车位置。

在本实施例中，所述步骤S72中，判断塔吊大臂的交叉具体包含以下步骤：

步骤S721，若塔吊大臂发生交叉，则确立塔吊高度，计算交点处的高度以及交叉点的碰撞关系；

步骤S73，根据两个塔吊的相互关系，确立各自需要的直线方程组；

步骤S74，利用得到的两个塔吊的直线方程组，计算可能发生的碰撞点，并确立回转报警状态。

在本实施例中，所述步骤S8中，塔吊大臂交叉的判断具体包括以下步骤：

步骤S81，若塔吊大臂发生交叉，则判断交叉区域是否在对方塔吊上方，如果是，则处理挂钩与对方大臂的关系，确立小车报警状态；

步骤S82，若塔吊大臂未发生交叉，则判断本塔吊后臂朝向是否为对方大臂，若是对方大臂，则设置处理标志。

在本实施例中，所述步骤S9中，报警的判断具体包括以下步骤：

步骤S91，若报警，则返回初始状态；

步骤S92，若未报警，则计算挂钩轨迹与对方大臂交点，并计算出交点到挂钩的弧长。

在本实施例中，同一组的所述塔吊之间通过无线高速模块进行姿态数据的交互，判断本身塔吊与对方干涉塔吊是否存在碰撞点，并计算碰撞点的具体位置，之后根据本身的姿态数据对碰撞点进行预警报警和解除塔司的相应操作，以达到防止塔吊相互碰撞的效果。

在本实施例中，所述塔吊三维空间防碰撞方法以编码的形式储存在PCB板的控制器上，其中，PCB板上镶嵌了相关元器件的控制主板，是防碰撞方法的数据处理中心。

为方便对上述技术方案的进一步理解，现对其工作原理进行说明：

如图1-4所示，这种基于Lora通信的塔吊三维空间防碰撞方法，可以将塔吊防碰撞机制以编码的形式嵌入塔吊驾驶室内的显示仪器上，同时与数据采集设备、PCB板、Lora数据传输模块形成系统，从而可有效地实现区域防碰撞和塔群防碰撞。

数据采集设备包括幅度传感器和高度传感器，分别安装在变幅卷扬机和起升卷扬机的机械限位处，分别实时记录塔吊小车的伸缩幅度和吊钩的离地高度；回转传感器安装在回转机构多功能行程限位器处，记录塔吊的回转角度；倾斜传感器，安装在塔机回转机构处，用于检测塔机的倾斜度。这些传感器设备采集到的实时数据可同步发送到PCB板之中。塔吊三维空间防碰撞方法可以编码的形式储存在PCB板的控制器上，PCB板上镶嵌了相关元器件的控制主板，是防碰撞方法的数据处理中心。Lora数据传输模块嵌入到PCB板之中，是各个塔吊之间数据共享的通道，此模块通过Lora通信技术将传感器采集到的塔吊运行数据交给PCB板算法程序进行处理。

具体实施时，塔吊与附近障碍物之间的碰撞一般是大臂与障碍物以及吊钩与障碍物两种形式。如图3所示，在俯视图中，区域Z（以三角形为例）为塔吊作业时的障碍物（限行区域）。当塔吊吊钩最下方的高度超出障碍物最大高度安全距离以上，或者塔吊最上方高度超出障碍物最低高度安全距离以上的时候，不存在碰撞情况；当塔吊大臂运行到∠AOB扇形的AO边一侧时，与障碍物碰撞在A点（实际情况有一定安全距离，为方便理解设安全距离为0），此时算法程序会输出信号，切断继电器，限制塔吊逆时针旋转，但可以顺时针旋转，当塔吊大臂运行到∠AOB扇形的AO边一侧时同理；当大臂高出障碍物，而吊钩与障碍物碰撞在C点（或D点）时，算法程序会限制吊钩逆时（或顺时针）旋转，但是吊钩可以反方向或向上运行。

在同一组塔吊群之间通过无线高速模块进行姿态数据的交互，计算本身塔吊与对方干涉塔吊是否存在碰撞点，碰撞的具体位置。根据本身的姿态数据对碰撞点进行预警报警和解除塔司的相应操作以达到防止塔吊相互碰撞。如图4所示，塔吊彼此之间在线段CB上存在碰撞的可能。但是塔吊彼此之间都是各自立体，并且不在一个坐标参考系中无法进行比较，所以我们需要通过一个方法将两台塔吊的能发生碰撞的大臂斜拉梁放入到一个参考系中进行比较判断。碰撞线段CB就是联系彼此的桥梁。因为两台塔吊都会运行到此处。CB线段就相当于塔吊大臂地面的投影，我们就可以CB线段人为约定作为x轴，大臂在x轴投影点的高度做为y轴，CB线段的C点我们约定为x轴的圆点，B点为正方向。CB投射到各自塔吊的大臂上，我们就可以确立各自的直线方程即：

本地塔吊Y3=K3X+b3；Y4=K4X+b4；

对方塔吊Y1=K1X+b1；Y2=K2X+b2；

其中，K1，K2，K3，K4，b1，b2，b3，b4值是根据各自塔吊的规格，根据投射到CB线段上的高度计算出来的。根据上面的方程进行相互代入计算，计算出碰撞点在x轴上的位置，如果碰撞点在CB上则表示在运行区间内会发生碰撞，如果不在CB上，如小于0，或者大于CB的长度，则表示在碰撞范围内部会发生碰撞。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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