CN110615362A - 一种塔式起重机智能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种塔式起重机智能控制系统及方法，三维激光扫描识别系统完成吊钩在第一基本位置与卸货目标位置之间的位置识别；无线定位识别系统完成吊钩在第二基本位置与材料目标位置之间的位置识别；基本位置控制系统自主完成吊钩在第一基本位置与第二基本位置之间的移动控制，以及受控完成吊钩的其它位置之间的移动控制；中央监控系统对吊钩的整个运行过程进行显示。本发明根据塔式起重机吊运货物的实际特点和要求，对不同的作业区域选择更适宜的位置识别系统及吊运方法，从而提高塔式起重机吊装位置的精度，同时在对于精度无需太高的长距离吊运路径，选择记忆学习的方式来吊运，使得信号更为稳定，也节约了成本。

Description

一种塔式起重机智能控制系统及方法

技术领域

本发明属于工程机械领域，具体涉及一种塔式起重机智能控制系统及方法。

背景技术

在建（构）筑施工现场及需要使用到塔式起重机的场所，塔机主要用于把指定位置的材料和建筑设备吊装到施工作业面，以及各种物料的装卸。塔机的操作一般是手动控制方式，由塔机司机和地面信号指挥人员配合，操纵塔机进行吊装工作。

针对手动控制方式的不足，有研究人员开发了学习型避障控制系统，但是塔机只能在有重复性动作的情况下实现自动运行。当起吊的初始位置或目标位置变化时，又需要重新学习。

另外，有研究人员开发了基于GNSS（包括GPS、北斗等）定位的建筑塔机自动控制方法。但采用GNSS系统时，当塔机处于大型建筑物之间，卫星以及基站信号会受遮挡使得信号变弱，这将导致定位精度降低。同时，对于GNSS定位系统，一般民用的精度不够高、实时性不够好，难以满足现场的使用需求。

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智能控制系统及方法，提高塔式起重机吊装位置的精度。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种塔式起重机智能控制系统，用于控制塔式起重机的吊钩在材料堆场和施工作业面之间来回运动；材料堆场设置在地面；施工作业面位于建筑物顶部，并隔一段时间随着建筑物的升高而升高；其特征在于：设置吊钩运动路径上的几个定位点：位于材料堆场的材料目标位置、位于材料堆场上空的第二基本位置、位于施工作业面上空的第一基本位置、以及位于施工作业面的作业面目标位置；

本智能控制系统包括：

三维激光扫描识别系统，用于完成吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的位置识别；

无线定位识别系统，用于完成吊钩在第二基本位置与材料目标位置之间的位置识别；

基本位置控制系统，用于自主完成吊钩在第一基本位置与第二基本位置之间的移动控制，以及受控完成吊钩的其它位置之间的移动控制，包括手动控制模块、记忆控制模块、识别控制模块和移动控制模块；手动控制模块用于吊钩首次在第一基本位置与第二基本位置之间的移动时，手动给移动控制模块发送移动信号；记忆控制模块用于记录下手动控制模块发送的移动信号，确定第一基本位置和第二基本位置的坐标，并按照手动控制模块的移动信号发送给移动控制模块；识别控制模块用于根据三维激光扫描识别系统识别的结果，得到吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的移动信号，并根据无线定位系统识别的结果，得到吊钩在第二基本位置与材料目标位置之间的移动信号；移动控制模块用于在手动控制模块、记忆控制模块和识别控制模块的移动信号下对吊钩进行移动控制；

中央监控系统，用于分别与三维激光扫描识别系统、无线定位识别系统和基本位置控制系统通讯，对吊钩的整个运行过程进行监控。

按上述方案，所述的三维激光扫描识别系统包括设置在作业面目标位置的标靶、设置在塔式起重机上的激光扫描仪、以及第一服务器；第一基本位置的坐标由基本位置控制系统确定，激光扫描仪用于扫描施工作业面并通过识别标靶来识别作业面目标位置，第一服务器将激光扫描仪扫描的结果发送给中央监控系统，由中央监控系统根据第一基本位置的坐标和作业面目标位置的坐标，控制移动控制模块对吊钩进行移动控制。

按上述方案，所述的无线定位识别系统包括若干个信号覆盖全部材料堆场的无线定位基站、设置在材料目标位置的电子标签、以及第二服务器；第二基本位置的坐标由基本位置控制系统确定，无线定位基站与电子标签进行信号交互，将电子标签的信息发送给第二服务器，第二服务器计算出材料目标位置的坐标并发送给中央监控系统，中央监控系统根据第二基本位置的坐标和材料目标位置的坐标，控制移动控制模块对吊钩进行移动控制。

按上述方案，所述的移动控制模块包括位置传感器组、起升控制单元、变幅控制单元和回转控制单元；位置传感器组用于获取吊钩的位置；起升控制单元用于控制塔机起升作业，回转控制系统用于控制塔机回转作业运行，变幅控制系统用于控制塔机变幅作业运行。

按上述方案，所述的位置传感器组包括起升高度检测传感器、回转角度检测传感器和变幅小车位置检测传感器。

按上述方案，一片区域设有若干个塔式起重机；每个塔式起重机均配有一组所述的三维激光扫描识别系统、无线定位识别系统和基本位置控制系统；整个区域仅设有一个中央监控系统。

按上述方案，本智能控制系统还包括客户端，用于与所述的中央监控系统通信，实现智能控制系统与操作维护人员的人机交互。

按上述方案，所述的材料堆场的数量为1个以上，每个材料堆场设有对应的材料目标位置、位于材料堆场上空的第二基本位置、以及无线定位识别系统。

按上述方案，所述的施工作业面的数量为1个以上，每个施工作业面设有对应的位于施工作业面上空的第一基本位置、位于施工作业面的作业面目标位置、以及三维激光扫描识别系统。

利用所述的智能控制系统实现的塔式起重机智能控制方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、设置吊钩运动路径上的几个定位点：位于材料堆场的材料目标位置、位于材料堆场上空的第二基本位置、位于施工作业面上空的第一基本位置、以及位于施工作业面的作业面目标位置；

S2、手动给移动控制模块发送移动信号，使得吊钩首次在第一基本位置与第二基本位置之间移动，将第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的路径保存；

S3、吊钩运行过程：

3.1、利用无线定位识别系统识别的吊钩在第二基本位置与材料目标位置之间的位置，控制吊钩从材料目标位置与第二基本位置之间的运动；

3.2、根据保存的第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的往返路径，控制吊钩在第二基本位置与第一基本位置之间的运动；

3.3、利用三维激光扫描识别系统识别的吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的位置，控制吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的运动；

根据吊钩的运行路径，从3.1、3.2和3.3中选择路径进行组合；

S4、中央监控系统对吊钩的整个运行过程进行监控。

按上述方法，本方法还包括S5、当施工作业面随着建筑物的升高而升高，使得第一基本位置发生变化时，重新手动给移动控制模块发送移动信号，使得吊钩在新的第一基本位置与第二基本位置之间移动，将新的第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的路径保存，覆盖原来的路径，按照新的路径和坐标进行吊运。

本发明的有益效果为：根据塔式起重机吊运货物的实际特点和要求，对不同的作业区域选择更适宜的位置识别系统及吊运方法，从而提高塔式起重机吊装位置的精度，同时在对于精度无需太高的长距离吊运路径，选择记忆学习的方式来吊运，使得信号更为稳定，也节约了成本。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统框图。

图2为本发明一实施例的结构框图。

图中：1-塔式起重机，2-材料堆场，3-施工作业面，4-激光扫描仪，5-无线定位基站，6-第一基本位置，7-第二基本位置，8-基本路径。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1 和图2所示，本发明提供一种塔式起重机智能控制系统，用于控制塔式起重机1的吊钩在材料堆场2和施工作业面3之间来回运动；材料堆场2设置在地面；施工作业面3位于建筑物顶部，并隔一段时间随着建筑物的升高而升高；设置吊钩运动路径上的几个定位点：位于材料堆场2的材料目标位置、位于材料堆场2上空的第二基本位置7、位于施工作业面3上空的第一基本位置6、以及位于施工作业面3的作业面目标位置。

本智能控制系统包括：

三维激光扫描识别系统，用于完成吊钩在第一基本位置6与作业面目标位置之间的位置识别。本实施例中，所述的三维激光扫描识别系统包括设置在作业面目标位置的标靶、设置在塔式起重机1上的激光扫描仪4、以及第一服务器；第一基本位置6的坐标由基本位置控制系统确定，激光扫描仪4用于扫描施工作业面并通过识别标靶来识别作业面目标位置，第一服务器将激光扫描仪4扫描的结果发送给中央监控系统，由中央监控系统根据第一基本位置6的坐标和作业面目标位置的坐标，控制移动控制模块对吊钩进行移动控制。三维激光扫描识别系统本身的扫描、成像和标靶识别，以及生成三维数据和坐标、坐标的转换，均为常规技术，在此不再详述。

无线定位识别系统，用于完成吊钩在第二基本位置7与材料目标位置之间的位置识别。本实施例中，所述的无线定位识别系统包括若干个信号覆盖全部材料堆场2的无线定位基站5、设置在材料目标位置的电子标签、以及第二服务器；第二基本位置7的坐标由基本位置控制系统确定，无线定位基站与电子标签进行信号交互，将电子标签的信息发送给第二服务器，第二服务器计算出材料目标位置的坐标并发送给中央监控系统，中央监控系统根据第二基本位置7的坐标和材料目标位置的坐标，控制移动控制模块对吊钩进行移动控制。无线定位识别系统可以采用超宽带技术（UWB）或其他精度高的无线定位方式，其定位识别和坐标转换均为常规技术，在此不再详述。

基本位置控制系统，用于自主完成吊钩在第一基本位置6与第二基本位置7之间的移动控制，以及受控完成吊钩的其它位置之间的移动控制，包括手动控制模块、记忆控制模块、识别控制模块和移动控制模块；手动控制模块用于吊钩首次在第一基本位置6与第二基本位置7之间的基本路径8的移动时，手动给移动控制模块发送移动信号；记忆控制模块用于记录下手动控制模块发送的移动信号，确定第一基本位置6和第二基本位置7的坐标，并按照手动控制模块的移动信号发送给移动控制模块；识别控制模块用于根据三维激光扫描识别系统识别的结果，得到吊钩在第一基本位置6与作业面目标位置之间的移动信号，并根据无线定位系统识别的结果，得到吊钩在第二基本位置7与材料目标位置之间的移动信号；移动控制模块用于在手动控制模块、记忆控制模块和识别控制模块的移动信号下对吊钩进行移动控制。

中央监控系统，用于分别与三维激光扫描识别系统、无线定位识别系统和基本位置控制系统通讯，对吊钩的整个运行过程进行监控，并能够对三维激光扫描识别系统得到的施工作业面的实时成像进行显示。

进一步的，所述的移动控制模块包括位置传感器组、起升控制单元、变幅控制单元和回转控制单元；位置传感器组用于获取吊钩的位置；起升控制单元用于控制塔机起升作业，回转控制系统用于控制塔机回转作业运行，变幅控制系统用于控制塔机变幅作业运行。所述的位置传感器组包括但不限于起升高度检测传感器、回转角度检测传感器和变幅小车位置检测传感器。根据上述传感器的反馈可以确定吊钩的位置。

进一步的，在一片区域中，所述的材料堆场的数量至少为2个，每个材料堆场设有对应的材料目标位置、位于材料堆场上空的第二基本位置、以及无线定位识别系统。所述的施工作业面的数量至少为2个，每个施工作业面设有对应的位于施工作业面上空的第一基本位置、位于施工作业面的作业面目标位置、以及三维激光扫描识别系统。

在一片区域中，可能设有若干个塔式起重机；每个塔式起重机均配有一组所述的三维激光扫描识别系统、无线定位识别系统和基本位置控制系统；整个区域仅设有一个中央监控系统，对所有的塔式起重机进行监控，当出现碰撞风险时及时报警。

优选的，本智能控制系统还包括客户端，用于与所述的中央监控系统通信，实现智能控制系统与操作维护人员的人机交互。

利用所述的智能控制系统实现的塔式起重机智能控制方法，本方法包括以下步骤：

S1、设置吊钩运动路径上的几个定位点：位于材料堆场的材料目标位置、位于材料堆场上空的第二基本位置、位于施工作业面上空的第一基本位置、以及位于施工作业面的作业面目标位置；

S2、手动给移动控制模块发送移动信号，使得吊钩首次在第一基本位置与第二基本位置之间移动，将第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的路径保存；

S3、吊钩运行过程：

3.1、利用无线定位识别系统识别的吊钩在第二基本位置与材料目标位置之间的位置，控制吊钩从材料目标位置与第二基本位置之间的运动；

3.2、根据保存的第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的往返路径，控制吊钩在第二基本位置与第一基本位置之间的运动；

3.3、利用三维激光扫描识别系统识别的吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的位置，控制吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的运动；

根据吊钩的运行路径，从3.1、3.2和3.3中选择路径进行组合。

下面以某吊钩运货与回位过程举例。

吊钩运货过程：利用无线定位识别系统识别的吊钩在第二基本位置与材料目标位置之间的位置，控制吊钩从材料目标位置吊起货物之后运送到第二基本位置；根据保存的第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的路径，控制吊钩从第二基本位置运动到第一基本位置；利用三维激光扫描识别系统识别的吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的位置，控制吊钩从第一基本位置运动到作业面目标位置，进行卸货；

吊钩回位过程：利用三维激光扫描识别系统识别的吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的位置，控制吊钩从作业面目标位置运动到第一基本位置；根据保存的第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的路径，控制吊钩从第一基本位置运动到第二基本位置；利用无线定位识别系统识别的吊钩在第二基本位置与材料目标位置之间的位置，控制吊钩从第二基本位置运动到材料目标位置，继续起吊货物；

S4、中央监控系统对吊钩的整个运行过程进行监控。

优选的，由于一段时间后，施工作业面会随着建筑物的升高而升高，那么本方法还包括S6、当施工作业面随着建筑物的升高而升高，使得第一基本位置发生变化时，重新手动给移动控制模块发送移动信号，使得吊钩在新的第一基本位置与第二基本位置之间移动，将新的第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的路径保存，覆盖原来的路径，按照新的路径和坐标进行吊运。

本发明将吊钩的整个运行轨迹设置若干个节点，从第一基本位置6到第二基本位置7的路基作为基本路径8，根据基本路径8的路径长、空间范围广、精度要求低的特点，这段路径选用记忆学习的方法来实现吊运，手动控制一次，按照该手动控制的记录每次往返；由于材料堆场2在地面，堆场位置相对固定，材料堆场2到第二基本位置7的路径，选择无线定位识别系统来进行精确识别和吊运；施工作业面相对空间较小，并会随建筑物的升高而升高，环境复杂，因此选用设置在同样随建筑物升高而升高的塔吊上的三维激光扫描识别系统来进行第一基本位置6与施工作业面3上作业面目标位置之间的吊运。本发明采用分段控制的方式，提高目标位置的识别精度和吊运精度，并且各个部分的信号更为稳定，保证了塔机运行的安全性和稳定性，允许在识别系统覆盖范围内任意设置目标位置。在实现高精度自动定位的同时，能够在大部分应用场景下适用，应用范围较广。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种塔式起重机智能控制系统，用于控制塔式起重机的吊钩在材料堆场和施工作业面之间来回运动；材料堆场设置在地面；施工作业面位于建筑物顶部，并隔一段时间随着建筑物的升高而升高；其特征在于：设置吊钩运动路径上的几个定位点：位于材料堆场的材料目标位置、位于材料堆场上空的第二基本位置、位于施工作业面上空的第一基本位置、以及位于施工作业面的作业面目标位置；

本智能控制系统包括：

三维激光扫描识别系统，用于完成吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的位置识别；

无线定位识别系统，用于完成吊钩在第二基本位置与材料目标位置之间的位置识别；

基本位置控制系统，用于自主完成吊钩在第一基本位置与第二基本位置之间的移动控制，以及受控完成吊钩的其它位置之间的移动控制，包括手动控制模块、记忆控制模块、识别控制模块和移动控制模块；手动控制模块用于吊钩首次在第一基本位置与第二基本位置之间的移动时，手动给移动控制模块发送移动信号；记忆控制模块用于记录下手动控制模块发送的移动信号，确定第一基本位置和第二基本位置的坐标，并按照手动控制模块的移动信号发送给移动控制模块；识别控制模块用于根据三维激光扫描识别系统识别的结果，得到吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的移动信号，并根据无线定位系统识别的结果，得到吊钩在第二基本位置与材料目标位置之间的移动信号；移动控制模块用于在手动控制模块、记忆控制模块和识别控制模块的移动信号下对吊钩进行移动控制；

中央监控系统，用于分别与三维激光扫描识别系统、无线定位识别系统和基本位置控制系统通讯，对吊钩的整个运行过程进行监控。

2.根据权利要求1所述的智能控制系统，其特征在于：所述的三维激光扫描识别系统包括设置在作业面目标位置的标靶、设置在塔式起重机上的激光扫描仪、以及第一服务器；第一基本位置的坐标由基本位置控制系统确定，激光扫描仪用于扫描施工作业面并通过识别标靶来识别作业面目标位置，第一服务器将激光扫描仪扫描的结果发送给中央监控系统，由中央监控系统根据第一基本位置的坐标和作业面目标位置的坐标，控制移动控制模块对吊钩进行移动控制。

3.根据权利要求1所述的智能控制系统，其特征在于：所述的无线定位识别系统包括若干个信号覆盖全部材料堆场的无线定位基站、设置在材料目标位置的电子标签、以及第二服务器；第二基本位置的坐标由基本位置控制系统确定，无线定位基站与电子标签进行信号交互，将电子标签的信息发送给第二服务器，第二服务器计算出材料目标位置的坐标并发送给中央监控系统，中央监控系统根据第二基本位置的坐标和材料目标位置的坐标，控制移动控制模块对吊钩进行移动控制。

4.根据权利要求1所述的智能控制系统，其特征在于：所述的移动控制模块包括位置传感器组、起升控制单元、变幅控制单元和回转控制单元；位置传感器组用于获取吊钩的位置；起升控制单元用于控制塔机起升作业，回转控制系统用于控制塔机回转作业运行，变幅控制系统用于控制塔机变幅作业运行。

5.根据权利要求4所述的智能控制系统，其特征在于：所述的位置传感器组包括起升高度检测传感器、回转角度检测传感器和变幅小车位置检测传感器。

6.根据权利要求1所述的智能控制系统，其特征在于：一片区域设有若干个塔式起重机；每个塔式起重机均配有一组所述的三维激光扫描识别系统、无线定位识别系统和基本位置控制系统；整个区域仅设有一个中央监控系统。

7.根据权利要求1或6所述的智能控制系统，其特征在于：本智能控制系统还包括客户端，用于与所述的中央监控系统通信，实现智能控制系统与操作维护人员的人机交互。

8.根据权利要求1所述的智能控制系统，其特征在于：所述的材料堆场的数量为1个以上，每个材料堆场设有对应的材料目标位置、位于材料堆场上空的第二基本位置、以及无线定位识别系统。

9.根据权利要求1所述的智能控制系统，其特征在于：所述的施工作业面的数量为1个以上，每个施工作业面设有对应的位于施工作业面上空的第一基本位置、位于施工作业面的作业面目标位置、以及三维激光扫描识别系统。

10.利用权利要求1至7中任意一项所述的智能控制系统实现的塔式起重机智能控制方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、设置吊钩运动路径上的几个定位点：位于材料堆场的材料目标位置、位于材料堆场上空的第二基本位置、位于施工作业面上空的第一基本位置、以及位于施工作业面的作业面目标位置；

S2、手动给移动控制模块发送移动信号，使得吊钩首次在第一基本位置与第二基本位置之间移动，将第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的路径保存；

S3、吊钩运行过程：

3.1、利用无线定位识别系统识别的吊钩在第二基本位置与材料目标位置之间的位置，控制吊钩从材料目标位置与第二基本位置之间的运动；

3.2、根据保存的第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的往返路径，控制吊钩在第二基本位置与第一基本位置之间的运动；

3.3、利用三维激光扫描识别系统识别的吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的位置，控制吊钩在第一基本位置与作业面目标位置之间的运动；

根据吊钩的运行路径，从3.1、3.2和3.3中选择路径进行组合；

S4、中央监控系统对吊钩的整个运行过程进行监控。

11.根据权利要求10所述的智能控制方法，其特征在于：本方法还包括S5、当施工作业面随着建筑物的升高而升高，使得第一基本位置发生变化时，重新手动给移动控制模块发送移动信号，使得吊钩在新的第一基本位置与第二基本位置之间移动，将新的第一基本位置与第二基本位置的坐标和二者之间的路径保存，覆盖原来的路径，按照新的路径和坐标进行吊运。