基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310895273.6(22)申请日 2023.07.20(71)申请人 武汉大学地址 430072 湖北省武汉市武昌区八一路299号(72)发明人 朱锋余萌张小红(74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙)42222专利代理师 肖艳(51)Int.Cl.B66C 15/04(2006.01)B66C 15/06(2006.01)B66C 23/88(2006.01)B66C 13/48(2006.01)B66C 13/16(2006.01)(54)发明名称一种基于多集成。

2、系统的塔吊碰撞预警方法(57)摘要本发明提供一种基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，属于建筑塔吊施工技术领域，包括：采用双天线组合定位定姿技术获取高精度位姿信息；结合激光点云和位姿信息，优化传感器安置参数，生成施工场地点云底图，提取建筑物的外包围盒；利用塔吊挂钩位置信息和编码器数据分割吊装物激光点云，生成吊装物最优外包围盒，将底图包围盒与吊装物包围盒进行碰撞检测，得到吊装物碰撞预警信息；通过服务端与客户端结合，构建碰撞信息可视化模块，实时展示塔吊作业的三维环境和碰撞预警信息。本发明通过构建基于双天线、编码器和激光雷达集成的塔吊碰撞预警系统，有效解决塔吊作业中的碰撞预警问题，提升塔吊作业效率，为塔。

3、吊的远程化操作提供辅助。权利要求书6页 说明书12页 附图4页CN 116605772 A2023.08.18CN 116605772 A1.一种基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，其特征在于，包括：由塔机侧工控机采集激光雷达点云数据和组合导航系统观测数据，以及接收编码器观测数据和挂钩接收机载波相位差分定位结果；利用所述组合导航系统观测数据，进行双天线组合导航定位定姿解算，得到实时位姿信息；利用所述激光雷达点云数据和所述实时位姿信息，通过地理定向和点云配准，得到施工场地点云底图，采用上下底面轮廓结合包围盒提取算法，提取所述施工场地点云底图对应的建筑物轮廓包围盒；对所述激光雷达点云数据进行分割提取。

4、或利用所述编码器观测数据计算得到吊装物坐标，结合所述挂钩接收机载波相位差分定位结果，生成吊装物包围盒；对所述建筑物轮廓包围盒和所述吊装物包围盒进行碰撞检测，得到吊装物和建筑物的空间关系和碰撞预警信息。2.根据权利要求1所述的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，其特征在于，利用所述组合导航系统观测数据，进行双天线组合导航定位定姿解算，得到实时位姿信息，包括：对全球导航卫星系统GNSS双天线中的主天线和从天线进行动对动载波相位差分RTK矫正，获得基线向量，由所述基线向量得到航向角和俯仰角：其中，表示航向角，表示俯仰角，表示基线向量在东方向上的投影，表示基线向量在北方向上的投影，表示基线向量在垂向上的。

5、投影；根据惯性捷联导航SINS的输出推导得到俯仰角和翻滚角，由俯仰角和翻滚角得到姿态更新观测方程；由所述主天线通过RTK得到位置更新观测方程：其中，表示e系下位置更新的观测值残差向量，表示机械编排得到的e系下惯导的位置，表示杆臂在e系下的投影，表示e系下GNSS天线中心的位置，表示位置的误差状态，表示失准角，表示观测噪声；基于所述航向角、所述姿态更新观测方程和所述位置更新观测方程，进行组合导航结算，得到所述实时位姿信息；利用所述实时位姿信息，对加速度和陀螺的零偏移进行反馈矫正。3.根据权利要求2所述的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，其特征在于，根据惯性捷联导航SINS的输出推导得到俯仰角和翻。

6、滚角，由俯仰角和翻滚角得到姿态更新观测方程，包括：根据SINS得到姿态更新观测方程，由比力方程表示SINS加速度计输出：权利要求书1/6 页2CN 116605772 A2其中，是加计输出值，为当地水平坐标系l系下的视线加速度，为科氏力，为对地向心加速度，为重力，表示e系相对于i系的角速度在l系下的投影，表示l系相对于i系的角速度在l系下的投影，表示l系下的加计输出值，表示b系到l系的坐标转换矩阵；其中，表示e系到l系的坐标转换矩阵，表示e系到l系的坐标转换矩阵，表示单位阵，表示角的反对称矩阵，表示当前时刻机械编排得到的b系到e系的坐标转换矩阵；将姿态角进行微分，得到所述姿态更新观测方程：其中。

7、，表示观测值的残差向量，表示设计矩阵，表示待估参数，表示观测噪声，、和分别表示航向角、俯仰角和横滚角的残差向量，、和分别表示姿态角的观测值，、和表示惯导姿态更新得到的欧拉角，中、表示航向角的观测系数，、表示俯仰角的观测系数，、表示横滚角的观测系数，表示待估状态。4.根据权利要求1所述的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，其特征在于，利用所述激光雷达点云数据和所述实时位姿信息，通过地理定向和点云配准，得到施工场地点云底图，采用上下底面轮廓结合包围盒提取算法，提取所述施工场地点云底图对应的建筑物轮廓包围盒，包括：对所述激光雷达点云数据进行点云地理定向，将所述激光雷达点云数据从激光雷达坐标系转换到当地。

8、水平坐标系，得到转换后的激光雷达点云数据；对所述转换后的激光雷达点云数据进行帧间匹配，得到初始激光点云底图；采用非线性最小二乘估计LM算法对激光雷达空间安置参数进行优化，得到所述施工场地点云底图；采用布料模拟滤波算法将所述初始激光点云底图划分为地面点和非地面点；权利要求书2/6 页3CN 116605772 A3通过欧式聚类将属于同一非地面地物的非地面点聚类为一个点云对象，采用shape算法计算每一个点云对象的平面外边界，提取每一个点云对象的下底面点和顶面点得到所述建筑物轮廓包围盒。5.根据权利要求4所述的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，其特征在于，对所述激光雷达点云数据进行点云地理定向，将。

9、所述激光雷达点云数据从激光雷达坐标系转换到当地水平坐标系，得到转换后的激光雷达点云数据，包括：获取所述激光雷达点云数据中任一地面点在激光雷达坐标系下的坐标，将所述坐标转换为惯导坐标系下坐标：根据双天线GNSS以及SINS组合的位置和姿态，将所述坐标转换为全局坐标系坐标：其中，表示任一地面点在激光雷达坐标系下的坐标，表示地面点在惯导坐标系下的坐标，表示任一地面点在WGS84地心地固坐标系下的坐标，表示激光雷达坐标系原点在惯导坐标系中的位置，表示激光雷达坐标系变换到惯导坐标系的旋转矩阵，表示惯导坐标系原点在WGS84地心地固空间直角坐标系中的位置，表示惯导坐标系变换到在WGS84地心地固空间直角坐。

10、标系的旋转矩阵；其中，为根据惯导输出的三个姿态角计算的惯导坐标系到当地水平坐标系的旋转矩阵，为根据惯导坐标系原点大地坐标计算得到的当地水平坐标系到WGS84地心地固空间直角坐标系的旋转矩阵；将代入得到塔机激光扫描定位方程：根据所述塔机激光扫描定位方程计算得到地面点在当地水平坐标系下的坐标：其中，为当地水平坐标系原点在WGS84坐标系下的坐标，为WGS84地心地固空间直角坐标系到当地水平坐标系的旋转矩阵。6.根据权利要求5所述的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，其特征在于，采用LM算法对激光雷达空间安置参数进行优化，得到所述施工场地点云底图，包括：确定对所述任一地面点进行两次激光扫描，得到两次激。

11、光点云定位方程：权利要求书3/6 页4CN 116605772 A4其中，、以及、是两次扫描中在激光雷达坐标系下的测量值，、以及是第一次扫描时刻惯导的位置以及姿态组成的旋转矩阵，、以及是第二次扫描时刻惯导的位置以及姿态组成的旋转矩阵；将第一次扫描中在激光雷达坐标系下的测量值减去第二次扫描中在激光雷达坐标系下的测量值，得到：将表示的三个平移参数，以及表示的三个分别绕X轴、Y轴以及Z轴旋转的角度表示的旋转矩阵，转换为，其中分别与表示的三个平移参数对应，分别与表示的三个分别绕X轴、Y轴以及Z轴旋转的角度表示的旋转矩阵对应；通 过 L M 算 法 对进 行 优 化 求 解，迭 代 得 到 数 学 模 。

12、型，其中是一组非线性方程，表示任一组数，表示总组数，基于数学模型求解最小值得到最优解得到：。7.根据权利要求1所述的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，其特征在于，对所述激光雷达点云数据进行分割提取或利用所述编码器观测数据计算得到吊装物坐标，结合所述权利要求书4/6 页5CN 116605772 A5挂钩接收机载波相位差分定位结果，生成吊装物包围盒，包括：将所述激光雷达点云数据投影至当地水平坐标系下，将所述挂钩接收机载波相位差分定位结果由WGS84坐标系转换到当地水平坐标系得到挂钩位置信息；采用点云滤波将所述激光雷达点云数据划分为地面点云和非地面点云，从所述非地面点云中提取非地面面片点云，作为吊。

13、装物提取目标区域；对所述非地面面片点云进行连通性分析，合并相邻非地面面片，作为待定目标区域，根据建筑物几何尺寸以及建筑物边界与地面的高程差，剔除非建筑物目标区域；利用所述挂钩位置信息确定距离所述的预设距离范围内的区域为吊装物目标，其余区域为建筑物目标；或者，若确认当挂钩处的GNSS信号受到遮挡时，根据编码器测量获取的小车移动距离和挂钩下降距离，以及双天线GNSS及SINS组合得到的位姿信息，计算得到挂钩位置，根据进行筛选，得到所述吊装物目标；将所述吊装物目标的三维外包围框在二维平面上投影生成二维俯视投影，将所述二维俯视投影绕投影中心旋转，将旋转范围的外接矩形作为所述吊装物包围盒。8.根据权利要。

14、求7所述的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，其特征在于，采用点云滤波将所述激光雷达点云数据划分为地面点云和非地面点云，从所述非地面点云中提取非地面面片点云，作为吊装物提取目标区域，包括：采用虚拟格网对所述激光雷达点云数据进行处理，确定预设格网大小，对每一个格网进行遍历，确定每一个格网中的最低点为各网点，每一个格网中的剩余点云为其他点云，对没有点云的格网采用虚拟点内插进行补充，得到格网点云；利用点云分割对所述格网点云进行自适应分区，得到面片集和离散独立点云集；通过点云分割滤波和多尺度形态学滤波分别处理所述面片集和所述离散独立点云集，得到地面格网点云和非地面格网点云；采用平滑约束的点云分割，分别将。

15、所述地面格网点云和所述非地面格网点云分割为所述地面点云和所述非地面点云，所述非地面点云包括非地面面片和非地面离散独立点云。9.根据权利要求1所述的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，其特征在于，对所述建筑物轮廓包围盒和所述吊装物包围盒进行碰撞检测，得到吊装物和建筑物的空间关系和碰撞预警信息，包括：采用轴平行包围盒AABB树对所述建筑物轮廓包围盒进行索引构建；基于AABB树对所述建筑物轮廓包围盒和所述吊装物包围盒进行碰撞检测，遍历所述建筑物轮廓包围盒和所述吊装物包围盒的AABB树，得到距离所述吊装物包围盒距离最近的建筑物轮廓包围盒底图图元；依次计算所述吊装物包围盒中的各角点到所述建筑物轮廓包围盒底。

16、图图元的距离矢量，由所述距离矢量确定最小碰撞距离。10.根据权利要求1所述的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，其特征在于，对所述建筑物轮廓包围盒和所述吊装物最优外包围框进行碰撞检测，得到吊装物和建筑物的空间关系和碰撞预警信息之后，还包括：由塔基侧服务端将所述施工场地点云底图、所述建筑物轮廓包围盒、所述吊装物包围盒和所述碰撞预警信息发送至地面客户端；权利要求书5/6 页6CN 116605772 A6所述地面客户端通过可视化软件显示吊装作业三维环境、碰撞距离信息和潜在碰撞目标。权利要求书6/6 页7CN 116605772 A7一种基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法技术领域0001本发明涉及建筑塔。

17、吊施工技术领域，尤其涉及一种基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法。背景技术0002塔吊是工程建造领域广泛使用的起重设备，其使用阶段的作业活动是一种机械、人员、环境复杂交互的动态过程，涉及塔吊司机、信号工等多类特种作业人员，作业安全水平受特种作业人员知识技能、身心条件及沟通协调等多方面因素的综合影响，具有高风险性。塔吊使用阶段是塔吊生产安全事故的多发阶段，吊装作业中及时准确的碰撞预警信息对于控制塔吊作业安全风险水平具有重要意义。0003在传统的塔吊作业安全管理中，以技术管理人员旁站监督、巡视检查为主要手段，落实标准规范提出的安全技术要求，管理效果往往受限于技术管理人员的经验和主观判断，难以做到全面、。

18、及时和可靠。为了减少塔吊事故的发生，使塔吊安全、平稳、有效的运行，编码器、超声波传感器、激光测距仪、相机、射频标签、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、超宽带（Ultra Wide Band，UWB）等传感器已被用于塔吊碰撞事故预警，但这些传感器在使用中也存在一些缺点。编码器通过测量塔吊的转动角度和钢丝绳的移动距离，得到吊装物的位置信息，但是编码器无法感知吊装物的周围环境，不能获取吊装物与建筑物间的空间关系，通常被用于塔吊群间的碰撞预警；超声波传感器、激光测距仪等测距传感器通常被安装在吊钩上，通过直接测量吊装物体与施工场地障碍物间的距离预警碰撞事故，测量。

19、精度较高，但无法提供可视化的吊装环境信息和具有指向性的辅助操作信息；相机多安装于塔吊的大臂和小车，通过实时传输的图像增强塔吊司机对于吊装环境的感知能力，但是仍然需要人工判断吊装物和周围物体的距离，且相机的拍摄视角固定，图像的立体感较差，不利于碰撞距离的判别；射频标签、GPS、UWB等位置传感器通常安装在吊钩上，可以准确的获取吊装物的位置信息，但是无法获取周围的环境信息，通常需要结合建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）等技术实现碰撞信息的预警。0004针对上述各种传感器系统在塔吊碰撞预警存在的不足，需要在各技术中取长补短，提出一种新的塔吊碰撞预警方法。

20、。发明内容0005本发明提供一种基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，用以解决现有技术中针对塔吊碰撞预警所采用的各种传感器普遍存在空间环境感知较差，过于依赖和周边系统的配合，且无法识别获取较为准确的碰撞预警信息的缺陷。0006第一方面，本发明提供一种基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，包括：由塔机侧工控机采集激光雷达点云数据和组合导航系统观测数据，以及接收编码器观测数据和挂钩接收机载波相位差分定位结果；利用所述组合导航系统观测数据，进行双天线组合导航定位定姿解算，得到实时说明书1/12 页8CN 116605772 A8位姿信息；利用所述激光雷达点云数据和所述实时位姿信息，通过地理定向和点云配准，得。

21、到施工场地点云底图，采用上下底面轮廓结合包围盒提取算法，提取所述施工场地点云底图对应的建筑物轮廓包围盒；对所述激光雷达点云数据进行分割提取或利用所述编码器观测数据计算得到吊装物坐标，结合所述挂钩接收机载波相位差分定位结果，生成吊装物包围盒；对所述建筑物轮廓包围盒和所述吊装物包围盒进行碰撞检测，得到吊装物和建筑物的空间关系和碰撞预警信息。0007第二方面，本发明还提供一种基于多集成系统的塔吊碰撞预警系统，包括：采集接收模块，用于由塔机侧工控机采集激光雷达点云数据和组合导航系统观测数据，以及接收编码器观测数据和挂钩接收机载波相位差分定位结果；定位解算模块，用于利用所述组合导航系统观测数据，进行双天。

22、线组合导航定位定姿解算，得到实时位姿信息；定向配准模块，用于利用所述激光雷达点云数据和所述实时位姿信息，通过地理定向和点云配准，得到施工场地点云底图，采用上下底面轮廓结合包围盒提取算法，提取所述施工场地点云底图对应的建筑物轮廓包围盒；分割计算模块，用于对所述激光雷达点云数据进行分割提取或利用所述编码器观测数据计算得到吊装物坐标，结合所述挂钩接收机载波相位差分定位结果，生成吊装物包围盒；碰撞检测模块，用于对所述建筑物轮廓包围盒和所述吊装物包围盒进行碰撞检测，得到吊装物和建筑物的空间关系和碰撞预警信息。0008第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行。

23、的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法。0009第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法。0010本发明提供的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法，通过构建基于双天线、编码器和激光雷达集成的塔吊碰撞预警系统，有效解决塔吊作业中的碰撞预警问题，提升塔吊作业效率，为塔吊的远程化操作提供辅助。附图说明0011为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是。

24、本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。0012图1是本发明提供的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法的流程示意图；图2是本发明提供的多传感器集成的塔吊碰撞智能预警系统总体结构图；图3是本发明提供的组合导航系统与激光雷达布设示意图；说明书2/12 页9CN 116605772 A9图4是本发明提供的双天线GNSS/SINS组合高精度自主定位定姿算法流程图；图5是本发明提供的激光点云底图与包围盒生成算法流程图；图6是本发明提供的吊装物实时监测与碰撞信息测量算法流程图；图7是本发明提供的可视化系统数据交互流程图；图8是本发明提供的基。

25、于多集成系统的塔吊碰撞预警系统的结构示意图；图9是本发明提供的电子设备的结构示意图。0013附图标记：1：主GNSS天线；2：从GNSS天线；3：组合导航系统；4：激光雷达。具体实施方式0014为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。0015针对现有技术中塔吊碰撞预警技术中存在的不足，本发明集成了全球导航卫星系统（Global Navigation S。

26、atellite System，GNSS）、惯性捷联导航系统（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）、编码器和激光雷达组成的塔吊碰撞智能预警系统，提出了一种多集成系统的塔吊碰撞预警方法，能够精准获取施工环境和吊装物体的空间几何信息，具有预警准确、实时性高和吊装环境全景可视化的特点。0016图1是本发明实施例提供的基于多集成系统的塔吊碰撞预警方法的流程示意图，如图1所示，包括：步骤100：由塔机侧工控机采集激光雷达点云数据和组合导航系统观测数据，以及接收编码器观测数据和挂钩接收机载波相位差分定位结果；步骤200：利用所述组合导航系统观测数据，进行双天。

27、线组合导航定位定姿解算，得到实时位姿信息；步骤300：利用所述激光雷达点云数据和所述实时位姿信息，通过地理定向和点云配准，得到施工场地点云底图，采用上下底面轮廓结合包围盒提取算法，提取所述施工场地点云底图对应的建筑物轮廓包围盒；步骤400：对所述激光雷达点云数据进行分割提取或利用所述编码器观测数据计算得到吊装物坐标，结合所述挂钩接收机载波相位差分定位结果，生成吊装物包围盒；步骤500：对所述建筑物轮廓包围盒和所述吊装物包围盒进行碰撞检测，得到吊装物和建筑物的空间关系和碰撞预警信息。0017需要说明的是，本发明实施例是基于多传感器集成的塔吊碰撞智能预警系统，传感器的布设和数据的获取是实现本发明实。

28、施例各项功能的前提，多传感器集成的塔吊碰撞智能预警系统总体结构如图2所示，激光雷达和组合导航系统安置于塔吊驾驶舱上方，与驾驶舱内的工控机通过线缆连接；GNSS接收机安装在塔吊吊钩上方，用于确定吊钩位置，通过局域网将位置信息传输到工控机；编码器集成在塔吊的卷扬机中，可以测量小车在大臂上移动的距离和吊钩下降的距离，通过局域网将测量结果传输到工控机。驾驶舱上方的组合说明书3/12 页10CN 116605772 A10导航系统连接了两个GNSS天线，并与激光雷达固定连接，如图3所示的组合导航系统与激光雷达布设示意图中，主GNSS天线1和从GNSS天线2分别布设在塔吊大臂的两侧，组合导航系统3与激光雷。

29、达4通过每秒发送冲数（Pulses Per Second，PPS）脉冲进行了时间同步。0018具体地，塔机侧工控机通过机器人操作系统（Robot Operating System，ROS）实时接收激光雷达点云数据和组合导航系统的GNSS观测值、SINS观测值，同时通过局域网接收编码器数据和挂钩处GNSS接收机的实时动态载波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）定位结果。0019利用实时获取的GNSS观测和SINS观测值，进行双天线GNSS/SINS组合定位定姿解算，得到实时的位姿信息。0020将塔吊分别沿顺时针和逆时针各旋转1.5圈，同时保存接收的激光雷达点云数据和解算的位。

30、姿信息，通过直接地理定向和点云配准，并优化组合导航传感器和激光雷达间的空间安置参数，得到施工场地的点云底图，采取上下底面轮廓结合包围盒提取方法，获得更贴近于建筑物的真实轮廓的包围盒。0021对实时接收的点云进行初步分割和提取，使用编码器的观测数据计算吊装物的坐标，结合吊钩处RTK的位置信息，筛选出吊装物激光点云，生成吊装物最优外包围框，并与获取的底图包围盒进行碰撞检测，得到吊装物与建筑物的空间关系和碰撞预警信息。0022由塔基侧服务端将得到的点云底图和底图包围盒，以及得到的吊装物包围盒和碰撞预警信息通过局域网传输至地面客户端，由地面端可视化软件基于虚幻引擎4（Unreal Engine 4，U。

31、E4）在不同视角下实时显示吊装作业三维环境、碰撞距离信息和潜在碰撞目标。0023本发明通过集成GNSS、惯导、编码器和激光雷达，建立了精准的施工场地三维点云底图，可以实时多角度显示吊装作业的三维环境和预警信息，展示效果更为直观，有利于降低塔吊碰撞事故的风险；采用双天线GNSS/SINS组合定位定姿方法，位姿解算结果更为准确，提高了点云底图和碰撞预警信息的精度；此外，使用建筑物包围盒和吊装物最优外包围盒进行碰撞检测，在保障碰撞预警冗余度的同时极大地提升了计算效率；还通过基于客户端与服务端分离的方式构建可视化模块，降低了数据传输量，避免了数据阻塞，提高了可视化模块的实时性。0024基于上述实施例，。

32、本发明实施例通过构建施工场地的三维点云底图，并确定吊装物在点云底图中的位置，因此需要计算得到高精度的激光雷达位姿信息。0025如图3所示，固定在采集设备上的2个GNSS天线可形成短基线实现动对动RTK，确定出精确的基线向量，从而获得准确的姿态。在GNSS/SINS组合中，双天线GNSS测姿既可以用来初始对准，也可以为导航阶段提供外部姿态信息，尤其提高了航向角的可观测性。双天线GNSS测姿仍受到信号遮挡影响，结果输出不连续，且噪声较大，通常与SINS进行组合，一方面，SINS中的陀螺可以平滑GNSS测姿结果，弥补信号失锁时的中断，另一方面，加速度计可以计算水平角，从而使得双天线GNSS/SINS。

33、组合能够提供连续、平滑、可靠的三维姿态信息。本发明采用GNSS/SINS组合基础模型中的失准角方程作为状态方程，利用双天线GNSS提供的航向角以及加计提供的俯仰角和翻滚角作为观测值，共同形成Kalman滤波的基本要素。双天线GNSS/SINS组合的高精度自主定位定姿的具体流程如图4所示，具体包括：当双天线GNSS正确固定模糊度后，可以得到准确的基线向量，从而计算得到航向角和俯仰角：说明书4/12 页11CN 116605772 A11式中，表示基线向量在东方向上的投影，表示基线向量在北方向上的投影，表示基线向量在垂向上的投影；根据惯导的输出导出俯仰角和翻滚角，得到姿态更新的观测方程：惯导加计输。

34、出可以由比力方程表示：式中，是加计输出值，为l系（当地水平坐标系）下的视线加速度，为科氏力，为对地向心加速度，为重力，在获得了和后，就可以组成关于的方程，其中航向角又由提供，因此，可以计算得到加计导出的俯仰角和翻滚角，同时使用巴特沃斯滤波器对原始观测值进行平滑降噪。表示e系相对于i系的角速度在l系下的投影，表示l系相对于i系的角速度在l系下的投影，表示l系下的加计输出值，表示b系到l系的坐标转换矩阵。0026在得到姿态观测值后，由下式建立与待估状态之间的关系，即观测方程：式中，表示e系到l系的坐标转换矩阵，表示e系到l系的坐标转换矩阵，表示单位阵，表示 角的反对称矩阵，表示当前时刻机械编排得到。

35、的b系到e系的坐标转换矩阵。0027由于姿态角表示在l系下，观测值蕴含在中，而待估状态表示在e系下，使用上式，将姿态角用表示后，两边微分，可以得到观测方程：式中，表示观测值的残差向量，表示设计矩阵，表示待估参数，表示观测噪声，、和分别表示航向角、俯仰角和横滚角的残差向量，、和分别表示姿态角的观测值，、和表示惯导姿态更新得到的欧拉角，中、表示航向角的观测系数，、表示俯仰角的观测系数，、表说明书5/12 页12CN 116605772 A12示横滚角的观测系数，表示待估状态。0028主天线通过RTK得到位置更新的观测方程：式中，表示e系下位置更新的观测值残差向量，表示机械编排得到的e系下惯导的位置。

36、，表示杆臂在e系下的投影，表示e系下GNSS天线中心的位置，表示位置的误差状态，表示失准角，表示观测噪声。0029然后进行组合导航解算，得到高精度的位姿信息，根据解算的结果，对加速度和陀螺的零偏进行反馈校正。0030本发明通过动对动RTK得到采集设备的航向角，结合惯导加计输出构造了姿态更新的观测方程，组合导航解算得到的位姿信息为后续的点云数据处理提供了空间基准基于上述实施例，如图5所示，本发明实施例提出的激光点云底图与包围盒生成的具体算法流程包括：对原始点云进行点云地理定向，将点云从激光雷达坐标系转换到当地水平坐标系；对转换后的点云进行帧间匹配，得到初步的激光点云底图；优化激光雷达和惯导的空间。

37、安置参数，提升点云底图精度；采用布料模拟滤波算法将点云分为地面点和非地面点，方便监测范围内对象的包围盒的提取。布料模拟滤波算法的基本思想为将三维点云数据倒置，设想有一块布料覆盖在倒置后的点云上，布料受到重力作用，将贴近地面，布料覆盖的最终位置即为地面点所在位置；采用欧氏聚类的方法将属于同一非地面地物的离散点云聚类为一个点云对象，使用八叉树结构或者KD树结构进行点云邻域查询进而实现非地面点云的欧氏聚类，将点云间距离小于阈值的点聚类为同一对象。对于每一个对象均采用shape算法计算平面外边界，提取点云对象的下底面点和顶面点后即获得对象的包围盒。0031其中，激光雷达采集的点云数据是以激光雷达坐标系。

38、作为参考，建图数据采集过程中，激光雷达在不断移动，因此在构建激光点云底图时需要得到激光雷达和SINS间的准确空间关系，并将激光雷达坐标投影到当地水平坐标系。0032激光雷达测得的地面点在激光雷达坐标系下的坐标为，激光雷达与惯性测量单元之间的关系刚性固定，根据坐标转换原理可得地面点在惯导坐标系下的坐标为：根据双天线GNSS/SINS组合提供的位置和姿态，可将惯导坐标系下的坐标转换到全局坐标系中：说明书6/12 页13CN 116605772 A13进一步得到：上述各式中，表示任一地面点在激光雷达坐标系下的坐标，表示地面点在惯导坐标系下的坐标，表示任一地面点在WGS84地心地固坐标系下的坐标，表示。

39、激光雷达坐标系原点在惯导坐标系中的位置，表示激光雷达坐标系变换到惯导坐标系的旋转矩阵，表示惯导坐标系原点在WGS84地心地固空间直角坐标系中的位置，表示惯导坐标系变换到在WGS84地心地固空间直角坐标系的旋转矩阵。0033惯性导航系统输出的姿态角是惯导坐标系在当地水平坐标系中的姿态，而当地水平坐标系通过当地水平坐标系的原点的大地坐标可得到当地水平坐标系到WGS84地心地固坐标系的旋转矩阵，因此：式中，为根据惯导输出的三个姿态角计算的惯导坐标系到当地水平坐标系的旋转矩阵，为根据惯导坐标系原点大地坐标计算得到的当地水平坐标系到WGS84地心地固空间直角坐标系的旋转矩阵，代入得到：上式为塔机激光扫描。

40、的定位方程，可直接计算得到地物点在WGS84空间直角坐标系的坐标。所以地物点在当地水平坐标系下的坐标为：其中，为当地水平坐标系原点在WGS84坐标系下的坐标，为WGS84地心地固空间直角坐标系到当地水平坐标系的旋转矩阵。0034通过将点云从激光雷达坐标投影到当地水平坐标系，投影过程中涉及到激光雷达坐标系原点在惯导坐标系中的位置和激光雷达坐标系变换到惯导坐标系的旋转矩阵，因此需要优化和，假设激光扫描系统对同一地物点进行了两次扫描，得到：说明书7/12 页14CN 116605772 A14式中，、以及、是两次扫描中在激光雷达坐标系下的测量值，为已知值，、以及是第一次扫描时刻惯导的位置以及姿态组成。

41、的旋转矩阵，、以及是第二次扫描时刻惯导的位置以及姿态组成的旋转矩阵，它们均为已知值，只有与是未知的，即只有需要解求的激光雷达安置参数是未知的。将上述两式相减，得到：在标定过程中，使上式等号的左边最小，与未知，代表三个平移参数，是三个分别绕X轴、Y轴以及Z轴旋转的角度表示的旋转矩阵，因此共有六个互相独立的未知数：进一步地，采用非线性优化算法（LevenbergMarquardt，LM）解算六个标定参数。LM非线性算法通过迭代获得一组非线性方程的最小平方和，其数学模型如下式：是一组非线性方程，LM算法寻找一组，使得最小，每个点对可组成3个 方 程，若 有n个 点 对，即 可 组 成 3n个 方 程。

42、，通 过 L M 算 法 求 得 最 优 解，从而得到：。0035本发明采用直接地理定向将原始点云投影到当地水平坐标系，并使用无需三维控制场的灵活简便标定方式，优化惯导和激光雷达间的安置参数，提升了点云底图的精度。0036基于上述实施例，如图6所示，本发明实施例提出的吊装物实时监测与碰撞信息测量的具体算法流程包括：将采集的原始激光点云投影到当地水平坐标系下，并将吊钩的RTK定位结果由WGS84坐标系转换到当地水平坐标系记作；采用点云滤波，将原始点云分割为地面点和非地面点，从非地面点云中，提取出面说明书8/12 页15CN 116605772 A15片点云，作为吊装物提取的目标区域；对非地面面片。

43、进行连通性分析，将相邻的非地面面片进行合并，将合并的结果，作为待定的目标区，然后根据建筑物的几何尺寸及建筑物边界与地面存在一定的高程差异，将明显不是建筑物的目标区域剔除；利用吊钩的位置信息将距离吊钩最近的目标划分为吊装物目标，其他目标划分为大型建筑物目标，当吊钩处GNSS信号受到遮挡时，根据编码器测量的小车移动距离和吊钩下降距离，以及双天线GNSS/SINS组合得到的位姿信息，计算得到挂钩的位置，将带入并放大筛选阈值，也可得到吊装物目标；将吊物三维外包围框在XY平面上生成二维俯视投影，由于吊物在吊装过程中会发生绕z轴旋转，因此将俯视投影绕中心旋转，模拟吊物的可能旋转范围，并求取旋转范围的外接矩。

44、形作为最优外包围盒；采用AABB树对底图图元进行索引构建，然后对底图图元和吊物进行基于AABB树的碰撞检测，对两者的AABB树进行遍历，由吊装物外包围盒判断出距离最近的底图图元后，依次计算吊装物包围盒角点到最近图元的距离矢量，从而获取真实的最小碰撞距离。0037需要说明的是，由于塔吊的运行环境较为复杂，实时扫描到的激光点云中既包括吊装物也有建筑物和其他施工设备。因此本发明实施例采用自顶向下的策略，从目标区域层次识别吊装物区域，然后根据目标细部特征差异精确提取吊装物点云与包围框。原始点云的数据量较大，为了提升吊装物实时监测的速度，本发明实施例使用点云滤波从原始点云中提取出非地面面片点云，流程包括。

45、：在点云滤波中，点云的数据质量对其结果和运算效率都有很大影响。例如：点云密度过高，有时达到每平方上百个点，在点云局部特征计算和滤波处理时需要很大的运算量；点云密度过低或者分布不均，对点云局部特征计算的精度具有严重的影响，从而影响点云滤波结果；数据缺失区域，可能造成地面点云分布的不连续，导致点云之间邻近空间关系的弱化，从而增大了点云滤波错误的概率。因此，本发明实施例采用虚拟格网化技术对原始点云进行处理，使点云分布尽量均匀且减少数据空洞。首先，利用一定大小的格网对区域进行均匀划分，其中格网大小设定为。然后，对每一个格网进行遍历，取格网中的最低点作为格网点，而格网中的剩余点云标记为其他点云。最后，检。

46、测所有没有点云的格网，并对每个没有点云的格网内插一个虚拟点。该点位于格网的中心，而该点的高程通过最邻近插值方法得到。0038此处，本发明实施例采用的点云滤波方法主要包括了两个步骤：首先，利用点云分割方法对格网点云进行自适应分区，将格网点云划分成面片集和离散独立点云集两种类型；然后，通过点云分割滤波和多尺度形态学滤波方法分别对两种类型点云进行处理，将格网点分类成地面格网点和非地面格网点。在激光点云数据中，不同区域的平缓性不一，平缓区域邻近点云几何特征相似，且点云具有相同类别的概率也非常大；而变化剧烈区域邻近点云几何特征差异大，点与邻近点可能来自不同的目标表面。因此，不同类型区域应该采用不同的基元。

47、进行表达，平缓区域适合表示为具有区域性的面片基元，变化剧烈区域应采用点基元，从而可更好地表达不同区域点云的自身特性及其邻近关系，更加稳健地描述地面和非地面点云之间的差异。为了实现不同区域采用不同基元，利用基于平滑约束的点云分说明书9/12 页16CN 116605772 A16割将点云分成光滑平缓区域和高程变化剧烈区域。基于平滑约束的点云分割，是利用区域增长方法将法向量、平面拟合残差相近的邻近点云归并到同一面片中。分割过程如下：利用主成分分析估计点云的法向量和高斯曲率，然后从未分割过的点云中，提取高斯曲率最小值对应的点云作为种子点，记为，检索种子点的N个邻域点，并将符合增长条件的点作为新种子点。

48、，以此法代直到没有点能够满足条件。增长条件有两条，一是邻域点法向量和种子点法向量夹角小于一定阈值，二是邻域点到种子点局部拟合平面的残差小于一定阈值。如果所有的点都被分配到对应的面片中，则分割结束；否则，继续从未分割过的点云中提取种子点。分割过程中的3个阈值取值非常重要，直接影响点云分割结果。如果参数不当，结果容易出现过分割或次分割问题，从而影响点云滤波结果，特别是次分割问题。其中，3个参数的取值与点云密度、点云坐标误差具有紧密关系。如果点密度高、点云坐标误差小，N可适当增加，提高法向量计算的抗噪能力，夹角和残差阈值适当减小；如果点密度低、点云坐标误差大，N适当减小，夹角和残差阈值可适当增大，保。

49、证平缓区域能够具有较好的分割效果。在点云滤波处理后，点云被分成了地面点云和非地面点云，其中非地面点云表示为两种类型：非地面面片和非地面离散独立点云。0039本发明通过采用RTK+编码器获取吊装物体的先验位置，提高了目标区域点云的提取速度，降低了建筑物和施工设备对于吊装物的快速识别的干扰，基于AABB树底图图元检索结构的碰撞检测方法适用于塔吊的实际应用场景，加快了对底图包围盒的检索过程。0040基于上述实施例，在得到施工场地的三维点云底图和吊装物的碰撞预警信息后，对上述信息进行可视化处理，可以辅助塔吊操作人员感知吊装作业三维环境，提升吊装作业的效率。本发明实施例提出的可视化系统数据交互流程图如图。

50、7所示，采用“服务端+客户端”的结构设计塔吊碰撞预警可视化模块，塔机侧作为服务端，地面端可视化软件作为客户端，实现视角切换、安全阈值设置、潜在碰撞区域点云高亮显示等功能，整体实现过程包括：客户端与服务端通过局域网连接，配置塔吊高度、臂长等参数，加载塔吊模型；客户端向服务端发送建图指令，塔吊按照建图要求进行旋转，服务端采集建图所需数据，调用激光点云地图与包围盒生成模块生成点云底图和包围盒；客户端从服务端下载点云底图和底图包围盒，并进行加载；客户端配置吊绳长度等参数并向服务端发送，客户端向服务端发送碰撞检测指令，服务端调用吊装物实时监测与碰撞信息测量模块，得到碰撞预警信息：碰撞矢量起点坐标，碰撞矢。