[发明专利]一种吊桶运行安全综合防护系统及其防护方法

摘要

本发明公开了一种吊桶运行安全综合防护系统及其防护方法，包括依次连接的机载探测子系统、无线传输子系统、地面保护子系统和远程监视子系统；同时还公开了基于吊桶运行安全综合防护系统的吊桶升降过程运动参数的监测方法、障碍物的探测方法和松绳故障的直接检测方法，能够获得吊桶运行过程中的实时速度、姿态、位置，主动探测吊桶下方障碍物情况，直接检测吊桶是否发生松绳故障，本系统能够使得地面操作人员以及远程管理人员全方位了解吊桶运行的各项参数，并能在事故发生初期发出报警，自动采取必要的保护措施，从而全方位保障吊桶的安全运行。

主权项

1.一种吊桶运行安全综合防护系统，其特征在于，包括：吊桶、机载探测子系统、无线传输子系统、地面保护子系统和远程监视子系统，所述机载探测子系统与无线传输子系统之间通过无线网络连接并传输数据，所述无线传输子系统与地面保护子系统之间通过光纤电缆连接并传输数据，所述地面保护子系统与远程监视子系统之间通过Internet连接并传输数据，所述机载探测子系统安装于吊桶上；所述吊桶运行安全综合防护系统能够使得地面操作人员以及远程管理人员全方位了解吊桶运行过程中的实时速度、姿态、位置，从而检测出吊桶是否发生松绳故障，还能主动探测吊桶下方障碍物情况，并能在事故发生初期发出报警以及自动采取保护措施，从而全方位保障吊桶的安全运行；所述机载探测子系统包括：机载控制器(1)、机载电池(2)、六轴加速度计(3)、三个超声波传感器(4)、激光测距仪(5)、红外摄像仪(6)、声光报警器(7)、无线收发器(8)，且均具备防尘、防水、防爆外壳；其中，机载电池(2)与机载控制器(1)、六轴加速度计(3)、超声波传感器(4)、激光测距仪(5)、红外摄像仪(6)、声光报警器(7)、无线收发器(8)通过阻燃电缆连接并提供电能；机载控制器(1)与六轴加速度计(3)通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器(1)与三个超声波传感器(4)通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器(1)与激光测距仪(5)通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器(1)与红外摄像仪(6)通过阻燃网线连接并传输数据、机载控制器(1)与声光报警器(7)通过阻燃电缆连接并传输数据；机载控制器(1)与无线收发器(8)通过阻燃电缆连接并传输数据；机载探测子系统安装于吊桶上，该吊桶分为上、中、下三段：上段的上部为敞开式结构，圆形开口无遮挡物覆盖，用于承载物料或人员，其外壁安装有无线收发器(8)；中段为带有盖板的封闭式结构，具有防尘、防水效果，其内部安装有机载控制器(1)、机载电池(2)、六轴加速度计(3)；下段的下部为敞开式结构，圆形开口无遮挡物覆盖，其上部吊装有超声波传感器(4)、激光测距仪(5)、红外摄像仪(6)、声光报警器(7)，所述三个超声波传感器(4)设于所述吊桶下段下部所在圆的直径及圆心位置；所述吊桶运行安全综合防护系统的防护方法，包括吊桶升降过程运动参数的监测方法、障碍物的探测方法和松绳故障的直接检测方法，所述吊桶升降过程运动参数的监测方法包括以下步骤：(A1)数据采集与数值转换由六轴加速度计(3)分别采集得到吊桶运行的三个线加速度值AdcAAccX、AdcAAccY、AdcAAccZ，与三个角加速度值AdcAGyroX、AdcAGyroY、AdcAGyroZ；而后经过数值转换处理，得到具有真实物理意义的数据，即三个线加速度值AAccX、AAccY、AAccZ，与三个角加速度值AGyroX、AGyroY、AGyroZ；具体如下：式中，σAcc为线加速度计的灵敏，γAcc为控制器采集线加速度数据的AD转换系数，AdcAAccX0、AdcAAccY0、AdcAAccZ0分别为三个线加速度采集通道的零位基准值；式中，σGyro为角加速度计的灵敏，γGyro为控制器采集角加速度数据的AD转换系数，AdcAGyroX0、AdcAGyroY0、AdcAGyroZ0分别为三个角加速度采集通道的零位基准值；(A2)计算吊桶运行加速度根据步骤(A1)得到的三个线加速度值AAccX、AAccY、AAccZ，与三个角加速度值AGyroX、AGyroY、AGyroZ进行数据融合处理，得到吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值ABuckX、ABuckY、ABuckZ；具体如下：首先，由第n组三个角加速度值AGyroX、AGyroY、AGyroZ计算出对应的三个线加速度值RGyroX、RGyroY、RGyroZ，设第n组的合成加速度在XZ平面内的投影与Z轴的夹角为θXZ(n)，在YZ平面内的投影与Z轴的夹角为θYZ(n)，在XY平面内的投影与Y轴的夹角为θXY(n)，控制系统采样周期为t，则：而后，结合由控制系统采集到的线加速度AAccX、AAccY、AAccZ，和由角加速度计算出的线加速度RGyroX、RGyroY、RGyroZ进行数据融合，得出吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值ABuckX、ABuckY、ABuckZ：式中，εGyro为角加速度的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为5～20；(A3)计算吊桶当前姿态根据步骤(A2)得到的吊桶三个方向的实时加速度值ABuckX、ABuckY、ABuckZ，通过矢量分解的方法，可以求出吊桶在三个方向上的倾斜角度θBuckX、θBuckY、θBuckZ，设吊桶运行加速度的矢量合为ABuck，则：ABuck＝(ABuckX2+ABuckY2+ABuckZ2)1/2如果吊桶的在X方向上的倾斜角度超过规定值θStdX，则标识符FLeenX为1；如果吊桶的在Y方向上的倾斜角度超过规定值θStdY，则标识符FLeenY为1；如果FLeenX与FLeenY任意一个为1，则系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；FLeenX＝sgn(|θBuckX|‑θStdX)FLeenY＝sgn(|θBuckY|‑θStdY)；(A4)计算吊桶运行速度根据步骤(A2)得到的吊桶在垂直方向上的线加速度ABuckZ，利用积分得到基于加速度计的吊桶运行速度VAcc；而后由激光测距仪(5)得到吊桶下方距井底的距离DLas，利用微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度VLas；之后将两种方式得到的吊桶速度进行融合，得出最终的吊桶运行速度VBuck，如果吊桶运行速度超过规定值，则立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；具体如下：首先，对吊桶在垂直方向上的线加速度ABuckZ进行数值积分，得到基于加速度计的吊桶运行速度VAcc，设第n组数据时，吊桶运行速度为VAcc(n)，第n+1组数据时，当吊桶在垂直方向上的线加速度为ABuckZ(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于加速度计的吊桶速度VAcc(n+1)为：VAcc(n+1)＝VAcc(n)+ABuckZ(n+1)t而后，由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离DLas，利用数值微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度VLas，设第n组数据时，激光测距仪数据为DLas(n)，第n+1组数据时，激光测距仪数据为DLas(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于激光测距仪的吊桶速度VLas(n+1)为：VLas(n+1)＝(DLas(n+1)‑DLas(n))/t最后，结合式中基于加速度计的吊桶速度VAcc，和基于激光测距仪的吊桶速度VLas进行数据融合，得出最终的吊桶运行速度VBuck：VBuck＝(1+κLas)(VAcc+κLasVLas)式中，κLas为激光测速的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为3～9；如果吊桶运行速度超过规定值VStd，则标识符FSpeed为1，系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；FSpeed＝sgn(|VBuck|‑VStd)；(A5)计算吊桶当前位置根据步骤(A4)得到的基于加速度计的吊桶运行速度VAcc，结合吊桶初始位置，利用积分得到基于加速度计的吊桶当前位置SAcc；根据步骤(A4)得到的吊桶下方距井底的距离DLas，结合井筒深度，得到基于激光测距仪的吊桶当前位置SLas；之后将两种方式得到的吊桶位置进行融合，得出最终的吊桶当前位置SBuck；具体如下：首先，对吊桶在垂直方向上的线速度VAcc进行数值积分，得到基于加速度计的吊桶当前位置SAcc，设第n组数据时，吊桶位置为SAcc(n)，第n+1组数据时，当吊桶在垂直方向上的线速度为VAcc(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于加速度计的吊桶位置SAcc(n+1)为：SAcc(n+1)＝SAcc(n)+VBuck(n+1)t而后，由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离DLas，结合井筒深度得到基于激光测距仪的吊桶当前位置SLas，设井筒深度为Lshaf则：SLas＝Lshaf‑DLas最后，结合式中基于加速度计的吊桶位置SAcc，和式中基于激光测距仪的吊桶位置SLas进行数据融合，得出最终的吊桶位置SBuck：SBuck＝(1+ηLas)(SAcc+ηLasSLas)式中，ηLas为激光定位的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为10～15；所述吊桶升降过程障碍物的探测方法包括以下步骤：(B1)基于超声波的障碍物检测三个超声波传感器(4)分别在t1n、t2n、t3n时刻向外发射超声波，并分别在t1n+1、t2n+1、t3n+1时刻获得反射波，由此得到三个超声波传感器距障碍物的实时距离D1Utrl、D2Utrl、D3Utrl；具体如下：CUtrl＝C0+0.607T式中，式中，CUtrl为超声波的速度，C0为0℃时超声波的速度，取值为331.45m/s，T为现场的摄氏温度；(B2)基于红外摄像仪的障碍物检测根据红外摄像仪(6)获取吊桶下方在某一时刻的原始图像POrig，对原始图像POrig进行滤波降噪处理得到图像PFilt，之后求解图像PFilt中每个像素的梯度值，接着对非极大值进行抑制，进而找出局部极大值，最后利用设置的高低阈值对局部极大值进行筛选，并对障碍物边缘进行连接，从而得到吊桶下方障碍物的外形轮廓；具体如下：首先，对原始图像POrig(x,y)进行滤波降噪处理，得到降噪后图像PFilt(x,y)，设其滤波器传递函数为W(x,y)，则：PFilt＝W·POrig式中δ为标准差，根据现场情况进行调节，取值范围为35～60；而后，计算图像PFilt中每个像素(x,y)的梯度值G(x,y)以及梯度方向θg：θg＝arctan(Gy/Gx)最后，对G中的梯度值进行非极大值抑制，找出局部极大值，利用设置的高低阈值对局部极大值进行筛选，并对障碍物边缘进行连接，从而得到吊桶下方障碍物的外形轮廓；(B3)数据融合分析将步骤(B1)得到的基于超声波的吊桶下方障碍物距离D1Utrl、D2Utrl、D3Utrl与步骤(B2)得到的基于红外摄像仪的吊桶下方障碍物外形轮廓进行数据融合，综合分析出吊桶下方是否具有障碍物；三个超声波传感器的探测范围将吊桶下方空间分为三个区域，当某一区域的超声波传感器探测到下方障碍物，或者红外摄像仪检测到某一区域的障碍物轮廓时，视为下方存在障碍物风险，系统自动触发故障处理程序；(B4)故障处理根据步骤(B3)的分析结果，如果吊桶运行下方有障碍物，则立即通过声光报警器(7)发出警报，同时将报警信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，并通过PLC控制器(11)进行吊桶运行制动；所述吊桶升降过程松绳故障的直接检测方法包括以下步骤：1)数据分析根据步骤(A4)得到的吊桶运行速度VBuck，结合PLC控制器(11)获得的地面绞车升降钢丝绳速度VWire，利用钢丝绳运行速度VWire与吊桶运行速度VBuck的差值与设定的安全差值VDif进行对比，来判断吊桶是否发生了松绳故障；2)故障处理根据步骤1)的分析结果，如果吊桶发生了松绳故障，则立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，并通过PLC控制器(11)进行吊桶运行制动以及其他的故障处理措施。