一种正面吊电线主动防撞预警控制方法与流程

本发明涉及工程机械安全控制，具体为一种正面吊电线主动防撞预警控制方法。

背景技术：

1、正面吊运机（正面吊）广泛应用于港口、铁路货场等集装箱堆场，其作业区域上方或周边常存在架空电线。由于正面吊的吊臂长度可达20米以上，举升高度超过15米，且驾驶室视野受限，操作人员在作业过程中难以准确判断吊臂、吊具与电线之间的实时距离。为此，现有技术中出现了多种防碰撞方案，例如使用单一摄像头进行图像识别并在检测到障碍物时触发声光报警器，或者在吊臂的特定极限位置安装机械挡块、行程开关以限制臂架运动范围。

2、然而，上述现有技术仅能基于当前时刻的静态距离做出被动式报警，无法预判吊臂的运动趋势，当吊臂高速接近线时，预警信号严重滞后，驾驶员往往来不及采取制动措施，难以从根本上避免碰撞事故的发生。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有正面吊电线防撞方案中，仅依赖当前静态距离进行被动报警、缺乏对吊臂运动趋势的动态预判、导致预警严重滞后且无法主动干预的技术问题，而提出的一种正面吊电线主动防撞预警控制方法。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，包括以下步骤：

4、通过视觉传感器、雷达传感器及姿态传感器分别采集电线的图像数据、点云数据以及正面吊的实时姿态参数；

5、将采集的多源数据进行时间同步和空间坐标统一，并对图像数据与点云数据进行深度融合，输出电线的三维空间位置信息及接近速度；

6、根据所述实时姿态参数建立吊臂末端的运动学模型，采用滤波算法预测未来预定时间内的吊臂末端运动轨迹，并计算该预测轨迹与所述三维空间位置信息之间的最小空间距离及其变化率；

7、根据线电压等级、所述接近速度及环境湿度，动态计算包含警告距离、减速距离及锁止距离的三级安全阈值；

8、将所述最小空间距离与三级安全阈值进行比较，并根据比较结果分别执行声光报警、速度限制或定向锁止危险方向动作的控制指令；当所述最小空间距离大于锁止距离且持续时间超过预设阈值时，自动解除所述速度限制及定向锁止指令。

9、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

10、更进一步的，所述深度融合采用雷达优先测距、视觉精细定位的融合策略：由雷达传感器的点云数据提供电线的距离和接近速度，由视觉传感器的图像数据经实例分割后提供电线的几何走向和类型，最终输出带有置信度的线三维包围盒。

11、更进一步的，所述三级安全阈值中的警告距离、减速距离及锁止距离按照以下公式动态计算：

12、

13、其中，为线电压等级对应的基础安全距离，为速度系数，为湿度影响系数，为环境湿度值。

14、更进一步的，所述实时姿态参数包括吊臂俯仰角、吊臂长度、回转角度及吊具高度；所述运动学模型表示为吊臂末端在车体坐标系下的位置函数，对时间求导得到吊臂末端速度和加速度。

15、更进一步的，所述滤波算法采用扩展卡尔曼滤波，构建状态向量，递推预测未来 500ms 至 1500ms 内的吊臂末端运动轨迹。

16、更进一步的，当所述最小空间距离大于锁止距离且小于等于减速距离时，通过can总线发送速度限制指令至正面吊的整车控制器；

17、所述整车控制器根据该速度限制指令限制液压泵的排量，从而将危险方向的最大动作速度降低 50%；

18、其中，所述危险方向基于吊臂末端的预测轨迹与线三维包围盒之间的相对运动学解耦结果确定，包括吊臂俯仰下降方向、吊臂伸长方向或吊臂回转方向中的至少一者。

19、更进一步的，当所述最小空间距离小于等于锁止距离时，通过can总线发送零速锁定指令至对应的液压比例阀控制器，仅锁止导致碰撞风险的危险方向动作，并保留安全方向的作业权限。

20、更进一步的，所述预设阈值为1 秒，且设置滞回区间δd；当所述最小空间距离大于锁止距离与滞回区间之和且持续时间达到 1 秒时，自动解除速度限制及定向锁止指令。

21、更进一步的，还包括：通过看门狗定时器监测控制器的运行状态，并通过数据健康度检查模块实时判断各传感器的数据有效性；

22、当雷达传感器或姿态传感器的数据中断或无效时间超过 100ms 时，自动将所述警告距离、减速距离及锁止距离放大至预设的最保守值，并输出传感器异常提示信息。

23、更进一步的，所述时间同步采用ptp协议通过高精度时钟源为所有传感器授时，确保图像数据、点云数据及实时姿态参数的时间戳误差小于 1ms；

24、所述空间坐标统一为将所有传感器数据转换到以正面吊回转中心为原点的车体坐标系下。

25、与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

26、本发明通过融合视觉与雷达传感器并同步姿态参数，能够实时获取线的三维空间位置及相对接近速度，为动态判断提供了精确的数据基础，克服了单一传感器在复杂工况下测距不准的问题。基于运动学模型和滤波算法对未来吊臂轨迹进行超前预判，并计算最小空间距离及其变化率，使得系统能够在碰撞发生前主动识别风险，彻底改变了传统方案“事后报警”的被动局面。，依据动态计算的三级安全阈值执行分级干预，可在危险接近时主动限速、紧急状态下定向锁止危险方向动作，同时保留安全方向作业权限，并在风险解除后自动复位。由此，本发明实现了从“被动响应”到“主动预判与干预”的跨越，有效解决了预警滞后问题，显著提升了线防撞的安全性和作业连续性。

1.一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，其特征在于，所述深度融合采用雷达优先测距、视觉精细定位的融合策略：由雷达传感器的点云数据提供电线的距离和接近速度，由视觉传感器的图像数据经实例分割后提供电线的几何走向和类型，最终输出带有置信度的线三维包围盒。

3.根据权利要求1所述的一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，其特征在于，所述三级安全阈值中的警告距离、减速距离及锁止距离按照以下公式动态计算：

4.根据权利要求3所述的一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，其特征在于，所述实时姿态参数包括吊臂俯仰角、吊臂长度、回转角度及吊具高度 ；所述运动学模型表示为吊臂末端在车体坐标系下的位置函数，对时间求导得到吊臂末端速度和加速度。

5.根据权利要求4所述的一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，其特征在于，所述滤波算法采用扩展卡尔曼滤波，构建状态向量，递推预测未来500ms 至 1500ms 内的吊臂末端运动轨迹。

6.根据权利要求5所述的一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，其特征在于，当所述最小空间距离大于锁止距离且小于等于减速距离时，通过can总线发送速度限制指令至正面吊的整车控制器；

7.根据权利要求6所述的一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，其特征在于，当所述最小空间距离小于等于锁止距离时，通过can总线发送零速锁定指令至对应的液压比例阀控制器，仅锁止导致碰撞风险的危险方向动作，并保留安全方向的作业权限。

8.根据权利要求7所述的一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，其特征在于，所述预设阈值为1 秒，且设置滞回区间δd；当所述最小空间距离大于锁止距离与滞回区间之和且持续时间达到 1 秒时，自动解除速度限制及定向锁止指令。

9.根据权利要求8所述的一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，其特征在于，还包括：通过看门狗定时器监测控制器的运行状态，并通过数据健康度检查模块实时判断各传感器的数据有效性；

10.根据权利要求9所述的一种正面吊电线主动防撞预警控制方法，其特征在于，所述时间同步采用ptp协议通过高精度时钟源为所有传感器授时，确保图像数据、点云数据及实时姿态参数的时间戳误差小于 1ms；