一种多传感数据融合的吊车防触电预警系统及方法

摘要

本发明属于车辆安全预警技术领域，具体涉及一种多传感数据融合的吊车防触电预警系统及方法，其中吊车防触电预警系统包括实时采集模块、同步读取模块和融合预警模块，同步读取模块按照预设的时间间隔同步并行读取由实时采集模块采集的传感数据并发送至融合预警模块，响应于传感数据的接收指令，融合预警模块基于满足设定时空关系且处于吊臂周边的激光点云数据和毫米波数据以融合互补的方式计算吊臂周边的预警空间范围；融合预警模块基于吊臂顶端的带电体的方位数据和预警空间范围来判断预警等级。基于现有技术中吊车触电预警精度低的缺陷，本发明通过激光雷达与毫米波雷达的数据融合实现全方位的测距视野，提高测距精度和预警精度。

权利要求

1.一种多传感数据融合的吊车防触电预警系统，其特征在于，所述系统至少包括实时采集模块（1）、同步读取模块（2）、融合预警模块（3）和融合展示模块（4），所述同步读取模块（2）按照预设的时间间隔同步并行读取由所述实时采集模块（1）采集的传感数据并发送至所述融合预警模块（3），其中，所述传感数据至少包括激光点云数据、毫米波数据和带电体方位数据；

响应于所述传感数据的接收指令，所述融合预警模块（3）基于满足设定时空关系且处于吊臂周边的激光点云数据和毫米波数据以融合互补的方式计算吊臂周边的预警空间范围；

所述融合预警模块（3）基于吊臂顶端的带电体方位数据和所述预警空间范围来判断预警等级，所述融合展示模块（4）将所述带电体方位数据、在吊臂周边的物体的所述激光点云数据、所述预警空间范围和由所述实时采集模块（1）采集的原始图像以图形叠加的方式融合，从而以图像的方式展示可视化预警界面；

其中，所述融合展示模块（4）基于指定的安全区域划分信息将安全区域用不遮挡可视化预警界面的有色透明图形进行表示；所示融合展示模块（4）将安全区域划分信息发送至所述融合预警模块（3），在物体落入安全区域与预警空间范围的重合区域内的情况下，所述融合预警模块（3）不发出防触电预警信息。

2.根据权利要求1所述的多传感数据融合的吊车防触电预警系统，其特征在于，所述实时采集模块（1）至少包括按照设定空间位置关系设置的毫米波雷达（10）、阵列传感器（20）、图像采集设备（30）和激光雷达（40）；

所述毫米波雷达（10）设置于吊臂顶端且以弥补所述激光雷达（40）的视角盲区的方式设置朝向；

所述阵列传感器（20）以不遮挡所述毫米波雷达（10）的探测方向的方式设置于吊臂顶端并采集带电体方位数据；

所述激光雷达（40）设置于吊臂根部以采集周边空间的物体的激光点云数据；

所述图像采集设备（30）以高于所述激光雷达（40）所在位置的方式设置且以所述激光雷达（40）的视角采集并呈现图像信息。

3.根据权利要求2所述的多传感数据融合的吊车防触电预警系统，其特征在于，所述融合预警模块（3）计算吊臂周边的预警空间范围的方式至少包括：选择以吊臂为中轴且在所述激光雷达（40）视角范围内的吊臂周边圆锥体空间内的激光点云数据，计算出激光点云数据与吊臂中轴线之间的第一类最小距离d0；

选择由所述毫米波雷达（10）采集的在所述激光雷达（40）的视角被遮挡区域中的至少一个物体与所述吊臂中轴线之间的第二类最小距离d1；

比较所述第一类最小距离d0和所述第二类最小距离d1，将最小值设置为物体与吊臂之间的最近距离。

4.根据权利要求3所述的多传感数据融合的吊车防触电预警系统，其特征在于，所述融合展示模块（4）的融合展示方式至少包括：将激光点云数据与原始图像融合，使得激光点云数据转换成的激光点云图像与原始图像中的对应物体叠加显示；

将带电体方位中的相对于吊臂顶端的水平角度以标识的方式融合在原始图像上；

基于安全距离划分预警空间等级并且以与所述预警空间的等级对应的颜色显示物体的激光点云图像，标识距离吊臂中轴线的最近物体的最近距离点（13）。

5.根据权利要求4所述的多传感数据融合的吊车防触电预警系统，其特征在于，所述融合展示模块（4）的融合展示方式还包括：以吊臂顶端为圆心将预警空间划分为不同半径的同心圆空间，所述同心圆空间的半径是基于预警等级间的安全距离比例关系确定的。

6.根据权利要求4所述的多传感数据融合的吊车防触电预警系统，其特征在于，在所述融合展示模块（4）设置指定的所述安全区域划分信息的方式至少包括：选择指定的几何图形并将所述几何图形移动至需要设置的安全区域的指定位置以形成安全区域划分信息，和/或以触摸屏幕的方式在可视化预警界面划分安全区域，从而形成安全区域划分信息。

7.根据权利要求6所述的多传感数据融合的吊车防触电预警系统，其特征在于，所述同步读取模块（2）同步读取传感数据的预设的时间间隔为0 200ms。

~

8.根据权利要求7所述的多传感数据融合的吊车防触电预警系统，其特征在于，所述融合展示模块（4）将激光点云数据转换成的激光点云图像与原始图像融合的方式包括：将吊臂周边的激光点云数据的三维坐标转换为与原始图像对应的二维坐标数据，将由所述二维坐标数据表示的激光点云图像与原始图像叠加显示。

9.一种多传感数据融合的吊车防触电预警方法，用于如权利要求1‑8任意一项所述的多传感数据融合的吊车防触电预警系统，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：S1、按照预设的时间间隔同步并行读取传感数据，所述传感数据至少包括激光点云数据、毫米波数据和带电体方位数据；

S2、响应于收到的所述传感数据，基于满足设定时空关系且处于吊臂周边的激光点云数据和毫米波数据以融合互补的方式计算吊臂周边的预警空间范围；

S3、基于吊臂顶端的带电体的方位数据和所述预警空间范围来判断预警等级。

10.根据权利要求9所述的多传感数据融合的吊车防触电预警方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：S4、将吊臂顶端的所述带电体方位数据、吊臂周边的物体的所述激光点云数据和所述预警空间范围以图形叠加的方式与原始图像融合，以图像的方式展示可视化预警界面。

说明书

一种多传感数据融合的吊车防触电预警系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及车辆安全预警技术领域，尤其涉及一种多传感数据融合的吊车防触电预警系统及方法。

背景技术

[0002] 近年来随着我国电网输变电工程的大幅度建设，大型机械设备在施工作业现场得到越来越广泛地应用。但是，由于作业现场环境复杂，吊车司机对吊车周边带电设备感知不足或操作不当，导致吊车触电事故频繁发生，严重威胁了电网的安全稳定运行。吊车防触电预警系统为大型施工机械电力作业现场提供了安全防控技术手段，具有实际工程应用价值。

[0003] 目前有基于电场强度测量、距离测量等进行吊车防触电预警相关的研究，但是总体上存在以下问题：

[0004] （1）传感数据单一，难以真正实现准确可靠预警；若仅依靠电场预警，电网运行环境复杂，电场强度受吊臂及周围设备的影响难以准确测量，单凭电场强度数据进行近电报警存在困难；若仅依靠距离预警，则无法识别物体是否带电，难以在运行环境下发挥作用；

[0005] （2）测距精度较低，由于导线直径细小，传统的超声波传感器测量角度有限，并且安装后无法调整，测量的距离值可能并非最近距离；且超声传感器对软导线等体积小的物体识别不稳定，距离远时可能无法识别；

[0006] （3）预警方式单一，仅声光报警，无法给吊车司机及司索提供吊车作业场景全方位的观测角度和影像，无法达到“所见即所得”效果；

[0007] （4）预警系统性能单一或不够完整，现场指导吊车司机安全作业的实用性较低，且目前未见有将电场、测距、视频图像等多数据采集、融合及可视化预警这种全面性的系统相关研究报道。

[0008] 现有技术还没有使用激光雷达和毫米波进行吊车预警的装置。例如，公开号为CN111708016A的中国专利文献公开了一种毫米波雷达与激光雷达融合的车辆前碰撞预警方法，分别获取毫米波雷达数据与激光雷达数据，经过坐标转换与处理；采集同一时刻得到的处理后的毫米波雷达与激光雷达数据，判断两个数据是否存在异常或则缺失；如果两个数据都正常，将毫米波雷达与激光雷达数据进行融合，如果一个数据不正常，警示系统并直接计算TTC；设定TTC阈值A、B，TTC与阈值比较判断状态并采取对应的措施。但是发明主要用于车辆的防碰撞预警，无法用于吊车的防触电预警。

[0009] 因此，有必要设计一种激光雷达和毫米波雷达融合的吊车防触电预警系统及方法。

发明内容

[0010] 针对现有技术之不足，本发明提供了一种多传感数据融合的吊车防触电预警系统，所述系统至少包括实时采集模块、同步读取模块和融合预警模块，所述同步读取模块按照预设的时间间隔同步并行读取由所述实时采集模块采集的传感数据并发送至所述融合预警模块，其中，所述传感数据至少包括激光点云数据、毫米波数据和带电体方位数据；响应于所述传感数据的接收指令，所述融合预警模块基于满足设定时空关系且处于吊臂周边的激光点云数据和毫米波数据以融合互补的方式计算吊臂周边的预警空间范围；所述融合预警模块基于吊臂顶端的带电体的方位数据和所述预警空间范围来判断预警等级。

[0011] 本发明基于带电体方位数据、激光点云数据、毫米波数据和图像数据融合形成可展示的吊车防触电预警系统，基于吊臂周边最小距离进行触电预警，为大型施工机械电力作业安全保障提供稳定可靠的技术手段。

[0012] 优选地，所述实时采集模块至少包括按照设定空间位置关系设置的毫米波雷达、阵列传感器、图像采集设备和激光雷达，所述毫米波雷达设置于吊臂顶端且以弥补所述激光雷达的视角盲区的方式设置朝向；所述阵列传感器以不遮挡毫米波雷达的探测方向的方式设置于吊臂顶端以采集带电体方位数据；所述激光雷达设置于吊臂根部以采集周边空间的激光点云数据；所述图像采集设备以高于所述激光雷达所在位置的方式设置且以所述激光雷达的视角采集并呈现图像信息。本发明采用先进的激光雷达和毫米波雷达测距技术，融合形成全方位的测距视野，实现高精度的测距，测距无死角。吊臂与周边物体之间的距离测量以激光雷达为主，毫米波雷达为辅，能够有效弥补激光雷达视角盲区，实现全方位高精度测距。

[0013] 优选地，所述预警系统还包括融合展示模块，所述融合展示模块将吊臂顶端的所述带电体方位数据、吊臂周边的物体的所述激光点云数据和所述预警空间范围以图形叠加的方式与由所述图像采集设备采集的原始图像融合，以图像的方式展示可视化预警界面。

[0014] 优选地，所述融合预警模块计算吊臂周边的预警空间范围的方式至少包括：选择以吊臂为中轴、在所述激光雷达视角范围内的吊臂周边圆锥体空间内的激光点云数据，计算出激光点云数据与吊臂中轴线之间的第一类最小距离d0；选择由所述毫米波雷达采集的在所述激光雷达的视角被遮挡区域中的至少一个物体与所述吊臂中轴线之间的第二类最小距离d1；比较所述第一类最小距离d0和所述第二类最小距离d1，将最小值设置为物体与吊臂之间的最近距离。如此设置，能够确定出与吊臂最近的物体，并且在融合展示模块只显示最接近的物体的激光点云图像，简化了展示界面的显示内容，便于吊车司机在接收少量信息的情况下能够快速理解当前预警情况并相应地控制吊车的吊臂至安全距离。

[0015] 优选地，所述融合展示模块的融合展示方式至少包括：将激光点云数据与原始图像融合，使得激光点云数据转换成的激光点云图像与原始图像叠加显示；将带电体方位中的相对于吊臂顶端的水平角度以标识的方式融合在原始图像上；基于安全距离划分预警空间等级并且以与所述预警空间等级对应的颜色显示物体的激光点云图像，标识距离吊臂中轴线的最近物体位置以及距离信息。如此设置，有利于吊车司机快速了解当前物体的预警等级。

[0016] 优选地，所述融合展示模块的融合展示方式还包括：以吊臂顶端为圆心将预警空间划分为不同半径的同心圆空间，所述同心圆空间的半径是基于预警等级间的安全距离比例关系确定的。如此设置，有利于吊车司机基于距离判断是否需要进行必要的吊臂的安全移动。如果不设置预警等级，那么吊车司机容易对预警信息产生麻木，久而久之会倾向于忽视预警信息，这不利于吊车的安全操控。

[0017] 本发明将多种数据信息融合显示于由图像采集设备采集的原始图像上，能够直观展示出各种传感数据，便于施工人员快速了解施工情况。本发明将预警方式以不同颜色进行划分并进行对应等级的报警，为吊车作业人员以及司索现场作业安全提供了有效实用的辅助手段。

[0018] 优选地，所述同步读取模块同步读取传感数据的预设的时间间隔为0 200ms。如此~设置，减少数据读取频率，使得数据能够有足够的时间传输、存储和进行初步处理。

[0019] 优选地，所述融合展示模块将激光点云数据转换成的激光点云图像与原始图像融合的方式包括：将吊臂周边的激光点云数据的三维坐标转换为与原始图像对应的二维坐标数据，将由所述二维坐标数据表示的激光点云图像与原始图像叠加显示。如此设置，有利于吊车司机快速理解激光点云数据表示的物体轮廓，避免吊车司机对激光点云图像的错误理解。

[0020] 本发明还提供一种多传感数据融合的吊车防触电预警方法，用于如上述的多传感数据融合的吊车防触电预警系统，所述方法至少包括以下步骤：按照预设的时间间隔同步并行读取传感数据，所述传感数据至少包括激光点云数据、毫米波数据和带电体方位数据；响应于收到的所述传感数据，基于满足设定时空关系且处于吊臂周边的激光点云数据和毫米波数据以融合互补的方式计算吊臂周边的预警空间范围；基于吊臂顶端的带电体的方位数据和所述预警空间范围来判断预警等级。

[0021] 优选地，所述方法还包括：将吊臂顶端的所述带电体方位数据、吊臂周边的物体的所述激光点云数据和所述预警空间范围以图形叠加的方式与原始图像融合，以图像的方式展示可视化预警界面。

[0022] 本发明的多传感数据融合的吊车防触电预警方法，基于带电体方位数据、激光点云数据、毫米波数据和图像数据融合形成可展示的吊车防触电预警系统，基于吊臂周边最小距离进行触电预警。为大型施工机械电力作业安全保障提供稳定可靠的技术手段。

附图说明

[0023] 图1是本发明提供的防触电预警系统的结构示意图；

[0024] 图2是本发明提供的实时采集模块空间布置的位置关系示意图；

[0025] 图3是本发明提供的防触电预警系统数据融合展示界面；

[0026] 图4是本发明提供的阵列传感器的结构示意图；

[0027] 图5是本发明提供的半球电极的透视结构示意图；

[0028] 图6是本发明提供的阵列传感器的电路连接的逻辑模块示意图；

[0029] 图7是本发明提供的防触电预警系统数据融合展示界面的安全区域的示意图。

[0030] 附图标记：

[0031] 1：实时采集模块；2：同步读取模块；3：融合预警模块；4：融合展示模块；5：信号调理电路模块；6：多通道采集模块；7：WAPI数传模块；8：人机接口模块；10：毫米波雷达；20：阵列传感器；30：图像采集设备；40：激光雷达；11：带电体方位；12：激光点云数据；13：最近距离点；21：半球电极；22：骨架；23：电极外罩；24：等电位层；26：第一金属半球；27：第二金属半球；28：电路支撑板。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图进行详细说明。

[0033] 针对现有技术中的基于电场强度测量、距离测量等进行吊车防触电预警的缺陷，本发明提供一种多传感数据融合的吊车防触电预警系统及方法。本发明还能够提供一种吊车防触电预警装置、一种吊车作业安全监测装置或一种吊车作业安全显示系统。

[0034] 如图1和图2所示，本发明的多传感数据融合的吊车防触电预警系统，至少包括实时采集模块1、同步读取模块2和融合预警模块3。实时采集模块1中的各个采集设备分别以有线和/或无线的方式与设置有数据库的数据存储模块连接。数据存储模块与同步读取模块2以有线和/或无线的方式连接。同步读取模块2以有线和/或无线的方式与融合预警模块3连接。数据存储模块能够与同步读取模块2集成于同一个专用集成芯片上。

[0035] 实时采集模块1至少包括按照设定空间位置关系设置的毫米波雷达10、阵列传感器20、图像采集设备30和激光雷达40。传感数据至少包括激光点云数据、毫米波数据和带电体方位数据。

[0036] 如图2所示，实时采集模块1中的各个采集设备的空间位置关系的其中一种如下所示。

[0037] 毫米波雷达10设置于吊臂顶端且以弥补激光雷达40的视角盲区的方式设置朝向。例如，毫米波雷达10设置在吊臂顶端的正前方位置，用于采集吊臂顶端正前方的物体距离。

[0038] 阵列传感器20以不遮挡毫米波雷达10的探测方向的方式设置于吊臂顶端以采集带电体方位数据。例如，阵列传感器20设置在吊臂顶端且设置位置相比于毫米波雷达10的位置更靠近车体后方，从而不会遮挡毫米波雷达10的探测方向。

[0039] 激光雷达40设置于吊臂根部以采集周边空间的激光点云数据。

[0040] 现有技术将激光雷达用于汽车安全距离预警，本发明与现有激光雷达对安全距离进行预警的方法的方式有本质区别。在汽车上，现有激光雷达的位置是固定的，采集的方向是固定的，因此计算障碍物的距离比较简便。对于吊车来说，在吊车作业时，吊臂是移动的，吊臂吊装的物体是移动的，因此吊臂与障碍物之间的距离是不方便计算的。不仅如此，若将现有激光雷达设置于吊车的其他位置，其探测方向都会被移动的吊臂所遮挡，导致激光点云数据的缺失。若将现有激光雷达设置于吊臂顶端，那么此种激光雷达也无法全方位地探测到移动的吊臂的周边的全部空间。因此，为了将吊臂的移动空间的范围全部纳入探测范围，本发明将激光雷达40安装在吊臂的根部。激光雷达40的探测方向对准吊臂的臂头方向，与吊臂的中轴线保持近似平行，使得激光雷达40的探测方向与吊臂的伸展方向保持平行。

[0041] 图像采集设备30以高于激光雷达40所在位置的方式设置且以激光雷达40的视角采集并呈现图像信息。例如，图像采集设备30设置在激光雷达40的上方，图像采集设备30能够以激光雷达40的视角采集吊臂的图像。通过这些传感器的空间位置设定，使得激光点云数据与由图像采集设备30采集的原始图像间的映射关系是确定的，这有利于后续将激光点云数据、带电体方位数据、预警空间范围与原始图像进行精准地融合。原始图像是指由图像采集设备30采集的，未经过信息融合的图像。

[0042] 优选地，图像采集设备30包括照相机、摄像机等设备，其所采集的原始图像包括静态的照片与动态的视频图像。

[0043] 优选地，毫米波雷达10、阵列传感器20、图像采集设备30和激光雷达40分别采集的数据独立存储于数据存储模块中。数据存储模块为存储芯片、存储器、存储磁盘等等。

[0044] 阵列传感器20为用于采集带电体方位的传感器，例如其可以是按照阵列排布的空间电场传感器。

[0045] 优选地，同步读取模块2可以为数据处理器或专用集成芯片中的一种或几种。同步读取模块2能够执行指定类别数据的同步提取程序，从而将目标数据从数据库提取出来。

[0046] 优选地，融合预警模块3可以是处理器、专用集成芯片、服务器中的一种或几种。融合预警模块3能够运行融合预警的程序编码，以执行融合预警的方法。

[0047] 若要将实时采集模块采集的多种传感数据进行精准融合，必须满足确定的时空关系。因此，在本发明的多种采集模块的空间位置关系确定的情况下，需进一步确定时间关系。

[0048] 本发明的多传感数据融合的吊车防触电预警系统的数据分析以及预警方法如下所示。

[0049] 本发明的同步读取模块2按照预设的时间间隔同步并行读取由实时采集模块1采集的至少一种传感数据并发送至融合预警模块3。例如，同步读取模块2根据融合预警模块3发送的提取数据指令，以固定时间间隔在各数据库中同步并行读取多传感数据。同步读取模块2将提取的数据输出至数据融合模块3。

[0050] 同步读取模块2提取数据的时间间隔需要考虑吊车作业吊臂头的运行速度及现场距离预警需求。以10kV电压等级为例，吊车安全距离为3m，10cm的距离测量精度可保证电气绝缘安全。同时考虑吊车吊臂头的运动速度控制在1m/s以内，按100ms时间间隔读取多传感数据进行融合预警，则可保证10cm测量精度。对于35kV、110kV及以上电压等级来说，吊车安全距离均大于3m，10cm的距离测量精度更能满足现场绝缘安全要求。

[0051] 优选地，同步读取模块2同步读取传感数据的预设的时间间隔为0 200ms。进一步~优选地，同步读取模块2同步读取传感数据的预设的时间间隔为0 100ms。优选地，同步读取~
模块2同步读取传感数据的预设的时间间隔为0 50ms。
~

[0052] 响应于传感数据的接收指令，融合预警模块3基于满足设定时空关系且处于吊臂周边的激光点云数据和毫米波数据以融合互补的方式计算吊臂周边的预警空间范围。

[0053] 优选地，融合预警模块3计算吊臂周边的预警空间范围的方式至少包括：

[0054] S1：选择以吊臂为中轴且在激光雷达40视角范围内的吊臂周边圆锥体空间内的激光点云数据12，计算出激光点云数据12与吊臂中轴线之间的第一类最小距离 。如图3所示，树的激光点云数据12中的最近距离点13与吊臂中轴线的第一类最小距离为d0。

[0055] S2：选择由毫米波雷达10采集的在激光雷达40的视角被遮挡区域中的至少一个物体与吊臂中轴线之间的第二类最小距离d1。

[0056] 其中，毫米波雷达10采集的数据包含位于激光雷达视角被遮挡区域中的多个物距离吊臂中轴线的第二类距离dn。n为正整数。d1、d2、……dn分别表示毫米波目标检测到的最近物体距离d1、第二近物体距离d2、……第n近物体距离dn。最近物体距离d1、第二近物体距离d2、……第n近物体距离dn都属于第二类距离。最近物体距离d1属于第二类最小距离。吊臂周边的激光点云数据12扫描空间与毫米波扫描空间形成完整的吊臂周边防碰撞预警空间。

[0057] S3：比较第一类最小距离d0和第二类最小距离d1，将最小值设置为物体与吊臂之间的最近距离。与最小值对应的点为最近距离点13。

[0058] 目前本发明将激光雷达与毫米波雷达融合，测距精度可高达10cm，测距范围可宽至60m，测距性能远远优于传统的超声波测距传感器。

[0059] 在能够实现吊车防触电预警功能实现的基础上，本发明进一步融合吊臂顶端带电体方位数据来进行防触电预警。本发明通过将吊臂顶端带电体方位、吊臂周边激光点云数据12、毫米波数据、图像等进行多传感数据采集、读取、融合并展示，实现吊车防碰撞及防触电预警双重功能。

[0060] 融合预警模块3按照带电体区域空间分割物体的激光点云图像，基于带电体的安全距离进行计算，实现基于带电体区域最近距离的吊车防触电预警。

[0061] 带电体的电压区域的划分需考虑吊车作业场景。例如，如图3所示，在变电站内，假设吊车作业场景为吊车吊臂一边有带电体一边没有带电体，则可根据带电体方位11的标识，以吊臂顶端为坐标原点，以水平向右为水平角度0°。若吊臂左侧有带电体，则带电区域空间为（90°～180°）。若吊臂右侧有带电体，则带电区域空间为（0°～90°）。此时，吊臂周边的激光点云图像可分割为左、右空间。

[0062] 本发明通过实时采集模块1、同步读取模块2和融合预警模块3初步实现了多数据融合的吊车防触电预警功能。但是，为了让吊车司机及司索对作业现场的情况能够直观、快速了解，让吊车工作人员更容易使用，本发明进一步将多传感数据及预警进行可视化展示。

[0063] 优选地，预警系统还包括融合展示模块4。优选地，融合展示模块4包括显示组件和处理组件、处理组件可以是处理器和专用集成芯片中的一种或几种。显示组件例如是显示屏幕。融合展示模块4以有线和/或无线的方式与融合预警模块3和同步读取模块2分别连接。融合展示模块4接收由融合预警模块3发送的融合预警数据。融合展示模块4接收由同步读取模块2发送的图像数据。

[0064] 融合展示模块4将吊臂顶端的带电体方位数据、吊臂周边的物体的激光点云数据12和预警空间范围以图形叠加的方式与由图像采集设备30采集的原始图像融合，从而以图像的方式形成可视化预警的展示，如图3所示。

[0065] 融合展示模块4执行的融合展示方式至少包括：

[0066] S4：将激光点云数据12与原始图像融合，使得激光点云图像与原始图像叠加显示。此处，图像以视频图像为例进行说明。

[0067] 融合展示模块4将吊臂周边的激光点云数据12的三维坐标转换为与雷达图像对应的二维坐标数据。将由二维坐标数据表示的激光点云图像与视频图像配准，将激光点云图像叠加在视频图像上融合显示。

[0068] 激光点云数据12可准确提供物体实际的三维位置信息，视频图像可以提供物体丰富的颜色和纹理信息。将两者互为补充，融合后形成的可视化的视频图像能够为吊车司机提供直观的现场作业画面。图3展示了叠加激光点云图像的视频图像。此处，激光点云数据12以若干点在视频图像中表示。以一颗树为例，视频图像上的树上叠加了树被激光雷达扫描到的由激光点云数据12构成的激光点云图像。

[0069] S5：将带电体方位数据与原始图像进行可视化融合。

[0070] 将带电体方位中的相对于吊臂顶端的水平角度以标识的方式融合在原始图像上。

[0071] 具体地，带电体方位数据包含相对于吊臂顶端的水平角度与垂直角度。视频上以吊臂顶端为坐标原点，以水平向右方向为水平角度0°。带电体方位以水平角度的指示标识图形呈现，将带电体方位11标识于视频图像上。图3中类似于wifi的信号标识，指示带电体方位。例如，图3中的带电体方位11在吊臂顶端右上方。

[0072] S6：将安全距离数据与激光点云数据12进行融合。

[0073] 融合预警模块3基于吊臂顶端的带电体的方位数据和预警空间范围来判断预警等级。基于安全距离划分预警空间等级并且以与预警空间等级对应的颜色显示物体的激光点云图像，标识距离吊臂中轴线的最近物体位置以及距离信息。

[0074] 如图3所示，根据吊车作业现场电压等级的安全距离比例关系，将预警空间范围从外向内划分为吊车作业空间的0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级预警空间，分别记为A、B、C、D。将对应预警空间内的激光点云数据12的颜色按照与预警等级对应的关系进行区分。例如。0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级预警空间的颜色能够设为绿色、黄色、橙色、红色。

[0075] 根据吊臂L周边物体的激光点云数据12计算与吊臂中轴线的第一类最小距离值d0。根据第一类最小距离值d0判断物体涉及的预警空间区域以及预警等级。将由图像采集设备30采集的原始图像上的物体叠加对应颜色激光点云数据12，并且标识出物体的最近距离点13与最近距离信息。

[0076] 如图3所示，树T的树冠部分落入Ⅱ级预警区域C，在Ⅱ级预警区域内的树冠部分的激光点云数据12呈橙色。

[0077] 树的树干部分落入Ⅲ级预警区域D。在Ⅲ级预警区域D内的树干部分的激光点云数据12呈红色。物体距离吊臂中轴线的最近物体点激光点云数据12用蓝色标记。

[0078] 吊车司机可通过观察看物体的激光点云数据12的颜色直观感知吊车作业现场物体与吊臂周边的预警空间位置的距离关系，更有效地控制吊车安全作业。在图3中，当吊车司机发现树进入Ⅲ级预警范围时，为了防止吊臂触碰障碍物树，将立即控制吊臂往回收缩。随着吊臂移出预警空间范围，树上叠加的激光点云数据12的颜色会从随着预警等级的变化从红色变为橙色、再变为黄色、最后变为绿色。

[0079] 本发明通过将距离数据与激光点云数据12的颜色融合，使得显示屏幕的预警界面实现现场作业物体距离的可视化展示。

[0080] S7：将预警范围及数据与视频图像融合。

[0081] 吊臂顶端为圆心将预警空间划分为不同半径的同心圆空间，同心圆空间的半径是基于预警等级间的安全距离比例关系确定的。

[0082] 根据Ln=knLsafe划分不同半径的预警距离。Lsafe表示吊车安全距离。其中n的取值为1，2，3……。kn

[0083] 以10kV电压等级为例，吊车安全距离为3m，k1=1；k2=1.1；k3=1.3；k4=2。则0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级预警等级同心圆半径可设置为6m、3.9m、3.3m、3m。

[0084] 例如，如图3所示，以吊臂顶端为圆心，将0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级预警空间分别用绿色、黄色、橙色、红色四个同心圆圈出。同心圆的半径由预警等级空间的安全距离比例关系决定。根据吊车距离的越限程度，发出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级预警。在视频图像上呈现黄色、橙色、红色闪屏报警。报警蜂鸣声频率由缓到急。

[0085] 虽然本发明设置了可视化预警界面并且能够及时发出预警信息。但是，在吊车的实际作业场景中，有较多作业任务是必须要在带电体附近完成的。例如，在吊车的吊臂移动的过程中，带电体就会处于Ⅲ级预警空间D的局部区域内。此时融合预警模块3就会持续或者断断续续发出预警信息，这对于作业人员是一种干扰。作业人员也不能够直接将Ⅲ级预警空间D的预警设置关闭，这会使得对处于另一方位的带电体进入Ⅲ级预警空间D的情况丧失预警作用，是不安全的。

[0086] 因此，为了解决这种特殊情况的缺陷，本发明的融合展示模块4能够由作业人员设置安全区域划分信息。即由作业人员根据现场的作业情况以及带电体方位进行人为评估，并且在可视化预警界面划分安全区域，使得作业人员能够避免被由融合预警模块3对预警空间的局部区域发出的预警信息的持续干扰的问题。

[0087] 优选地，融合展示模块4基于指定的安全区域划分信息将安全区域用不遮挡可视化预警界面的有色透明图形进行表示。所示融合展示模块4将安全区域划分信息发送至融合预警模块3。在物体落入安全区域与预警空间范围的重合区域内的情况下，融合预警模块3不发出防触电预警信息。

[0088] 本发明中的安全区域是指由人为指定的距离范围。在物体落入安全区域内的情况下，融合预警模块3不发出预警信息。

[0089] 在融合展示模块4设置指定的安全区域划分信息的方式至少包括：

[0090] 选择指定的几何图形并将几何图形移动至需要设置的安全区域的指定位置以形成安全区域划分信息，和/或以触摸屏幕的方式在可视化预警界面划分安全区域，从而形成安全区域划分信息。

[0091] 例如，可视化预警界面的右侧的一个带电体在吊车进行作业时始终处于Ⅲ级预警空间D内，可视化预警界面的上方也存在一个物体。若关闭Ⅲ级预警空间D的预警功能，那么在物体进入Ⅲ级预警空间D时，融合预警模块3就不会发出预警信息，这明显是不安全的。若不关闭Ⅲ级预警空间D的预警功能，融合预警模块3针对带电体的进入情况就会一直发出预警信息，作业人员会存在情绪上的影响，比如烦躁。那么，作业人员对于可视化预警界面的右侧设置安全区域，将Ⅲ级预警空间D内的带电体存在位置划入安全区域，如图7所示。图7中，安全区域S将Ⅲ级预警空间D中的树的移动范围划入了安全区域S。图7总的安全区域S显示为有色透明的圆形区域，不会遮挡可视化预警界面内的图像内容，不会影响作业人员查看吊臂的移动情况。融合预警模块3会针对物体进入Ⅲ级预警空间D放入情况进行预警，处于安全区域S内的带电体的存在不会引起融合预警模块3的预警。

[0092] 本发明中，有色透明图形的颜色例如是具有一定透明度的淡绿色圆形，或者是具有一定透明度的不规则图形。安全区域的大小由作业人员通过相关交互组件进行设置。交互组件例如是按键或者可触摸屏幕。有色透明图形的颜色能够由作业人员进行更改，以避免影响施工作业的图像的查看。例如，作业人员能够选择与激光雷达的点云颜色不同的任一颜色来作为安全区域的显示颜色。在作业人员通过融合展示模块4来指定安全区域的显示颜色后，融合展示模块4显示该安全区域。优选地，安全区域的几个图形的大小统一可以通过交互组件调节。例如，作业人员用手在融合展示模块4的显示屏幕上划定一个圈，该圈所覆盖的范围为安全区域。融合展示模块4将划定的安全区域信息发送至融合预警模块3。

[0093] 优选地，物体的激光点云数据12的颜色还可以被设置为不在安全区域内显示，使得作业人员不需要关注安全区域内的物体的点云图像，也减少数据的传输量和处理量。

[0094] 其中，在物体落入安全区域与预警空间范围的重合区域内的情况下，融合预警模块3不发出防触电预警信息。安全区域由施工人员通过融合预警模块3的交互组件进行划定、变更或者删除。如此设置，在指定的安全区域内，融合预警模块3能够减少不必要的预警信息，例如，吊车吊臂必须要在局部危险的Ⅱ级预警区域作业。在作业期间，融合预警模块3必定会频繁预警，干扰作业人员的情绪。当作业人员将Ⅱ级预警范围外的部分或者全部区域划定为安全区域后，就能够减少此类预警提示。当树进入Ⅱ级预警范围时，才发出预警信息。

[0095] 本发明还提供一种阵列传感器20，如图4所示。

[0096] 阵列传感器20至少包括由收集方向各异的至少四个半球电极21。四个半球电极21固定在骨架22的四个面上，骨架22呈立方体骨架。骨架22采用导电材料加工形成，用于支撑四个半球电极21。两个半球电极21以采集方向相反的方式设置在骨架22的两个反向的面上，即设置在第一面上和第二面上，用于分别采集第一方向和第二方向的电荷。第一方向和第二方向互相相反。一个半球电极21设置在骨架22的朝向第三方向的第三面上。该半球电极21采集第三方向的电荷，第三面位于第一面和第二面之间。第三方向与第一方向和第二方向分别在同一水平面上互相垂直。一个半球电极21设置在骨架22的第四面上。第四面也设置在第一面和第二面之间，并且第四面与第三面相邻。在第四面上朝向第四方向地设置有采集方向竖直向上的半球电极21，用于采集竖直方向的电荷。

[0097] 由于骨架22为立方体骨架，并且有两个面没有设置半球电极。因此骨架22能够平稳放置在现场地上或者设备上。同时，第三方向和第四方向能够灵活转换。第一方向和第二方向也能够周向180度变换。阵列传感器20安装在吊车的吊臂的较高的顶端位置。

[0098] 半球电极21设置有电极外罩23。电极外罩23采用导电材料加工，外形为喇叭状，与半球电极配套，用于减小四个半球极之间的相互影响，增强带电体方位识别的准确性及稳定性。半球电极21设置在电极外罩23的中线上，并且半球电极21的弧形表面朝向电极外罩23的较大开口。

[0099] 骨架22的没有设置半球电极21的一个面设置有等电位层24。等电位层24用于均匀电场并屏蔽外部电路对阵列传感器20的影响。优选地，等电位层24呈具有一定厚度的片状结构。等电位层24可以是矩形片体，也可以是圆形片体。优选地，等电位层24的各处的电势相等。等电位层24优选为圆形片体，相比于同等矩形宽度，圆形占用面积小，便于携带，并且不会对设备或者用户人员形成刮伤等伤害。等电位层24为导电材料制成，并且通过导线接地或者接通零电势导线。等电位层24将静电安全导入地下，防止电击伤害。

[0100] 如图5所示，半球电极21至少包括第一金属半球26、第二金属半球27和电路支撑板28。第一金属半球26的半径大于第二金属半球27的半径。第一金属半球26、第二金属半球27以同心嵌套的方式设置在电路支撑板28上。例如，第一金属半球26、第二金属半球27固定在电路支撑板28上。第二金属半球27作为参考地，与第一金属半球26一起构成固有电容的电场探头。处于交变电场中的半球电极21，其第一金属半球26用于收集空间电场在其外表面感应的电荷，此电荷大小与半球电极的中心处的电场强度成正比。

[0101] 电路支撑板28内部安装有信号调理电路单元。信号调理电路单元可以是集成电路板。一个半球电极21与一个信号调理电路单元对应连接，用于将半球电极21上的电荷处理形成等比例的电压信号。信号调理电路单元将电压信号转换为交流电压有效值，并且以模拟量输出。

[0102] 电路支撑板28内的各个信号调理电路单元组合构成了信号调理电路模块5。每个半球电极21都设有信号调理电路单元，以使得各个半球电极21收集的电荷能够被同步处理。阵列传感器20中包括四个半球电极21，那么信号调理电路模块5包括四个信号调理电路单元。四个半球电极分别是第一半球电极、第二半球电极、第三半球电极和第四半球电极。例如，信号调理电路模块5包括第一信号调理电路单元、第二信号调理电路单元、第三信号调理电路单元和第四信号调理电路单元。如图6所示，第一半球电极与第一信号调理电路单元连接。第二半球电极与第二信号调理电路单元连接。第三半球电极与第三信号调理电路单元连接。第四半球电极与第四信号调理电路单元连接。四个信号调理电路单元均与多通道采集模块6连接，以将各个半球电极21的电压模拟信号采集并进行相应的计算处理。

[0103] 如图6所示，阵列传感器20与信号调理电路模块5连接。信号调理电路模块5与多通道采集模块6连接。多通道采集模块6通过通讯组件与人机接口模块8连接。优选地，多通道采集模块6通过WAPI数传模块7与人机接口模块8连接。本发明装置采用电池供电，利用WAPI数传模块7进行通讯，便于在大型施工机械上应用，在高压试验或电力作业领域具备广泛的应用前景。WAPI数传模块7为能够支持“WAPI/WAPI+WiFi/WAPI+WiFi+蓝牙”功能的无线信号模块。WAPI数传模块7将带电体方位数据发送至融合预警模块3。

[0104] 各个半球电极21采集的各个方向的电荷发送至信号调理电路模块5。信号调理电路模块5将接收的电荷处理形成电压模拟信号并发送至多通道采集模块6。多通道采集模块6将接收的电压模拟信号转换为与各个方向对应的电场数字信号并计算带电体的相对于阵列传感器20的水平方位角和垂直方位角，将水平方位角和垂直方位角通过通讯组件发送至人机接口模块8。人机接口模块8接收并显示带电体的相对于阵列传感器20的水平方位角和垂直方位角。

[0105] 人机接口模块8可以是能够用于人机交互的显示终端，用于满足工作人员输入信息或者显示信息。本发明中，人机接口模块8为含有显示屏幕的显示终端，用于在电子屏幕中显示带电体的方位，方位包含带电体所在位置相对于阵列传感器所在位置的水平方位角和垂直方位角。

[0106] 多通道采集模块6将多路模拟电压信号转换为电场数字信号，分别对应四个方向的电场数值并计算带电体的水平方位角和垂直方位角。四个方向的电场数值可通过修正系数校准。多通道采集模块6可以是集成电路板，也可以是专用集成芯片，还可以是逻辑处理器或者单片机。

[0107] 优选地，多通道采集模块6将接收的电压模拟信号转换为与各个方向对应的电场数字信号并计算带电体的水平方位角和垂直方位角的方式包括：S1：选择第一方向和第二方向中的有效电场值、第三方向电场值和第四方向电场值来计算水平方位弧度和垂直方位弧度。

[0108] 具体地，采集方向朝向在第一方向和第二方向的两个半球电极21采集的电场值分别为第一电场值 和第二电场值 。选择第一电场值 和第二电场值 中较大的电场值作为有效电场值 。

[0109] 采集方向朝向第三方向的半球电极21采集的电场值为 。采集方向朝向第四方向的半球电极21采集的电场值为 。

[0110] 多通道采集模块6计算水平方位弧度的计算公式为：水平方位弧度=ATAN2(E1, SQRT(E3*E3+E2*E2))；

[0111] 多通道采集模块6计算垂直方位弧度的计算公式为：

[0112] 垂直方位弧度=ATAN2(E3, SQRT(E1*E1+E2*E2))。

[0113] S2：在匀强磁场环境中对四个半球电极21依次进行标定，从而得到四个水平方位弧度的测量值和四个垂直方位弧度的测量值。

[0114] 具体地，设置匀强磁场的电场方向垂直于待标定的半球电极21的表面，记录此时的水平方位弧度的测量值和垂直方位弧度的测量值。按照此种方式依次对四个方向的半球电极21水平方位弧度的测量值和垂直方位弧度测量值进行标定。

[0115] 例如，将阵列传感器20放置到固定场强的地屏上，使得匀强磁场的电场方向垂直于采集竖直方向的电荷的半球电极的表面，记录此时的水平方位弧度和垂直方位弧度。同理，能够得到其它三个方向的半球电极21的水平方位弧度和垂直方位弧度。当半球电极21在电场中的方位固定时，随着场强的变化，水平方位弧度和垂直方位弧度的测量值基本保持不变。

[0116] S3：选择通过标定得到的四个水平方位的测量值中的最小值作为B水平并计算K水平；选择通过标定得到的四个垂直方位弧度的测量值中的最小值作为B垂直并计算K垂直。

[0117] 将记录的四个水平方位弧度的测量值从小到大排序，选择最小的水平方位弧度作为B水平。

[0118] 那么，K水平=90°/(MAX水平方位弧度‑B水平)。

[0119] MAX水平方位弧度表示通过标定得到的四个水平方位弧度的测量值中的最大值。

[0120] 同理，将记录的四个垂直方位弧度的测量值从小到大进行排序，选择最小的垂直方位弧度作为B垂直。

[0121] 那么，K垂直=90°/(MAX垂直方位弧度‑B垂直)。

[0122] MAX垂直方位弧度表示通过标定得到的四个垂直方位弧度的测量值中的最大值。

[0123] S4：基于B水平、B垂直、K水平、和K垂直确定带电体相对于阵列传感器20的水平方位角和垂直方位角。

[0124] 水平方位角=（水平方位弧度‑B水平）*K水平。

[0125] 垂直方位角=（垂直方位弧度‑B垂直）*K垂直。

[0126] 如上，本发明的阵列传感器20利用四个方向的电场矢量关系来识别带电体方位，能够有效指示输电线路、变电站等环境中高压带电体方位，避免触电事故发生。

[0127] 需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。