技术领域

本发明涉及一种应用于工程机械的安全状态确 定方法和装置，特别涉及一种用于使 工程机械作业部件在任意支撑区域下安全操作 且作业范围达到最佳的安全状态确定方 法和装置， 还涉及采用这种装置的工程机械。 背景技术

云梯消防车进行工作时， 需要展开支腿以增加其上装的工作范围， 便于各种救援工 作的展开。 支腿展开的形式有多种， 有 H型支腿， 有 X型支腿， 有类似泵车系统的摆 动展开型支腿等。

目前云梯消防车可以在支腿全部展开或者单边 支腿展开的情况下工作， 以适应复 杂、 紧急的救援工作。 当支腿全部展开时， 云梯可以操作的范围达到最大， 但是此时支 腿展开需要的空间十分大； 仅单边支腿展开具有空间要求小的优势， 但其极大的降低了 云梯消防车的救援范围。图 7和图 8分别示出了相关云梯消防车支腿全展开和仅� �边支 腿展开时云梯的安全工作区域， 通过比较可以看出， 当仅单边支腿展开的时候， 需要的 空间小， 但是云梯操作范围也减小了接近一半。

为了使救援工作适应复杂、 苛刻的救援环境， 如何在不降低安全的基础上， 最大限 度的提高其救援范围， 是十分重要的。 发明内容

本发明旨在提供一种确定工程机械安全状态的 方法。

本发明确定工程机械安全状态的方法， 包括以下步骤：

根据所述工程机械的支腿展开后的位置构建至 少一级安全控制区域；

计算所述工程机械的等效质心；

判断所述工程机械的等效质心与所述至少一级 安全控制区域的位置关系； 以及 根据所述位置关系， 确定工程机械的安全状态。

本发明还提供了一种确定工程机械安全状态的 装置， 其特征在于： 包括安全控制区 域构建模块、 等效质心计算模块、 位置关系确定模块以及安全状态确定模块，

所述安全控制区域构建模块用于根据所述工程 机械的支腿展开后的位置构建至少 一级安全控制区域；

所述等效质心计算模块用于计算所述工程机械 的等效质心；

所述位置关系确定模块用于判断所述工程机械 的等效质心与所述至少一级安全控 制区域的位置关系；

所述安全状态确定模块用于根据所述位置关系 ， 确定工程机械的安全状态。

本发明还提供了一种确定工程机械安全状态的 系统， 其特征在于： 包括第一组传感 器、第二组传感器和上述确定工程机械安全状 态的装置， 所述第一组传感器用于检测所 述工程机械的支腿在水平方向的伸縮量，所述 第二组传感器用于检测作业部件的运动参 数。

本发明还提供了一种工程机械， 包括下装、 安装在下装上的转台、 以及安装在转台 上的作业部件， 还包括上述确定工程机械安全状态的装置。

本发明还提供了一种工程机械， 包括下装、 安装在下装上的转台、 以及安装在转台 上的作业部件， 还包括上述确定工程机械安全状态的系统。

与相关技术相比， 本发明方法和装置根据支腿展开情况构建安全 控制区域， 结合工 程机械的等效质心， 判断工程机械的安全情况， 从而让工程机械的作业部件能够工作在 能保障安全的最大范围， 即能够使工程机械作业部件在任意支撑区域下 安全操作且作业 范围达到最佳。 采用本发明方法和装置， 能够提高工程机械在复杂、 苛刻救援环境下的 救援能力， 保证工程机械安全作业。 附图说明

图 1为本发明一些实施例中的云梯消防车的结构� �意图。

图 2为本发明一些实施例中采用的确定工程机械� �全状态的流程图。

图 3为本发明一些实施例中建立的安全控制区域� �及它与等效质心的关系示意图。 图 4为本发明一些实施例中建立的三级安全控制� �域的示意图。

图 5为本发明一些实施例中的云梯消防车的结构� �量分布及其运动参数示意图。 图 6为本发明一些实施例中的云梯消防车结构重� �分布及其运动参数的水平面投影 图。

图 7为相关技术中云梯消防车支腿全展开时云梯� �全工作区域的示意图。

图 8为相关技术中云梯消防车仅单边支腿展开时� �梯安全工作区域的示意图。 具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图对本发明做 进一步详细说明。

图 1示出了本发明一些实施例中的云梯消防车的� �构。 如图 1所示， 本云梯消防车 包括下装 11 (含下车结构件及回转支撑以下的不可回转、 伸縮、 举伸的部分）、 云梯、 转台 12和四个支腿 1A、 1B、 1C、 ID, 云梯包括第一节梯 5 (含第一节梯架、 托架及其 附件）、 第二节梯 6 (含第二节梯架及其附件）、 第三节梯 7 (含第三节梯架及其附件）、 第四节梯 8 (含第四节梯架及其附件）、 第五节梯 9 (含第五节梯架及其附件）和第六节 梯 10 (含第六节梯架、 其附件及工作斗）， 第二节梯 6、 第三节梯 7、 第四节梯 8、 第五 节梯 9和第六节梯 10通过同步伸縮机构驱动实现伸出或回縮。 转台 12安装在下装 11 上可绕回转中心 0转动， 云梯安装在转台 12上可绕变幅旋转中心 R旋转。 上述各节梯 架中， 附件指梯架的非伸縮部分。

应用于本云梯消防车的确定工程机械安全状态 的系统包括： 第一组传感器、 第二组 传感器和确定工程机械安全状态的装置。第一 组传感器含第四传感器至第七传感器（图 中未示出）， 分别用于检测四个支腿 1A、 1B、 1C、 ID在水平方向的伸縮量。 第二组传 感器包括用于检测云梯变幅角度的第一传感器 2、 用于检测云梯回转角度的第二传感器 3、和用于检测每节梯架相对上一节梯架的伸� �量的第三传感器 4。第一传感器 2可以采 用角度传感器， 第二传感器 3可以采用回转编码器， 第三至第七传感器可以采用长度传 感器。

一些实施例中， 确定工程机械安全状态的装置包括安全控制区 域构建模块、 等效质 心计算模块、 位置关系确定模块以及安全状态确定模块， 其中， 安全控制区域构建模块 用于根据工程机械的支腿展开后的位置构建至 少一级安全控制区域；等效质心计算模块 用于计算工程机械的等效质心；位置关系确定 模块用于判断工程机械的等效质心与所述 至少一级安全控制区域的位置关系； 安全状态确定模块用于根据所述位置关系， 确定工 程机械的安全状态。

一些实施例中， 只构建一个安全控制区域， 相应地， 安全控制区域构建模块可以包 括支撑区域构建子模块和偏移子模块，支撑区 域构建子模块用于检测每个支腿在水平方 向的伸縮量， 获得支腿展开后的位置， 进而构建出支腿围成的支撑区域； 偏移子模块用 于将所述支撑区域的各条边分别向内平移一个 偏移量， 以构建出一级安全控制区域。

一些实施例中， 构建多个安全控制区域， 相应地， 安全控制区域构建模块可以包括 支撑区域构建子模块和偏移子模块，支撑区域 构建子模块用于检测每个支腿在水平方向 的伸縮量， 获得支腿展开后的位置， 进而构建出支腿围成的支撑区域； 偏移子模块用于 将所述支撑区域的各条边分别向内平移多个偏 移量， 以构建出多个相同中心的区域， 从 而形成从内向外安全等级逐渐降低的多级安全 控制区域。

一些实施例中， 等效质心计算模块可以包括力矩等效法计算子 模块， 该力矩等效法 计算子模块用于采用力矩等效法计算所述工程 机械的等效质心。但并不限于此， 可以采 用各种现有的等效质心计算方法计算工程机械 的等效质心。

一些实施例中， 位置关系确定模块可以包括夹角之和计算子模 块和判断子模块， 夹 角之和计算子模块， 用于针对每级安全控制区域， 分别计算该级安全控制区域每相邻两 个顶点与所述工程机械的等效质心的连线的夹 角之和； 判断子模块， 用于根据所述夹角 之和， 判断等效质心和对应安全控制区域的位置关系 。

一些实施例中， 进一步还包括输出模块， 输出模块用于将确定的安全状态以语音、 画面、 报警声和 /或文字形式输出。

一些实施例中， 进一步还包括控制模块， 控制模块用于在确定工程机械处于非安全 状态或某些安全等级时， 限制作业部件执行可能导致危险的作业动作。

一些实施例中，力矩等效法计算子模块可以包 括云梯等效质心计算子模块和工程机 械等效质心计算子模块， 云梯等效质心计算子模块， 用于根据云梯各节梯的等效质心相 对于变幅旋转中心 R的距离 各节梯的质量 Gi以及实时测得的各节梯的伸出量 J，计 算云梯的质量 G _u 和云梯的等效质心相对于变幅旋转中心 R的距离 工程机械等效质 心计算子模块，用于：利用所述距离 和对应的变幅角度 α计算云梯的等效质心相对于 回转中心 0的水平面投影距离，分别用云梯、转台和下� �三个部件各自的等效质心相对 于回转中心 0的水平面投影距离与回转角度 0结合计算对应的等效质心在水平面投影 的坐标值，进而结合所述三个部件的质量计算 所述工程机械相对于回转中心 0的等效质 心的位置坐标 (χ， 和质量 G。

图 2示出一些实施例中的确定工程机械安全状态� �方法。 如图 2所示， 该方法包括 以下步骤：

51.根据工程机械 （如云梯消防车） 的支腿展开后的位置构建至少一级安全控制区 域；

52. 计算工程机械的等效质心；

53.判断工程机械的等效质心与至少一级安全控 制区域的位置关系； 以及

S4.根据位置关系， 确定工程机械的安全状态。 一些实施例中， 进一步还可以包括将确定的安全状态输出的步 骤。 例如通过语音提 示、 报警声等方式输出。

一些实施例中， 进一步还可以包括： 当确定工程机械处于非安全状态或某些安全等 级时， 限制作业部件执行可能导致危险的作业动作的 步骤。 例如， 在图 4所示三级安全 控制区域 4、 Λ、 Λ中， 若判断等效质心位于 之外， 车辆有倾翻可能时， 则对作业 部件（如云梯） 的动作进行限制， 使作业部件仅保留任何可朝安全方向运动的操 作， 如 回縮梯架等。

一些实施例中， 采用以下方法构建一级安全控制区域：

检测每个支腿在水平方向的伸縮量， 获得支腿展开后的位置， 构建出支腿围成的支 撑区域。 假设测量得到云梯消防车四个支腿 1A、 1B、 1C、 ID相对于车辆中心在水平方 向展开长度分别为 、 / ₂ 、 / ₃ 、 / ₄ ， 根据该测量结果定义支腿 1A支撑中心 A的坐标为 ( )，支腿 1B支撑中心 B的坐标为（ ₅ , )，支腿 1C支撑中心 C的坐标为（ _C , ;T _C )， 支腿 1D支撑中心 D的坐标为 从而构建出四个支腿 1A、 1B、 1C、 ID围成的 支撑区域 AR;

然后， 如图 3所示， 将支撑区域 AR的四条边分别向内平移偏移量 λ， 构建出一个 安全控制区域 A3，安全控制区域 A3的四个顶点 a、b、c、d的坐标分别为 (χ。, _Λ )

(x _c ,j _c ) 图 3中 O表示转台的回转中心。 其中， 偏移量 λ是根据云梯消防车 的工作状态及安全因素预先设置的数值。

一些实施例中， 可以构建多级安全控制区域， 构建方法可以为： 检测每个支腿在水 平方向的伸縮量， 获得支腿展开后的位置， 构建出支腿围成的支撑区域； 将所述支撑区 域的各条边分别向内平移多个偏移量， 构建出多个相同中心的区域， 从而形成从内向外 安全等级逐渐降低的多级安全控制区域。例如 ， 图 4所示构建出了一种三级安全控制区 域 4、 Α、 ' 从 4到 4安全性依次降低， Λ为安全、 Α为一般、 4为危险。 同样地， 多个偏移量是根据云梯消防车的工作状态及安 全因素预先设置的数值。

一些实施例中， 可以根据力矩等效法计算工程机械任意工作状 态下的等效质心。 例 如， 针对图 1所示的六节消防云梯车， 可通过以下方法计算：

参照图 5和图 6， 用变量 α表示云梯的变幅角度， 用变量 ø表示云梯的回转角度， 用变量 表示云梯各节梯的伸縮量，用 表示云梯在縮回状态时第 节梯的等效质点相 对于变幅旋转中心 R的距离， 用 第 节梯的质量， 用 表示云梯的等效质心相对于 变幅旋转中心 R的距离， 用 G _u 表示云梯的质量。 图 6中箭头尾端的黑点表示相应的等 效质心。 由于各节梯是通过同步伸縮机构来驱动其伸出 和回縮的， 所以每节梯相对于上 一节梯的伸縮量是相等的， 可以得出， 当云梯伸出时， 从第二节梯 6到第六节梯 10， 每 节梯的等效质心相对于变幅旋转中心 R的距离为 ν ₂ +Δ,ν ₃ +2Δ,ν ₄ +3Δ,ν ₅ +4Δ,ν ₆ +5Δ； 实时测量云梯的变幅角度 c 回转角度 ø以及各节梯的伸縮量

根据云梯各节梯的等效质心相对于变幅旋转中 心 R的距离 ν _ζ ·、 各节梯的质量 C¾以 及实时测得的伸出量 计算云梯的质量 G _u 和云梯的等效质心相对于变幅旋转中心 R 的距离 v _u; 更具体地， 可 下公式得出： = 1,···,6)， ；

然后通过下式计算云梯消防车相对于回转中心 0的等效质心的位置坐标 (x， J)和质 量 G

_ G _u (v _u cos a-k) cos φ + G _t v _t cos φ + G _d v _d

X— G _u +G _t + G _d ；

y ；

G = G _U +G _t + G _d ;

其中， 为云梯转台的等效质心相对于回转中心 0 的水平面投影距离， G _t 为转台 的质量， ^为下装的等效质心相对于回转中心 0 的水平面投影距离， 距离^是相对一 直不变的， 且近似位于车辆的中心上， 为下装的质量， 为变幅旋转中心 R相对于回 转中心 0的水平面投影距离。

一些实施例中， 对于构建的一级安全控制区域， 通过以下方法判断工程机械的等效 质心与该安全控制区域的位置关系， 进而确定工程机械的安全状态：

如图 3所示 （图 3中用 G表示云梯消防车相对于回转中心 0的等效质心）， 分别在 等效质心 G与安全区域各顶点 a、 b、 c、 d之间连线， 定义： 顶点 d、 等效质心6、 顶点 a的夹角为 ， 顶点 a、 等效质心6、 顶点 b的夹角为 ， 顶点 b、 等效质心6、 顶点 c 的夹角为 ， 顶点 c、 等效质心6、 顶点 d的夹角为 ， 夹角之和 + + + ； 当 云梯进行任何操作时， 计算夹角之和^ 若夹角之和 等于 360度， 则云梯消防车的等 效质心位于该级安全控制区域 A3内， 可以判定操作是安全的； 若夹角之和 小于 360 度， 则云梯消防车的等效质心位于该级安全控制区 域 A3夕卜， 可以判定操作处于临界状 态， 有可能发生危险。

进一步地， 当等效质心 G位于该安全控制区域 A3外时， 还可以将夹角之和 与预 先设置的等级值比较， 确定工程机械的安全等级， 所述等级值小于 360、 且等级值越小 安全等级越低。 例如： 设定两个等级值 350和 340， 当 小于 360度而大于 350度时， 可以判定为一般安全等级， 而当 小于 350度而大于 340度时， 可以判定为危险等级， 而当 小于 340度时， 可以判定为有倾翻可能的非常危险等级。 可以理解地， 此处的等 级值的大小与构建安全控制区域 A3时的偏移量 λ的大小有关系， 偏移量 λ越大， 此处 的等级值可以设置的较小。

一些实施例中， 对于构建的多级安全控制区域， 可以通过以下方法判断工程机械的 等效质心与多级安全控制区域的位置关系： 针对每级安全控制区域， 计算该级安全控制 区域每相邻两个顶点与工程机械的等效质心的 连线的夹角之和； 若所述夹角之和等于

360度，则工程机械的等效质心位于该级安全 控制区域内；若所述夹角之和小于 360度， 则所述工程机械的等效质心位于该级安全控制 区域外。进而根据所述等效质心在所述多 级安全控制区域的位置， 确定工程机械的安全等级。 例如， 对于图 4所示的三级安全控 制区域 4、 (图 4中用 G表示云梯消防车相对于回转中心 0的等效质心）， 当等 效质心 G与 4各顶点的连线形成的夹角之和等于 360度， 等效质心 G与 Λ各顶点的连 线形成的夹角之和等于 360度，等效质心 G与 各顶点的连线形成的夹角之和等于 360 度， 则等效质心 G位于 4内， 此时操作处于安全范围； 当等效质心 G与 4各顶点的连 线形成的夹角之和小于 360度，等效质心 G与 4各顶点的连线形成的夹角之和等于 360 度， 等效质心 G与 Λ各顶点的连线形成的夹角之和等于 360度， 则等效质心 G位于 Λ 内 4外， 此时操作处于一般安全范围； 当等效质心 G与 4各顶点的连线形成的夹角之 和小于 360度， 等效质心 G与 4各顶点的连线形成的夹角之和小于 360度， 等效质心 G与 各顶点的连线形成的夹角之和等于 360度， 则等效质心 G位于 Λ内 Λ外， 此时 操作处于危险范围； 当等效质心 G与 ^各顶点的连线形成的夹角之和小于 360度， 等 效质心 G与 Λ各顶点的连线形成的夹角之和小于 360度， 等效质心 G与 Λ各顶点的连 线形成的夹角之和小于 360度， 则等效质心 G位于 Λ之外， 此时车辆有倾翻可能。 本发明一些实施例的确定工程机械安全状态的 装置或系统应用于消防云梯车，至少 具有以下有益效果：

1. 消防云梯车可以在支腿不能全展开的情况下工 作， 并较单边支腿技术提升了更 大的工作范围； 能够提高消防云梯车在复杂、 苛刻救援环境下的救援能力。

2. 增加了车辆工作倾翻的安全级别判定， 并可以此对车辆进行操作安全限定。 可以理解地，本发明确定工程机械安全状态的 装置或系统还可应用于其它的工程机 械， 如液压伸縮式吊车， 等等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式， 本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明 的保护范围。 应当指出， 对于本技术 领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰 ， 这些改进和 润饰也应视为本发明的保护范围。