塔机作业安全区动态感知系统及感知方法与流程

1.本发明涉及建筑施工安全控制技术领域，具体地指一种塔机作业安全区动态感知系统及感知方法。


背景技术：

2.在建筑工程领域，塔机是建筑工地上最常用的一种起重设备，主要用于建筑施工材料和大型施工设备的运输与转移。国家规范明确要求塔机施工时下方附近不允许站人，在构件、重物起吊或落吊时，在吊件重物下方，不得有人停留或行走，但是由于塔机施工区域复杂，而且塔机吊装的重物尺寸不同，塔机驾驶员在操作塔机的过程中存在视觉盲区，现场指挥调度人员工作不到位，塔机下方站人或有人员经过，塔机吊物坠落伤人的事故时有发生。目前国内在塔吊人员安全防范方面主要是采用在塔机施工区域设置警戒线或安装监控摄像头来防止人员闯入，虽然这种方法从一定程度上可以监测塔机人员，但是不能有效全方位做到杜绝高空坠落伤人。
3.为了解决这种技术问题，有专利号为“cn109795958a”的名为“一种基于电子围栏的安全塔吊系统及安全运行方法”的中国发明专利介绍了一种电子围栏的塔吊系统，包括一传统塔吊，安全塔吊系统还包括变幅绞车水平运动测距单元、电子围栏及控制系统；变幅绞车水平运动测距单元用于测量变幅绞车至塔吊塔身的距离并将测量距离实时发送至控制系统；电子围栏主要用于限定变幅绞车在不同方向的水平运动半径；控制系统主要用于生成电子围栏边界，对比分析变幅绞车水平位移与电子围栏边界的关系并根据对比分析控制变幅绞车的驱动机构，使变幅绞车水平运动范围不超过电子围栏边界。该方案实际上就是设定一个虚拟的电子围栏，利用电子围栏对塔吊进行警示，避免出现碰撞。该方案构建的电子围栏为虚拟的、静止围栏，实际应用中，塔吊的运转范围是非常大的，如果按照塔吊的运转范围进行电子围栏的设定，那限定的范围就非常大了，并不符合施工要求。而且该方案主要解决的技术问题是防碰撞，对于人员安全并没有涉及到，因此需要设计一种充分考虑人员安全的塔机作业安全感知系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种塔机作业安全区动态感知系统及感知方法。
5.本发明的技术方案为：一种塔机作业安全区动态感知系统，包括塔机；所述塔机包括吊臂以及安装在吊臂上的起重绞车、变幅绞车、回转电机、起重小车，还包括，
6.吊臂危险区域获取模块，所述吊臂危险区域获取模块用于实时获取处于运动状态或是静止状态的吊臂正下方覆盖的第一危险区域；
7.重物危险区域获取模块，所述重物危险区域获取模块用于实时获取处于运动状态或是静止状态的重物正下方覆盖的第二危险区域；
8.施工人员位置获取模块，所述施工人员位置获取模块用于实时获取施工人员位
置；
9.安全警示模块，所述安全警示模块用于实时接收施工人员位置信息，并在施工人员进入第一危险区域或是第二危险区域时发出安全警示信号。
10.根据本发明提供的一种塔机作业安全区动态感知系统，所述吊臂危险区域获取模块包括，
11.吊臂覆盖范围获取模块，所述吊臂覆盖范围获取模块根据吊臂的长、宽以及设定的第一安全距离确定吊臂覆盖范围；
12.吊臂回转角度获取模块，所述吊臂回转角度获取模块包括安装在回转电机上的第一编码器，用于获取吊臂的回转角度；
13.第一危险区域确定模块，所述第一危险区域确定模块根据吊臂覆盖范围和吊臂回转角度确定第一危险区域。
14.根据本发明提供的一种塔机作业安全区动态感知系统，所述重物危险区域获取模块包括，
15.重物位置获取模块，所述重物位置获取模块用于获取重物当前相对于塔机坐标原点的位置；
16.重物覆盖范围获取模块，所述重物覆盖范围获取模块用于根据重物在地面上的投影面积确定重物覆盖范围；
17.第二危险区域确定模块，所述第二危险区域确定模块根据重物覆盖范围、重物位置以及设定的第二安全距离确定第二危险区域。
18.根据本发明提供的一种塔机作业安全区动态感知系统，所述重物位置获取模块包括，
19.重物变幅距离确定模块，所述重物变幅距离确定模块包括安装在变幅绞车上的第二编码器，用于获取起重绞车的变幅距离作为重物相对于塔机坐标原点的水平距离。
20.根据本发明提供的一种塔机作业安全区动态感知系统，所述重物覆盖范围获取模块包括，
21.摄像头，所述摄像头安装在起重小车上，用于获取下方重物的图像信息；
22.重物高度获取模块，所述重物高度获取模块包括安装在起重绞车上的第三编码器，用于获取重物与起重小车之间的距离作为重物的高度；
23.覆盖范围提取模块，所述覆盖范围提取模块根据图像信息以及重物高度确定重物在地面上的投影面积以此获得重物覆盖范围。
24.根据本发明提供的一种塔机作业安全区动态感知系统，所述施工人员位置获取模块包括，
25.定位模块，所示定位模块被携带于施工人员身上，包括gps定位模块和无线信号发生模块，用于实时将施工人员位置信号发送给安全警示模块。
26.本发明还提供一种塔机作业安全区动态感知方法，所述方法应用于上述的感知系统，包括以下步骤：
27.s1、实时获取吊臂的回转角度，确定吊臂投影在地面上的第一危险区域；
28.s2、实时获取重物覆盖范围、重物的高度、相对于塔机坐标原点的距离以及吊臂回转角度，确定重物投影在地面上的第二危险区域；
29.s3、实时获取施工人员相对于塔机坐标原点的位置坐标，判断施工人员是否处于第一危险区域或是第二危险区域，在施工人员处于第一危险区域或是第二危险区域时，发出警示信号。
30.根据本发明提供的一种塔机作业安全区动态感知方法，所述步骤s1中，确定吊臂投影在地面上的第一危险区域的方法包括：在回转电机上安装第一编码器，记录吊臂的回转角度，根据吊臂的长度、宽度以及设定的第一安全距离确定吊臂覆盖范围，根据吊臂回转角度和吊臂覆盖范围确定第一危险区域。
31.根据本发明提供的一种塔机作业安全区动态感知方法，所述步骤s2中，实时获取重物覆盖范围包括：在起重小车上安装摄像头，通过摄像头获取正下方重物的图像信息；在起重绞车上安装第三编码器，第三编码器记录起重绞车的钢丝绳伸出长度从而得到重物相对起重小车的高度作为重物高度；根据图像信息以及重物高度确定重物在地面上的投影面积，得到重物覆盖范围。
32.根据本发明提供的一种塔机作业安全区动态感知方法，所述步骤s2中，在变幅绞车上安装第二编码器，第二编码器记录起重绞车的变幅距离以此获得重物相对于塔机坐标原点的水平距离；基于吊臂回转角度和重物相对于塔机坐标原点的水平距离可以得到重物相对于塔机坐标原点的位置；基于重物相对于塔机坐标原点的位置、重物的覆盖范围以及设定的第二安全距离确定第二危险区域。
33.本发明的优点有：1、本发明构建了塔机的动态安全作业区，通过实时的获取吊臂覆盖的第一危险区域、重物覆盖的第二危险区域，可以在塔机作业区域内划分出危险区域，并且本发明的危险区域是根据吊臂和重物的移动在实时变化的，通过实时获取施工人员的位置，在施工人员进入到危险区域时发出警示，大幅度提高了塔机作业施工的安全性，而且也不用将整个塔机作业区域都设定为危险警示区域，作业安全区动态感知更为精确，感知范围小，不会影响塔机作业区的施工，对进入塔机作业区的施工人员的安全警示程度高，具有极大的推广价值；
34.2、本发明获取第一危险区域是基于吊臂的长宽，根据吊臂的长宽加上第一设定距离得到吊臂投影在地面上的吊臂覆盖范围，然后基于吊臂的回转角度确定吊臂覆盖范围处在塔机作业区的具体位置，这样就能够得到吊臂对应的第一危险区域，整个确定方法极为简单，能够准确且实时的获取吊臂的覆盖范围，方便对施工人员的警示；
35.3、本发明的获取第二危险区域是基于重物的覆盖范围，然后获取重物的位置，基于重物的位置即可得到重物覆盖范围在塔机作业区所处的位置，得到重物对应的第二危险区域，通过实时感知重物的位置，获取重物覆盖的区域，方便对进入到塔机作业区域的施工人员予以警示；
36.4、本发明获取重物位置的方式极为简单，通过获取吊臂的回转角度以及其中小车的变幅距离，就可以获得重物在塔机作业区域的地面上的投影位置，获得重物的位置非常的准确，能够实时的监测重物的位置，以便于及时的对进入危险区域的施工人员予以警示；
37.5、本发明获取重物覆盖范围的方式极为简单，通过起重小车下方的摄像头获取重物的图像信息，根据图像信息与重物的高度，实际上重物的高度就是重物距离起重小车的距离，这样通过上述距离与图像信息就能够得到重物的覆盖范围，获取的方式简单，不限于重物的结构，获得的重物覆盖范围更加准确；
38.6、本发明通过在施工人员的身上携带定位模块，利用定位模块实时定位施工人员的位置，并将位置信号发送到控制单元，将施工人员的位置信息与第一危险区域和第二危险区域进行比对，就能够很快的分辨出施工人员是否进入到了危险区域。
39.本发明的塔机作业安全区能够进行动态的实时感知，在塔机作业区域划分出吊臂和重物覆盖的危险区域，一旦出现施工人员进入到危险区域的情况就会发出警示，大幅度提高了塔机作业的安全性，具有极大的推广价值。
附图说明
40.图1：本发明的动态感知系统示意图；
41.图2：本发明的第一危险区域和第二危险区域划分示意图；
42.其中：1—塔机；2—吊臂；3—起重小车；4—起重绞车；5—变幅绞车；6—回转电机；7—重物；8—第一编码器；9—第二编码器；10—第三编码器；11—摄像头；12—控制室；13—无线模块；14—声光报警器；15—全站仪；16—安全帽。
具体实施方式
43.下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
45.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
46.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
47.本技术涉及到一种塔机作业安全区动态感知系统，用于塔机作业的安全防护，主要是在施工人员进入到塔机作业区域的非安全区时进行提醒，主要是提醒塔机作业人员，也可以对进入非安全区的施工人员进行提醒。本技术的塔机非安全区或者说是危险区的识别是动态识别的，即本技术是根据塔机吊臂的移动对塔机吊臂和起吊重物在地面上的投影来进行危险区域的识别，对塔机吊臂和起吊重物可能坠落的危险区域进行动态的识别，提高了整个塔机作业施工的安全性，而且危险区域的识别是动态且针对塔机吊臂和起吊重物的，划分的区域比较小，不会影响塔机作业区域的施工。
48.具体的，如图1所示，包括一常规结构的塔机，本技术的塔机1包括吊臂2以及安装在吊臂2上的起重绞车4、变幅绞车5、回转电机6、起重小车3，吊臂2安装在塔机1上可以绕竖向轴线(回转中心)转动，即通过塔机1上的回转电机6驱动吊臂2绕竖向轴线转动，起重小车3通过变幅绞车5可以在吊臂2上沿吊臂2长度方向移动，实现变幅调整。起重小车3上安装有
吊绳，吊绳通过起重绞车4控制，实现重物的竖向移动。
49.为了实现对吊臂2和起吊重物7的危险区域的识别，本技术还包括吊臂危险区域获取模块、重物危险区域获取模块、施工人员位置获取模块和安全警示模块，吊臂危险区域获取模块用于实时获取处于运动状态或是静止状态的吊臂正下方覆盖的第一危险区域；重物危险区域获取模块用于实时获取处于运动状态或是静止状态的重物正下方覆盖的第二危险区域；施工人员位置获取模块用于实时获取施工人员位置，施工人员位置获取模块可以是施工人员携带具有位置坐标获取装置的方式来实现，也可以是通过在塔机作业区域安装图像获取装置进行施工人员识别，以此来获取施工人员坐标信息的方式来实现；安全警示模块用于实时接收施工人员位置信息，并在施工人员进入第一危险区域或是第二危险区域时发出安全警示信号。
50.安全警示模块是整个感知系统的控制模块，用于对吊臂危险区域获取模块、重物危险区域获取模块、施工人员位置获取模块获取的数据进行处理，判断是否有施工人员进入到危险区域内，以便于及时的发出警示信息。
51.实际使用时，塔机在作业过程中，吊臂危险区域获取模块会识别出当前情况下的第一危险区域，重物危险区域获取模块会识别出第二危险区域，施工人员位置获取模块获取进入到塔机作业区域的施工人员的位置坐标，将施工人员的位置坐标与第一危险区域和第二危险区域的位置坐标进行比较，如果施工人员出现在第一危险区域或是第二危险区域，就立即发出警示信息，进行提醒，可以是向塔机作业人员发出警示信息，也可以同时向进入到危险区域的施工人员发出警示信息。
52.在本技术的一些实施例中，本实施例对上述的吊臂危险区域获取模块进行了优化，具体的，吊臂危险区域获取模块包括吊臂覆盖范围获取模块、吊臂回转角度获取模块和第一危险区域确定模块，吊臂覆盖范围获取模块根据吊臂的长、宽以及设定的第一安全距离确定吊臂覆盖范围；吊臂回转角度获取模块包括安装在回转电机上的第一编码器，用于获取吊臂的回转角度；第一危险区域确定模块根据吊臂覆盖范围和吊臂回转角度确定第一危险区域。
53.本实施例的吊臂覆盖范围获取模块存储的吊臂的长、宽和第一安全距离是预先设定好的，吊臂的长、宽是根据吊臂的结构直接得到的，第一安全距离是在吊臂的长、宽两个方向进行水平方向的距离延伸，一般延伸的距离为500mm～1000mm(沿长度方向调节的距离为d，沿宽度方向调节的距离为c，如图2所示，c和d可以是一样的，也可以是不一样的，根据实际需求来设定)，通过吊臂的长宽能够得到吊臂垂直投影到地面上的区域，第一安全距离的设定是为了避免吊臂上的部件坠落造成的安全问题，通过将吊臂的覆盖区域进行扩大，避免了这种坠落造成的安全隐患，如图2所示。
54.吊臂的长、宽和第一安全距离可以得到吊臂在地面上的覆盖范围，在塔机使用过程中，吊臂是绕竖向轴线旋转的，要动态感知，需要对吊臂的回转角度进行确认，即确认当前吊臂处于哪个具体的位置。本实施例在回转电机6上安装第一编码器8，第一编码器8实际上就是角度传感器，用于记录回转电机6旋转角度。实际使用时，将吊臂的回转中心设为原点(通过全站仪15测量得到，如图2所示的o点，全站仪15测量得到的塔机原点直接输入到控制器内，和吊臂的长、宽数据一样的处理模式)，将穿过原点的沿南北方向的直线设为y轴，将穿过原点的东西方向的直线设为x轴，第一编码器8能够得到回转电机6的旋转角度，从而
得到吊臂旋转的角度，相当于可以得到吊臂覆盖范围与x轴或是y轴的夹角，这样就能够得到吊臂覆盖范围在xy平面(xy平面实际上就是地面)内的位置，吊臂覆盖范围与位置的结合实际上就是第一危险区域，如图2所示的a区域。
55.在本技术的进一步实施例中，本实施例对上述的重物危险区域获取模块进行了优化，具体的重物危险区域获取模块包括重物位置获取模块、重物覆盖范围获取模块和第二危险区域确定模块，重物位置获取模块用于获取重物当前相对于塔机坐标原点的位置；重物覆盖范围获取模块用于根据重物在地面上的投影面积确定重物覆盖范围；第二危险区域确定模块根据重物覆盖范围、重物位置以及设定的第二安全距离确定第二危险区域，如图2所示的b区域。
56.实际上确定吊臂对应的第一危险区域和确定重物对应的第二危险区域是同样的方式，即确定吊臂或是重物的覆盖范围，然后确定吊臂或是重物的位置，结合覆盖范围和位置即可得到具体的危险区域。区别在于，吊臂的长和宽是确定的，吊臂的结构是不变的，但是起吊重物的结构是不同的，重物的结构无法预先输入到控制系统中。本实施例设定了专用的重物覆盖范围获取模块去获取重物覆盖范围。
57.在本技术的优选的实施例中，本实施例对上述的重物覆盖范围获取模块进行了优化，具体的重物覆盖范围获取模块包括摄像头11、重物高度获取模块和覆盖范围提取模块，摄像头11安装在起重小车3上，用于获取下方重物的图像信息；重物高度获取模块包括安装在起重绞车4上的第三编码器10，用于获取重物7与起重小车3之间的距离作为重物7的高度；覆盖范围提取模块根据图像信息以及重物高度确定重物7在地面上的投影面积以此获得重物覆盖范围。
58.摄像头11通过螺栓结构安装在起重小车3上，用于获取正下方的图像信息，即获取正下方起吊重物的图像信息，获取的图像信息进行转为灰度图、高斯滤波、边缘检测、膨胀腐蚀、寻找边界和测量宽度，即可得到起吊重物的轮廓、长和宽。图像处理是需要结合重物与起重小车的距离来进行确定，图像处理时，通过重物图像信息的像素点数量与距离之间的关系，即可得到重物的轮廓、长、宽(即对图像信息进行处理后，可以得到轮廓与图像边缘之间的距离，然后根据重物与起重小车之间的距离，即可得到每个像素点对应的单位长度，通过这种方式就可以获得重物的长、宽等信息)。然后在重物的轮廓上进行第二安全距离(如图2所示，沿重物的轮廓进行距离为e的扩张，e的取值为500mm～1000mm)的扩展，即沿水平方向对重物的轮廓进行第二安全距离的扩张，形成的区域即重物覆盖范围。
59.本实施例重物与起重小车的距离是通过第三编码器10来获得，第三编码器10安装在起重绞车4上，第三编码器10实际上就是长度传感器，记录起重绞车3上吊绳的伸出长度，即可获得重物7与起重小车3的距离，吊臂2与地面的高度是确定的，获得重物7与起重小车3的距离，就可以得到重物7距离地面的高度。
60.在本技术的另外一些实施例中，本实施例对上述的重物位置获取模块，重物位置获取模块包括重物变幅距离确定模块，重物变幅距离确定模块包括安装在变幅绞车5上的第二编码器9，用于获取起重绞车5的变幅距离作为重物7相对于塔机1坐标原点的水平距离。
61.第二编码器9安装在变幅绞车5上，为长度传感器，记录起重绞车53的变幅长度，实际上就是记录变幅绞车5牵引绳的伸出长度。
62.当重物覆盖范围确定以后，起重小车3的变幅距离也确定，根据第一编码器8确定吊臂2的回转角度，回转角度和变幅距离能够确定重物在塔机作业区域的具体位置，根据重物在塔机作业区域的具体位置以及重物覆盖范围就可以确定重物对应的第二危险区域，如图2所示的b区域。
63.在本技术的一些实施例中，本实施例对上述的施工人员位置获取模块进行了优化，具体的施工人员位置获取模块包括定位模块，定位模块被携带于施工人员身上，包括gps定位模块和无线信号发生模块，用于实时将施工人员位置信号发送给安全警示模块。本实施例的定位模块是携带于施工人员身上的装置，可以安装在施工人员的安全帽16(如图1所示)上，也可以安装在工作服上，只要能够满足需求即可。
64.在本技术的另外一些实施例中，本实施例在塔机上安装控制室12，控制室12内是整个动态感知系统的控制中枢，控制室12内包括控制器、计算机、无线模块13和声光报警器14，控制器与上述编码器、计算机电连接，将上述编码器所采集的信息传输至计算机进行显示，无线模块13为lora模块，控制器12为epec控制器。
65.本技术还提供一种塔机作业安全区动态感知方法，具体的按照以下步骤进行：
66.s1、实时获取吊臂的回转角度，确定吊臂投影在地面上的第一危险区域；
67.s2、实时获取重物覆盖范围、重物的高度、相对于塔机坐标原点的距离以及吊臂回转角度，确定重物投影在地面上的第二危险区域；
68.s3、实时获取施工人员相对于塔机坐标原点的位置坐标，判断施工人员是否处于第一危险区域或是第二危险区域，在施工人员处于第一危险区域或是第二危险区域时，发出警示信号。
69.在本技术的一些实施例中，本实施例对上述步骤s1中，确定吊臂投影在地面上的第一危险区域的方法进行了优化。具体的，在回转电机上安装第一编码器，记录吊臂的回转角度，根据吊臂的长度、宽度以及设定的第一安全距离确定吊臂覆盖范围，根据吊臂回转角度和吊臂覆盖范围确定第一危险区域，如图2所示。
70.在本技术的另外一些实施例中，本实施例对上述步骤s2中，实时获取重物覆盖范围的方法进行了优化。具体的，在起重小车上安装摄像头，通过摄像头获取正下方重物的图像信息；在起重绞车上安装第三编码器，第三编码器记录起重绞车的钢丝绳伸出长度从而得到重物相对起重小车的高度作为重物高度；根据图像信息以及重物高度确定重物在地面上的投影面积(具体的工作过程在上文已经进行了阐述)，得到重物覆盖范围。
71.在本技术进一步的实施例中，本实施例对上述步骤s2进行了优化，在变幅绞车上安装第二编码器，第二编码器记录起重绞车的变幅距离以此获得重物相对于塔机坐标原点的水平距离；基于吊臂回转角度和重物相对于塔机坐标原点的水平距离可以得到重物相对于塔机坐标原点的位置；基于重物相对于塔机坐标原点的位置、重物的覆盖范围以及设定的第二安全距离确定第二危险区域。
72.本技术的塔机坐标原点指吊臂的回转中心，如图2中的o点，或者说是吊臂回转的轴线与地面的连接点。
73.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。