CN118999528A - 基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法与系统。所述系统包括至少1个北斗高精度定位传感器、1个加速度计、1个陀螺仪、1个磁力计、1个吊臂长度检测装置、1个数据处理模块，通过北斗高精定位传感器实时采集施工吊车吊臂前端的三维空间位置，通过惯性导航传感器采集施工吊车吊臂底部的实时位置，获取施工吊车作业过程中全方位位置信息。所述方法包括安装北斗高精度定位传感器、安装惯性导航传感器、建立传感器与数据处理模块之间的通信、数据采集与传输等步骤，实现施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹的精准获取。本发明能够减少北斗高精度定位传感器的配置数量，在实现同样效果的情况下，有效降低成本。

Description

基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准 获取方法与系统

技术领域

本发明属于电网输变电工程领域，具体涉及一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法与系统。

背景技术

电网建设作为电网发展的核心业务，夯实安全生产基础，深化隐患排查治理，强化风险预警管控，提升抵御事故风险和应急处置能力至关重要。吊车作为重要的大型施工机械，在输变电工程建设过程中起着至关重要的作用。大型施工机械在带电导线附近作业或构架附近作业时的安全风险高，安全管控难，采用人工目测控制安全距离的方式存在误差难以避免的弊端，若发生事故，损失巨大，后果不堪设想。为了有效监测大型施工机械及其关键部件在工程建设过程中的精准位置，有必要基于多传感技术精准获取施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹。

发明内容

本发明的目的旨在基于多传感技术，精准获取施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹，提供一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法与系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法与系统，包括如下步骤：

S1、在吊车吊臂上安装传感器，包括至少1个北斗高精度定位传感器、至少1个加速度计、至少1个陀螺仪、至少1个磁力计、至少1个吊臂长度检测装置；

S2、部署数据处理模块；

S3、获取北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计、吊臂长度检测装置的数据；

S4、通过北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计、吊臂长度检测装置的数据融合估计吊车吊臂的位置与姿态。

在本发明一实施例中，步骤S1中，北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计均安装于吊车吊臂底部中心位置，用于精准测量吊臂轴线底部中心的平动和转动数据；吊臂长度检测装置用于测量吊臂的长度。

在本发明一实施例中，步骤S2中，在现场就地部署数据处理模块，用于接收各传感器的数据，计算吊车吊臂位置信息，记录存储各时间点的吊车吊臂位置数据形成吊车吊臂的运动轨迹。

在本发明一实施例中，步骤S3中，通过吊臂长度检测装置测量吊臂长度l；通过北斗高精度定位传感器测量吊车吊臂轴线底部中心的空间位置(B,L,H)；通过加速度计、陀螺仪、磁力计测量得到吊臂绕原点即吊车吊臂轴线底部中心旋转的角度。

在本发明一实施例中，步骤S4中，通过北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计的数据融合估计吊车吊臂的位置与姿态；通过北斗高精度定位传感器测量吊车吊臂轴线底部中心的空间位置(B,L,H)，基于坐标转换将经纬度转换为工程自定义坐标系的坐标(x1,y1,z1)，基于已知的吊车车身的空间立体形状即可刻画吊车的外轮廓，得到吊车车身的精准位置；通过加速度计、陀螺仪、磁力计测量得到吊臂绕原点即吊车吊臂轴线底部中心旋转的角度；基于已知的吊臂长度L，基于刚体运动方程得到吊车吊臂轴线顶部中心的空间位置(x2,y2,z2)。

在本发明一实施例中，因北斗高精度定位传感器安装在吊车吊臂轴线底部中心的空间位置，因此用北斗高精度定位传感器位置信息表征吊车位置，将(B,L,H)转换为工程自定义坐标系的坐标(x1,y1,z1)，具体方式为：

x1＝x0+N·(L-L0)·cosB

z1＝H

式中，e为椭球第一偏心率，N为卯酉圈曲率半径，M为子午线弧长，B为纬度，L为经度，H为高程，L0为中央经线的经度，x0和y0为高斯投影坐标系的原点坐标，...表示高阶项；

式中，a为椭球长半轴，通过上式即可得到工程自定义坐标系下吊车的位置；

此时若吊臂长度检测装置测量的吊臂长度为l，则

吊车吊臂轴线顶部中心的空间位置(x2,y2,z2)通过下式计算得到：

x2＝x1+l·cosγ·cos(φ-β)

z2＝z1+l·sinγ

式中，β为工程自定义坐标系的Y轴与正北方向的夹角，φ为偏航角，γ为俯仰角与横滚角θ组成吊车吊臂的欧拉角，欧拉角的具体计算公式如下：

式中，(α_x,α_y,α_z)为吊车吊臂处于任意姿态时加速度计的测量值，为磁力计的测量值，Δφ为正北与磁北之间存在一个磁偏角，对于吊车吊臂来说，横滚角θ为0。

本发明还提供了一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取系统，包括至少1个北斗高精度定位传感器、至少1个加速度计、至少1个陀螺仪、至少1个磁力计、至少1个吊臂长度检测装置、至少1个数据处理模块；其中，

所述北斗高精度定位传感器通过测量位置信息来计算吊车吊臂轴线底部中心的空间位置；

所述加速度计通过测量吊车吊臂加速度来计算吊车吊臂的姿态；

所述陀螺仪通过测量吊车吊臂旋转时的角速度来计算吊车吊臂的姿态；

所述磁力计通过测量地球磁场强度来计算吊车吊臂的姿态；

所述吊臂长度检测装置测量吊车吊臂长度；

所述数据处理模块汇聚和存储各传感器采集到的数据，融合估计吊车吊臂的位置与姿态。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明能够减少北斗高精度定位传感器的配置数量，在实现同样效果的情况下，有效降低成本。

附图说明

图1为本发明方法的原理示意图；

图2为本发明方法的步骤图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本发明提供了一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法与系统，包括如下步骤：

S1、在吊车吊臂上安装传感器，包括至少1个北斗高精度定位传感器、至少1个加速度计、至少1个陀螺仪、至少1个磁力计、至少1个吊臂长度检测装置；

S2、部署数据处理模块；

S3、获取北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计、吊臂长度检测装置的数据；

S4、通过北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计、吊臂长度检测装置的数据融合估计吊车吊臂的位置与姿态。

本发明还提供了一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取系统，包括至少1个北斗高精度定位传感器、至少1个加速度计、至少1个陀螺仪、至少1个磁力计、至少1个吊臂长度检测装置、至少1个数据处理模块；其中，

所述北斗高精度定位传感器通过测量位置信息来计算吊车吊臂轴线底部中心的空间位置；

所述加速度计通过测量吊车吊臂加速度来计算吊车吊臂的姿态；

所述陀螺仪通过测量吊车吊臂旋转时的角速度来计算吊车吊臂的姿态；

所述磁力计通过测量地球磁场强度来计算吊车吊臂的姿态；

所述吊臂长度检测装置测量吊车吊臂长度；

所述数据处理模块汇聚和存储各传感器采集到的数据，融合估计吊车吊臂的位置与姿态。

以下为本发明具体实施实例。

实施例：

参照图1和图2，本实施例提供一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法，包括以下步骤：

S1、在吊车吊臂关键位置安装传感器，包括1个北斗高精度定位传感器、1个加速度计、1个陀螺仪、1个磁力计、1个吊臂长度检测装置。

S2、部署数据处理模块。

S3、获取吊臂长度检测装置、北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计、吊臂长度检测装置的数据；

S4、通过北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计、吊臂长度检测装置的数据融合估计吊车吊臂的位置与姿态。

步骤S1：将1个北斗高精度定位传感器、1个加速度计、1个陀螺仪、1个磁力计分别安装于吊车吊臂的特定位置。测量吊臂的长度通常为吊车自带。北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计均安装于吊车吊臂底部中心位置，用于精准测量吊臂轴线底部中心的平动和转动数据。吊臂长度检测装置用于测量吊臂的长度。

步骤S2：在现场就地部署数据处理模块，用于接收各传感器的数据，计算吊车吊臂位置信息，记录存储各时间点的位置数据从而形成吊车和吊臂的运动轨迹。

步骤S3：通过吊臂长度检测装置测量吊臂的长度l；通过北斗高精度定位传感器测量吊车吊臂轴线底部中心的空间位置(B,L,H)；通过加速度计、陀螺仪、磁力计测量得到吊臂绕原点(吊车吊臂轴线底部中心)旋转的角度。

步骤S4：通过北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计的数据融合估计吊车吊臂的位置与姿态。通过北斗高精度定位传感器测量吊车吊臂轴线底部中心的空间位置(B,L,H)，基于坐标转换将经纬度转换为工程自定义坐标系的坐标(x1,y1,z1)，基于已知的吊车车身的空间立体形状即可刻画吊车的外轮廓，即得到吊车车身的精准位置；通过加速度计、陀螺仪、磁力计测量得到吊臂绕原点(吊车吊臂轴线底部中心)旋转的角度。基于已知的吊臂长度l，基于刚体运动方程即可得到吊车吊臂轴线顶部中心的空间位置(x2,y2,z2)。

具体地，因北斗高精度定位传感器安装在吊车吊臂轴线底部中心的空间位置，因此用北斗高精度定位传感器位置信息表征吊车位置，将(B,L,H)转换为工程自定义坐标系的坐标(x1,y1,z1)，具体方式为：

x1＝x0+N·(L-L0)·cosB

z1＝H

式中，e为椭球第一偏心率，N为卯酉圈曲率半径，M为子午线弧长，B为纬度，L为经度，H为高程，L0为中央经线的经度，x0和y0为高斯投影坐标系的原点坐标，...表示高阶项；

式中，a为椭球长半轴，通过上式即可得到工程自定义坐标系下吊车的位置；

此时若吊臂长度检测装置测量的吊臂长度为l，则

吊车吊臂轴线顶部中心的空间位置(x2,y2,z2)通过下式计算得到：

x2＝x1+l·cosγ·cos(φ-β)

z2＝z1+l·sinγ

式中，β为工程自定义坐标系的Y轴与正北方向的夹角，φ为偏航角，γ为俯仰角与横滚角θ组成吊车吊臂的欧拉角，欧拉角的具体计算公式如下：

式中，(α_x,α_y,α_z)为吊车吊臂处于任意姿态时加速度计的测量值，为磁力计的测量值，Δφ为正北与磁北之间存在一个磁偏角，对于吊车吊臂来说，横滚角θ为0。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法与系统，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法与系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在吊车吊臂上安装传感器，包括至少1个北斗高精度定位传感器、至少1个加速度计、至少1个陀螺仪、至少1个磁力计、至少1个吊臂长度检测装置；

S2、部署数据处理模块；

S3、获取北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计、吊臂长度检测装置的数据；

S4、通过北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计、吊臂长度检测装置的数据融合估计吊车吊臂的位置与姿态。

2.根据权利要求1所述的基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法，其特征在于，步骤S1中，北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计均安装于吊车吊臂底部中心位置，用于精准测量吊臂轴线底部中心的平动和转动数据；吊臂长度检测装置用于测量吊臂的长度。

3.根据权利要求1所述的基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法，其特征在于，步骤S2中，在现场就地部署数据处理模块，用于接收各传感器的数据，计算吊车吊臂位置信息，记录存储各时间点的吊车吊臂位置数据形成吊车吊臂的运动轨迹。

4.根据权利要求1所述的基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法，其特征在于，步骤S3中，通过吊臂长度检测装置测量吊臂长度l；通过北斗高精度定位传感器测量吊车吊臂轴线底部中心的空间位置(B,L,H)；通过加速度计、陀螺仪、磁力计测量得到吊臂绕原点即吊车吊臂轴线底部中心旋转的角度。

5.根据权利要求1所述的基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法，其特征在于，步骤S4中，通过北斗高精度定位传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计的数据融合估计吊车吊臂的位置与姿态；通过北斗高精度定位传感器测量吊车吊臂轴线底部中心的空间位置(B,L,H)，基于坐标转换将经纬度转换为工程自定义坐标系的坐标(x1,y1,z1)，基于已知的吊车车身的空间立体形状即可刻画吊车的外轮廓，得到吊车车身的精准位置；通过加速度计、陀螺仪、磁力计测量得到吊臂绕原点即吊车吊臂轴线底部中心旋转的角度；基于已知的吊臂长度L，基于刚体运动方程得到吊车吊臂轴线顶部中心的空间位置(x2,y2,z2)。

6.根据权利要求5所述的基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取方法，其特征在于，因北斗高精度定位传感器安装在吊车吊臂轴线底部中心的空间位置，因此用北斗高精度定位传感器位置信息表征吊车位置，将(B,L,H)转换为工程自定义坐标系的坐标(x1,y1,z1)，具体方式为：

x1＝x0+N·(L-L0)·cosB

z1＝H

式中，e为椭球第一偏心率，N为卯酉圈曲率半径，M为子午线弧长，B为纬度，L为经度，H为高程，L0为中央经线的经度，x0和y0为高斯投影坐标系的原点坐标，...表示高阶项；

式中，a为椭球长半轴，通过上式即可得到工程自定义坐标系下吊车的位置；

此时若吊臂长度检测装置测量的吊臂长度为l，则

吊车吊臂轴线顶部中心的空间位置(x2,y2,z2)通过下式计算得到：

x2＝x1+l·cosγ·cos(φ-β)

z2＝z1+l·sinγ

式中，β为工程自定义坐标系的Y轴与正北方向的夹角，φ为偏航角，γ为俯仰角与横滚角θ组成吊车吊臂的欧拉角，欧拉角的具体计算公式如下：

式中，(α_x,α_y,α_z)为吊车吊臂处于任意姿态时加速度计的测量值，为磁力计的测量值，Δφ为正北与磁北之间存在一个磁偏角，对于吊车吊臂来说，横滚角θ为0。

7.一种基于多传感器信息的施工吊车吊臂位置信息与运动轨迹精准获取系统，其特征在于，包括至少1个北斗高精度定位传感器、至少1个加速度计、至少1个陀螺仪、至少1个磁力计、至少1个吊臂长度检测装置、至少1个数据处理模块；其中，

所述北斗高精度定位传感器通过测量位置信息来计算吊车吊臂轴线底部中心的空间位置；

所述加速度计通过测量吊车吊臂加速度来计算吊车吊臂的姿态；

所述陀螺仪通过测量吊车吊臂旋转时的角速度来计算吊车吊臂的姿态；

所述磁力计通过测量地球磁场强度来计算吊车吊臂的姿态；

所述吊臂长度检测装置测量吊车吊臂长度；

所述数据处理模块汇聚和存储各传感器采集到的数据，融合估计吊车吊臂的位置与姿态。