无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置及其方法转让专利
申请号 : CN202110784742.8
文献号 : CN113283123B
文献日 : 2021-12-03
发明人 : 陈德木 , 蒋云 , 赵晓东 , 陆建江 , 陈曦 , 顾姣燕
申请人 : 杭州大杰智能传动科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置,其特征在于,包括:点云数据获取模块,用于分别获取施工现场各功能区域的点云数据;
障碍模型构建模块,用于基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型,得到施工现场的空间障碍模型;
容错空间生成模块,用于基于吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间;
摆动姿态判断模块,用于实时获取吊运件受到的风载荷,判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态;吊运设备控制模块,用于基于在所述摆动姿态下吊运件和所述容错空间之间的干涉情况控制塔吊的当前吊运执行机构的启停,其中,
所述障碍模型构建模块包括:
有效点云提取单元,用于依据待测功能区域的尺寸数据从所述点云数据中提取出有效点云;
栅格尺寸确定单元,用于依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸;
栅格模型生成单元,用于判断所述有效点云中每个点所在的栅格单元,通过包含有点的栅格单元生成空间栅格模型,其中,所述栅格尺寸确定单元包括:
功能类划分子单元,用于对施工现场的各功能区域进行功能类别的划分,得到多个功能类;
期望类划分子单元,用于依据各功能类与施工作业的相关度和功能区域内的内容物当前所处的生命周期进程对内容物的表面进行精度划分,将内容物具有的最高精度要求作为功能区域的精度要求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类;栅格尺寸确定子单元,用于依据各所述期望类的精度要求为各期望类分配栅格单元尺寸,其中,所述容错空间生成模块包括:
栅格模型获取单元,用于获取所述吊运路径上的目标路径,并获取所述目标路径所在功能区域及其各相邻功能区域的当前空间栅格模型;
模型截面获取单元,用于从将所述目标路径中均匀选取多个路径点,获取每个路径点处的水平面,并获取各水平面截取的所述当前空间栅格模型的截面;
容错区域获取单元,用于获取所述路径点与相应截面中各顶点的连线,获取最外侧的连线与最外侧连线之间的截面部分形成的扫描区域,获取同一水平面下扫描区域之间的空置区域,将扫描区域与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域;
容错空间获取单元,用于将各水平面下的容错区域按路径点的顺序进行依次放样,得到吊运件容错空间。
2.如权利要求1所述的紧急启停控制保护装置,其特征在于,所述摆动姿态判断模块包括:
基础姿态获取单元,用于基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态;
受风面积获取单元,用于建立与受风风向垂直的扫掠平面,通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠,将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积;
摆动姿态获取单元,用于基于所述风载荷和所述吊运件的重量得到摆动姿态,其中,所述风载荷基于受风风速和所述受风面积得到。
3.一种无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护方法,其特征在于,包括:分别获取施工现场各功能区域的点云数据;
基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型,得到施工现场的空间障碍模型;
基于吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间;
实时获取吊运件受到的风载荷,判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态;
基于在所述摆动姿态下吊运件和所述容错空间之间的干涉情况控制塔吊的当前吊运执行机构的启停,其中,
所述基于所述点云数据构建各功能区域的空间栅格模型,包括:依据待测功能区域的尺寸数据从所述点云数据中提取出有效点云;
依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸;判断所述有效点云中每个点所在的栅格单元,通过包含有点的栅格单元生成空间栅格模型,其中,所述依据待测功能区域的场景更新期望确定出栅格单元的尺寸,包括:对施工现场的各功能区域进行功能类别的划分,得到多个功能类;
依据各功能类与施工作业的相关度和功能区域内的内容物当前所处的生命周期进程对内容物的表面进行精度划分,将内容物具有的最高精度要求作为功能区域的精度要求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类;依据各所述期望类的精度要求为各期望类分配栅格单元尺寸,其中,
所述基于所述吊运路径途经所述空间障碍模型的空间区域得到沿所述吊运路径形成的吊运件容错空间,包括:
获取所述吊运路径上的目标路径,并获取所述目标路径所在功能区域及其各相邻功能区域的当前空间栅格模型;
从将所述目标路径中均匀选取多个路径点,获取每个路径点处的水平面,并获取各水平面截取的所述当前空间栅格模型的截面;
获取所述路径点与相应截面中各顶点的连线,获取最外侧的连线与最外侧连线之间的截面部分形成的扫描区域,获取同一水平面下扫描区域之间的空置区域,将扫描区域与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域;
将各水平面下的容错区域按路径点的顺序进行依次放样,得到吊运件容错空间。
4.如权利要求3所述的紧急启停控制保护方法,其特征在于,所述实时获取吊运件受到的风载荷,判断出吊运件在所述风载荷和当前吊运执行机构驱动力作用下的摆动姿态,包括:
基于吊运件所处的当前吊运阶段获取吊运件的基础姿态;
建立与受风风向垂直的扫掠平面,通过所述扫掠平面对所述基础姿态下的吊运件进行扫掠,将扫掠得到的最大截面面积作为受风面积;
基于所述风载荷和所述吊运件的重量得到摆动姿态,其中,所述风载荷基于受风风速和所述受风面积得到。
说明书 :
无人驾驶塔吊设备的紧急启停控制保护装置及其方法
技术领域
背景技术
降到物料的上方附近,物料已经承装到堆料区的吊具内或打包到堆料区的吊具上,吊具上
套有钢索或连接结构作为吊具的提拉部分,以该提拉部分作为与吊钩套接的媒介,该提拉
部分会被搭放到吊钩的内侧钩状表面上,然后吊钩受滑轮控制起升,提拉部分并带动吊具
及其内或其上的物料离地上升。
的变化等原因,吊具在吊运过程中可能会与其他实物发生干涉导致相撞,因此如何及时识
别出可能导致相撞的场景并及时对塔吊设备进行紧急控制以实现对吊具和物料的保护,是
目前亟需解决的问题。
发明内容
作为功能区域的精度要求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类;
的空置区域,将扫描区域与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域;
求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类;
与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域;
无法与周围空间形态相匹配的缺陷,并同时考虑的风载荷以及所处吊运阶段带来的摆动姿
态风险,在吊运件与周围障碍物碰撞之前检测到该风险并控制塔吊停止当前动作,避免碰
撞事故的发生。
附图说明
具体实施方式
建模块、容错空间生成模块、摆动姿态判断模块和吊运设备控制模块。
建作业区、基坑围护作业区、土方开挖作业区、桩基施工作业区、物料存储区、吊具存储区、
材料加工区、人员办公区、人员生活区等等。
云数据,每个三维激光扫描仪可以负责其中一个功能区域全部范围或部分范围的点云数据
采集,也可以在测距和场景允许的情况下通过设置转向机构使得一个三维激光扫描仪负责
多个相邻的功能区域的点云数据采集,有时同一个功能区域可能需要有多个三维激光扫描
仪共同进行扫描检测才能得到功能区域的全貌。由于施工现场的场景变化较慢,因此扫描
仪可以是定期进行一次扫描并获取到一次点云数据,实现对现场空间形态的更新。
现出来,因此在点位精度方面可以选用精度较低的产品,并且由于施工现场功能区域内的
场景变化较慢,因此在扫描速度方面可以选用速度较慢的产品。
也就是模型精度。
空间障碍模型。可以理解的是,由于塔吊会出现在其中一个或多个作业区内,因此模型中也
会存在塔吊本身的栅格部分,本实施例中的空间障碍模型如图2及图3所示。其中,图2为空
间障碍模型的整体结构示意图,图3为省略地面后的各功能区域划分及内容物空间结构示
意图,其中,施工现场空间区域被划分为以下功能区域:建筑装修作业区100,建筑本体结构
搭建作业区200,塔吊区300,物料存储区400,吊具存储区500,材料加工区600,人员办公区
700,人员生活区800,以及备用区900。建筑装修作业区100内存在有待装修建筑110,建筑本
体结构搭建作业区200内存在有待搭建建筑210,塔吊区300内存在有塔吊310,物料存储区
400内存在有堆叠在一起的物料形成的物料堆410,吊具存储区500内存在有多个堆叠在一
起的吊具510,材料加工区600内存在有临时加工棚610,人员办公区700内存在有简易办公
楼710,人员生活区800内存在有临时板房810,备用区900内未存在有任何内容物。
料存储而变为另一个物料存储区,也可能过段时间会变为新的塔吊区,其他功能区域也会
随施工阶段的不同而发生增减和区域变化等情况,更新频率主要取决于点云数据获取的周
期以及更新需求的大小。
到塔吊的吊钩上之后,塔吊会自动按照预先设计好的吊运路径控制滑轮、变幅小车、回转机
构等执行机构带动吊运件进行空间移动,直至到达目标位置。具体如图4所示,图中略去了
部分功能区域及其内容物,并展示了以物料堆410中的其中一个物料为吊运件通过塔吊310
向待装修建筑110的楼顶吊运的的吊运路径,其中先经过起升阶段A1,然后是回转阶段B1,
之后是变幅阶段C1,最后是下降阶段D1,最终到达位于待装修建筑110顶部的目标位置。
模型内发生的。在吊运件沿吊运路径移动的过程时,吊运件本身占用的空间在沿吊运路径
移动时扫描延伸出的空间区域即为“途经所述空间障碍模型的空间区域”。
撞,因此需要生成吊运件容错空间并通过容错空间来预测是否会发生相撞事故。因此,吊运
件容错空间指的是吊运件沿预先设计好的吊运路径移动时在当前空间障碍模型下的最大
可动空间范围。
时,并且吊运件在空中还可能会受到空中气流施加的风载荷,风载荷同样可能使吊运件发
生摆动,而摆动后的姿态即为摆动姿态。因此为了避免吊运件因摆动姿态而与周围的其他
内容物发生相撞,就需要先判断出吊运件的摆动姿态。
的摆动,吊绳在无任何摆动的情况下会垂直于地面,而摆动后的吊绳会与无任何摆动的吊
绳之间存在一个夹角,该夹角就是摆动角度,该夹角相对于无任何摆动的吊绳的方向就是
摆动方向,其中,起吊过程中摆动方向的影响因素主要是风载荷,并且摆动方向与风载荷施
加与吊运件的方向相同,而摆动角度的影响因素主要是风载荷的大小。此时的摆动姿态仅
由于风载荷而产生。
圆周运动时吊运件受到向心力,因此同样会发生一定程度的摆动,以及吊绳与无任何摆动
的吊绳之间同样会存在一个夹角,该夹角就是摆动角度,该夹角相对于无任何摆动的吊绳
的方向就是摆动方向,其中,转向过程中摆动方向的影响因素主要是回转机构经由吊绳向
吊运件施加的驱动力方向,而摆动角度的影响因素主要是驱动力大小。此时的摆动姿态仅
由于当前吊运执行机构驱动力而产生。
行机构的启停,由此来避免一定时间后即将发生的摆动姿态以及该姿态下带来的碰撞事
故。
与附近的同功能区域或相邻功能区域内的内容物接触,也就是发生碰撞,此时需要立即控
制执行当前吊运阶段的吊运执行机构停止动作。
了一排钢筋,导致在生成容错空间时发现吊运件沿路径上升时会与容错空间的边界发生干
涉,因为容错空间由于钢筋的存在而变小,而吊运件此时未受到任何风载荷而处于平稳上
升状态,因此生成吊运件当前位置之后的一段容错空间时,就会发现会产生干涉,因此需要
立即控制负责起升阶段运行的滑轮等执行机构和塔吊设备停止运行,避免吊运件与钢筋发
生碰撞。
碍物,吊运件受到风载荷而向障碍物的方向摆动,当发现摆动姿态已经大到会与容错空间
发生干涉,也就是与障碍物发生碰撞,此时立即控制变幅小车停止运行,并采取一些措施来
减小吊运件的摆动程度,避免其与障碍物的相撞,例如通过安装在吊钩上的摆动耳转动,向
钢索施加反向作用力,以此来减小摆动角度,进而避免与障碍物相撞,或者通过吊钩上的夹
紧装置将钢索夹紧,通过钢索的应力来抵消部分摆动力,以此来减小摆动角度。
运阶段带来的摆动姿态风险,在吊运件与周围障碍物碰撞之前检测到该风险并控制塔吊停
止当前动作,避免碰撞事故的发生。
区域(也就是待测功能区域)以外的内容物的点,因此在进行点云处理之前,先把不属于本
功能区域的点云数据剔除,得到属于本功能区域内的点云数据,也就是有效点云。
业状态,因此这些区域内的主体结构可能始终处于变化状态,也就是建筑的装修和搭建会
使得建筑的形态经常发生变化,因此场景更新期望较高;对于物料存储区400和吊具存储区
500来说,由于其经常会被卸载外界运送来的建材物料以及使用吊具进行承装吊运,物料堆
和吊具堆的形态也会经常发生变化,因此场景更新期望适中;对于剩余的功能区域来说,由
于其均为固定的建筑,形态上基本不会发生任何变化,因此场景更新期望很低。
形态内容越全面,使得作业区和存储区的实体内容物的空间形态能够被更全面的感知到。
由此可知,同一个空间障碍模型内的各空间栅格模型的精度是可以不完全相同的。例如在
待搭建建筑210的顶部临时架设一个钢筋,钢筋的架设位置可能距离就在预先规划好的吊
运件降落位置很近甚至就位于降落位置处,或者架设位置使得钢筋可能会与吊运途中的吊
运件相撞,因此形态变化频率和幅度会影响到吊运过程中能够顺利进行以及是否需要启停
控制,而为了正确识别出该钢筋的尺寸和形态以便于更好地预测相撞和控制启停,可以对
模型精度进行适应性调整,也就是调整栅格单元尺寸。
50个栅格单元,该功能区域的有效点云中的每个点均位于其中的一个栅格单元内,有些栅
格单元内包含有多个点,有些栅格单元则不包含任何一个点,将每个包含有一个或多个点
的栅格单元进行统计,并由这些统计出的栅格单元形成空间栅格模型。可以理解的是,若该
功能区域的场景更新期望对应的栅格单元尺寸为5*5*5,则此时的空间栅格模型最多可以
包含80*40*100个栅格单元,在精度上高于栅格单元尺寸为10*10*10时的精度。
储区,材料加工区600属于加工区,人员办公区700和人员生活区800均属于生活区,备用区
900属于空白区,由此得到作业类、存储类、加工类、生活类和空白类。
作为功能区域的精度要求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类。
处于结构搭建阶段,对于施工中的建筑来说,生命周期从实际动工开始,包括土方开挖、基
坑围护、桩基施工、主体结构搭建、装饰装修等阶段,最终完成施工,生命周期历经多个阶
段,且不同阶段之间的空间形态不同、阶段内的形态变化程度也不同,主体结构搭建阶段
时,楼体会逐渐增高,钢筋水泥会导致外侧空间形态的变化,待搭建建筑210的顶面的空间
形态变化频率最高,侧面的空间形态变化频率低于顶面,装修阶段时,则主要是内部空间形
态的变化,因此待装修建筑110所有外表面的变化频率均低于待搭建建筑210侧面的变化频
率。
有外表面,办公楼710和板房810的所有外表面的精度要求则最低。精度要求具体可以通过
数值来计算,例如将相关度折算成相关度系数,各内容物的表面在当前生命周期进程下的
空间形态变化频率也折算为变化系数,通过相关度系数和变化系数的乘积得到精度要求等
级。
的精度要求以其顶面的精度要求为准,而功能区域的精度要求则以该功能区域内具有的最
高精度要求内容物的精度要求为准,由此得到各功能区域的精度要求,而功能区域的精度
要求反映的就是功能区域的场景更新期望。不同精度要求的功能区域被进一步划分,相当
于对功能类进行了进一步划分,得到期望类。例如原属同一功能类的两个作业区因为整体
精度要求的不同而分别划分至不同的期望类中,其中作业区200所在的期望类的精度要求
高于作业区100所在期望类的精度要求。
得到各功能区域的栅格单元尺寸,其中精度要求越高,栅格单元尺寸越小。
路径就是吊运路径本身,此种情况下,若从吊运路径生成之后到吊运件容错空间生成时刻
的这段时间内,若附近的内容物发生变化以及吊运过程中突然到来的风载荷的影响导致吊
运件可能与内容物相撞,则可以在吊运过程中及时知晓并予以启停控制,避免相撞事故发
生。进一步的,目标路径可以只是吊运路径的一小部分,随着吊运件的吊运,依次对之后的
一段路径进行容错空间获取,若在吊运过程中发生了空间栅格模型的更新,则可以使用最
新的模型来进行容错空间获取,进一步提高了容错空间的准确性和时效性,避免了在吊运
件起吊后有建材突然出现在路径旁导致吊运件受风影响与之相撞的情况。
获取,直至新的起点为整个吊运路径的终点。
的容错空间。吊运件当前位于物料存储区400,物料存储区400的相邻功能区域为材料加工
区600、塔吊区300和吊具存储区500,获取该三个区域在当前最新的空间障碍模型中的空间
栅格模型,其中的内容物包括了塔吊310、物料堆410和临时加工棚610。
征。假设每0.1米选取一个路径点,由于每个路径点均有各自的高度,因此可截取50个水平
面,也就能得到50个截面,由于各内容物的形态可能存在变化,因此不同截面中各内容物的
二维图像是不同的,例如在第1个路径点的截面中存在临时加工棚610的长方体截面形状,
而第31个路径点的截面中,由于第31个路径点的高度超出了临时加工棚610的高度,因此截
面中不再出现临时加工棚610;又例如在第1个路径点的截面中,物料堆410的截面为位于吊
运件一侧的多个相邻长方体(吊运件为边缘处且处于非最高层的一个料箱),而在第21个路
径点的截面中,物料堆410的截面中少了一个长方体,因为高度到达了物料堆410中的更上
一层,物料堆410呈金字塔状堆叠因此该层的料箱少了一个。
空置区域,将扫描区域与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域。
外侧的连线为实线,非最外侧的连线为虚线,将对应于同一内容物的两个最外侧连线之间
的截面作为扫描区域,得到两个阴影部分的扫描区域,而两个扫描区域之间还夹有两个阴
影部分的空置区域,四个区域共同形成容错区域,在容错区域内的吊运件摆动不会导致相
撞,超出容错区域的摆动则会导致相撞。
运件未受到任何气流影响下的姿态,但由于在不同吊运阶段下的吊运件本身也会有姿态变
化,因此基础姿态是基于当前吊运阶段确定的。
幅阶段或其他在水平方向上有移动量的吊运阶段,则吊运件的基础姿态为仅受吊运影响而
产生的摆动姿态,该摆动姿态是已知的,可依据预先建立的吊运阶段与摆动姿态的对应关
系得到,例如预先记录下在各个吊运阶段下并且是无气流影响的情况下的吊运件摆动姿
态,建立阶段‑摆动的映射关系,直接通过该映射关系得到吊运阶段的摆动姿态。
流),风向与料箱的体对角线上的两个顶点的连线相平行,风向传感器检测到该风向后,得
到与风向垂直的扫掠平面,例如在其中一个扫掠平面的截面处,该截面同时经过料箱的三
个均与同一棱角通过棱边相邻的棱角,而在该扫掠平面下得到的最大截面为一个正六边
形,该正六边形的面积即为受风面积,
可以通过以下公式计算:F=ρ*v*s,其中ρ为空气密度,v为受风风速,s为受风面积。
起升阶段,受到图中向上箭头所示的拉力,同时还受到向左箭头所示的风载荷,图7为料箱
411由于受到向左箭头所指方向的气流的风载荷F推,并且受到吊绳311的拉力F拉以及重力G,
对料箱做自动受力分析后,得到关于摆动角度θ1的计算公式:tan(θ1)= F推/mg,其中m为吊
运件的总重量,g为重力加速度,摆动方向则由合力的方向确定,由此得到当前的摆动姿态。
由于处于起升阶段,因此不会受到塔吊施加的水平方向的力,因此摆动方向只由受风风向
决定,并被判定为与受风风向相同。
况下,吊运件除了会受到气流风载荷以外,还会受到钢索在水平方向的拉力,但关于吊运件
的受力分析和摆动姿态的获取方式则是相同的,只是参与受力分析的力的大小和方向有所
区别而已。
求对所述多个功能类进行进一步划分得到多个期望类;
与空置区域的集合作为该水平面下的容错区域;
示的方位或位置关系,均仅是为了便于描述本申请和简化描述,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申请保
护范围的限制。
部件说明的模块、单元、组件在物理上可以是分开的,也可以是不分开的。作为单元显示的
部件可以是物理单元,也可以不是物理单元,即可以位于一个具体地方,也可以分布到网格
单元中。因此可以根据实际需要选择其中的部分或全部的单元来实现实施例的方案。
涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为
准。