CN103979443A - 塔式起重机的自动引导系统及其引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了塔式起重机的自动引导系统及其引导方法。塔式起重机的自动引导系统包括控制主机、球形摄像机、硬盘录像机、液晶显示器、高度传感器、幅度传感器；控制主机、硬盘录像机及高清液晶显示器均安装在塔式起重机驾驶室内；球形摄像机安装在塔式起重机的吊臂最前端；高度传感器安装在塔式起重机的平衡臂卷扬机处；幅度传感器安装在塔式起重机的吊臂卷扬机处。其中球形摄像机、高度传感器、幅度传感器分别与控制主机连接；控制主机、球形摄像机与硬盘录像机连接，硬盘录像机与液晶显示器连接。本发明利用装在吊臂最前端的球机，随着吊钩同步转动拍摄的画面引导塔吊司机安全作业，避免塔吊司机不能及时看见看清作业现场导致事故的发生。

Description

塔式起重机的自动引导系统及其引导方法

技术领域

本发明涉及一种塔式起重机的自动引导系统及其引导方法。

背景技术

目前工地上塔吊作业是由地面引导员通过对讲机指挥引导塔吊司进行作业任务；随着建筑物的不断增高，作业环境越来越复杂，作业范围越来越大，因引导员与塔吊驾驶员之间引导失误，导致事故频繁发生，造成重大的人身伤亡财产损失。因指挥引导不畅，导致塔吊作业效率低下，经常发生错吊、漏吊，吊装周期长等现象。特殊情况下的盲吊，塔吊司机完全看不见起吊点的情况，全靠塔吊引导员的语音指挥，盲吊过程是极易发生重大事故的过程。我公司经科技攻关研发出塔吊自动引导系统，依靠科技的力量很好的解决这一难题。

现在塔吊作业是由地面引导员通过对讲机指挥塔吊司机完成塔吊作业，并无任何先进的仪器协助。其不足之处在于：

地面引导员通过对讲机将塔吊需要作业的信息传给塔吊司机，就存在地面引导员和塔吊司机信息理解偏差，导致危险事故的发生；塔吊的作业面积广，地面引导员，不能及时的到达吊钩起落点，导致重物长时间的悬挂在塔吊吊钩上，增加了塔吊作业的危险性；对于塔吊工作过程中出现盲吊点，塔吊司机不能观察到吊钩重物的情况，也增加塔吊作业的危险性；引导员因工作繁重，故工资较高，现采用自动引导系统，减少引导员劳动强度，降低人力成本；塔吊司机因不能清晰的看见作业区域，导致作业缓慢，效率低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种塔式起重机的自动引导系统。

本发明要解决的另外一个技术问题是提供一种塔式起重机的自动引导方法。

对于塔式起重机的自动引导系统，本发明采用的技术方案是：包括控制主机、球形摄像机、硬盘录像机、液晶显示器、高度传感器、幅度传感器；

控制主机、硬盘录像机及高清液晶显示器均安装在塔式起重机驾驶室内；

球形摄像机安装在塔式起重机的吊臂最前端；

高度传感器安装在塔式起重机的平衡臂卷扬机处；

幅度传感器安装在塔式起重机的吊臂卷扬机处。

作为优选，球形摄像机、高度传感器、幅度传感器分别与控制主机连接；控制主机、球形摄像机与硬盘录像机连接，硬盘录像机与液晶显示器连接。

作为优选，控制主机采用ARM构架的单片机作为主处理器。

作为优选，球形摄像机为高速高清球形摄像机。

作为优选，液晶显示器为高清液晶显示器。

作为优选，高度传感器为高精度电阻式传感器；高度传感器的传动轴与平衡臂卷扬机的转动轴连接。

作为优选，幅度传感器为高精度电阻式传感器；幅度传感器的传动轴与吊臂卷扬机的转动轴连接。

对于塔式起重机的自动引导方法，本发明采用的技术方案是：包括以下步骤：

(1)将控制主机、硬盘录像机及高清液晶显示器安装在塔式起重机(后称塔吊)驾驶室内；所述控制主机、硬盘录像机及高清液晶显示器均安装在塔式起重机驾驶室内；

将球形摄像机安装在塔式起重机的吊臂最前端，将球形摄像机至控制室的直线距离设定为球形摄像机的安装位置；球形摄像机每次上电后水平角度默认点设定为球形摄像机的水平角度零点位置；

将作为高度传感器的高精度电阻式传感器的传动轴与平衡臂卷扬机的转动轴连接，将作为幅度传感器的高精度电阻式传感器的传动轴与吊臂卷扬机的转动轴连接；

(2)将球形摄像机、高度传感器、幅度传感器分别与控制主机连接；将控制主机与硬盘录像机、液晶显示器连接；

(3)首次使用时，在控制主机上设置球形摄像机的安装位置和球形摄像机的水平角度零点位置，以及高度传感器采样标定、幅度传感器采样标定，设置完成后进入正常工作模式；

(4)控制主机将获取到的塔吊的高度和幅度，通过计算得到当前吊钩和球形摄像机间的夹角和距离；其具体算法如下：

设：球形摄像机安装位置为X，当前吊钩与吊臂垂直距离即吊钩当前高度为H，当前变幅小车与驾驶室水平距离即当前变幅小车幅度为F，则球形摄像机夹角α由公式1计算得到；球形摄像机到吊钩的直线距离L由公式2计算得到：

公式1：α＝arctan(H/(X-F))；

公式2：L²＝(X-F)²+H²；

(5)将计算所得最新球形摄像机夹角α和球形摄像机到吊钩的直线距离L与上一次采集到的距离和角度比较，若发生变化，就立即调整球形摄像机的状态；塔吊在工作过程中，控制主机实时监测吊钩的高度，小车的幅度和吊钩距离摄像机的距离，当上述参量任意一个变化超过0.5米时，控制主机就会发送控制指令给摄像机，调整摄像机的倍率，角度及焦距，来使得球形摄像机实时对准吊钩。

作为优选，步骤(4)中所述吊钩当前高度H按以下方法取值和计算得到：

平衡臂卷扬机的转动带动与之连接的高度传感器工作，高度传感器输出信号值发生变化，通过模数转换转化为数字信号，由控制主机按采样周期多次读取并计算得到高度采样平均值；

吊钩停留在某一高度时，通过控制主机读取得到所述高度采样平均值并保存至内存中，记为第一标定高度采样值AD1；同时在控制主机中输入当前状态下吊钩距离吊臂目视距离值保存在内存中，记为第一标定高度FH1；

吊钩移动至另一高度时，再次通过控制主机读取到高度采样平均值并保存至内存中，记为第二标定高度采样值AD2；同时在控制主机中输入当前状态下吊钩距离吊臂目视距离值并保存在内存中，记为第二标定高度FH2；

当吊钩升降变化到一个新的高度后，通过控制主机读取到高度采样平均值，记为当前高度采样平均值AD，并按公式3计算当前高度H：

公式3：H＝(|AD-AD1|)*(|FH2-FH1|)/(|AD2-AD1|)+FH1；

系统首次使用时需要设定第一标定高度采样值AD1、第二标定高度采样值AD2、第一标定高度FH1和第二标定高度FH2；

所述高度采样平均值以20毫秒的采样周期，取50次采样值经算术平均计算得到。

作为优选，步骤(4)中所述当前变幅小车幅度F按以下方法取值和计算得到：

吊臂卷扬机的转动带动与之连接的幅度传感器工作，幅度传感器输出信号值发生变化，通过模数转换转化为数字信号，由控制主机按采样周期多次读取并计算得到幅度采样平均值；

变幅小车停留在某一幅度时，通过控制主机读取到所述幅度采样平均值并保存至内存中，记为第一标定幅度采样值BD1；同时在控制主机中输入当前状态下变幅小车与驾驶室的目视水平距离值保存在内存中，记为第一标定幅度FF1；变幅小车移动至另一幅度时，再次通过控制主机读取到幅度采样平均值并保存至内存中，记为第二标定幅度采样值BD2；同时在控制主机中输入当前状态下变幅小车与驾驶室的目视水平距离值并保存在内存中，记为第二标定幅度FF2；

当吊钩变化到一个新的幅度后，通过控制主机读取到幅度采样平均值，记为当前幅度采样平均值BD，并按公式4计算当前幅度F：

公式4：F＝(|BD-BD1|)*(|FF2-FF1|)/(|BD2-BD1|)+FF1；

系统首次使用时需要设定第一标定幅度采样值BD1、第二标定幅度采样值BD2，第一标定幅度FF1和第二标定幅度FF2；

所述幅度采样平均值以20毫秒的采样周期，取50次采样值经算术平均计算得到。

本发明的有益效果是：

将球形摄像机安装在吊臂的最前端，球形摄像机的视线则不会被低矮建筑遮挡，通过球形摄像机拍摄的画面引导塔吊司机作业，塔吊司机将可以更安全高效的作业。

球形摄像机安装在吊臂上，随着吊钩同步转动拍摄的画面引导塔吊司机安全作业，避免塔吊司机不能及时看见看清作业现场导致事故的发生。

减少了地面引导员大量繁琐的工作，提高了作业效率和保证塔吊作业的安全性；

设备可以重复安装多次使用，降低施工成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明塔式起重机的自动引导系统实施例的结构示意图。

图2是本发明塔式起重机的自动引导系统实施例的结构示意图。

图3是本发明塔式起重机的自动引导系统实施例的电路原理图。

图4是本发明塔式起重机的自动引导系统实施例的控制流程图。

图中，1-球形摄像机，2-吊臂，3-变幅小车，4-吊臂卷扬机，5-驾驶室，6-平衡臂卷扬机，7-平衡臂，8-吊钩。

具体实施方式

图1是一种塔式起重机的自动引导系统。由控制主机、球形摄像机、硬盘录像机、液晶显示器、高度传感器、幅度传感器组成。

其中，控制主机、硬盘录像机及高清液晶显示器均安装在塔式起重机驾驶室5内。球形摄像机1安装在塔式起重机的吊臂2的最前端。

其中控制主机采用ARM构架的单片机作为主处理器。

在塔式起重机的吊臂2上装有吊臂卷扬机4，吊臂卷扬机用于改变吊钩8的高度。

在平衡臂7上装有平衡臂卷扬机6，平衡臂卷扬机用于改变变幅小车3的移动距离。

高度传感器与幅度传感器均为高精度电阻式传感器(型号为DXZ1∶660W型行程限位器)，其中高度传感器的转动轴与塔式起重机的平衡臂卷扬机6的转动轴连接，平衡臂卷扬机转动时同步带动高度传感器的输出信号发生线性变化。该型传感器设有1∶660的减速机构，将卷扬机转动轴的超过360度的转动转化为传感器信号输出机构限于360度内的转动。

幅度传感器的转动轴与塔式起重机的吊臂卷扬机4的转动轴连接，吊臂卷扬机转动时同步带动幅度传感器的输出信号发生线性变化。

在图3中，球形摄像机、高度传感器、幅度传感器分别与控制主机连接；控制主机、球形摄像机与硬盘录像机连接，硬盘录像机与液晶显示器连接。电源为球形摄像机、液晶显示屏、硬盘录像机、控制主机供电。

本实施例通过吊钩高度传感器和小车幅度传感器实时采集吊钩位置，并通过控制主机将采集到的吊钩位置信号转化成摄像机控制信号，摄像机根据控制信号转动保障画面在设定区域，摄像机通过控制信号按照设定值变焦、变倍，保障图像清晰。塔吊驾驶员通过观看显示屏可清晰、实时的观看到当前吊钩区域的作业情况。

本实施例的具体计算方法如以下步骤：

(1)球形摄像机安装在塔式起重机的吊臂最前端，将球形摄像机至控制室的直线距离设定为球形摄像机的安装位置；球形摄像机每次上电后水平角度默认点设定为球形摄像机的水平角度零点位置；

(2)首次使用时，在控制主机上设置球形摄像机的安装位置和球形摄像机的水平角度零点位置，以及高度采样标定、幅度传感器采样标定，设置完成后进入正常工作模式；

(3)控制主机将获取到的塔吊的高度和幅度，通过计算得到当前吊钩和球形摄像机间的夹角和距离；其具体算法如下：

在图1中，设：球形摄像机安装位置为X，当前吊钩与吊臂垂直距离即吊钩当前高度为H，当前变幅小车与驾驶室水平距离即当前变幅小车幅度为F，则球形摄像机夹角α由公式1计算得到；球形摄像机到吊钩的直线距离L由公式2计算得到：

公式1：α＝arctan(H/(X-F))；

公式2：L²＝(X-F)²+H²；

(4)将计算所得最新球形摄像机夹角α和球形摄像机到吊钩的直线距离L与上一次采集到的距离和角度比较，若发生变化，就立即调整球形摄像机的状态；塔吊在工作过程中，控制主机实时监测吊钩的高度，小车的幅度和吊钩距离摄像机的距离，当上述参量任意一个变化超过0.5米时，控制主机就会发送控制指令给摄像机，调整摄像机的倍率，角度及焦距，来使得球形摄像机实时对准吊钩。

上述步骤(4)中所述吊钩当前高度H按以下方法取值和计算得到：

平衡臂卷扬机的转动带动与之连接的高度传感器工作，高度传感器输出信号值发生变化，通过模数转换转化为数字信号，由控制主机按采样周期多次读取并计算得到高度采样平均值；

吊钩停留在某一高度时，通过控制主机读取得到所述高度采样平均值并保存至内存中，记为第一标定高度采样值AD1；同时在控制主机中输入当前状态下吊钩距离吊臂目视距离值保存在内存中，记为第一标定高度FH1；

吊钩移动至另一高度时，再次通过控制主机读取到高度采样平均值并保存至内存中，记为第二标定高度采样值AD2；同时在控制主机中输入当前状态下吊钩距离吊臂目视距离值并保存在内存中，记为第二标定高度FH2；

当吊钩升降变化到一个新的高度后，通过控制主机读取到高度采样平均值，记为当前高度采样平均值AD，并按公式3计算当前高度H：

公式3：H＝(|AD-AD1|)*(|FH2-FH1|)/(|AD2-AD1|)+FH1；

系统首次使用时需要设定第一标定高度采样值AD1、第二标定高度采样值AD2、第一标定高度FH1和第二标定高度FH2；

所述高度采样平均值以20毫秒的采样周期，取50次采样值经算术平均计算得到。

上述步骤(4)中所述当前变幅小车幅度F按以下方法取值和计算得到：

吊臂卷扬机的转动带动与之连接的幅度传感器工作，幅度传感器输出信号值发生变化，通过模数转换转化为数字信号，由控制主机按采样周期多次读取并计算得到幅度采样平均值；

吊钩停留在某一幅度时，通过控制主机读取到所述幅度采样平均值并保存至内存中，记为第一标定幅度采样值BD1；同时在控制主机中输入当前状态下变幅小车到驾驶室的目视水平距离值保存在内存中，记为第一标定幅度FF1；吊钩移动至另一幅度时，再次通过控制主机读取到幅度采样平均值并保存至内存中，记为第二标定幅度采样值BD2；同时在控制主机中输入当前状态下变幅小车到驾驶室的目视水平距离值并保存在内存中，记为第二标定幅度FF2；

当吊钩变化到一个新的幅度后，通过控制主机读取到幅度采样平均值，记为当前幅度采样平均值BD，并按公式4计算当前幅度F：

公式4：F＝(|BD-BD1|)*(|FF2-FF1|)/(|BD2-BD1|)+FF1；

系统首次使用时需要设定第一标定幅度采样值BD1、第二标定幅度采样值BD2，第一标定幅度FF1和第二标定幅度FF2；

所述幅度采样平均值以20毫秒的采样周期，取50次采样值经算术平均计算得到。

本实施例的控制流程如图4所示。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.塔式起重机的自动引导系统，其特征在于：包括控制主机、球形摄像机、硬盘录像机、液晶显示器、高度传感器、幅度传感器；

所述控制主机、硬盘录像机及高清液晶显示器均安装在塔式起重机驾驶室内；

所述球形摄像机安装在塔式起重机的吊臂最前端；

所述高度传感器安装在塔式起重机的平衡臂卷扬机处；

所述幅度传感器安装在塔式起重机的吊臂卷扬机处。

2.根据权利要求1所述的塔式起重机的自动引导系统，其特征在于：所述球形摄像机、高度传感器、幅度传感器分别与控制主机连接；所述控制主机、球形摄像机与硬盘录像机连接，所述硬盘录像机与液晶显示器连接。

3.根据权利要求1或2所述的塔式起重机的自动引导系统，其特征在于：所述控制主机采用ARM构架的单片机作为主处理器。

4.根据权利要求1或2所述的塔式起重机的自动引导系统，其特征在于：所述球形摄像机为高速高清球形摄像机。

5.根据权利要求1或2所述的塔式起重机的自动引导系统，其特征在于：所述液晶显示器为高清液晶显示器。

6.根据权利要求1或2所述的塔式起重机的自动引导系统，其特征在于：所述高度传感器为高精度电阻式传感器；所述高度传感器的传动轴与平衡臂卷扬机的转动轴连接。

7.根据权利要求1所述的塔式起重机的自动引导系统，其特征在于：所述幅度传感器为高精度电阻式传感器；所述幅度传感器的传动轴与吊臂卷扬机的转动轴连接。

8.塔式起重机的自动引导方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将控制主机、硬盘录像机及高清液晶显示器安装在塔式起重机(后称塔吊)驾驶室内；所述控制主机、硬盘录像机及高清液晶显示器均安装在塔式起重机驾驶室内；

将球形摄像机安装在塔式起重机的吊臂最前端，将球形摄像机至控制室的直线距离设定为球形摄像机的安装位置；球形摄像机每次上电后水平角度默认点设定为球形摄像机的水平角度零点位置；

将作为高度传感器的高精度电阻式传感器的传动轴与平衡臂卷扬机的转动轴连接，将作为幅度传感器的高精度电阻式传感器的传动轴与吊臂卷扬机的转动轴连接；

(2)将球形摄像机、高度传感器、幅度传感器分别与控制主机连接；将控制主机与硬盘录像机、液晶显示器连接；

(3)首次使用时，在控制主机上设置球形摄像机的安装位置和球形摄像机的水平角度零点位置，以及高度传感器采样标定、幅度传感器采样标定，设置完成后进入正常工作模式；

(4)控制主机将获取到的塔吊的高度和幅度，通过计算得到当前吊钩和球形摄像机间的夹角和距离；其具体算法如下：

设：球形摄像机安装位置为X，当前吊钩与吊臂垂直距离即吊钩当前高度为H，当前变幅小车与驾驶室水平距离即当前变幅小车幅度为F，则球形摄像机夹角α由公式1计算得到；球形摄像机到吊钩的直线距离L由公式2计算得到：

公式1：α＝arctan(H/(X-F))；

公式2：L²＝(X-F)²+H²；

(5)将计算所得最新球形摄像机夹角α和球形摄像机到吊钩的直线距离L与上一次采集到的距离和角度比较，若发生变化，就立即调整球形摄像机的状态；塔吊在工作过程中，控制主机实时监测吊钩的高度，小车的幅度和吊钩距离摄像机的距离，当上述参量任意一个变化超过0.5米时，控制主机就会发送控制指令给摄像机，调整摄像机的倍率，角度及焦距，来使得球形摄像机实时对准吊钩。

9.根据权利要求8所述的塔式起重机的自动引导方法，其特征在于：步骤(4)中所述吊钩当前高度H按以下方法取值和计算得到：

平衡臂卷扬机的转动带动与之连接的高度传感器工作，高度传感器输出信号值发生变化，通过模数转换转化为数字信号，由控制主机按采样周期多次读取并计算得到高度采样平均值；

吊钩停留在某一高度时，通过控制主机读取得到所述高度采样平均值并保存至内存中，记为第一标定高度采样值AD1；同时在控制主机中输入当前状态下吊钩距离吊臂目视垂直距离值保存在内存中，记为第一标定高度FH1；

吊钩移动至另一高度时，再次通过控制主机读取到高度采样平均值并保存至内存中，记为第二标定高度采样值AD2；同时在控制主机中输入当前状态下吊钩距离吊臂目视垂直距离值并保存在内存中，记为第二标定高度FH2；

当吊钩升降变化到一个新的高度后，通过控制主机读取到高度采样平均值，记为当前高度采样平均值AD，并按公式3计算当前高度H：

公式3：H＝(|AD-AD1|)*(|FH2-FH1|)/(|AD2-AD1|)+FH1；

系统首次使用时需要设定第一标定高度采样值AD1、第二标定高度采样值AD2、第一标定高度FH1和第二标定高度FH2；

所述高度采样平均值以20毫秒的采样周期，取50次采样值经算术平均计算得到。

10.根据权利要求8所述的塔式起重机的自动引导方法，其特征在于：步骤(4)中所述当前变幅小车幅度F按以下方法取值和计算得到：

吊臂卷扬机的转动带动与之连接的幅度传感器工作，幅度传感器输出信号值发生变化，通过模数转换转化为数字信号，由控制主机按采样周期多次读取并计算得到幅度采样平均值；

变幅小车停留在某一幅度时，通过控制主机读取到所述幅度采样平均值并保存至内存中，记为第一标定幅度采样值BD1；同时在控制主机中输入当前状态下吊钩与驾驶室的目视水平距离值保存在内存中，记为第一标定幅度FF1；变幅小车移动至另一幅度时，再次通过控制主机读取到幅度采样平均值并保存至内存中，记为第二标定幅度采样值BD2；同时在控制主机中输入当前状态下吊钩与驾驶室的目视水平距离值并保存在内存中，记为第二标定幅度FF2；

当变幅小车变化到一个新的幅度后，通过控制主机读取到幅度采样平均值，记为当前幅度采样平均值BD，并按公式4计算当前幅度F：

公式4：F＝(|BD-BD1|)*(|FF2-FF1|)/(|BD2-BD1|)+FF1；

系统首次使用时需要设定第一标定幅度采样值BD1、第二标定幅度采样值BD2，第一标定幅度FF1和第二标定幅度FF2；

所述幅度采样平均值以20毫秒的采样周期，取50次采样值经算术平均计算得到。