CN113682966B - 用于智能塔吊的运行数据监控识别系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于智能塔吊的运行数据监控识别系统及其方法，其中吊运阶段识别模块获取塔吊吊运执行机构的运行参数，进而识别出吊运件当前所处的吊运阶段及阶段过渡状态，声波发射控制模块当阶段过渡状态为正在进行阶段过渡时，控制安装于塔吊的吊具上的超声波发射器发出声波信号，空间距离运算模块基于安装于吊具上的超声波接收器接收到的回波信号得到吊具与其附近存在物之间的空间距离，阶段匹配运算模块依据空间距离得到吊具在当前吊运阶段下的环境空间裕度与目标吊运路径中相应阶段的环境空间裕度之间的匹配度，路径修正报警模块在匹配度超出匹配范围时进行吊运路径修正的报警。该系统在路径失效或不合理后进行报警和提示。

Description

用于智能塔吊的运行数据监控识别系统及其方法

技术领域

本申请涉及塔吊设备控制技术领域，特别涉及用于智能塔吊的运行数据监控识别系统及其方法。

背景技术

塔吊，又称塔式起重机，是建筑工地上常用的一种起重设备，作用是吊运施工所需的钢筋、木楞、混凝土、钢管等建材物料。在每次对物料进行吊运之前，吊钩先受滑轮控制下降到物料的上方附近，物料已经承装到堆料区的吊具内或打包到堆料区的吊具上，吊具上套有钢索或连接结构作为吊具的提拉部分，以该提拉部分作为与吊钩套接的媒介，该提拉部分会被搭放到吊钩的内侧钩状表面上，然后吊钩受滑轮控制起升，提拉部分并带动吊具及其内或其上的物料离地上升。

对于智能塔吊来说，在吊运件起吊之前，会根据施工现场的建筑设施、物料摆放等环境场景情况进行吊运路径的规划，预先生成一个安全的吊运件移动路线，并预先确定出塔吊各个执行机构的能够带动吊运件实现该吊运路径的执行动作，当可以进行起吊时，控制执行机构按预先确定出的动作带动吊运件按预订吊运路径移动，直至吊运至指定位置。但在吊运路径规划完成之后到吊运件正式起吊之间会间隔有一定时间，而在该时间内，现场施工环境和场景可能会发生变化，例如在该时间内某建筑设施的顶部外缘新敷设了一排钢筋，由于其发生在路径规划之后，因此路径无法考虑到该钢筋的存在，而钢筋可能与吊运件之间存在相撞的风险，因此如何能够在塔吊吊运过程中通过采集分析数据来对吊运状态进行监控和周围存在物的识别，从而及时地对吊运路径的合理性和有效性进行判断，并在路径失效或不合理后进行报警和提示，是目前亟需解决的问题。

发明内容

基于此，为了及时地对吊运路径的合理性和有效性进行判断，并在路径失效或不合理后进行报警和提示，本申请公开了以下技术方案。

一方面，提供了一种用于智能塔吊的运行数据监控识别系统，包括：

吊运阶段识别模块，用于获取塔吊吊运执行机构的运行参数，进而识别出吊运件当前所处的吊运阶段及阶段过渡状态；

声波发射控制模块，用于当所述阶段过渡状态为正在进行阶段过渡时，控制安装于塔吊的吊具上的超声波发射器发出声波信号；

空间距离运算模块，用于基于安装于吊具上的超声波接收器接收到的回波信号得到吊具与其附近存在物之间的空间距离；

阶段匹配运算模块，用于依据所述空间距离得到吊具在当前吊运阶段下的环境空间裕度与目标吊运路径中相应阶段的环境空间裕度之间的匹配度；

路径修正报警模块，用于在所述匹配度超出匹配范围时进行吊运路径修正的报警。

在一种可能的实施方式中，所述运行参数包括：水平移动速度、水平移动方向、水平移动加速度、竖直移动速度、竖直移动方向、竖直移动加速度、转动速度、转动方向和转动加速度。

在一种可能的实施方式中，所述阶段过渡状态包括进入过渡、正在过渡和过渡后起步。

在一种可能的实施方式中，所述空间距离运算模块包括：

发射时刻获取单元，用于获取所述超声波发射器的声波发射时刻；

包络线生成单元，用于对所述超声波接收器接收到的回波信号进行上侧包络线生成；

波峰时刻获取单元，用于识别出所述包络线的一个或多个极大值，进而得到所述极大值各自对应的波峰时刻；

时间差获取单元，用于基于超声波换能器的性能参数得到回波起升时刻与所述波峰时刻之间的时间差；

返回时长获取单元，用于基于所述发射时刻、所述波峰时刻和所述时间差得到声波返回时长；

空间距离计算单元，用于获取塔吊动作物附近的环境温度，基于所述环境温度和所述声波返回时长得到塔吊动作物与附近存在物之间的距离。

在一种可能的实施方式中，该系统还包括：存在物类型识别模块，用于在得到所述空间距离之后，对所述包络线进行分析得到包络线的特征向量，将所述特征向量输入分类器进行分类，识别出存在物的类型；

所述阶段匹配运算模块在得到所述匹配度时，还依据所述存在物的类型得到所述匹配度。

在一种可能的实施方式中，所述路径修正报警模块包括：

子阶段划分单元，用于将所述正在进行阶段过渡的对应路径按照路径长度划分为多个子阶段；

匹配数量记录单元，用于获取当前正在进行的子阶段的所述匹配度，并将各子阶段的匹配度按照预先划分的匹配度类别进行归类记录；

匹配数量判断单元，用于对已记录匹配度的数量进行判断，在数量超出匹配数量阈值时判定超出匹配范围。

在一种可能的实施方式中，该系统还包括：

感应电压获取模块，用于获取安装于塔吊平衡臂上的感应线圈的感应电压；

补偿电压获取模块，用于计算出安装于塔吊起重臂上的补偿线圈的补偿电流理论值，该电流理论值使得补偿线圈与由塔吊与地形成的受体线圈之间产生的互感系数在塔吊上产生与所述感应电压反相的补偿电压；

补偿电流输出模块，用于按所述电流理论值输出给所述补偿线圈。

另一方面，还提供了一种用于智能塔吊的运行数据监控识别方法，包括：

获取塔吊吊运执行机构的运行参数，进而识别出吊运件当前所处的吊运阶段及阶段过渡状态；

当所述阶段过渡状态为正在进行阶段过渡时，控制安装于塔吊的吊具上的超声波发射器发出声波信号；

基于安装于吊具上的超声波接收器接收到的回波信号得到吊具与其附近存在物之间的空间距离；

依据所述空间距离得到吊具在当前吊运阶段下的环境空间裕度与目标吊运路径中相应阶段的环境空间裕度之间的匹配度；

在所述匹配度超出匹配范围时进行吊运路径修正的报警。

在一种可能的实施方式中，所述运行参数包括：水平移动速度、水平移动方向、水平移动加速度、竖直移动速度、竖直移动方向、竖直移动加速度、转动速度、转动方向和转动加速度。

在一种可能的实施方式中，所述阶段过渡状态包括进入过渡、正在过渡和过渡后起步。

在一种可能的实施方式中，所述基于安装于吊具上的超声波接收器接收到的回波信号得到吊具与其附近存在物之间的空间距离，包括：

获取所述超声波发射器的声波发射时刻；

对所述超声波接收器接收到的回波信号进行上侧包络线生成；

识别出所述包络线的一个或多个极大值，进而得到所述极大值各自对应的波峰时刻；

基于超声波换能器的性能参数得到回波起升时刻与所述波峰时刻之间的时间差；

基于所述发射时刻、所述波峰时刻和所述时间差得到声波返回时长；

获取塔吊动作物附近的环境温度，基于所述环境温度和所述声波返回时长得到塔吊动作物与附近存在物之间的距离。

在一种可能的实施方式中，在得到所述空间距离之后，还对所述包络线进行分析得到包络线的特征向量，将所述特征向量输入分类器进行分类，识别出存在物的类型；

在得到所述匹配度时，还依据所述存在物的类型得到所述匹配度。

在一种可能的实施方式中，所述在所述匹配度超出匹配范围时进行吊运路径修正的报警，包括：

将所述正在进行阶段过渡的对应路径按照路径长度划分为多个子阶段；

获取当前正在进行的子阶段的所述匹配度，并将各子阶段的匹配度按照预先划分的匹配度类别进行归类记录；

对已记录匹配度的数量进行判断，在数量超出匹配数量阈值时判定超出匹配范围。

在一种可能的实施方式中，该方法还包括：

获取安装于塔吊平衡臂上的感应线圈的感应电压；

计算出安装于塔吊起重臂上的补偿线圈的电流理论值，该电流理论值使得补偿线圈与由塔吊与地形成的受体线圈之间产生的互感系数在塔吊上产生与所述感应电压反相的补偿电压；

按所述电流理论值输出给所述补偿线圈。

本申请公开的用于智能塔吊的运行数据监控识别系统及其方法，通过对塔吊的运行数据进行监控，识别出吊运件在吊运路径上的位置和所处阶段，并通过在易受到场景变化影响的阶段进行超声波检测得到吊运件在吊运路径的该阶段处的可动空间距离范围，将以该距离范围为主要因素的环境空间裕度与规划吊运路径时的预期环境空间裕度进行对比，由此得出吊运路径的有效性以及碰撞风险大小，并有针对性地发出失效提示报警或碰撞提示报警，避免了由于吊运路径的实施滞后性导致吊运件因吊运路径附近的环境和场景变化带来的碰撞风险。

附图说明

以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本申请，而不能理解为对本申请的保护范围的限制。

图1是本申请公开的用于智能塔吊的运行数据监控识别系统实施例的结构框图。

图2是超声波返回时长的示意图。

图3是本申请公开的用于智能塔吊的运行数据监控识别方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

下面参考图1-图2详细描述本申请公开的用于智能塔吊的运行数据监控识别系统实施例。如图1所示，本实施例公开的运行数据监控识别系统主要包括有：吊运阶段识别模块、声波发射控制模块、空间距离运算模块、阶段匹配运算模块和路径修正报警模块。

吊运阶段识别模块用于获取塔吊吊运执行机构的运行参数，进而识别出吊运件当前所处的吊运阶段及阶段过渡状态。

吊运件指的是装载有物料的吊具，物料可以是圆钢管柱、工字钢、水泥包、砖瓦、玻璃、水管、罐装涂料、机械设备等，而吊具可以采用木制托盘或钢制托盘，或者采用木质箱体或钢制箱体。

塔吊的吊运执行机构主要包括滑轮、变幅小车、回转机构等带动吊运件进行升降、平移等空间移动的设备和组件，而执行机构的运行参数主要是指与与吊运件预期运动相关的参数，可以包括水平移动速度、水平移动方向和水平移动加速度（对于变幅小车），或可以包括竖直移动速度、竖直移动方向和竖直移动加速度（对于滑轮），或可以包括转动速度、转动方向和转动加速度（对于回转机构）等等。

吊运阶段指的是各执行机构按动作次序进行动作进而带动吊运件移动的阶段，例如从吊运件开始吊运直至到达指定位置可以包括起升阶段、第一平移阶段、水平转向阶段、第二平移阶段、下降阶段共五个阶段，执行机构动作次序为滑轮、变幅小车、回转机构、变幅小车、滑轮。

在吊运件被吊运之前，吊运件的吊运路径以及执行机构的动作次序均已经通过运算而预先得出了，因此吊运件在实际吊运过程中实际上就是在执行机构动作次序的作用下按照预先得出的吊运路径移动，而执行机构的动作执行过程也会进行相应的记录，因此可以通过将当前执行机构的运行参数与预定执行的动作任务进行比对，从而识别出当前处于哪个吊运阶段，例如当前的运行参数中，只有水平移动速度和水平移动方向的参数不为零，并且这是第二次不为零，因此当前处于第二平移阶段。

通常情况下，吊运过程会涉及到多个吊运阶段，也就是涉及到多个执行机构互相配合，而不同吊运阶段也由不同执行机构负责，相邻的吊运阶段也由不同执行机构负责，因此阶段之间也就存在有阶段过渡，也就产生有阶段过渡状态。阶段过渡状态相当于吊运阶段之间的切换状况，可以包括进入过渡、正在过渡、过渡后起步等状态。其中，进入过渡指的是吊运件即将到达当前吊运阶段中的位于吊运路径上的过渡位置，此时当前吊运阶段的执行机构可能已经开始降速；正在过渡指的是当前吊运阶段的执行机构运行参数将至零并启动下一吊运阶段的执行机构，过渡后起步指的是下一吊运阶段的相应执行机构正在起步加速。

以下以过渡后起步的阶段过渡状态为例说明：由于吊运路径是预先生成好的，因此可以通过对执行机构运行参数的分析得出当前处于吊运阶段的何种过渡状态，例如通过变幅小车的运行参数识别出吊具当前处于平移阶段，并且通过水平移动速度或水平移动加速度可知其正在处于进入该阶段后的第一次加速状态，说明当前正处于刚刚从上一吊运阶段（如起升阶段）进入当前吊运阶段（平移阶段），也就是过渡后起步的状态。

声波发射控制模块用于当所述阶段过渡状态为正在进行阶段过渡时，控制安装于塔吊的吊具上的超声波发射器发出声波信号。

由于建筑工地的施工现场为一片空间较为复杂的区域，可能存在建筑装修作业区、建筑本体结构搭建作业区、基坑围护作业区、土方开挖作业区、桩基施工作业区、物料存储区、吊具存储区、材料加工区、人员办公区、人员生活区等等多种区域，不同区域的功能不同，而在吊运过程中，从起吊位置到放置位置的吊运过程中可能会途经一些存在物，例如在空中途经其他施工建筑、在起吊时两侧的其他物料、在下降时附近的其他结构等等，其中的存在物指的是占据一定空间的实体物体，而这些存在物就是潜在的障碍物。在预先规划吊运路径时，会对这些障碍物因素进行排除，规划出不会发生与其他存在物相撞并且吊运件与周围存在物之间尽量存在较多空间距离的路径作为吊运路径。

但为了保证塔吊执行机构确实能够使带动吊运件按照吊运路径执行，也为了避免由于实际吊运发生时间滞后于吊运路径的规划时间使得实际吊运场景与规划路径时的场景有所变化进而导致吊运路径变得不合理但无法察觉，因此还需要通过额外的检测手段对吊运路径的周围环境进行检测，以确保不会由于执行错误或者由于施工现场场景变化使得吊运路径不再适用而发生与存在物相撞的风险。

本实施例采用的额外检测手段为超声波检测，超声波是一种频率高于20000Hz（赫兹）的声波，它的方向性好，反射能力强，易于获得较集中的声能。具体检测方式为，在塔吊的吊具上安装超声波发射器和超声波接收器，通过发出超声波信号来测量吊具与环境中存在物之间的距离，以此来判断吊运路径在当前环境下是否依旧具有适用性。其中，超声波发射器为一种超声波换能器，超声波换能器能够将电能转换为声能，也可以将声能转换为电能，由此实现发射和接收超声波信号，超声换能器可以是收发两用的换能器，例如压电式换能器。

并且，本实施例只在进行阶段过渡时利用超声波进行与附近存在物之间的距离检测，因为虽然吊运路径存在滞后性，但其毕竟不会滞后很久，并且现场施工场景也不会在短时间内发生剧变，以及场景的变化需要建立在已有存在物的基础上，而阶段过渡的过渡位置的设置则与存在物具有关联关系，例如规划吊运路径时由于吊运件需要途经一侧的施工建筑，因此规划为先从空旷环境平移至某临近建筑侧壁的位置，然后转向至另一位置，最后再次平移，在此过程中，正在进行阶段过渡时的吊运路径最需要关注，因为在各吊运阶段的路径中间部分通常为正常的匀速运动并均发生于环境较为空旷的场景，吊具受场景变化导致的相撞风险很低，但吊运阶段的首尾部分，也就是阶段过渡部分时，可能发生于环境中存在有其他存在物的场景，此时由于存在物可能发生新的变化，使得吊具受场景变化导致的相撞风险较高一些，因此针对阶段过渡部分进行超声波检测。

空间距离运算模块用于基于安装于吊具上的超声波接收器接收到的回波信号得到吊具与其附近存在物之间的空间距离。

超声波接收器采用与超声波发射器相同类型的超声波换能器。通过对超声波的发射时间和回波的接收时间进行运算，能够得到吊具与附近存在物之间的空间距离大小，例如在转向阶段至下降阶段之间的进入过渡的阶段过渡状态下，吊具和吊具由于转向而逐渐靠近的建筑物侧壁之间的空间距离。

阶段匹配运算模块用于依据所述空间距离得到吊具在当前吊运阶段下的环境空间裕度与目标吊运路径中相应阶段的环境空间裕度之间的匹配度。

环境空间裕度指的是吊运件的最大可动空间范围。在规划吊运路径时，其中一个影响因素就是路径的环境空间裕度，因为吊运件在沿吊运路径移动的过程中，可能会因为自身惯性而产生偏摆运动，也就是吊运件的重心与执行机构之间发生沿加速度方向的相对移动，还可能会受到气流影响而发生偏摆运动，也就是说，吊运件可能不会严格按照吊运路径移动，而是会在移动过程中由于偏摆运动、执行机构的误差等原因而与路径具有一定距离误差，因此需要环境空间裕度来容纳这些误差的存在，否则若将吊运路径规划为紧贴这建筑物侧壁移动，则非常容易导致吊运件与建筑物的相撞。

对于吊运路径规划过程中在路径不同位置处的环境空间裕度，系统内均留有记录，将吊运件在当前吊运阶段的当前阶段过渡状态下与周围存在物之间的空间距离作为吊运件当前的环境空间裕度，并在记录中确定出吊运件在该吊运阶段的该阶段过渡状态下的环境空间裕度，将该两个环境空间裕度进行对比，得出裕度匹配度。

空间裕度之间的匹配度具体可以通过空间距离之间的差值以及超声波检测时真正的空间距离来得到，例如在规划吊运路径时，某位置处的空间距离理论上为X1，但在实际通过超声波检测时发现空间距离减小为X2米，则获取X1与X2之差的绝对值，将该绝对值的大小与预设阈值进行比较，若超出阈值则说明空间距离变化较大，可能导致吊运路径的失效，也就是使得吊运路径的周围环境与预期的有所不同，这些不同是有可能导致吊运路径变为有障碍物遮挡的错误路径的；而若检测得到的真正空间距离小于预设的距离阈值，则说明吊运件此时与存在物距离已经很近了，有可能会导致相撞，因此可以将匹配度分为三档，在绝对值超出预设阈值以及真正距离小于距离阈值这两个项目中，若两者均不满足则认为两者匹配度为高匹配度，若真正距离小于距离阈值则认为两者匹配度为低匹配度，若真正距离未小于距离阈值但绝对值超出预设阈值则认为两者匹配度为中匹配度。

路径修正报警模块用于在所述匹配度超出匹配范围时进行吊运路径修正的报警。

裕度匹配度能够反映出从规划吊运路径时刻至实际吊运时刻的过程中施工场景的变化程度，匹配度越低，则场景变化越大。匹配范围是用来判断施工场景的变化程度是否可能引发吊运碰撞事故，若未超出匹配范围，则可能只是由于执行机构的误差、吊运件的偏摆或施工场景的变化不足以对吊运件产生影响（存在物即使变化也因为距离较远而不对吊运发生影响），因此可继续按吊运任务和路径执行吊运；若超出匹配范围，则说明施工场景的变化能够显著影响到吊运（存在物本身距离吊运路径较近因此一些变化会显著增加碰撞风险），或者说明施工场景的变化虽然依旧不会影响吊运但是场景变化过大使得后续的吊运路径可能会出现失效、碰撞的风险。因此需要进行报警来提示路径修改甚至控制执行机构停止运行避免发生事故。

假设规划吊运路径时，吊运路径在A位置处的环境空间裕度较大，A位置处于吊运路径中的两吊运阶段之间的进入过渡状态中的一个位置点，由于施工场景的更新和变化，A位置附近的建筑物顶部向外构建了一排小型钢筋，因此存在物的空间占有范围变大，导致实际按照吊运路径执行时，吊运件与存在物之间的空间距离变小，也就是环境空间裕度变小。

若环境空间裕度的减小量很大，但环境空间裕度依旧很大并且不会导致吊运件与存在物之间的相撞风险上升（此时存在物变为障碍物），则此种情况对应高匹配度，需要向系统发出吊运路径修正的报警，以提示吊运路径已经失效的风险。

若环境空间裕度的减小量无论大小均已经导致吊运件与存在物之间的相撞风险上升，例如若因吊运件的惯性而发生偏摆或受气流影响发生偏摆时可能会发生与存在物之间的相撞，或者吊运路径失效，则此种情况对应中匹配度，需要向系统发出吊运路径修正的报警，以提示有碰撞的风险。

若环境空间裕度的减小量导致可判断出即使不考虑偏摆的情况下吊运件与存在物也必然会发生相撞事故（此时存在物变为障碍物），则此种情况对应低匹配度，需要控制当前吊运执行机构停止当前动作同时向系统发出吊运路径修正的报警，以避免相撞事故的发生以及选择其他路径完成吊运任务。

具体的关于吊运件与存在物之间的相撞风险的判断，以及是否会必然发生相撞事故的判断，均可以通过与规划吊运路径时相同的手段进行相应判断，或者通过空间距离运算模块算出的空间距离进行直接判断。

本实施例通过对塔吊的运行数据进行监控，识别出吊运件在吊运路径上的位置和所处阶段，并通过在易受到场景变化影响的阶段进行超声波检测得到吊运件在吊运路径的该阶段处的可动空间距离范围，将以该距离范围为主要因素的环境空间裕度与规划吊运路径时的预期环境空间裕度进行对比，由此得出吊运路径的有效性以及碰撞风险大小，并有针对性地发出失效提示报警或碰撞提示报警，避免了由于吊运路径的实施滞后性导致吊运件因吊运路径附近的环境和场景变化带来的碰撞风险。

在一种实施方式中，所述空间距离运算模块包括：发射时刻获取单元、包络线生成单元、波峰时刻获取单元、时间差获取单元、返回时长获取单元和空间距离计算单元。

发射时刻获取单元用于获取所述超声波发射器的声波发射时刻t_发。

包络线生成单元用于对所述超声波接收器接收到的回波信号进行上侧包络线生成。

发射的超声波可以采用矩形波、三角波、正弦波等任意一种波形作为脉冲信号的波形，而无论采用何种波形，接收到的回波信号均是以上升为起始，以下降为结束，并且信号波形的上下两侧对称，因此对该信号进行上侧的包络，得到平滑曲线，该平滑曲线的形状类似于正弦波形。

波峰时刻获取单元用于识别出所述包络线的一个或多个极大值，进而得到所述极大值各自对应的波峰时刻t_峰。

极大值就是上述平滑曲线的顶点，若吊运件附近存在多个存在物时，则会存在多段回波信号，各段回波信号的接收时间通常各不相同，因此各回波信号不会混杂在一起，顶点也就可以通过极大值直接识别出来。由于极大值的位置容易识别，因此通过极大值位置处对应的时刻作为基础来计算声波返回时间。

时间差获取单元用于基于超声波换能器的性能参数得到回波起升时刻与所述波峰时刻之间的时间差t_偏。

超声波发射器和接收器均可以采用压电式换能器，而其性能参数可以包括谐振频率f和回波信号中上升段包含的脉冲周期数量Np，其中，谐振频率反应谐振性能，谐振频率越高则能量衰减率就越大；回波信号中上升段包含的脉冲周期数量同样为换能器的一种性能参数，其表达了从接收到回波开始需要经历多少个脉冲信号才能到达波峰，也就是平滑曲线顶点。具体的，时间差t_偏可以通过以下公式计算：t_偏=Np/f。

返回时长获取单元用于基于所述发射时刻、所述波峰时刻和所述时间差得到声波返回时长t_往返。

声波返回时长指的是从发射器发射声波开始至回波到达接收器的耗时，具体的，如图2所示，声波返回时长t_往返可以通过以下公式计算：t_往返=t_峰-t_发-t_偏。

空间距离计算单元用于获取塔吊动作物附近的环境温度temp，基于所述环境温度和所述声波返回时长得到塔吊动作物与附近存在物之间的距离。

得知返回时长后，即可依据该时长和超声波在空气中的传播速度计算吊运件与附近存在物之间的空间距离，具体的，空间距离Dis可以通过以下公式计算：Dis=165.725*t_往返+0.303*t_往返*temp。可以理解的是，当吊运件附近的存在物有多个时，同一时刻发射的超声波会返回多个回波，由于多个存在物与吊运件之间的距离不同，因此该多个回波的波峰时刻t_峰不同，时间差t_偏也就不同，声波返回时长t_往返也会不同，最终算出的空间距离也就不同。

在一种实施方式中，该系统还包括存在物类型识别模块，用于在得到所述空间距离之后，对所述包络线进行分析得到包络线的特征向量，将所述特征向量输入分类器进行分类，识别出存在物的类型。其中，所述特征向量包括时频特征、曲线特征和能量特征。

时频特征可以包括峭度系数、波形系数、脉冲系数和峰值系数，这些系数均可以通过基础的时频数据算出。其中峭度系数可以由包络线幅值的峭度与均方根四次方的商得到，波形系数可以由包络线幅值的均方根与平均值的商得到，脉冲系数可以由包络线幅值的峰值与平均值的商得到，峰值系数可以由包络线幅值的峰值与均方根的商得到。

曲线特征可以包括半峰宽、升降时间和升降面积，其中，半峰宽指的是幅值为波峰一半时的直线与包络线相交的两点之间在时间上的宽度，升降时间指的是幅值从10%波峰上升到90%波峰过程中在时间上的宽度以及幅值从90%波峰下降到10%波峰过程中在时间上的宽度，升降面积为由升降时间形成的竖线所截取的包络线与X轴之间的面积。

能量特征可以通过小波包分解、经验模态分解或其他分解方式进行分析提取后得到。

将上述时频特征、曲线特征和能量特征作为特征向量输入预先训练好的分类器，识别出存在物的类型，例如识别出存在物为水泥墙面、钢立柱等。

另外，所述阶段匹配运算模块在得到所述匹配度时，还依据所述存在物的类型得到所述匹配度。

也就是说，阶段匹配运算模块可以同时依据空间距离和存在物类型进行匹配度的计算，匹配度除了表达在空间裕度上是否匹配外，还表达在环境变化上是否匹配，其中，匹配度中的空间裕度匹配部分的作用是判断吊运件与周围存在物之间的碰撞风险，而环境变化匹配部分的作用是判断吊运路径在规划时和在当前吊运时的有效性是否变化，因为吊运路径规划的一个重要因素就是周围的环境物的类型，而周围环境物的类型变化也表明了影响吊运路径规划的因素有所改变，这可能会对吊运路径的有效性产生影响，因此可能存在吊运路径在后续过程中出现失效、碰撞的风险。

在一种实施方式中，所述路径修正报警模块包括：子阶段划分单元、匹配数量记录单元和匹配数量判断单元。

子阶段划分单元用于将所述正在进行阶段过渡的对应路径按照路径长度划分为多个子阶段。

正在进行阶段过渡的过程包含了具有一段长度的路径，则需要先将该段路径分割为多个子路径，也就是子阶段。

匹配数量记录单元用于获取当前正在进行的子阶段的所述匹配度，并将当前的正在进行阶段过渡的状态包含的各子阶段的匹配度按照预先划分的匹配度类别进行归类记录。

以子阶段为单位进行匹配度的获取和判断，并且会同时依据空间裕度和存在物类型进行匹配度的获取和判断。预先划分的匹配度类别是用于划分匹配度大小的类别，例如可以划分为三类，高类、中类和低类。

假设当前处于进入过渡阶段，而进入过渡阶段包含有20个子阶段，当前吊运件正处于第9个子阶段，该9个子阶段均为高匹配度，则高中低三类的记录数量分别为9、0、0。

匹配数量判断单元用于对已记录匹配度的数量进行判断，在数量超出匹配数量阈值时判定超出匹配范围。

系统预先设置有不同的超出匹配范围的模型，例如假设低匹配度的记录数量大于0，则认为当前的正在进行阶段过渡的整个阶段与吊运路径的相应阶段的匹配度为低匹配度，需要控制当前吊运执行机构停止当前动作同时向系统发出吊运路径修正的报警，以避免相撞事故的发生以及选择其他路径完成吊运任务；假设低匹配度的记录数量为0且中匹配度的记录数量超出5/Y，Y为子阶段的数量，则当前的正在进行阶段过渡的整个阶段与吊运路径的相应阶段的匹配度为中匹配度，需要向系统发出吊运路径修正的报警，以提示有碰撞的风险；假设低匹配度的记录数量为0且中匹配度的记录数量未超出5/Y，则当前的正在进行阶段过渡的整个阶段与吊运路径的相应阶段的匹配度为高匹配度，需要向系统发出吊运路径修正的报警，以提示吊运路径已经失效的风险。

在一种实施方式中，该系统还包括：感应电压获取模块、补偿电压获取模块和补偿电流输出模块。

感应电压获取模块用于获取安装于塔吊平衡臂上的感应线圈的感应电压。

塔吊的平衡臂上可以安装有感应线圈，例如吊挂在平衡臂下侧，用于感应施工现场附近具有强磁场时塔吊受该磁场影响产生的感应电压，由感应电压获取模块获取到该感应电压。

补偿电压获取模块用于计算出安装于塔吊起重臂上的补偿线圈的补偿电流理论值，该电流理论值使得补偿线圈与由塔吊与地形成的受体线圈之间产生的互感系数在塔吊上产生与所述感应电压反相的补偿电压。

为了减小该感应电压对塔吊的信号传送产生的干扰和噪声，塔吊起重臂上可以安装有一补偿线圈，例如固定在起重臂上侧，用于输出补偿电流来消除掉该感应电压，进而消除由其产生干扰和噪声。而关键点就在于补偿电流I的数值计算。补偿电流理论值I具体可通过以下公式计算：

其中，U_感为感应线圈感应到的感应电压，A_受为受体线圈的面积，A_感为感应线圈的面积，M_感-补为感应线圈与补偿线圈之间的互感系数，T为感应线圈的匝数，M_补-受为补偿线圈与受体线圈之间的互感系数。

补偿电流输出模块用于按所述电流理论值输出给所述补偿线圈。

在经过信号采样、交流-直流转换、逆变等操作，将补偿电流理论值输出到补偿线圈，补偿线圈通过补偿电流理论值产生与受体线圈上的感应电压反相且大小相等的补偿电压，抵消了感应电压的存在，进而消除对塔吊控制信号的干扰和影响。

下面参考图3详细描述本申请公开的用于智能塔吊的运行数据监控识别方法实施例。本实施例是用于实施前述运行数据监控识别系统系统实施例的方法。

如图3所示，本实施例公开的方法包括如下步骤：

步骤100，获取塔吊吊运执行机构的运行参数，进而识别出吊运件当前所处的吊运阶段及阶段过渡状态；

步骤200，当所述阶段过渡状态为正在进行阶段过渡时，控制安装于塔吊的吊具上的超声波发射器发出声波信号；

步骤300，基于安装于吊具上的超声波接收器接收到的回波信号得到吊具与其附近存在物之间的空间距离；

步骤400，依据所述空间距离得到吊具在当前吊运阶段下的环境空间裕度与目标吊运路径中相应阶段的环境空间裕度之间的匹配度；

步骤500，在所述匹配度超出匹配范围时进行吊运路径修正的报警。

在一种实施方式中，所述运行参数包括：水平移动速度、水平移动方向、水平移动加速度、竖直移动速度、竖直移动方向、竖直移动加速度、转动速度、转动方向和转动加速度。

在一种实施方式中，所述阶段过渡状态包括进入过渡、正在过渡和过渡后起步。

在一种实施方式中，所述基于安装于吊具上的超声波接收器接收到的回波信号得到吊具与其附近存在物之间的空间距离，包括：

获取所述超声波发射器的声波发射时刻；

对所述超声波接收器接收到的回波信号进行上侧包络线生成；

识别出所述包络线的一个或多个极大值，进而得到所述极大值各自对应的波峰时刻；

基于超声波换能器的性能参数得到回波起升时刻与所述波峰时刻之间的时间差；

基于所述发射时刻、所述波峰时刻和所述时间差得到声波返回时长；

获取塔吊动作物附近的环境温度，基于所述环境温度和所述声波返回时长得到塔吊动作物与附近存在物之间的距离。

在一种实施方式中，在得到所述空间距离之后，还对所述包络线进行分析得到包络线的特征向量，将所述特征向量输入分类器进行分类，识别出存在物的类型；

在得到所述匹配度时，还依据所述存在物的类型得到所述匹配度。

在一种实施方式中，所述在所述匹配度超出匹配范围时进行吊运路径修正的报警，包括：

将所述正在进行阶段过渡的对应路径按照路径长度划分为多个子阶段；

获取当前正在进行的子阶段的所述匹配度，并将各子阶段的匹配度按照预先划分的匹配度类别进行归类记录；

对已记录匹配度的数量进行判断，在数量超出匹配数量阈值时判定超出匹配范围。

在一种实施方式中，该方法还包括：

获取安装于塔吊平衡臂上的感应线圈的感应电压；

计算出安装于塔吊起重臂上的补偿线圈的电流理论值，该电流理论值使得补偿线圈与由塔吊与地形成的受体线圈之间产生的互感系数在塔吊上产生与所述感应电压反相的补偿电压；

按所述电流理论值输出给所述补偿线圈。

在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序等。

本文中的模块、单元或组件的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，在实际实现时可以有其他的划分方式，例如多个模块和/或单元可以结合或集成于另一个系统中。作为分离部件说明的模块、单元、组件在物理上可以是分开的，也可以是不分开的。作为单元显示的部件可以是物理单元，也可以不是物理单元，即可以位于一个具体地方，也可以分布到网格单元中。因此可以根据实际需要选择其中的部分或全部的单元来实现实施例的方案。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于智能塔吊的运行数据监控识别系统，其特征在于，包括：

吊运阶段识别模块，用于获取塔吊吊运执行机构的运行参数，进而识别出吊运件当前所处的吊运阶段及阶段过渡状态；

声波发射控制模块，用于当所述阶段过渡状态为正在进行阶段过渡时，控制安装于塔吊的吊具上的超声波发射器发出声波信号；

空间距离运算模块，用于基于安装于吊具上的超声波接收器接收到的回波信号得到吊具与其附近存在物之间的空间距离；

阶段匹配运算模块，用于依据所述空间距离得到吊具在当前吊运阶段下的环境空间裕度与目标吊运路径中相应阶段的环境空间裕度之间的匹配度；

路径修正报警模块，用于在所述匹配度超出匹配范围时进行吊运路径修正的报警。

2.如权利要求1所述的运行数据监控识别系统，其特征在于，所述空间距离运算模块包括：

发射时刻获取单元，用于获取所述超声波发射器的声波发射时刻；

包络线生成单元，用于对所述超声波接收器接收到的回波信号进行上侧包络线生成；

波峰时刻获取单元，用于识别出所述包络线的一个或多个极大值，进而得到所述极大值各自对应的波峰时刻；

时间差获取单元，用于基于超声波换能器的性能参数得到回波起升时刻与所述波峰时刻之间的时间差；

返回时长获取单元，用于基于所述发射时刻、所述波峰时刻和所述时间差得到声波返回时长；

空间距离计算单元，用于获取塔吊吊具附近的环境温度，基于所述环境温度和所述声波返回时长得到塔吊吊具与附近存在物之间的距离。

3.如权利要求2所述的运行数据监控识别系统，其特征在于，该系统还包括：存在物类型识别模块，用于在得到所述空间距离之后，对所述包络线进行分析得到包络线的特征向量，将所述特征向量输入分类器进行分类，识别出存在物的类型；

所述阶段匹配运算模块在得到所述匹配度时，还依据所述存在物的类型得到所述匹配度。

4.如权利要求3所述的运行数据监控识别系统，其特征在于，所述路径修正报警模块包括：

子阶段划分单元，用于将所述正在进行阶段过渡的对应路径按照路径长度划分为多个子阶段；

匹配数量记录单元，用于获取当前正在进行的子阶段的所述匹配度，并将各子阶段的匹配度按照预先划分的匹配度类别进行归类记录；

匹配数量判断单元，用于对已记录匹配度的数量进行判断，在数量超出匹配数量阈值时判定超出匹配范围。

5.如权利要求1所述的运行数据监控识别系统，其特征在于，该系统还包括：

感应电压获取模块，用于获取安装于塔吊平衡臂上的感应线圈的感应电压；

补偿电压获取模块，用于计算出安装于塔吊起重臂上的补偿线圈的补偿电流理论值，该补偿电流理论值使得补偿线圈与由塔吊与地形成的受体线圈之间产生的互感系数在塔吊上产生与所述感应电压反相的补偿电压；

补偿电流输出模块，用于按所述补偿电流理论值输出给所述补偿线圈。

6.一种用于智能塔吊的运行数据监控识别方法，其特征在于，包括：

获取塔吊吊运执行机构的运行参数，进而识别出吊运件当前所处的吊运阶段及阶段过渡状态；

当所述阶段过渡状态为正在进行阶段过渡时，控制安装于塔吊的吊具上的超声波发射器发出声波信号；

基于安装于吊具上的超声波接收器接收到的回波信号得到吊具与其附近存在物之间的空间距离；

依据所述空间距离得到吊具在当前吊运阶段下的环境空间裕度与目标吊运路径中相应阶段的环境空间裕度之间的匹配度；

在所述匹配度超出匹配范围时进行吊运路径修正的报警。

7.如权利要求6所述的运行数据监控识别方法，其特征在于，所述基于安装于吊具上的超声波接收器接收到的回波信号得到吊具与其附近存在物之间的空间距离，包括：

获取所述超声波发射器的声波发射时刻；

对所述超声波接收器接收到的回波信号进行上侧包络线生成；

识别出所述包络线的一个或多个极大值，进而得到所述极大值各自对应的波峰时刻；

基于超声波换能器的性能参数得到回波起升时刻与所述波峰时刻之间的时间差；

基于所述发射时刻、所述波峰时刻和所述时间差得到声波返回时长；

获取塔吊吊具附近的环境温度，基于所述环境温度和所述声波返回时长得到塔吊吊具与附近存在物之间的距离。

8.如权利要求7所述的运行数据监控识别方法，其特征在于，在得到所述空间距离之后，还对所述包络线进行分析得到包络线的特征向量，将所述特征向量输入分类器进行分类，识别出存在物的类型；

在得到所述匹配度时，还依据所述存在物的类型得到所述匹配度。

9.如权利要求8所述的运行数据监控识别方法，其特征在于，所述在所述匹配度超出匹配范围时进行吊运路径修正的报警，包括：

将所述正在进行阶段过渡的对应路径按照路径长度划分为多个子阶段；

获取当前正在进行的子阶段的所述匹配度，并将各子阶段的匹配度按照预先划分的匹配度类别进行归类记录；

对已记录匹配度的数量进行判断，在数量超出匹配数量阈值时判定超出匹配范围。

10.如权利要求6所述的运行数据监控识别方法，其特征在于，该方法还包括：

获取安装于塔吊平衡臂上的感应线圈的感应电压；

计算出安装于塔吊起重臂上的补偿线圈的电流理论值，该电流理论值使得补偿线圈与由塔吊与地形成的受体线圈之间产生的互感系数在塔吊上产生与所述感应电压反相的补偿电压；

按所述电流理论值输出给所述补偿线圈。

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