泵车间臂架姿态防碰撞检测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种泵车间臂架姿态防碰撞检测方法及系统，泵车为两台或两台以上，包括如下步骤：步骤a)获取泵车间各臂架的多个臂节姿态信息；步骤b)根据步骤a)所获信息，判断各臂架的多个臂节运动趋势；步骤c)根据步骤a)和步骤b)的信息，将各臂架的多个臂节姿态信息设于同一参考系后，再计算各臂架的多个臂节姿态信息和距离值；步骤d)根据步骤c)的计算值进行预警处理。该检测系统应用于至少两台泵车上，包括：姿态感知单元、趋势判断单元、处理单元和报警单元。使用该方法的泵车间臂架姿态防碰撞检测系统后，可提高群体作业时臂架的安全性，进而有效降低事故的发生率，因此应用前景十分广阔。
【专利说明】泵车间臂架姿态防碰撞检测方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及泵车臂架姿态检测领域，特别是涉及一种泵车间臂架姿态防碰撞检测 方法及系统。
【背景技术】
[0002] 随着城市化的发展，泵车因其机动、灵活、高效等优点，已成为诸多现代化建设中 不可缺少的重要施工设备。在泵车的操作过程中，操作员往往只能根据自身操作经验目测 障碍物及目标的位置来操作臂架展开，或者是通过使用对讲机以语音交流的方式在指挥员 的指挥下操作臂架展开。然而，随着泵车的操作环境越来越复杂恶劣，臂架越来越长，加之 其臂节臂架个数增多，经常出现操作员难以或不能目测到臂架位置及其周边的情况，且语 音方式进行交流时信息量有限且缺乏准确性，使操作员与指挥员之间的交流难以准确协 调，容易导致操作员误操作，造成安全事故，故而泵车臂架的安全性操作显得尤为重要。
[0003] 目前，对臂架全问题的研究主要是针对单台泵车，一般采用红外线或激光传感器 对臂架与周边障碍物以及臂架与施工现场底部或顶部进行实时距离检测，根据距离来判断 臂架的安全性，如中国发明专利申请CN102621993A公开了一种臂架控制系统，包括：高度 检测单元，用于实时检测臂架的高度信息，并根据高度信息获取最高位置高度；判断单元， 用于根据最高位置高度，判断臂架的运动趋势；控制单元，根据臂架的最高位置高度、运动 趋势及预定的高度阀值控制臂架的运动。但由于红外或激光传感器所发射的红外线或激光 被臂架本身所阻挡，臂架与障碍物的碰撞信息检测可能不准确，所以中国发明专利申请CN 102032883A公开了一种利用了声音在固体中的传播来检测碰撞位置点的系统和方法，该检 测系统包括：传感系统，至少包括一个位于机械装置的臂架的第一位置的第一噪声传感器 和一个位于机械装置的臂架的第二位置的第二噪声传感器；中央控制单元，与传感系统连 接，接收传感系统感测的噪声信号，根据第一噪声传感器和第二噪声传感器所接收到的时 间差来判断臂架与障碍物的碰撞位置点。
[0004] 然而，在大型工程和群体工程越来越多的大规模基础建设中，单台泵车已经无法 满足施工需要，为了保证施工中对作业工程的全部覆盖以及工作效率，必然会出现多台泵 车共同作业的情况，此时臂架的姿态信息对于泵车间臂架的安全检测就显得尤为重要。但 就目前基于红外线或激光传感器的实时距离检测方法不适用于多台泵车间的臂架姿态的 安全检测，因为多臂节臂架的折叠式放置会使得红外线或激光更容易被泵车本身的臂节所 阻挡，因而无法及时的对不同泵车间的臂架所处相对姿态的安全与否进行检测；并且现有 的基于各类角度传感器的臂架姿态获取方法由于传感器本身以及计算过程累计误差的影 响已经难以满足智能化和安全化的要求。现有技术中，也出现了一些防碰撞算法或防碰撞 预警系统相关专利，如基于包围盒技术的机械臂碰撞检测算法，但该算法主要是实现机械 手臂对虚拟物体的抓取动作，针对此刻机械手臂与虚拟物体的位置关系进行碰撞判断，无 法预先对其之间的动作进行碰撞预测；又如中国实用新型专利CN202558512U公开了一种 塔群防撞监控系统，包括多个防撞监控子系统，每个防撞监控子系统分别设置在塔群内的 一个塔机上，每个防撞监控子系统包括微处理器、时钟、传感器单兀、无线传输单兀、键盘、 显示器和报警电路；其中，防撞监控子系统的时钟的时间信息输出端连接微处理器的时间 信息输入端，传感器单元的采集信号输出端连接微处理器的采集信号输入端，键盘的预置 信号输出端连接微处理器的预置信号输入端，微处理器的显示信号输出端连接显示器的显 示信号输入端，微处理器的报警信号输出端连接报警电路的报警信号输入端，无线传输单 元的传输控制信号输入输出端连接微处理器的传输控制信号输出输入端，所有防撞监控子 系统的无线传输单元之间通过无线通信的方式进行数据传输。上述专利虽然公开了塔群的 防撞技术，但其只是针对多台设备的单个臂架进行预警，不适用于大型工程或群体工程对 多台泵车间多个臂架的防碰撞预警。
[0005] 因此，现在迫切需要提出一种泵车间的臂架姿态防碰撞检测方法及系统，以提高 群体作业时臂架的安全性，进而有效降低事故的发生率。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种泵车间臂架姿态防碰撞 检测方法，适用于泵车群体作业时检测其安全性，进而降低事故的发生率。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008] -种泵车间臂架姿态防碰撞检测方法，泵车为两台或两台以上，包括如下步骤：
[0009] 步骤a)获取泵车间各臂架的多个臂节姿态信息；
[0010] 步骤b)根据步骤a)所获信息，判断各臂架的多个臂节运动趋势；
[0011] 步骤c)根据步骤a)和步骤b)的信息，将各臂架的多个臂节姿态信息设于同一参 考系后，再计算各臂架的多个臂节姿态信息和距离值；
[0012] 步骤d)根据步骤c)的计算值进行预警处理。
[0013]优选地，步骤a)的具体操作为：获取距离信息，将获取的距离信息拟合成臂架姿 态息。
[0014] 距离信息定义：臂架各臂节端点到泵车车体上多个不同位置节点间的距离值。
[0015] 臂架姿态信息定义：参考方向到转台和臂架末端点在转台平面映射点连线的夹角 及该连线的长度以及臂架末端点到转台平面的距离，其中从转台出发沿泵车车尾方向为参 考方向。
[0016] 更优选地，距离信息可通过安装在各臂节端点的未知节点与泵车车体上的已知节 点来获得。
[0017] 更优选地，姿态信息的拟合过程在安装于泵车转台处的中心节点（即簇头）内进 行。
[0018] 优选地，步骤b)的具体操作为：通过对多个连续的臂架的历史姿态信息进行分 析，判断其运动趋势。
[0019] 更优选地，臂架的运动趋势可通过选定某一臂节末端点运动时的多个连续的姿态 信息相对转台平面的高度h为主要依据进行判断；具体来说：当h值呈现增大的趋势，则可 以判断该节臂节的后续运动呈展开趋势；当h值呈现减小的趋势，则可以判断该节臂节的 后续运动呈闭合趋势。
[0020] 优选地，步骤c)的具体操作为：将至少两台泵车各自臂架的姿态信息转换到同一 参考系中，根据同一参考系中臂架的当前姿态信息、趋势信息计算出臂架在未来多个时刻 的姿态信息和不同泵车间各臂架的距离值。
[0021] 更优选地，所述臂架姿态信息转换公式为：
[0022]
【权利要求】
1. 泵车间臂架姿态防碰撞检测方法，其特征在于，泵车为两台或两台以上，包括如下步 骤： 步骤a)获取泵车间各臂架的多个臂节姿态信息； 步骤b)根据步骤a)所获信息，判断各臂架的多个臂节运动趋势； 步骤c)根据步骤a)和步骤b)的信息，将各臂架的多个臂节姿态信息设于同一参考系 后，再计算各臂架的多个臂节姿态信息和距离值； 步骤d)根据步骤c)的计算值进行预警处理。
2. 根据权利要求1所述的泵车间臂架姿态防碰撞检测方法，其特征在于，步骤a)的具 体操作为：获取距离信息，将获取的距离信息拟合成臂架姿态信息。
3. 根据权利要求1所述的泵车间臂架姿态防碰撞检测方法，其特征在于，步骤b)的具 体操作为：通过对多个连续的臂架的历史姿态信息进行分析，判断其运动趋势。
4. 根据权利要求1所述的泵车间臂架姿态防碰撞检测方法，其特征在于，步骤c)的具 体操作为：将至少两台泵车各自臂架的姿态信息转换到同一参考系中，根据同一参考系中 臂架的当前姿态信息、趋势信息计算出臂架在未来多个时刻的姿态信息和不同泵车间各臂 架的距离值。
5. 根据权利要求4所述的泵车间臂架姿态防碰撞检测方法，其特征在于：所述臂架姿 态信息转换公式^
，其中，定义W为泵车转台的中 心点，从转台（W)出发沿泵车车尾方向（V)作为参考方向（两h，Wtl-Vc^PW-V表示两台不 同泵车（如泵车〇和泵车1)的参考系，（r，a，h)为（a，a(l，转换到W-V中的姿态信息， O^amhci)为泵车0某测量点在Wtl-VtlS考系中的姿态信息；γ为^与H的夹角，可通 过事先标定得到，若Vtl绕h轴逆时针旋转到V，则γ为正，反之为负；(rQ，aQ，hQ)为Wtl在W-V中的姿态信息。
6. 根据权利要求4所述的泵车间臂架姿态防碰撞检测方法，其特征在于，所述未来t 时刻臂架姿态信息计算公式为
其中， (rBi,aBi,hBi)为第i节臂节末端在t时刻的姿态信息；(?+a^，D和（rAi,aAi,hAi)分别 表示第i-l节臂节和第i节臂节在当前时刻的姿态信息，可通过姿态感知单元获取；ω?为 第i节臂节的角速度，当预测运动趋势坚直展开（即向上）时ωi> 〇,反之，ωi< 〇。
7. 根据权利要求4所述的泵车间臂架姿态防碰撞检测方法，其特征在于，当得到第i节 臂节在t时刻的姿态信息后，且第i节臂节不是最后一节，则随着该臂节而运动的第i+Ι臂 节末端的姿态信息（rBi+1，aBi+1，hBi+1)计算公式为：
' 中，（『Ai+i，&Ai+l，h^i+i) ^不 i+1臂节末端的当前时刻的姿态信息，可通过姿态感知单元获取，各臂节在t时刻的姿态信 息构成了整个臂架的姿态信息。
8. 根据权利要求1所述的泵车间臂架姿态防碰撞检测方法，其特征在于，步骤d)的具 体操作为：判断不同泵车间各臂架所处相对姿态是否安全，做出相应的预警处理。
9. 根据权利要求8所述的泵车间臂架姿态防碰撞检测方法，其特征在于：若根据某一 预测时刻臂架的姿态信息得出的不同泵车间臂架距离值小于或等于安全距离值，则发出警 示信息，将安全运动时间记录下来，以此作为操作员安全操作臂架运动的依据。
10. 泵车间臂架姿态防碰撞检测系统，其特征在于，该检测系统分别应用于至少两台泵 车上，包括： 姿态感知单元，包括信息获取子单元和姿态拟合子单元，用于获取泵车间各臂架的多 个臂节姿态信息； 趋势判断单元，用于根据姿态感知单元所获信息，进行判断各臂架的多个臂节运动趋 势； 处理单元，包括姿态信息转换子单元和预处理子单元，用于根据臂架姿态信息、趋势信 息来判断在未来多个时刻不同泵车间臂架所处相对姿态的安全与否； 报警单元，与处理单元相连，根据处理单元的输出信息做出相应的报警处理； 此外该检测系统的检测方法为权利要求1?20任一所述的检测方法。
【文档编号】G01D21/00GK104236618SQ201410379209
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年8月4日
【发明者】姚志强, 康琴, 盛孟刚, 张钰旻 申请人:湘潭大学