阅读说明：本技术 一种起重机自动预警系统及方法 (Automatic early warning system and method for crane ) 是由 朱长建 史金飞 赵振东 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种起重机自动预警系统及方法,包括：数据采集模块,用于采集起重机的作业数据和影像信息；数据存储模块,用于存储起重机作业边界数据；数据分析模块,用于读取起重机当前作业数据,根据所述的作业数据分析起重机的运行参数与作业边界的差值；信息显示模块,用于读取并显示起重机的运行参数与作业边界的差值,显示允许向作业边界进一步操作的图形和或数值。本发明通过起重机上安装的双目立体视觉摄像头和传感器,利用起重机车载计算机,建立起重机、吊装物体、吊装环境的三维模型,动态分析三者碰撞的风险,以图形或和声音形式提醒操作者,为起重作业安全提供保障。(The invention discloses an automatic early warning system and method for a crane, which comprises the following steps: the data acquisition module is used for acquiring operation data and image information of the crane; the data storage module is used for storing crane operation boundary data; the data analysis module is used for reading the current operation data of the crane and analyzing the difference value between the operation parameter of the crane and the operation boundary according to the operation data; and the information display module is used for reading and displaying the difference value between the operating parameter of the crane and the operation boundary, and displaying graphs and/or numerical values which allow further operation to the operation boundary. According to the invention, through the binocular stereoscopic vision camera and the sensor which are arranged on the crane, the crane onboard computer is utilized to establish a three-dimensional model of the crane, a hoisting object and a hoisting environment, the risk of collision of the crane, the hoisting object and the hoisting environment is dynamically analyzed, an operator is reminded in a graphic or sound mode, and the safety of hoisting operation is guaranteed.)

一种起重机自动预警系统及方法

技术领域

本发明涉及一种起重机自动预警系统及方法。

背景技术

汽车起重机、全地面起重机、轮胎起重机、履带起重机、塔式起重机等都属于起重机械，由于其吊装对象和作业环境复杂多变、工况变换多，起重机在执行起重作业的起升重物、变幅(改变起重臂的角度，起重机一般通过变幅改变吊钩的工作幅度)、回转等动作的时候，容易超过额定或者操作者预先设定的安全边界，造成重物坠落、起重臂折弯，甚至车毁人亡的重大事故。为了保障起重作业安全，起重机一般安装超载保护装置，起重机作业时，对于超载作业有保护和/或提示作用，包括额定起重量限制器、指示器。

但是现有技术方案存在两点不足：一是虽然显示起重量、实际力矩百分比、工作幅度等作业参数，但是没有用图形化的形式表达起重机或重物与边界的关系，不能量化当前起重机作业参数与作业边界的差值，不能直观指导操作者该动作还允许向作业边界进一步操作的空间，操作者难以直观判断危险层度；二是现有技术在起重机在接近或达到超载作业时，用蜂鸣器作为声音报警装置提示操作者，但是没有根据危险程度改变报警声音的频率，不能提示操作者越接近危险越需要仔细观察和谨慎操作。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种起重机自动预警系统及方法，动态分析起重机、吊装物体、吊装环境三者碰撞的风险，以图形、声音等形式提醒操作者，为起重作业安全提供保障。

技术方案：本发明的一种起重机自动预警系统，包括：

设设于起重机上不同位置的多个可旋转式摄像头，摄像头连接数据存储模块，摄像头采集起重机的姿态图像、吊装环境图像及吊装物体图像；

数据采集模块，包括设于起重机内的传感器系统，用于采集起重机的作业数据，所述的作业数据为起重机主机构的运行参数；

数据存储模块，用于存储起重机的初始数据以及采集的图像数据；

数据分析模块，用于读取起重机当前作业数据，根据所述的作业数据计算起重机的运行参数与作业边界的差值，对采集的图像数据进行立体校正，并转化成三维模型传输至信息显示模块；

信息显示模块，设置在起重机操纵室里或无线遥控器上，所述的信息显示模块能够显示起重机的运行参数与作业边界的差值，显示起重机及吊装物三维空间模型，以图形和/或数值的方式显示该差值，并显示警示信号。

一种起重机自动预警方法，基于所述的自动预警系统，包括以下步骤：

(1)读取模块中预存的起重机出厂设计的额定起重量图表数据、起重机出厂设计的作业边界数据和/或起重机操作者设置的作业边界数据，作为起重机的作业边界；

(2)实时读取起重机当前运行参数；

(3)实时计算当前运行参数与作业边界的差值；将靠近该边界的区域设为警示区，即设定该差值在一定范围内为警示区；

(4)当计算得到的差值落入该警示区时，显示该结果，并通过图形、声音或灯光的方式向操作人员发出警报。

所述步骤(4)还包括以下步骤：根据起重机、吊装物体、吊装环境的三维空间模型，进行作业碰撞分析，所述碰撞分析包括：

(1)起重机与吊装空间碰撞分析，判断起重机设备本身接近或触碰吊装作业空间周围障碍物的风险；

(2)起重机与吊装物体碰撞分析，判断起重机设备本身与被吊装物体的接近或触碰的风险；

(3)吊装空间与吊装物体碰撞分析，判断起重机吊装物体接近或触碰吊装作业空间周围障碍物的风险。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)本发明通过设置摄像头采集起重机的三维图像，并建立起重机三维立体模型，能够动态分析起重机、吊装物体、吊装环境三者的碰撞情况，能够清晰的、直观的显示起重机的位姿状态。

(2)本发明所提供得起重作业主动预警系统和方法，在接近作业边界时以图形化形式显示危险程度，并根据危险程度改变声音报警的频率，能够降低起重作业的操作风险，通过分级自动预警机制，在操作者操纵起重机时能够以量化的形式更全面、更准确的提供下一步操纵的参考信息，更迅速的判断当前的状态，适用性广。

附图说明

图1为本发明预警系统的结构示意图；

图2为本发明的起重作业作业空间识别流程图；

图3为本发明预警方法的流程图；

图4为本发明的以操作变幅机构调整工作幅度为例的显示示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明提供了实施例的起重作业主动预警系统结构图，起重机操作者能够在使用安装有该系统的起重机时，主动获取当前作业参数与作业边界的差值，显示器上能够以图形或数值的形式直观显示进一步操作的范围，还能够根据接近作业边界的程度发出报警声音，越接近作业边界报警声音的频率越高。

本实施例的系统主要由以下部分组成：

数据采集模块1，包括设于起重机内的传感器系统，传感器系统包括长度传感器101、角度传感器102、力传感器103，摄像头104，以及其他与起重作业相关的传感器和或限位开关，用于采集起重机作业数据，所述的作业数据包括起重机主机构的运行状态信息。数据采集模块1把采集的起重作业参数、视频信息等传递给起重机控制器，作为起重作业当前姿态的输入变量。

数据存储模块4，主要包括存储器401，用于存储起重机的初始数据以及采集的图像数据。初始数据包括：起重机出厂设计的额定起重量图表数据，和或存储起重机出厂设计的作业边界数据，和或存储起重机操作者设置的作业边界数据，和或根据双目摄像头计算的的作业边界数据。存储器401可以是一个单独的存储硬件，也可以集成到起重机控制器201中，还可以集成到显示器301中。

数据分析模块2，主要包括起重机控制器201，可从数据采集模块1中读取起重机当前作业数据和影像，首先建立起重机、吊装物体、吊装环境的三维空间模型。通过与数据存储模块4中的作业边界参数进行比较，继而获取起重机的当前运行参数与作业边界的差值，如果需要，发送到信息显示模块3。

信息显示模块3，设置在起重机操纵室里或无线遥控器上，包括显示器301和声光报警装置302，声音报警装置302也可以集成到显示器301里。信息显示模块3可以根据起重机的配置情况，显示起重机及吊装物三维空间模型，以图形和/或数值的方式显示当前运行参数与作业边界的差值，并显示警示信号。

图2为本发明的起重作业作业空间识别流程图，该流程主要在数据分析模块2中完成，主要包括以下步骤：

S272，利用安装在起重机上的可旋转式摄像头104，读取起重机当前作业空间、吊装物体空中位置、吊装环境等影像信息。该摄像头可以在起重机上安装的位置包括：起重臂上、操纵室上、起重机转台上。摄像头104可以固定安装，也可以安装在云台上，根据起重机作业姿态调整摄像头的俯仰角。摄像头优选双目摄像头。

S273，数据分析模块2根据预先存储的影像标定参数及影像算法，对双目摄像头104获取的图像进行立体矫正。

S274，数据分析模块2根据摄像头104获取的图像，进行三维空间重构，建立起重机作业空间的三维空间模型。

S275，数据分析模块2根据摄像头104获取的图像，进行三维空间重构，建立吊装物体的三维空间模型。

S276，数据采集模块1采集起重机上按照的长度传感器101、角度传感器102、力传感器103，以及其他与起重作业相关的传感器和或限位开关等作业姿态参数信息。

S277，数据分析模块2根据数据采集模块1采集起重机姿态参数信息，以及数据存储模块4存储的起重机三维模型，进行三维空间重构，建立起重机的三维空间模型。

S278，数据分析模块2根据S274建立的起重机吊装作业空间与S277建立的起重机三维模型，进行碰撞分析，并把分析的结果传递给信息显示模块3。起重机与吊装空间碰撞分析，判断起重机设备本身接近或触碰吊装作业空间周围障碍物的风险。

S279，数据分析模块2根据S275建立的起重机吊装物体与S277建立的起重机三维模型，进行碰撞分析，并把分析的结果传递给信息显示模块3。起重机与吊装物体碰撞分析，判断起重机设备本身与被吊装物体的接近或触碰的风险。

S280，数据分析模块2根据S274建立的起重机吊装空间三维模型与S275建立的吊装物体三维模型，进行碰撞分析，并把分析的结果传递给信息显示模块3。吊装空间与吊装物体碰撞分析，判断起重机吊装物体接近或触碰吊装作业空间周围障碍物的风险。

S281，数据分析模块2将碰撞分析结果传输至信息显示模块3进行显示。

如图3所示，本发明提供了根据实施例的起重作业主动预警方法的主流程图，主要包括以下步骤：

S202，读取起重机当前作业参数，主要包括以下内容：

1)变幅相关作业参数：起重臂的变幅角度、起重臂长度、变幅操作的运动方向等。还能够根据这些变量计算出起重机的工作幅度。

2)起升机构相关作业参数：变幅油缸压力、起重臂长度、起重臂角度、作业倍率、作业工况设置、当前是起升还是降落动作。计算出当前实际的起重量。

3)回转相关参数：回转角度等。能够获取起重机当前的回转角度、回转操作的运动方向。

4)起重臂伸缩相关参数：起重臂长度、起重臂角度、起重臂是伸出运动方向还是回缩运动方向等。

S203，读取数据存储模块中作业边界，这些作业边界可以是起重机额定起重量图表中的最大边界，也可以是起重机操作者设定的作业边界。

主要包括以下作业边界的几种或一种，或者是他们的组合：

1)变幅作业边界，主要包括起重机允许变幅的最大角度和最小角度，也可以是允许工作的最大幅度和最小幅度。

2)起升作业边界，主要包括起重机允许起吊的最大起重量。

3)起重机伸出边界，主要包括允许起重臂伸出的最大臂长。

4)回转作业边界，包括向左回转边界、向右回转边界。

S204，根据S203和S202的参数，计算作业边界参数与当前作业参数的差值。

S205，根据S204计算出的作业边界参数与当前作业参数的差值，做如下处理：

1)当起重作业的相关操作使起重机小于开始警示区域点(例如，接近额定允许边界的90％)时，数据分析模块2发指令给信息显示模块3，按照安全的方式显示，主动预警系统不参与显示器301显示内容的控制。

2)当起重作业的相关操作使起重机接近作业边界开始警示区域点(例如接近额定允许边界的90％)时，数据分析模块2发指令给信息显示模块3，显示器301开始把起重机的运行参数与作业边界的差值发送到信息显示模块用以数值和或图形，声光报警装置302以低频率警示。

3)当起重作业的相关操作使起重机达到或超过边界值点(例如额定允许边界的100％)，数据分析模块2发指令给信息显示模块3，显示器301以数值和或图形的方式显示已经到达作业边界的信息，此时显示器301上应醒目的显示当前起重机已经达到或超过作业边界，声光报警装置302以高频率警示。

4)当起重作业的相关操作使起重作业参数在开始警示区域点与作业边界点与之间，数据分析模块2发指令给信息显示模块3，显示器301把起重机的运行参数与作业边界的差值发送到信息显示模块用以数值和或图形，图形或数值是跟随危险程度而变化的，如，设置一级警示区、二级警示区、……、n级警示区，n≥2，所述一级警示区内当前运行参数与作业边界的差值最小，n级警示区内当前运行参数与作业边界的差值最大。差值落入较高级的警示区时，图形、声音或灯光警报以低频率、低分贝或低亮度进行；差值落入较低级的警示区时，图形、声音或灯光警报以高频率、高分贝或高亮度进行。声光报警装置302以正比例函数频率或递增频率进行警示。

S206，根据S204作业边界参数与当前作业参数的差值的比较结果，用图形和文字显示出来。

S207，根据S204作业边界参数与当前作业参数的差值的比较结果，按照越接近作业边界声音报警频率越高的方式，进行声音警示。

如图4所示，本发明提供了以操作变幅机构调整工作幅度为例的自动预警方法的显示示意图。

图中501为当前吊钩吊起重物的示意图；502为当前吊钩中心线到工作幅度作业边界线的距离，其中NC为设定工作幅度与当前工作幅度的差值；503为工作幅度作业边界线；504为吊钩中心线；505为起重机回转中心线到工作幅度作业边界线的距离，其中NB为设定的作业幅度边界值；506为当前吊钩中心线到起重机回转中心线的距离，其中NA为当前工作幅度数值；507为起重机回转中心线；508为起重机变幅机构；509为起重臂。

实施例中起重机操作者在操作变幅机构调整工作幅度前，考虑起重机的作业能力与周围障碍物的距离，预先设定最大工作幅度NB，通过操纵起重机变幅机构508、改变起重臂509的角度，调整当前作业幅度NA，显示流程如下：

1)若NB-NA＞5米，则显示器上不显示设定工作幅度边界与当前工作幅度的差值NC。

2)若NB-NA≤5米，则显示器上开始显示设定工作幅度边界与当前工作幅度的差值NC。工作幅度作业边界线503与吊钩中心线504的图形间隙跟随设定工作幅度边界与当前工作幅度的差值NC自动调整。

3)若NB-NA≤3米，则设定工作幅度边界与当前工作幅度的差值NC数字、吊钩中心线504变为黄色警示色并开始闪烁，工作幅度作业边界线503由正常线条变换为醒目的粗线条。

4)若NB-NA≤1米，则设定工作幅度边界与当前工作幅度的差值NC数字、吊钩中心线504变为红色警示色，工作幅度作业边界线503为醒目的粗线条。