CN106219416A - 一种利用gnss技术的双吊绳段建筑施工塔吊机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用GNSS技术的双吊绳段建筑施工塔吊机，包括塔臂、第一和第二吊绳段、位于第一和第二吊绳段之间的动滑轮、第二吊绳段末端的吊钩，该塔吊机与一包括基准站、监控装置和客户终端的吊装定点放样辅助系统配合，该塔吊机还包括：在塔臂上、吊钩正上方位置的第一流动站；设置在动滑轮上的第二流动站，第一和第二流动站从基准站接收卫星差分改正信号，获得自身的位置信息，并将位置信息发送给监控装置，确定第一、第二流动站的平面位置是否相差较大，如果相差较大，则提示暂缓作业，如果相差不大，则将第二流动站的平面位置确定为吊钩的平面位置，根据第二吊绳段的长度和第二流动站的高程，确定吊钩的高程。

Description

一种利用GNSS技术的双吊绳段建筑施工塔吊机

技术领域

本发明涉及一种建筑施工塔吊机，尤其涉及双吊绳段建筑施工塔吊机。

背景技术

目前建筑施工塔吊机吊装作业时，确定吊钩位置采用人工值守。例如，在ZL200620036492.0中公开了一种塔吊机。如图1所示，在该塔吊机中，操作者在座椅上利用反光镜19来观察所吊物体的工作情况。在其他的现有技术的塔吊机中，还有采用在起重臂上设置红旗来进行观测的。这样的观测不够准确，对操作人员要求高。另外，现有技术的塔吊机还需要操作员与吊装员建立统一关系、密切配合才可完成吊装任务，操控流程复杂，对人员素质要求严格。采用传统的人工值守方法指挥吊装任务，作业效率低下且易受通视条件限制而作业困难，费时费力，智能化程度低下且不经济。

发明内容

本发明鉴于以上情况提出，用于缓解或消除现有技术中存在的一项或更多的缺点，至少提供一种有益的选择。

为实现以上目的，本发明公开了一种双吊绳段建筑施工塔吊机，其中，所述建筑施工塔吊机包括塔臂、第一吊绳端、第二吊绳段、位于所述第一吊绳段和第二吊绳段之间的动滑轮，和在所述第二吊绳段末端的吊钩，所述建筑施工塔吊机与一吊装定点放样辅助系统配合，所述吊装定点放样辅助系统包括基准站、监控装置和客户终端，其中，所述建筑施工塔吊机还包括：在所述塔臂上、所述吊钩正上方位置安装的第一流动站；设置在所述动滑轮上的第二流动站，所述第一流动站和所述第二流动站从所述基准站接收卫星差分改正信号，获得自身的平面位置信息和高程信息，并将所述平面位置信息和所述高程信息发送给所述监控装置，所述监控装置确定所述第一流动站和的平面位置与所述第二流动站的平面位置是否相差较大，如果相差较大，则提示暂缓进行作业，如果相差不大，则将所述第二流动站的平面位置确定为所述吊钩的平面位置，并根据所述第二吊绳段的长度和所述第二流动站的高程，确定吊钩的高程。

根据一种实施方式，所述监控装置计算所述第二流动站在一定时间内测量出的平面位置的平均值和高程的平均值，使用所述平均值进行吊钩位置的计算。

根据一种实施方式，所述监控装置计算第二流动站的高程数据的均方根，当所述第二流动站的高程数据的均方根超过预定数值时，进行报警，提示暂缓进行作业。

根据一种实施方式，所述监控装置根据以下公式计算所述吊钩的位置：

$H_g=\{H_1-(H_2+H_3)\}-\sqrt{{H_4}^2-\[v_1-(v_2+a^2)}{\]}^2-R$

其中，H_g表示吊钩的高程，H₁是所述第二流动站天线相位中心的高程，H₂是所述第二流动站天线5相位中心至天线底部的垂高，H₃是所述天线底部到所述动滑轮中心的高度差，v₁是所述塔臂上所述移动车的切线速度，v₂为风速，a是风的加速度，R是所述动滑轮的半径，H₄是所述第二吊绳段的长度。

根据一种实施方式，所述监控装置根据以下公式计算所述吊钩的位置：

H_g＝{H₁-(H₂+H₃)}×2(v₁-v₂)²/H₄×(a0-a1)×(H₄+R)

其中，H_g表示吊钩的高程，H₁是所述第二流动站天线相位中心的高程，H₂是所述第二流动站的天线的相位中心至天线的底部的垂高，H₃是所述天线的底部到所述动滑轮的中心的高度差，v₁是所述塔臂上所述移动车的切线速度，v₂为风速，a0是塔臂当前加速度，a1是风的加速度，R是所述动滑轮的半径，H₄是所述第二吊绳段的长度。

根据一种实施方式，所述第一流动站或所述第二流动站如下地获得自身的平面位置和高程位置：

首先根据以下公式获得流动站在塔吊系下的坐标：

其中，和分别为流动站在塔吊系和WGS-84系下的坐标；T_X、T_Y、T_Z为由WGS-84系转换到塔吊系的平移参数；ω_X、ω_Y、ω_Z为由WGS-84系转换到塔吊系的旋转参数；m为由WGS-84系转换到塔吊系的尺度参数；

然后，将所述流动站的塔吊系坐标在高斯投影下进行坐标转换，获得所述流动站的平面位置(x，y)和高程位置H。

根据一种实施方式，所述流动站根据来自基准站的差分改正信号以及所述基准站到所述塔吊机的距离如下地计算平移参数误差，从而获得自身的平面位置和高程位置：

$\left[\begin{array}{c}dx1\\ dy1\\ dz1\end{array}\right]=d_H\left[\begin{array}{c}\cos (B-b)\cos (L+l)\\ \cos (B+b)\sin (L-l)\\ \sin B\end{array}\right]$

其中dx1、dy1、dz1表示流动站处的平移参数误差，B，L表示基准站处的大地经纬度，d_H表示基准站处的大地高误差，b表示基准站和流动站之间的平面横轴距离，l表示基准站和流动站之间的平面纵轴距离，通过测量所述塔吊机到基准站之间的距离和所述流动站在所述塔吊机的吊臂上的位置来获得所述b和所述l。

根据一种实施方式，所述监控装置设置在所述建筑施工塔吊机上，构成所述建筑施工塔吊机的一部分。

根据本发明的实施方式，可以避免将昂贵的流动站设置在吊钩上。根据一些实施方式，考虑了风速的影响或者利用基准站和塔吊机之间的位置信息，可以更准确定位吊钩的位置。

附图说明

结合附图，可以更好地理解本发明。但是附图仅仅是示例性的，不是对本发明的保护范围的限制。

图1示出了现有技术的一种塔吊的示意图；

图2示出了依据本发明的一种实施方式的塔吊机的示意图；

图3示出了图2的塔吊机的吊臂动滑轮和吊钩处的放大示意图；

图4示出了依据本发明的一种实施方式的建筑施工塔吊机吊装定点放样辅助系统的示意图；

图5示出了依据本发明的一种实施方式的基准站、流动站和客户终端的系统结构示意图；

图6示出了依据本发明的一种实施方式的数据交换系统。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步详述，但不构成对本发明的任何限制。

本发明的发明人通过研究发现，为了较好地完成塔吊机吊装定点放样任务，需要知悉吊钩的位置，可以想到的是这可以通过在吊钩位置放置定位装置来实现。但是，吊钩位置可能受到碰撞，经常是摆动的，受到风的影响也比较大，而且在有些地点无法进行测量。因而本发明的发明人为了更好地进行放样，构思了本发明的实施方式。

另一方面，在一些现有技术的实施方式中，有些吊钩直接挂在吊绳上，吊绳通过固定在吊臂上的静滑轮进行收放。在这种技术方案中，对吊绳的要求很高，并且相应地提高了与吊绳相关的配套产品的成本。在某些实施方式中，在吊钩上安装有静滑轮和动滑轮。对于在吊钩上安装静滑轮和动滑轮的技术方案，一旦发生事故，则会造成较大的损失。

图2示出了依据本发明的一种实施方式的塔吊机的示意图。该塔吊机包括固定装置21、立柱22、塔臂23、移动车24、和吊臂动滑轮25、第一吊绳段26和第二吊绳段27。图3示出了图2的吊臂动滑轮25和吊钩处的放大示意图。

图4示出了依据本发明的一种实施方式的建筑施工塔吊机及其吊装定点放样辅助系统的示意图。

如图4所示，依据本发明的一种实施方式，建筑施工塔吊机吊装定点放样辅助系统包括基准站1、第一流动站2、客户终端3、监控装置4以及第二流动站5。在一种实施方式中，还包括数据交换系统7。第一流动站2、监控装置4、第二流动站5安装在塔吊机6上。安装在塔吊机上的部件视为塔吊机的一部分。

在本发明的一种实施方式中，所述的基准站1通过数据交换系统7与第一流动站2、客户终端3、第二流动站5建立连接，第一流动站2、客户终端3、第二流动站5通过数据交换系统7与监控装置4建立连接。

图5示出了依据本发明的一种实施方式的基准站、流动站和客户终端的系统结构示意图。如图5所示，根据本发明的一种实施方式，基准站1、第一流动站2、第二流动站5和客户终端3均是GNSS卫星信号接收设备，分别包括与核心控制模块18连接封装的测地型卫星定位模块11、天线模块12、存储模块13、电源模块14、通讯模块15、数据交换模块16及数据计算模块17。该实施方式是示意性的，本领域技术人员可以采取任何方式来实现这些模块，也可以采用不同的构成方式来实现本发明的基准站1、第一流动站2、第二流动站5和客户终端3，这些都在本发明的保护范围内。

基准站1架设在施工项目附近视野相对广阔的已知坐标点，可以是一个或多个，基准站1可以生成GNSS卫星差分改正信号，该卫星差分改正信号可通过单基准站RTK或多基准站网络RTK(CORS)系统由数据交换系统7播发至流动站2和客户终端3。根据本发明的一种实施方式，也可以直接发送给流动站2、客户终端3和客户终端9。

在一种实施方式中，所述的第一流动站2安装在塔吊机6塔臂(或吊臂)上，吊钩的正上方。例如在图1所示的塔吊机的情况下，流动站2可以安装在塔臂的滑轮9的正上方处。在本发明中，根据上下文，在吊钩正上方的某一小范围的平面(例如移动车)上，可以通过简单换算得到吊钩正上方的的平面与高程位置的点也可视为位于吊钩的正上方。

第一流动站2利用来自基准站1的差分改正信号计算自身的天线模块12的高程位置和平面位置，所述第一流动站2的天线模块12平面和高程位置，经由数据交换系统7播发至监控装置4，监控装置4将所述的第一流动站2的天线模块12的平面位置确定为吊装定点放样平面位置。

在一种实施方式中，流动站2利用该差分改正信号以及塔吊机到基准站的距离计算自身的天线模块12的高程位置和平面位置。在一种实施方式中，其可如下地获得。首先获得塔吊系的坐标：

其中，和分别为流动站在塔吊系和WGS-84系下的坐标；T_X、T_Y、T_Z为由WGS-84系转换到塔吊系的平移参数；ω_X、ω_Y、ω_Z为由WGS-84系转换到塔吊系的旋转参数；m为由WGS-84系转换到塔吊系的尺度参数。

然后，将所述流动站的塔吊系坐标在高斯投影下进行坐标转换，获得所述流动站的平面位置(x，y)和高程位置H。

在一种实施方式中，流动站或监控装置根据所述基准站到所述塔吊机的距离如下地计算平移参数误差，从而获得自身的平面位置和高程位置：

$\left[\begin{array}{c}dx1\\ dy1\\ dz1\end{array}\right]=d_H\left[\begin{array}{c}\cos (B-b)\cos (L+l)\\ \cos (B+b)\sin (L-l)\\ \sin B\end{array}\right]$

其中dx1、dy1、dz1表示流动站处的平移参数误差，B，L表示基准站处的大地经纬度，d_H表示基准站处的大地高误差，b表示基准站和流动站之间的平面横轴距离，l表示基准站和流动站之间的平面纵轴距离。根据平移参数误差获得流动站的位置的方法可以采用本领域已知或以后获知的各种方法进行，本文不再赘述。利用这种方法，有效地利用了基准站和流动站之间的已知位置关系，可以更加精确地确定流动站的位置。

为了准确地确定以上的l和b，可以通过传感器测量流动站在吊臂上的位置。

第二流动站5设置在所述动滑轮上，第二流动站5与第一流动站2以相同的方式进行工作。

根据本发明的一种实施方式，将第一流动站2和第二流动站5的平面位置进行比较，如果它们的平面位置相差较大(例如|x2-x1|>第一阈值)或|y2-y1|>第二阈值，其中，(x2，y2)是第二流动站5的平面位置坐标，(x1，y1)是第一流动站2的平面位置坐标)，则发出警报或指示，暂缓或停止作业。如果第一流动站2和第二流动站5的平面位置相差不大((例如|x2-x1|<第一阈值)或|y2-y1|<第二阈值),则将第二流动站5的平面位置坐标视为吊钩的平面位置坐标，并根据所述第二流动站5的高程以及所述第二吊绳段的长度计算所述吊钩的高程。

根据一种实施方式，根据以下公式计算吊钩的高程：

$H_g=\{H_1-(H_2+H_3)\}-\sqrt{{H_4}^2-\&lsqb;v_1-(v_2+a^2)}{\&rsqb;}^2-R$

其中，H_g表示吊钩的高程，H₁是所述第二流动站天线相位中心的高程，H₂是所述第二流动站天线5的相位中心至天线的底部的垂高，H₃是所述天线底部到所述动滑轮中心的高度差，v₁是所述塔臂上所述移动车的切线速度，v₂为风速，a是风的加速度，R是所述动滑轮的半径，H₄是所述第二吊绳段的长度。

依据另一种实施方式，依据以下的公式

H_g＝{H₁-(H₂+H₃)}×2(v₁-v₂)²/H₄×(a0-a1)×(H₄+R)

其中，H_g表示吊钩的高程，H₁是所述第二流动站天线相位中心的高程，H₂是所述第二流动站天线5相位中心至天线底部的垂高，H₃是所述天线底部到所述动滑轮中心的高度差，v₁是所述塔臂上所述移动车的切线速度，v₂为风速，a0是塔臂当前加速度，a1是风的加速度，R是所述动滑轮的半径，H₄是所述第二吊绳段的长度。

根据本发明的进一步的实施方式，监控装置4计算流动站5在一定时间内测量出的数据的平均值，使用该平均值进行吊钩位置的计算。

根据本发明的另一实施方式，监控装置4计算第二流动站5的高程数据的均方根，当流动站5的高程数据的均方根超过预定数值时，进行报警告知暂缓或暂停作业。

客户终端3由定点吊装员或放样吊装员手持，确定取样和放样地点。客户终端3可以通过数据交换系统7或直接从基准站接收GNSS卫星差分改正信号，完成差分计算后经由数据交换系统7向监控装置4播发吊装、放样精确位置与指令信息。

在一种实施方式中，监控装置4安装在塔吊机操控室，辅助指挥塔吊机操作员吊装作业，监控装置4可以是带有通讯模块的台式一体机、台式机、笔记本电脑、掌上电脑、平板电脑或智能手机等，经由数据交换系统7接收流动站2、客户终端3和里程计6播发的位置、升降量与指令信息，确定吊装定点放样平面位置与取样地点、放样地点的位置、距离等。

根据本发明的这一实施方式，可以提高建筑施工塔吊机吊装作业效率，克服了白天或夜间通视困难等问题，其操作简便直观、可全天候作业、定点放样精准且省时省力、实用价值高。而且不在吊钩上安装定位装置，能够降低成本。

图6示出了依据本发明的一种实施方式的数据交换系统7。如图6所示，所述的数据交换系统7设有数据交换模块31、存储模块32、数据处理模块33、通讯模块34。所述的通讯模块34可以是UHF电台、WIFI、GPRS、蓝牙通讯模块。

本发明的一种基于建筑施工塔吊机吊装定点放样系统，可以如下操作：吊装前，在施工项目附近相对广阔的已知坐标点上架设基准站，将基准站坐标输入应用服务系统，自动生成吊装定点放样监视图，由校正后的七参数配置(根据情况，也可以是3参数配置)并启动流动站和客户终端；吊装时，由吊装员向监控装置播发吊装定点、放样位置与指令信息，操作员根据监控装置的显示或提示完成吊装精准定点、放样，吊装作业完成后，结束吊装作业程序，所有吊装作业数据存储至应用服务系统，自动生成吊装作业定点放样轨迹。

本系统的具体实施参考以下情况：1.在施工项目附近视野相对广阔的已知坐标位置上架设一个或多个基准站；2.在使用本辅助系统的建筑施工塔吊机塔臂动滑轮顶等处安装流动站；3.在流动站和客户终端上安装数据通讯软件；4.在施工现场合适位置放置数据交换系统，可以放在办公室、塔吊机或基准站附近，数据交换系统也可以完成局域网服务器功能；5.启动基站、流动站等，检查各个部件之间的数据连接正确。6.取三个或三个以上已知坐标点，将手持客户终端放置在已知点，进行点校正计算七参数，并校正系统的正确性。7.监控装置接收手持客户终端吊装定点、放样坐标信息。8.启动塔吊机，根据监控装置确定的放装定点位置先对准吊装定点位置，开始吊装作业，再对准吊装放样位置，落实吊装任务，结束吊装作业程序。

采用本专利减少人工值守方法的过程环节，提高吊装作业操作的直观性、简利性、准确性和高效性。本专利的建筑施工塔吊机吊装定点放样辅助系统提高建筑施工塔吊机吊装作业效率，克服了白天或夜间通视困难等问题，其操作简便直观、可全天候作业、定点放样精准且省时省力、实用价值高。

本发明系统地提供了一种科学、简便、高精度、全天候、无通视、智能化的建筑施工塔吊机吊装定点放样辅助系统，适用于安装在各品牌塔吊机设备上，为辅助塔吊机在吊装作业时快速、精准、高效完成吊装任务的定点放样作业，提高设备的效率性、简便性和精准性。

本发明的上述详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。

Claims (8)

1.一种利用GNSS技术的双吊绳段建筑施工塔吊机，其特征在于，所述建筑施工塔吊机包括塔臂、第一吊绳段、第二吊绳段、位于所述第一吊绳段和所述第二吊绳段之间的动滑轮，和在所述第二吊绳段末端的吊钩，所述建筑施工塔吊机与一吊装定点放样辅助系统配合，所述吊装定点放样辅助系统包括基准站、监控装置和客户终端，其中，所述建筑施工塔吊机还包括：在所述塔臂上、所述吊钩正上方位置安装的第一流动站；设置在所述动滑轮上的第二流动站，所述第一流动站和所述第二流动站从所述基准站接收卫星差分改正信号，获得自身的平面位置信息和高程信息，并将所述平面位置信息和所述高程信息发送给所述监控装置，所述监控装置确定所述第一流动站的平面位置与所述第二流动站的平面位置相差是否超过预定值，如果相差超过预定值，则提示暂缓进行作业，如果相差未超过预定值，则将所述第二流动站的平面位置确定为所述吊钩的平面位置，并根据所述第二吊绳段的长度和所述第二流动站的高程，确定吊钩的高程。

2.根据权利要求1所述的建筑施工塔吊机，其特征在于，所述监控装置计算所述第二流动站在一定时间内测量出的平面位置的平均值和高程的平均值，使用所述平均值确定所述吊钩的平面位置和高程。

3.根据权利要求2所述的建筑施工塔吊机，其特征在于，所述监控装置计算所述第二流动站的高程数据的均方根，当所述第二流动站的高程数据的均方根超过预定数值时，进行报警，提示暂缓进行作业。

4.根据权利要求3所述的建筑施工塔吊机，其特征在于，所述监控装置根据以下公式计算所述吊钩的位置：

$H_g=\{H_1-(H_2+H_3)\}-\sqrt{{H_4}^2-\&lsqb;v_1-(v_2+a^2)}{\&rsqb;}^2-R$

其中，H_g表示吊钩的高程，H₁是所述第二流动站天线相位中心的高程，H₂是所述第二流动站的天线的相位中心至天线的底部的垂高，H₃是所述天线的底部到所述动滑轮的中心的高度差，v₁是所述塔臂上所述移动车的切线速度，v₂为风速，a是风的加速度，R是所述动滑轮的半径，H₄是所述第二吊绳段的长度。

5.根据权利要求3所述的建筑施工塔吊机，其特征在于，所述监控装置根据以下公式计算所述吊钩的位置：

H_g＝{H₁-(H₂+H₃)}×2(v₁-v₂)²/H₄×(a0-a1)×(H₄+R)

其中，H_g表示吊钩的高程，H₁是所述第二流动站的天线相位中心的高程，H₂是所述第二流动站的天线的相位中心至天线的底部的垂高，H₃是所述天线的底部到所述动滑轮的中心的高度差，v₁是所述塔臂上所述移动车的切线速度，v₂为风速，a0是塔臂当前加速度，a1是风的加速度，R是所述动滑轮的半径，H₄是所述第二吊绳段的长度。

6.根据权利要求4或5所述的建筑施工塔吊机，其特征在于，所述第一流动站或所述第二流动站如下地获得自身的平面位置和高程位置：

首先根据以下公式获得流动站在塔吊系下的坐标：

其中，和分别为流动站在塔吊系和WGS-84系下的坐标；T_X、T_Y、T_Z为由WGS-84系转换到塔吊系的平移参数；ω_X、ω_Y、ω_Z为由WGS-84系转换到塔吊系的旋转参数；m为由WGS-84系转换到塔吊系的尺度参数；

然后，将所述流动站的塔吊系坐标在高斯投影下进行坐标转换，获得所述流动站的平面位置(x，y)和高程位置H。

7.根据权利要求6所述的建筑施工塔吊机，其特征在于，所述流动站根据来自基准站的差分改正信号以及所述基准站到所述建筑施工塔吊机的距离如下地计算平移参数误差，从而获得自身的平面位置和高程位置：

$\left[\begin{array}{c}dx1\\ dy1\\ dz1\end{array}\right]=d_H\left[\begin{array}{c}cos(B-b)cos(L+l)\\ \cos (B+b)sin(L-l)\\ \sin B\end{array}\right]$

其中dx1、dy1、dz1表示流动站处的平移参数误差，B，L表示基准站处的大地经纬度，d_H表示基准站处的大地高误差，b表示基准站和流动站之间的平面横轴距离，l表示基准站和流动站之间的平面纵轴距离，通过测量所述塔吊机到基准站之间的距离和所述流动站在所述塔吊机的吊臂上的位置来获得所述b和所述l。

8.根据权利要求3的建筑施工塔吊机，其特征在于，所述监控装置设置在所述建筑施工塔吊机上，构成所述建筑施工塔吊机的一部分。