CN106946159A - 一种基于北斗/gps精确定位的建筑塔吊自动运行系统及控制方法 - Google Patents

一种基于北斗/gps精确定位的建筑塔吊自动运行系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行系统及控制方法，避免了传统塔吊人为控制的危险性和低效性，本系统解决建筑塔吊中的自动执行和准确定位问题。本方法应用三个基本技术：北斗卫星定位系统和差分基站系统、基于传感器的设备辅助定位系统、可编程数字电机系统。本方法提供基于北斗的准确位置定位、塔吊运行位置辅助定位、材料放置点的精确位置、以及塔吊设备的自动运行路径规划。客户通过手持设备把相关参数自动传入塔吊控制系统，塔吊基于参数，自动运行。系统对塔吊本身的偏斜度进行监测，防止塔吊倒塌。系统提供远程现场视频访问。本系统提供远程操作模式。

Description

一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行系统及控制 方法
技术领域
本发明基于北斗精确定位和数控技术，涉及地球表面作业的建筑设备，需要精确的经纬度、高程等位置信息的精确数控系统，系统应用中国北斗定位系统的准确定位特性，与电子控制技术相结合，实现建筑塔吊的自动运行管理。具体涉及一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行系统及控制方法。
背景技术
建筑塔吊目的是把工地上指定位置建筑设备和材料，吊装到另一指定的位置。传统塔吊的驾驶室处于塔吊的顶部，操作员在驾驶室中操控塔吊的运行。因此，塔吊的定位和运行依赖于作业面、驾驶舱、高层建筑等远距离人工视觉、声音方式的协调，不可避免的存在指挥效率低下以及由于通信不畅通导致的生产责任事故。同时，由于驾驶室安装在塔吊的上部，操作人员长期在高空工作，上下塔吊驾驶室的过程和作业过程都是高度危险的工作。本发明基于建筑工地均裸露于地球表面的特征，采用中国先进的北斗精确定位技术以及相关的数控技术，实现塔吊的自动运行管控，提高运行效率、降低事故发生风险。
发明内容
针对上述问题，本发明应用北斗精确定位技术、传感器物联网技术、可编程电气控制技术，提供塔吊的智能化运行管控系统。本发明采用北斗精确位置技术可以达到厘米级别的精确程度，可准确测量作业面材料位置、高层建筑施工高度、以及高层工地的准确位置。传感器物联网技术可以辅助定位塔吊的吊臂与高层工地相对位置、吊臂运行路径中的障碍物智能回避。可编程电气控制技术则具体实现吊篮(吊钩)的启动、运动轨迹的自动控制。本发明采用的技术，用户端实现全傻瓜形式操控，降低学习和运营成本、提高生产效率。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行系统，包括：
差分基站：至少包括一个基站；露天安装安装在工地附近，用于接受北斗/GPS卫星的位置信号，通过TCP/IP与精确位置服务器(远程)通信，精确位置服务器(远程)处理基站位置信息，向定位定姿仪提供位置数据；
机载定位定姿仪：设置在塔吊的顶部、塔臂的前部以及吊钩的滑轮位置；用于获取相应位置的经纬度和高度信息，将位置信息发送到控制中心，传送方式采用RS485通信、CAN总线通信、wifi和商用无线电频率相结合方式传送；
手持定位定姿仪：用于确定塔吊吊装的初始位置以及目的地位置的经纬度和高度信息，并将位置数据发送至塔吊的控制中心，传送方式采用wifi和商用无线电频率相结合的无线传送；
超声波探测仪：设置在塔臂相关位置，用于在吊臂运动过程中检测运动路径中的可能障碍物，如遇障碍物，报警信息发送给塔吊控制中心，控制中心发出警报，控制塔吊停止运动；
摄像头：设置在塔吊的顶部和塔臂前部、中部、后部等位置，用于获取塔吊周边作业现场的实时视频信息；
伺服电机控制系统：执行控制塔吊的启动、停止、上升、下降、旋转等机械动作；由控制中心发出控制信号；
控制中心：控制整个塔吊自动运行；控制中心通过TCP/IP通信与精确位置服务器(远程)通信，计算各(移动)定制定位仪精确位置数据；控制中心向伺服电机控制系统发送执行命令；控制中心获取超声波传感器数据，进行报警处理和塔吊工作状态变化；控制中心实现塔吊摄像头视频的缓存和转发，通信协议采用TCP/IP；
互联网访问接口：用于差分基站、定位定姿仪、超声波探测仪、摄像头以及伺服电机控制系统与控制中心的连接；
所述手持定位定姿仪通过wifi\4G\3G\GPRS接入控制中心，控制中心通过wifi/4G接入因特网。
一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行控制方法，其特征在于：
步骤1：利用手持定位仪，确定初始位置一，并将位置一的经纬度高度数据，发送给控制中心，控制中心计算出位置一的精确位置；
步骤2：在初始位置一，在手持定位定姿仪器提供一个就绪按钮，可向控制中心发出塔吊吊装端就绪状态信息；
步骤3：利用手持定位定姿仪，确定目的地位置二，并将位置二的经纬度高度信息，发送给控制中心，控制中心计算出位置二的精确位置；
步骤4：在目的地位置二，在手持定位定姿仪提供一个就绪按钮，可向控制中心发出目的地绪状态信息；
步骤5：控制中心在获取初始位置一和目的位置二均处于就绪状态后，计算最佳运动路径，控制中心开启塔吊运行；
步骤6：塔吊自动运行，从初始位置一上升、旋转、下降、停止至目的地位置二；
步骤7：在塔吊自动运行过程中，超声波检测吊臂周围是否有障碍物，如有障碍物，塔吊自动停车；移动定位定姿仪提供紧急停止按钮，控制塔吊运行；
步骤8：塔吊摄像设备实施录制视频，并通过塔吊控制中心存储和网络访问；
步骤9：塔顶定位定姿仪检测塔吊主体的垂直偏移度，在塔吊安装时，在控制中心设定塔吊的垂直偏移阈值，当塔吊摆动范围超出所定的垂直偏移阈值，控制中心激活本地和网络报警，并停止塔吊工作。
在上述的一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行控制方法，所述步骤5的具体方法是：
当需要上升时：控制中心发出吊钩上升指令，塔吊的吊钩伺服电机接受控制指令，驱动吊钩上升运动；
当需要旋转时：控制中心发出塔臂旋转指令，塔吊的旋转伺服电机接受控制指令，驱动塔臂旋转；
当需要下降时：控制中心发出吊钩下降指令，塔吊的吊钩伺服电机接受控制指令，驱动吊钩下降运动；
当需要停止时：控制中心发出相应的伺服电机停止指令，塔吊相应的伺服电机接受停止指令，驱动吊钩停止运动。
在上述的一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行控制方法，当超声波探测仪(4)检测到特定空间存在障碍物时，塔吊报警并停车。
在上述的一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行控制方法，塔顶定位定姿仪实时检测塔吊主体的偏移度，当偏移度大于设定偏移阈值时，发出报警信息给控制中心，控制中心向各伺服电机发送停车指令，通过塔吊附加的声光设备发出警报，同时通过TCP/IP向远程服务器发送报警信息。
在上述的一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行控制方法，初始位置和目的地位置的数目为多个，控制中心以初始位置和目的地为单位进行排队调度，并执行步骤1至步骤9，调度中能够由管理员动态设置优先度。
本发明创造性的采用如下的重点技术：
1、精确地理位置的确定。设备接受北斗卫星位置信号，单纯卫星信号有一定的误差，因此设备需要预先安置的北斗差分基站的信号进行位置矫正，精度可以达到厘米级别。2、通过可编程界面设定吊臂的运行空间，辅之超声波技术识别塔臂运动过程中可能的障碍物3、通过多个北斗定位仪读取经度、纬度、高度参数，控制伺服电机的工作，从而实现吊臂的升降、旋转、停止等动作。
本发明的关键部件主要包括：
1、吊臂、各个作业面配备北斗定位设备，获取位置信息。2、吊臂安装有超声波设备，获取障碍物信息。3、伺服电机控制系统，接受参数控制塔吊的上升、旋转、下降、停止等操作。4、手持定位仪，随机确定工地的位置参数，并无线传入塔吊控制中心。5、吊臂、控制中心位置的视频获取。6、塔顶安装偏移位置检测仪，监测塔吊的偏移度。7、塔吊控制中心，所有塔吊设备信息在控制中心汇聚处理。提供网络访问接口。
本发明避免了传统塔吊人为控制的危险性和低效性，解决建筑塔吊中的自动执行和准确定位问题。
发明优点
本发明应用北斗/GPS相关的精确定位特性，实施成本低、实施范围广；本发明可以监控预警塔吊的偏斜；本发明可以避免两个以上塔吊之间的碰撞和吊装材料的碰撞；本发明可实现多个塔吊共同协作；本发明可以全方位对塔吊安全操作部位进行高清视频远程监控；本塔吊的工作依赖于北斗/GPS精确位置参数，完全自动运行，不需要人工干预；本发明提供人为操作干预接口机制；本发明提供政府安全生产设备管理中要求的参数获取，并应用这些参数规范塔吊的自动运行；本发明提供第三方系统接入访问机制；本发明中塔吊工作起始位置由无线手持定位仪动态确定；本发明中塔吊工作目的位置由无线手持定位仪动态确定；塔吊的每次运行路线规划都由起始位置和目的位置共同确定，不需要其他的人工干预；本发明提供起始地址和目的地址的预定义设置和远程配置机制；本发明可实现塔吊所有参数、实时数据的远程英特网查看机制；本发明可实现英特网的远程监控与控制管理。
附图说明
图1是本发明中精确定位实现架构图。
图2是本发明中系统的垂直平面图。
图3是本发明中塔吊吊臂的旋转平面图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本发明的技术方法主要包括：
一、定位实现(图1)
1、基站系统接收北斗卫星信号，进行解算，获取基站位置；
2、基站位置数据传送至位置矫正数据中心，数据中心提供访问接口；
3、(移动)定位定姿仪接收北斗卫星信号，计算出基于北斗系统的经度、纬度、高度；
4、(移动)定位定姿仪把位置参数经度、纬度、高度传送给塔吊控制中心；5、塔吊控制中心与远程位置矫正数据中心通信，获取相关基站的位置矫正数据；
6、塔吊控制中心解算出(移动)定位定姿仪的精度位置参数；
二、差分基站的安装：根据具体精度要求，可以在工地附近露天安装1-3台差分基站。差分基站接受北斗卫星的位置信号，经过处理，向移动定位仪提供位置矫正数据。原则上，基站是等边分布，该基站系统可以多工地共享。一个城市只需要一套差分基站。
三、差分矫正数据的访问。系统设置一个差分矫正数据服务，收集基站传送过来的矫正数据，服务器提供TCP/IP接口访问。
四、手持定位仪。该设备接收北斗卫星信号，通过多通道信号传送至塔吊控制中心，控制中心访问差分矫正数据，计算出精确位置，基本参数包括经度、维度、高程。
五、吊臂定位仪。与手持定位仪原理一致。
六、超声波探测仪。由于吊臂是不断上升、下降、旋转、停止运动的，在运动过程中需要检测路径中的障碍物。超声波探测仪检测出障碍物，并报警，停止塔吊运动。
七、塔顶偏移检测仪。与手持定位仪原理一致。在塔吊顶部位置安装偏移检测仪，实时监测塔吊的偏移度。
八、伺服电机控制系统。执行控制塔吊的上升、下降、旋转、仰吊、停止等机械动作。由控制中心发出控制信号。
九、在塔吊相关位置安装摄像装备，实时监控。视频由控制中心的视频服务提供存储和远程共享服务。
十、塔吊控制中心。塔吊相关设备信息汇聚处理指挥中心。塔吊内部设备提供有线方式的通信，外部提供wifi/4G通信方式。控制中心提供互联网访问接口。
十一、塔吊系统各部件工作简要说明(图2，图3)：
1、定位仪测量出某一位置的三个参数：经度、维度、高度。位置精度到厘米级别。
2、在位置①，工作人员手持定位仪，自动测定位置并传送到控制中心。确定吊篮装载材料位置。
3、在位置④，工作人员手持定位仪，自动测定位置并传送到控制中心。确定吊篮卸载材料位置。
4、塔吊自动工作流程：原材料堆放在位置①，材料放置到吊篮，吊篮上升至位置②，塔臂旋转①至④，轮滑平移位置②至③，吊篮下降位置③至④。
5、在位置④，工作人员手持按钮，装卸作业完成后，发送吊篮回归指令。吊篮自动回归装载材料位置①。
十二、塔吊辅助安全监控部件：
1、塔吊顶部定位定姿仪监测塔吊本身的垂直偏移度，超过某一角度，报警。
2、在塔臂旋转过程中，超声波检测塔臂运动方向是否有障碍物。
3、摄像头传送实时视频至塔吊控制中心。
4、塔吊控制中心提供网络访问接口。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行系统，其特征在于：包括：
差分基站(1)：至少包括一个基站；露天安装安装在工地附近，用于接受北斗/GPS卫星的位置信号，通过TCP/IP与精确位置服务器(远程)通信，精确位置服务器(远程)处理基站位置信息，向定位定姿仪提供位置数据；
机载定位定姿仪(2)：设置在塔吊的顶部、塔臂的前部以及吊钩的滑轮位置；用于获取相应位置的经纬度和高度信息，将位置信息发送到控制中心，传送方式采用RS485通信、CAN总线通信、wifi和商用无线电频率相结合方式传送；
手持定位定姿仪(3)：用于确定塔吊吊装的初始位置以及目的地位置的经纬度和高度信息，并将位置数据发送至塔吊的控制中心，传送方式采用wifi和商用无线电频率相结合的无线传送；
超声波探测仪(4)：设置在塔臂相关位置，用于在吊臂运动过程中检测运动路径中的可能障碍物，如遇障碍物，报警信息发送给塔吊控制中心，控制中心发出警报，控制塔吊停止运动；
摄像头(5)：设置在塔吊的顶部和塔臂前部、中部、后部等位置，用于获取塔吊周边作业现场的实时视频信息；
伺服电机控制系统(6)：执行控制塔吊的启动、停止、上升、下降、旋转等机械动作；由控制中心发出控制信号；
控制中心(7)：控制整个塔吊自动运行；控制中心通过TCP/IP通信与精确位置服务器(远程)通信，计算各(移动)定制定位仪精确位置数据；控制中心向伺服电机控制系统(6)发送执行命令；控制中心获取超声波传感器数据，进行报警处理和塔吊工作状态变化；控制中心实现塔吊摄像头视频的缓存和转发，通信协议采用TCP/IP；
互联网访问接口(8)：用于差分基站(1)、定位定姿仪(2)(3)、超声波探测仪(4)、摄像头(5)以及伺服电机控制系统(6)与控制中心(7)的连接；
所述手持定位定姿仪通过wifi\4G\3G\GPRS接入控制中心(7)，控制中心(7)通过wifi/4G接入因特网。
2.一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行控制方法，其特征在于：
步骤1：利用手持定位仪，确定初始位置一，并将位置一的经纬度高度数据，发送给控制中心，控制中心计算出位置一的精确位置；
步骤2：在初始位置一，在手持定位定姿仪器提供一个就绪按钮，可向控制中心发出塔吊吊装端就绪状态信息；
步骤3：利用手持定位定姿仪，确定目的地位置二，并将位置二的经纬度高度信息，发送给控制中心，控制中心计算出位置二的精确位置；
步骤4：在目的地位置二，在手持定位定姿仪提供一个就绪按钮，可向控制中心发出目的地绪状态信息；
步骤5：控制中心在获取初始位置一和目的位置二均处于就绪状态后，计算最佳运动路径，控制中心开启塔吊运行；
步骤6：塔吊自动运行，从初始位置一上升、旋转、下降、停止至目的地位置二；
步骤7：在塔吊自动运行过程中，超声波检测吊臂周围是否有障碍物，如有障碍物，塔吊自动停车；移动定位定姿仪提供紧急停止按钮，控制塔吊运行；
步骤8：塔吊摄像设备实施录制视频，并通过塔吊控制中心存储和网络访问；
步骤9：塔顶定位定姿仪检测塔吊主体的垂直偏移度，在塔吊安装时，在控制中心设定塔吊的垂直偏移阈值，当塔吊摆动范围超出所定的垂直偏移阈值，控制中心激活本地和网络报警，并停止塔吊工作。
3.根据权利要求2所述的一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行控制方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法是：
当需要上升时：控制中心发出吊钩上升指令，塔吊的吊钩伺服电机接受控制指令，驱动吊钩上升运动；
当需要旋转时：控制中心发出塔臂旋转指令，塔吊的旋转伺服电机接受控制指令，驱动塔臂旋转；
当需要下降时：控制中心发出吊钩下降指令，塔吊的吊钩伺服电机接受控制指令，驱动吊钩下降运动；
当需要停止时：控制中心发出相应的伺服电机停止指令，塔吊相应的伺服电机接受停止指令，驱动吊钩停止运动。
4.根据权利要求2所述的一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行控制方法，其特征在于：所述步骤7的具体方法是：当超声波探测仪(4)检测到特定空间存在障碍物时，塔吊报警并停车。
5.根据权利要求2所述的一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行控制方法，其特征在于：所述步骤9的具体方法是：塔顶定位定姿仪实时检测塔吊主体的偏移度，当偏移度大于设定偏移阈值时，发出报警信息给控制中心，控制中心向各伺服电机发送停车指令，通过塔吊附加的声光设备发出警报，同时通过TCP/IP向远程服务器发送报警信息。
6.根据权利要求2所述的一种基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行控制方法，其特征在于：初始位置和目的地位置的数目为多个，控制中心以初始位置和目的地为单位进行排队调度，并执行步骤1至步骤9，调度中能够由管理员动态设置优先度。
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