阅读说明：本技术 一种起重机作业实时导航系统及方法 (Crane operation real-time navigation system and method ) 是由 单增海 张程 李�权 杨艳 王翠萍 李立晶 于 2020-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种起重机作业实时导航系统及方法,该系统包括路径规划单元、人机交互单元、臂架姿态检测单元和障碍物碰撞检测单元；当有吊装任务时,系统自动规划出起重机动作路径,并在人机界面上显示当前应执行的动作、目标点及下一阶段需要执行的动作、目标点,实现对操作人员图形化的引导。当执行某一子动作时系统检测到障碍物,或某一子动作超过目标点时,系统会重新规划动作路径并在人机界面上及时更新,保障吊装物安全转运。(The invention discloses a real-time navigation system and a method for crane operation, wherein the system comprises a path planning unit, a man-machine interaction unit, an arm support posture detection unit and an obstacle collision detection unit; when a hoisting task is available, the system automatically plans a crane action path, and displays the action and the target point which are currently executed and the action and the target point which are required to be executed in the next stage on a human-computer interface, thereby realizing the graphical guidance of operators. When the system detects an obstacle when executing a certain sub-action, or when the certain sub-action exceeds a target point, the system replans the action path and updates the action path on a human-computer interface in time, so that the safe transportation of the hoisted object is guaranteed.)

一种起重机作业实时导航系统及方法

技术领域

本发明涉及起重机作业导航技术领域，具体涉及一种起重机作业实时导航系统及方法。

背景技术

起重机大量应用于城市建筑建设、桥梁施工、高空设备安装等场合，吊装作业环境复杂，常出现多障碍物影响、狭小空间吊装的场合。操作人员在吊装作业过程中，由于和指挥人员沟通不畅、视野较差，导致吊运过程中出现碰撞的事故常有发生。随着起重机向智能化作业方向的发展，控制系统可以提前搭建作业现场的环境模型，根据起重机、吊装物、障碍物的位置进行作业路径规划，指导操作人员安全作业。但由于作业现场环境实时在变化，搭建的作业现场模型较难反映真实情况，因此规划的动作路径需要根据实际现场环境而不断调整。另外，控制系统规划好动作路径后操作人员较难清晰获取动作顺序，缺少直观的动作导航系统。

公开号为CN106325100的“一种基于起重机车载控制系统的吊装模拟方法”公开了一种起重机车载控制系统吊装模拟方法，包括建模、工况优选、路径规划、吊装仿真，可以在吊装作业前通过车载系统进行吊装模拟仿真。此专利作业现场环境模型不能跟随实际环境变化，无法对实际操作过程进行引导，且缺少对子动作目标点的预警提醒。

公开号为CN106348173B的“一种起重机跨障碍吊装工况推荐系统及其方法”公开了一种起重机跨障碍吊装工况推荐系统及方法，包括工况推荐人机交互模块、数学模型计算模块、性能表查询模块、推荐工况展示模块，可以根据障碍物的位置对吊装任务进行工况规划，提供可选的工况配置。此专利无法进行动作路径的规划与操作导航。

公开号为CN103241654B的“一种桥式起重机智能运行控制系统”公开了一种桥式起重机智能运行控制系统，使桥式起重机在半未知的环境下实现XY轴的无碰撞自动运行。此专利缺少人机界面对动作路径的图形化展示，且该技术只针对二维平面运动，未提供三维环境下多机构运动的导航方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种起重机作业实时导航系统及方法，能够自动规划起重机的动作路径并能将待执行的动作及目标点位置进行展示引导操作人操作，并能对动作路径进行实时更新，保证了吊装物的安全转运。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种起重机作业实时导航方法，包括如下步骤：

根据作业现场环境模型、当前臂架姿态信息和接收的目标吊装物坐标位置进行臂架动作路径规划，获取臂架动作顺序及目标点位置；其中，臂架动作包括变幅起落、臂架伸缩、左右回转和卷扬起升；

将所述动作路径及目标点位置以图文形式进行展示；根据所述动作路径控制臂架运动至目标点位置；

检测动作过程中的臂架是否有碰撞危险；若无碰撞危险，臂架则继续动作，若有碰撞危险，则重新进行动作路径规划；

检测动作中的臂架是否超过目标点位置；若没有超过目标点位置，臂架则继续动作，若超过吊装物坐标位置，则重新进行动作路径规划。

进一步地，所述动作路径规划具体包括：

将动作路径信息转为动作路径矩阵、数组或数字序列；其中，动作路径为一个或多个动作的有序组合；

根据动作路径矩阵、数组数字序列进行动作路径规划。

进一步地，还包括：若臂架有碰撞危险，进行声光报警提示。

进一步地，还包括：若臂架超过目标点位置，进行声光报警提示。

本发明还公开了一种起重机作业实时导航系统，包括：

路径规划单元：用于根据作业现场环境模型、当前臂架姿态信息和接收的目标吊装物坐标位置进行臂架动作路径规划，获取臂架动作顺序及目标点位置；其中，臂架动作包括变幅起落、臂架伸缩、左右回转和卷扬起升；

人机交互单元：用于设定目标吊装物坐标信息，并将所述动作路径及目标点位置以图文形式进行展示；

臂架姿态检测单元：用于检测动作过程中的臂架是否有碰撞危险；

障碍物碰撞检测单元：用于检测动作中的臂架是否超过目标点位置。

进一步地，所述人机交互单元还用于根据臂架是否有碰撞危险信息或臂架是否超过目标点位置信息选择是否报警提示。

进一步地，所述人机交互单元还用于展示当前应执行的动作及目标点位置、下一步应执行的动作及目标点位置和起重机运行信息；其中，当前应执行的动作为静态图片或动态图片。

进一步地，所述路径规划单元还用于根据臂架是否有碰撞危险信息或臂架是否超过目标点位置信息选择是否重新进行路径规划。

进一步地，所述路径规划单元与臂架姿态检测单元、障碍物碰撞检测单元通过电连接或CAN总线连接，所述路径规划单元与人机交互单元通过CAN总线连接。

进一步地，所述路径规划单元为车载控制器，所述人机交互单元为车载显示器，臂架姿态检测单元为车载传感器。

根据上述技术方案，本发明的实施例至少具有以下效果：

1、本发明提供的起重机实时导航系统，可以实现对三维作业空间内实际吊装作业过程中的动作路径导航，相比较于吊装模拟仿真系统更贴合真实作业现场环境，可以在操作人员作业过程中进行导航，引导操作人员安全作业；该系统可实现动作路径规划、障碍物检测、臂架姿态检测和人机界面显示功能；

2、本发明提供的导航系统中路径规划单元利用车载控制器进行逻辑处理、算法实现，人机交互单元利用车载显示器进行信息输入及导航显示，臂架姿态检测单元主要基于车载传感器，除碰撞检测单元外无需增加额外硬件，成本较低；

3、本发明提供的起重机实时导航方法，可根据吊装任务进行动作路径规划并展示在人机界面中，当检测到障碍物时可以重新规划路径并进行人机界面更新，提高作业安全性；在子动作即将到达目标点时进行预警提醒，具有超过目标点重新规划路径功能，使操作人员不必向相反方向操作返回最初规划的目标点，提高作业效率；

4、本发明提供的起重机实时导航方法，具有碰撞检测及重新规划路径功能，防止操作人员只按照导航提示而不关注现场环境操作出现安全风险，提高作业过程安全性；

5、本发明提供的起重机实时导航方法，将当前应执行的动作、目标点及下一步需执行的动作、目标点以文本、图像的形式显示出来，有助于操作人员直观了解操作内容并作好下一步操作准备。

附图说明

图1为本发明

具体实施方式

导航系统的框图；

图2为本发明具体实施方式导航方法的流程框图；

图3为本发明具体实施方式动作路径的预览页面图；

图4为本发明具体实施方式动作导航页面图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明提供了一种起重机作业实时导航系统及方法，当有吊装任务时，系统自动规划出起重机动作路径，并在人机界面上显示当前应执行的动作、目标点及下一阶段需要执行的动作、目标点，实现对操作人员图形化的引导。当执行某一子动作时系统检测到障碍物，或某一子动作超过目标点时，系统会重新规划动作路径并在人机界面上及时更新，保障吊装物安全转运。

本发明提供一种起重机实时导航系统，可以实现对三维作业空间内实际吊装作业过程中的动作路径导航，引导操作人员安全作业。该系统可实现动作路径规划、障碍物检测、臂架姿态检测和人机界面显示功能。

通过本发明的实施可以使操作人员更为直观地获取安全动作顺序，当有障碍物碰撞危险时可以动态调整动作路径规划，及时展示给操作人员，保障了路径规划的实时性，可以提高吊装作业安全性及产品的智能化程度。

缩略语和关键术语定义如下：

起重机：是指在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械，又称吊车。

动作路径：针对起重机而言，主要指变幅、伸缩、回转、起落动作的有序组合，如变幅起→伸臂→左回转→卷扬起升。

车载控制器：可编程控制设备，可进行电信号的输入输出处理、逻辑运算、总线通讯等功能。

车载显示器：可编程控制设备，工程机械领域一般指具有人机界面、可进行逻辑运算、可进行人机交互的装置，以文本、图像、视频、动画的形式显示机械运行信息。

实施例1

本发明公开了一种起重机作业实时导航系统，包括路径规划单元、人机交互单元、臂架姿态检测单元和障碍物碰撞检测单元；路径规划单元用于根据作业现场环境模型、当前臂架姿态信息和接收的目标吊装物坐标位置进行臂架动作路径规划，获取臂架动作顺序及目标点位置；其中，臂架动作包括变幅起落、臂架伸缩、左右回转和卷扬起升；人机交互单元用于设定目标吊装物坐标信息，并将所述动作路径及目标点位置以图文形式进行展示；臂架姿态检测单元用于检测动作过程中的臂架是否有碰撞危险；障碍物碰撞检测单元用于检测动作中的臂架是否超过目标点位置。

本发明提供的起重机实时导航系统，可以实现对三维作业空间内实际吊装作业过程中的动作路径导航，相比较于吊装模拟仿真系统更贴合真实作业现场环境，可以在操作人员作业过程中进行导航，引导操作人员安全作业；该系统可实现动作路径规划、障碍物检测、臂架姿态检测和人机界面显示功能。

本发明提供的起重机作业实时导航系统包括路径规划单元、人机交互单元、臂架姿态检测单元和障碍物碰撞检测单元。操作人员可通过人机交互单元设定目标吊装物三维坐标，路径规划单元基于作业现场环境模型、当前臂架姿态及目标吊装物三维坐标进行动作路径规划，人机交互单元将该动作路径以图形化的形式向操作人员导航展示，操作人员按照导航路径操作臂架动作时，人机交互单元根据臂架姿态检测单元检测的臂架姿态信息，在各子动作即将到达目标点时进行预警提醒。若超出各动作目标位置，路径规划单元将重新规划动作路径并在人机交互单元展示。同时，障碍物碰撞检测单元实时检测臂架及吊重是否具有碰撞危险，若有危险则路径规划单元重新规划动作路径，提高吊装作业安全性。

如图1所示，路径规划单元具体装置为车载控制器，主要作用为对起重机臂架动作路径进行规划。

人机交互单元具体装置为车载显示器，可由操作人员输入吊装物三维坐标信息，并基于规划好的动作路径对当前动作、目标位置和下一动作、目标位置进行显示，还可以进行蜂鸣器报警提醒。

臂架姿态检测单元包括臂架角度传感器、长度传感器、回转角度编码器、吊钩高度传感器，用于检测当前臂架、吊钩的姿态与位置。

障碍物碰撞检测单元用于检测臂架、吊钩是否有碰撞危险，可为距离传感器、雷达或摄像机。

本发明提供的导航系统中路径规划单元利用车载控制器进行逻辑处理、算法实现，人机交互单元利用车载显示器进行信息输入及导航显示，臂架姿态检测单元主要基于车载传感器，除碰撞检测单元外无需增加额外硬件，成本较低。

在本实施例中，碰撞检测单元、臂架姿态检测单元与路径规划单元可通过电连接或CAN总线连接；路径规划单元与人机交互单元通过CAN总线连接。

如图4所示，车载显示器在动作导航页面的显示场景，各部分说明如下：

序号1：当前应执行的动作及目标点位置；

序号2：下一步应执行的动作及目标点位置；

序号3、4：起重机运行信息；

序号5：当前应执行的动作指示，可以为静态图片或动态图片；

序号6：当系统重新规划路线时在此显示提示内容，并进行蜂鸣器报警。

图4中动作导航页面中的序1、序2内容，即当前应执行的动作、目标点及下一步需执行的动作、目标点也可用当前应执行的动作、剩余动作量及下一步需执行的动作、剩余动作量代替，如当前变幅角度为A，目标角度为A1，则剩余动作量为(A1-A)。

实施例2

本实施例公开了一种起重机作业实时导航方法，该方法基于实施例1的系统，该方法包括如下步骤：

根据作业现场环境模型、当前臂架姿态信息和接收的目标吊装物坐标位置进行臂架动作路径规划，获取臂架动作顺序及目标点位置；其中，臂架动作包括变幅起落、臂架伸缩、左右回转和卷扬起升。

将所述动作路径及目标点位置以图文形式进行展示；根据所述动作路径控制臂架运动至目标点位置。

检测动作过程中的臂架是否有碰撞危险；若无碰撞危险，臂架则继续动作，若有碰撞危险，则重新进行动作路径规划；

检测动作中的臂架是否超过目标点位置；若没有超过目标点位置，臂架则继续动作，若超过吊装物坐标位置，则重新进行动作路径规划。

如图2所示，具体步骤如下：当车载控制器接收到目标吊装物三维坐标时，根据作业现场环境模型、当前臂架姿态信息、目标吊装物三维坐标信息，开始进行臂架动作路径规划，规划出变幅、伸缩、回转、卷扬动作的顺序及目标点位置。

车载显示器根据动作路径，将当前应执行的动作、目标点及下一步需执行的动作、目标点在人机界面上显示出来，操作人员根据导航信息进行操作。

在动作过程中若检测到臂架或吊重有碰撞危险，人机界面上则进行声光报警提示，车载控制器重新规划动作路径，并更新人机界面导航信息。

若某一动作超过其目标点位置，人机界面上进行声光报警提示，车载控制器重新规划动作路径，并更新人机界面导航信息。

当到达最终目标点时，人机界面上显示导航完成，并取消信息显示。

本发明提供的起重机实时导航方法，可根据吊装任务进行动作路径规划并展示在人机界面中，在子动作即将到达目标点时进行预警提醒，当检测到障碍物时可以重新规划路径并进行人机界面更新，提高作业安全性。

起重机动作路径编码方案如下：

本发明提供的导航系统，主要涉及到起重机的动作有变幅起落、臂架伸缩、左右回转、卷扬起升，各类型动作的目标点信息说明如下：

变幅起落动作的目标点位置为臂架角度信息，以A表示；

臂架伸缩动作的目标点位置为臂架长度信息，以B表示；

左右回转动作的目标点位置为回转角度信息，以C表示；

卷扬起升动作的目标点位置为吊钩离地高度信息，以D表示。

动作路径为上述1个或多个动作的有序组合，动作路径示例如下：

变幅起至变幅角度A1→左回转至回转角度C1→起升至离地高度D1→变幅起至变幅角度A2→伸臂至臂长B1，可转换为（变幅起，A1）→（左回转，C1）→（卷扬起，D1）→（变幅起，A2）→（伸臂，B1），为了方便数据存储及传输，需将动作路径信息转换为动作路径矩阵或数组，动作路径矩阵示例如下所示，矩阵的行数为动作步骤数量，如需要5步操作则有5行；列数为4，内容分别为变幅、伸缩、回转、起升的目标点位置：

M[5][4] =

车载控制器将规划完的动作路径矩阵通过CAN总线传递给车载显示器，车载显示器解析出动作顺序及目标点位置，以文本、图像、动画的形式在人机界面上导航显示。

本发明所提供的动作路径编码规则不局限于矩阵、数组的形式，也可为数字序列的形式表示。

车载显示器导航方案如下：

当车载控制器规划完成动作路径时，车载显示器将动作路径信息转换为文本、图像信息，并生成动作路径预览页面在人机界面上显示，详见附图3。动作路径预览页面内显示内容为完成吊装任务需进行的动作顺序、起重机当前姿态信息及各动作的目标点位置，操作人员可通过此页面预览全局动作路径。

操作人员点击“开始导航”按钮，车载显示器进入动作导航页面，系统开始对操作人员作业进行导航，详见附图4。

导航时在页面内同时显示当前应执行的动作、目标点和下一步需执行的动作、目标点，同时以图形化的形式显示当前应执行的动作图标，图标可为静态或动态闪烁的形式展示，有助于操作人员了解导航动作内容，并提前做好下一步操作的准备。

导航页面内还对当前起重机臂架姿态、运行状态进行显示，有助于操作人员判断是否到达各动作目标点位置。

若在操作人员作业过程中，系统检测到有碰撞危险，则重新规划动作路径，规划完成后车载显示器在动作导航页面进行提示，并打开蜂鸣器报警短暂提醒。

若在操作人员作业过程中，某一动作超过了目标点位置，系统则重新规划动作路径，规划完成后车载显示器在动作导航页面进行提示，并打开蜂鸣器报警短暂提醒。

当系统判断起重机运动到总体目标点位置时，导航结束，并在动作导航页面内进行提示。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。