CN108584729A - 一种智能避障塔吊 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能避障塔吊，包括塔吊本体，所述塔吊本体包括竖直设置的塔吊塔架、垂直于塔吊塔架的吊臂，其中，吊臂包括起重臂和平衡臂、设置在起重臂下方的货物起重机构和平衡臂下方的配重仓、以及位于吊臂和塔吊塔架交叉位置的旋转机构和位于旋转机构上的指挥仓，所述起重臂上还设置有用于测量距离生成障碍物标高的测距传感器和用于拍照生成障碍物平面图的摄像传感器，所述货物起重机构从当前位置到达起吊点，起吊点起吊重物到达目标落点的两次移动过程中，判断货物起重机构行走路径有无障碍物，启动避障程序，进行障碍规避。本发明智能化较高，避免障碍物干扰，数据精准，集中数字化管理和监测，从而使得塔吊在工作时更加的稳定。

Description

一种智能避障塔吊

技术领域

本发明涉及塔吊领域，尤其涉及一种智能避障塔吊。

背景技术

随着科学技术的发展，越来越多的新技术和仪器被用于建筑行业，建筑吊塔是建筑施工中重要的工具之一，建筑吊塔的高度一般比较高，导致吊塔自身的稳定性不好，且顶部的平衡性也不好，当前的吊塔只是简单的设置有配重块，目前，配重块都是固定的，起吊重物的时候，平衡不好掌握，因为建筑吊塔会掉起不同的重物，导致平衡不好调控，使用过程中比较危险。现有塔吊控制系统主要解决防碰撞、防倾倒等安全生产问题，功能比较单一，智能化程度不高。

专利号CN201720087523.3公开了一种建筑塔吊，该建筑塔吊包括面罩底座、驾驶室、吊塔架、和爬梯该专利中驾驶室的上方安装有横架，所述横架的一端安装有电磁滑轨，且电磁滑轨上通过电磁滑块安装有配重块，所述横架远离电磁滑轨的一端铰接有滑轮，且滑轮位置处的横架上安装有提升电机，所述滑轮上设置有绳索，且绳索的一端系在提升电机的输出端上， 所述绳索的另一端安装有挂钩，所述绳索上靠近挂钩的一端安装有拉力传感器，所述拉力传感器的输出端与PSE300-M控制器的输入端电性连接，且 PSE300-M控制器的输出端与电磁滑轨的输入端电性连接。该设备安装有电磁滑轨，通过拉力传感器和PSE300-M控制器控制电磁滑轨，可以根据吊起重物的重量，来调节配重块的位置，从而使得建筑吊塔在工作时更加的稳定。

上述专利虽然能够根据吊起重物的重量，来调节配重块的位置，但是该专利存在一定的缺陷，无法计算配重块移动的距离，仍然无法保证吊臂的平衡，起吊挂钩需要起吊不同重量的重物才能保证吊臂平衡，吊臂起吊费时，无法保证驾驶人员高效进行作业，且起吊重物的时候无法精准预算其运行的轨迹。

专利号CN201720764249.9 该发明公开了一种智能塔吊系统，包括竖直设置的可伸缩的塔吊标准节、垂直设置于塔吊标准节上部的起重臂以及用于顶升塔吊标准节上部的顶升机构；所述塔吊标准节的上端设置有 塔帽，下端设置有与一固定混凝土基础固定的基础预埋件；所述塔吊标准节中部设置有用 于控制起重臂转动的回转机构，一驾驶室设置于回转机构与起重臂之间的塔吊标准节上。该发明的结构复杂，设置的GPS定位模块用于对准吊装构件的第一激光测量仪、用于辅助进行夜间吊装作业的第一红外成像夜视仪以及用于收集进入第一全景摄像头的镜头内的一RFID物料识别标签的RFID读感器；所述中控台分别与第一GPS定位模块、第一激光测量仪、第一红外成像夜视仪以及RFID读感器通讯连接，该发明使用的成本设备较高，无法实际应用到塔吊设备上。

专利号CN201711002305.6 该发明公开了一种基于物联网感知预警的智能安全塔吊，包括物联网感知端和塔吊操控端，物联网感知端和塔吊操控端均通信连接塔吊网关，塔吊网关通过无线网络通信连接地面测控端；该发明基于物联网感知预警技术，综合应用无线视频引导操控、超声波测距避障、人体红外探测报警等技术手段，实现塔吊远程安全操控、碰撞预警、人员闯入作业区报警等功能，提升塔吊操作的安全性和智能化水平。

该发明的塔吊虽然一定程度上智能化较高，利用了超声波测距避障和人体红外探测技术，但是不能实时的规避障碍物，计算障碍物的位置和距离，无法综合考虑重物的升降、运输、避障等问题。

基于此，有必要设计一种安全、高效、操作运行精准迅速、省人省力、自动智能避障的塔吊。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种智能避障塔吊，本发明智能化较高，解决现有技术中的塔吊存在结构设计不合理，操作不方便，搬运效率较低、无法快速准确的避障问题，避免障碍物干扰，数据精准，集中数字化管理和监测，避免人为因素干扰，从而使得塔吊在工作时更加的稳定，实现了塔吊智能化操作。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种智能避障塔吊，包括塔吊本体，所述塔吊本体包括竖直设置的塔吊塔架、垂直于塔吊塔架的吊臂，其中，吊臂包括起重臂和平衡臂、设置在起重臂下方的货物起重机构和平衡臂下方的配重仓、以及位于吊臂和塔吊塔架交叉位置的旋转机构和位于旋转机构上的指挥仓，所述指挥仓内设置有控制吊臂运行的服务器，所述货物起重机构上设置有用于实时监控与货物起重机构连接的起吊重物的拉力传感器，所述起重臂上设置有用于实时监控并采集的货物起重机构的位置移动数据的位置传感器，所述起重臂上还设置有用于测量距离生成障碍物标高的测距传感器和用于拍照生成障碍物平面图的摄像传感器，所述货物起重机构从当前位置到达起吊点，起吊点起吊重物到达目标落点的两次移动过程中，所述服务器获取货物起重机构当前位置和目标起吊点及目标落点的位置，判断货物起重机构行走路径有无障碍物，启动避障程序，进行障碍规避，使货物起重机构在所述的两次移动过程中避免障碍物干扰，其避障包括以下步骤：

1)以指挥仓为极点o，吊臂为极轴ox,建立极坐标系，获取当前货物起重机构的位置、距离、角度、高度数据；

2)获取目标地点的数据；所述目标地点包括起吊点和目标落点，获取起吊点和目标落点的数据，其数据包括位置、距离、角度、高度数据；

3)根据步骤1和步骤2中获得的当前位置的坐标数据和目标地点的坐标数据，当前位置的坐标数据减目标地点的坐标数据；

4)根据步骤3判断起重臂货物起重机构顺时针旋转或逆时针旋转；

5)获取路径上障碍物的数据；包括障碍物的坐标数据和障碍物的数量数据。

6)计算判断是否要规避障碍物；若需要规避障碍物，则服务器分别计算当前位置与若干个障碍物之间的V_{l 、}Vα _、V_h的数据差值，起重臂货物起重机构起吊重物旋转不同角度规避障碍物；若不需要规避障碍物，服务器计算当前位置与目标地点的距离、角度、高度数据差值，所述服务器控制起重臂货物起重机构起吊重物旋转至目标地点。

作为优选，所述货物起重机构包括吊钩，设于吊钩上的货物计量装置和连接绳索，所述拉力传感器位于连接绳索的一端。

作为优选，所述步骤3中当前位置的坐标数据减目标地点的坐标数据在极坐标中大于90度，则服务器控制货物起重机构顺时针方向旋转，若小于90度，则服务器控制货物起重机构顺时针方向旋转。

作为优选，所述步骤6中，若货物起重机构从当前位置移动至起吊点，或从起吊点起吊重物至目标落点之间有1个障碍物，所述货物起重机构在移动时则需要避开此障碍物，所述服务器根据与障碍物的坐标和高度，计算所述货物起重机构当前位置与障碍物之间的移动速度、角度、高度的差值,其分别计算V_{l1 、}V_α1、V_h1 的值;若货物起重机构从当前位置移动至起吊点，或从起吊点起吊重物至目标落点之间有N个障碍物，所述货物起重机构在移动时则需要避开此障碍物，所述服务器根据与障碍物的坐标和高度，计算所述货物起重机构当前位置与最后一个障碍物之间的移动速度、角度、高度的差值,其分别计算V_{lN+1 、}V_αN+1、V_hN+1 的值。

作为优选，所述步骤1至步骤6按顺序进行。

作为优选，所述步骤3和步骤5中的坐标数据包括L+α。

作为优选，所述测距传感器和摄像传感器设置有多个，所述测距传感器和摄像传感器与服务器连接。

本发明的有益效果是：

1. 解决现有技术中的塔吊存在结构设计不合理，操作不方便，搬运效率较低，且安全性和搬运准确性靠人为经验控制得不到保障的技术问题；

2. 对操作工人的熟练度以及操作精确度要求较低，保证驾驶人员高效作业；

3. 避免障碍物干扰，数据精准；集中数字化管理和监测，避免人为因素干扰，保证建筑施工安全；

4. 实现了塔吊智能化、自动化、可遥控。操作、运行精准迅速、安全可靠、省人省力，实现对起重调运过程中的危险状况进行预警与干预，最大程度避免起重吊运作业中的安全隐患，确保人身安全；

5.综合考虑重物的升降、运输、避障等控制问题，提供一种安全、高效的塔吊全自动控制系统。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明涉及的智能避障塔吊结构示意图；

图2为本发明涉及的智能避障塔吊在避障过程中的极坐标示意图；

图3为本发明涉及的智能避障塔吊避障的流程示意图；

图4为本发明涉及的智能避障塔吊中计算当前位置101与若干个障碍物之间的V_{l 、}Vα _、V_h的数据的结构示意图。

图中标号说明：塔吊塔架1，吊臂2，起重臂201，平衡臂202，货物起重机构3，配重仓4，指挥仓5，旋转机构6，服务器7，拉力传感器8，位置传感器9，测距传感器10，摄像传感器11，当前位置101，起吊点102，目标落点103，障碍物12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

参照图1至图4所示，一种智能避障塔吊，包括塔吊本体，所述塔吊本体包括竖直设置的塔吊塔架1、垂直于塔吊塔架1的吊臂2，其中，吊臂2包括起重臂201和平衡臂202、设置在起重臂201下方的货物起重机构3和平衡臂202下方的配重仓4、以及位于吊臂2和塔吊塔架1交叉位置的旋转机构6和位于旋转机构6上的指挥仓5，所述指挥仓5内设置有控制吊臂2运行的服务器7，所述货物起重机构3上设置有用于实时监控与货物起重机构3连接的起吊重物的拉力传感器8，所述起重臂201上设置有用于实时监控并采集的货物起重机构3的位置移动数据的位置传感器9，所述起重臂201上还设置有用于测量距离生成障碍物标高的测距传感器10和用于拍照生成障碍物平面图的摄像传感器11，所述货物起重机构3从当前位置101到达起吊点102，起吊点102起吊重物到达目标落点103的两次移动过程中，所述服务器7获取货物起重机构3当前位置101和目标起吊点102及目标落点103的位置，判断货物起重机构3行走路径有无障碍物12，启动避障程序，进行障碍规避，使货物起重机构3在所述的两次移动过程中避免障碍物12干扰，其避障包括以下步骤：

步骤1，以指挥仓5为极点o，吊臂2为极轴ox,建立极坐标系，获取当前货物起重机构3的位置、距离、角度、高度数据；

在本发明实施例中，以指挥仓5为极点o，吊臂2为极轴ox,建立极坐标系，服务器根据极坐标系的坐标获取当前货物起重机构3的位置，根据设置的位置传感器9和测距传感器10获取当前货物起重机构3的角度，距离、高度数据。

本发明中根据货物起重机构3的起吊重物的力矩获得移动距离和移动时间的数据。

步骤2,获取目标地点的数据；所述目标地点包括起吊点102和目标落点103，获取起吊点102和目标落点103的数据，其数据包括位置、距离、角度、高度数据；

在本发明实施例中，服务器根据极坐标系的坐标获取起吊点102和目标落点103的位置，根据设置的位置传感器9、测距传感器10以及摄像机传感器11获取起吊点102和目标落点103的距离、角度、高度数据。

在本发明中所述的起吊点102和目标落点103仅用于描述目的，起吊点102和目标落点103可位于任意位置，本发明不做具体限定。

步骤3，根据步骤1和步骤2中获得的当前位置101的坐标数据和目标地点的坐标数据，当前位置101的坐标数据减目标地点的坐标数据；

步骤4，根据步骤3判断起重臂201货物起重机构3顺时针旋转或逆时针旋转；

本发明中所述步骤3中当前位置101的坐标数据减目标地点的坐标数据在极坐标中大于90度，则服务器7控制货物起重机构3顺时针方向旋转，若小于90度，则服务器控制货物起重机构3顺时针方向旋转。

步骤5，获取路径上障碍物12的数据；包括障碍物12的坐标数据和障碍物12的数量数据。

在本发明实施例中，所述服务器7根据摄像传感器11生成的障碍物平面图和测距传感器10测量距离生成的障碍物标高以及极坐标系的坐标，计算障碍物12的坐标数据和障碍物12的数量数据以及障碍物的距离、角度、高度数据。

步骤6，计算判断是否要规避障碍物12；若需要规避障碍物12，则服务器7分别计算当前位置101与若干个障碍物之间的V_{l 、}Vα _、V_h的数据的差值，起重臂201货物起重机构3起吊重物旋转不同角度规避障碍物12；若不需要规避障碍物12，服务器7计算当前位置101与目标地点的距离、角度、高度数据差值，所述服务器7控制起重臂201货物起重机构3起吊重物旋转至目标地点。

作为优选，所述步骤6中，若货物起重机构3从当前位置101移动至起吊点102，或从起吊点102起吊重物至目标落点103之间有1个障碍物，所述货物起重机构3在移动时则需要避开此障碍物，所述服务器7根据与障碍物12的坐标和高度，计算所述货物起重机构3当前位置101与障碍物12之间的移动速度、角度、高度的差值,其分别计算V_{l1 、}V_α1、V_h1 的值;若货物起重机构3从当前位置101移动至起吊点102，或从起吊点102起吊重物至目标落点103之间有N个障碍物，所述货物起重机构3在移动时则需要避开此障碍物12，所述服务器根据与障碍物12的坐标和高度，计算所述货物起重机构3当前位置101与最后一个障碍物12之间的移动速度、角度、高度的差值,其分别计算V_{lN+1 、}V_αN+1、V_hN+1 的值。

在本发明实施例中，服务器计算判断是否要规避障碍物12，因为货物起重机构3正转或反转的过程中会规避障碍物12，存在需要规避障碍物12和不需要规避障碍物12两种情况；

若需要规避障碍物12，例如，货物起重机构3从当前位置101移动至起吊点102之间有1个障碍物，服务器7根据计算的当前位置101的距离、角度、高度数据以及坐标数据减去障碍物的距离、角度、高度数据以及坐标数据，得到之间的差值，计算V_{l1 、}V_α1、V_h1 的值，服务器7控制起重臂201的货物起重机构3旋转不同的角度、不同的高度规避此障碍物，从当前位置旋转至起吊点102。

以此类推，若有N个障碍物，则计算V_{lN+1 、}V_αN+1、V_hN+1 的值，计算方法与上述方法相同，本发明不在赘述。具体见附图4。

若不需要规避障碍物12，例如，货物起重机构3从当前位置101移动至起吊点102之间有1个障碍物，但是反向旋转能避开此障碍物12，服务器7分别计算当前位置101与起吊点102的距离、角度、高度数据的差值，所述服务器7控制起重臂201货物起重机构3反向旋转至起吊点102。

作为优选，所述货物起重机构3包括吊钩，设于吊钩上的货物计量装置和连接绳索，所述拉力传感器位于连接绳索的一端。

本发明实施例中，所述的连接绳索包括承受一定重力的钢丝绳。

作为优选，所述步骤1至步骤6按顺序进行。

本发明实施例中，步骤1至步骤6按顺序进行，始终保持平衡臂202和起重臂201平衡，规避障碍物12。

作为优选，所述步骤3和步骤5中的坐标数据包括L+α。

作为优选，所述测距传感器和摄像传感器设置有多个，所述测距传感器和摄像传感器与服务器连接。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种智能避障塔吊，包括塔吊本体，所述塔吊本体包括竖直设置的塔吊塔架（1）、垂直于塔吊塔架（1）的吊臂（2），其中，吊臂（2）包括起重臂（201）和平衡臂（202）、设置在起重臂（201）下方的货物起重机构（3）和平衡臂（202）下方的配重仓（4）、以及位于吊臂（2）和塔吊塔架（1）交叉位置的旋转机构（6）和位于旋转机构（6）上的指挥仓（5），所述指挥仓（5）内设置有控制吊臂（2）运行的服务器（7），其特征在于：所述货物起重机构（3）上设置有用于实时监控与货物起重机构（3）连接的起吊重物的拉力传感器（8），所述起重臂（201）上设置有用于实时监控并采集的货物起重机构（3）的位置移动数据的位置传感器（9），所述起重臂（201）上还设置有用于测量距离生成障碍物标高的测距传感器（10）和用于拍照生成障碍物平面图的摄像传感器（11），所述货物起重机构（3）从当前位置（101）到达起吊点（102），起吊点（102）起吊重物到达目标落点（103）的两次移动过程中，所述服务器（7）获取货物起重机构（3）当前位置（101）和目标起吊点（102）及目标落点（103）的位置，判断货物起重机构（3）行走路径有无障碍物（12），启动避障程序，进行障碍规避，使货物起重机构（3）在所述的两次移动过程中避免障碍物（12）干扰，其避障包括以下步骤：

1）以指挥仓（5）为极点o，吊臂（2）为极轴ox,建立极坐标系，获取当前货物起重机构（3）的位置、距离、角度、高度数据；

2）获取目标地点的数据；所述目标地点包括起吊点（102）和目标落点（103），获取起吊点（102）和目标落点（103）的数据，其数据包括位置、距离、角度、高度数据；

3）根据步骤1和步骤2中获得的当前位置（101）的坐标数据和目标地点的坐标数据，当前位置（101）的坐标数据减目标地点的坐标数据；

4）根据步骤3）判断起重臂（201）货物起重机构（3）顺时针旋转或逆时针旋转；

5）获取路径上障碍物（12）的数据；包括障碍物（12）的坐标数据和障碍物（12）的数量数据；

6）计算判断是否要规避障碍物（12）；若需要规避障碍物（12），则服务器（7）分别计算当前位置（101）与若干个障碍物之间的V_{l 、}Vα _、V_h的数据的差值，起重臂（201）货物起重机构（3）起吊重物旋转不同角度规避障碍物（12）；若不需要规避障碍物（12），服务器（7）计算当前位置（101）与目标地点的距离、角度、高度数据的差值，所述服务器（7）控制起重臂（201）货物起重机构（3）起吊重物旋转至目标地点。

2.根据权利要求1所述的一种智能避障塔吊，其特征在于：所述货物起重机构（3）包括吊钩，设于吊钩上的货物计量装置和连接绳索，所述拉力传感器位于连接绳索的一端。

3.根据权利要求1所述的一种智能避障塔吊，其特征在于：所述步骤3）中当前位置（101）的坐标数据减目标地点的坐标数据在极坐标中大于90度，则服务器（7）控制货物起重机构（3）顺时针方向旋转，若小于90度，则服务器控制货物起重机构（3）顺时针方向旋转。

4.根据权利要求1所述的一种智能避障塔吊，其特征在于：所述步骤6）中，若货物起重机构（3）从当前位置（101）移动至起吊点（102），或从起吊点（102）起吊重物移动至目标落点（103）之间有1个障碍物，所述货物起重机构（3）在移动时则需要避开此障碍物，所述服务器（7）根据与障碍物（12）的坐标和高度，计算所述货物起重机构（3）当前位置（101）与障碍物（12）之间的移动速度、角度、高度的差值,其分别计算V_{l1 、}V_α1、V_h1 的值;若货物起重机构（3）从当前位置（101）移动至起吊点（102），或从起吊点（102）起吊重物至目标落点（103）之间有N个障碍物，所述货物起重机构（3）在移动时则需要避开此障碍物，所述服务器根据与障碍物的坐标和高度，计算所述货物起重机构（3）当前位置（101）与最后一个障碍物（12）之间的移动速度、角度、高度的差值,其分别计算V_{lN+1 、}V_αN+1、V_hN+1 的值。

5.根据权利要求1所述的一种智能避障塔吊，其特征在于：所述步骤1至步骤6按顺序进行。

6.根据权利要求1所述的一种智能避障塔吊，其特征在于：所述步骤3和步骤5中的坐标数据包括L+α。

7.根据权利要求1所述的一种智能避障塔吊，其特征在于：所述测距传感器（10）和摄像传感器（11）设置有多个，所述测距传感器（10）和摄像传感器（11）与服务器（7）连接。