CN110642148B - 一种无人驾驶塔机的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明所揭示的一种无人驾驶塔机的控制系统，包括GIS建模单元、手持终端，塔机控制终端，后台服务器，其中：GIS建模单元与后台服务器连接，根据施工图纸建立施工现场模型，标注重要节点坐标，生成施工现场地图传输至后台服务器；手持终端与后台服务器通信，施工人员通过手持终端调取后台服务器中施工现场地图，各个塔机的运行参数，同时发送操作指令至后台服务器；塔机控制终端安装在塔机驾驶室内，采集的塔机实时运行参数并上传至后台服务器，接收后台服务器下发的操作指令，塔机控制终端根据操作指令内容进行人工吊装微调，或进入无人驾驶操作进行自动吊装。本发明提供一种无人驾驶塔机的控制系统，实现塔吊的智能化运输物资，提高运输物资的安全性和效率。

Description

一种无人驾驶塔机的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种升降机系统，具体涉及一种无人驾驶塔机的控制系统。

背景技术

随着经济建设的不断发展和城市化规模的扩大，吊装货物设备，各种材料尤其是货运箱等多个建设领域对塔式起重机（以下简称塔机）产生了越来越强的依赖。然而传统的塔机控制系统存在一定的缺陷，在控制塔机运行，避障，吊重时，每一步都需要依赖于塔机驾驶员的操作，对于一些大量重复性的塔机动作，长时间的操作容易使驾驶员疲劳，从而增加安全事故的发生概率。进一步的，使用塔机对物料的取料和卸料需要精准的操作，对驾驶员的熟练度要求较高，即使是熟练的驾驶员也需要几次来调整吊具；然而，操作难免会有误操作发生，而塔机所运物料一般质量较大，由误操作所造成的不良后果十分严重。

因此，亟需开发一种塔机的自动控制系统以取代驾驶员的工作，以实现塔机在物料点和卸料点之间的无人驾驶。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种无人驾驶塔机的控制系统，实现塔吊的智能化运输物资，提高运输物资的安全性和效率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种无人驾驶塔机的控制系统，包括GIS建模单元、手持终端，塔机控制终端，后台服务器，其中：

GIS建模单元与后台服务器连接，根据施工图纸建立施工现场模型，标注重要节点坐标，生成施工现场地图传输至后台服务器；

手持终端与后台服务器通信，施工人员通过手持终端调取后台服务器中施工现场地图，各个塔机的运行参数，同时发送操作指令至后台服务器；

塔机控制终端安装在塔机驾驶室内，采集的塔机实时运行参数并上传至后台服务器，接收后台服务器下发的操作指令，塔机控制终端根据操作指令内容进行人工吊装微调，或进入无人驾驶操作进行自动吊装。

优选的，所述塔机控制终端包括处理器，与处理器连接的传感器采集模块，动作指令模块及数据通信模块，传感器采集模块实时采集塔机的运行参数并反馈至处理器，处理器通过数据通信模块上传运行参数至后台服务器，同时处理器接收后台服务器的操作指令，处理器内设置有人工微调模式以及无人驾驶模式，人工微调模式下，处理器接收外部调整参数指令，并根据调整参数值控制动作指令模块进行相应控制，无人驾驶模式下，处理器自动生成运行轨迹，并控制动作指令模块进行相应吊装。

优选的，所述传感器采集模块包括安装在塔机吊钩上的高度限位器，起重量限位器，安装在塔机小车上的幅度限位器及安装在塔机大臂上的回转角限位器，所述处理器通过起重量限位器，高度限位器，幅度限位器，回转角限位器的线性关系获取塔机实时的起重量，高度，幅度和回转角度值.

优选的，所述动作指令模块包括塔机小车控制模块，大臂回转控制模块以及吊钩垂直高度控制模块；所述塔机小车控制模块控制小车在大臂上水平方向上的移动，所述大臂回转控制模块用于控制大臂的回转角度，所述吊钩垂直高度控制模块用于控制吊钩上下的移动。

优选的，所述数据通信模块为5G通信模块。

优选的，还包括图像采集单元与后台服务器连接，并实时上传采集信息，所述图像采集单元包括第一图像采集单元，第二图像采集单元，第三图像采集单元和第四图像采集单元，第一图像采集单元安装在塔机大臂下方，获取塔机运行轨迹、运行状态、周围环境信息、吊钩位置及吊钩运动轨迹，第二图像采集单元安装在塔机驾驶室，监控驾驶室内情况，第三图像采集单元安装在物料点，监控物料点实时情况，第四图像采集单元安装在卸料点，监控卸料点实时情况。

一种无人驾驶塔机的控制方法，包括如下内容：

前期设置

a、根据施工图纸建立施工现场地图，并在地图中标注施工现场所有物料点，卸料点，塔机，建筑物的三维坐标，并导入后台服务器；

b、物料点或卸料点人员通过手持终端访问后台服务器，在施工现场地图中选择相应的物料点，卸料点和塔机，并进行绑定，并将绑定的物料点，卸料点和塔机信息上传至后台服务器，后台服务器将对应物料点和卸料点坐标发送至对应塔机控制终端，激活塔机控制终端的处理器；

c、操作人员通过手持终端录入塔机的基本信息，障碍物相对于塔机的各项参数信息，并将录入的信息上传至后台服务器，由后台服务器传送至塔机控制终端；

上料

d、物料点人员通过手持终端下发开始运行按钮，塔机控制终端进入无人驾驶模式，塔机控制终端根据物料点坐标、塔机坐标以及周围障碍物信息自动生成由当前位置行驶至物料点的运动方向和运动调整轨迹，并行驶至相应的物料点3m范围内；

e、塔机控制终端由无人驾驶模式进入人工微调模式，人员通过手持终端调取后台服务器内塔机运行参数，并人工设定微调参数上传至后台服务器，由后台服务器传送至塔机控制终端，对塔机吊钩高度，大臂回转角，小车幅度进行微调，使吊钩准确进入物料点进行上料；

卸料

f、上料完成后，物料点人员通过手持终端发送转向卸料点指令，塔机控制终端进入无人驾驶模式，根据卸料点坐标，塔机坐标以及周围障碍物信息自动生成有当前位置行驶至卸料点的运动方向和运动调整轨迹，并行驶至卸料点3m范围内

g、塔机控制终端由无人驾驶模式进入人工微调模式，卸料点人员通过手持终端调取后台服务器内塔机运行参数，并人工设定微调参数上传至后台服务器，由后台服务器传送至塔机控制终端，对塔机吊钩高度，大臂回转角，小车幅度进行微调，使吊钩准确进入卸料点进行卸料；

复位

h、卸料完成后，卸料点人员通过手持终端发送复位指令，塔机控制终端进入无人驾驶模式行驶至初始位置，并进入未激活状态，等待下一次的激活。

优选的，所述步骤c中塔机的基本信息包括塔机型号、倍率、最大倾角、最大力矩，障碍物相对于塔机的各项参数信息包括障碍物相对塔机的起始角度、终止角度、起始高度、终止高度，起始幅度、终止幅度。

优选的，所述步骤d和步骤f中，运动方向选择包括如下内容：

根据障碍物相对于塔机的起始距离、终止距离，起始角度以及终止角度，计算出障碍物的中心点坐标，获得障碍物的分布情况，并统计出顺时针方向障碍物数量和逆时针方向障碍物数量；

根据顺时针和逆时针上障碍物起始距离与塔机大臂最大长度进行对比，提出塔机大臂范围之外的障碍物，将剔除后顺时针和逆时针方向障碍物数量对比，选择数量少的为运行方向。

优选的，所述步骤d和步骤f中，运动调整轨迹包括如下内容：

塔机大臂旋转运行过程中通过传感器采集模块，实时采集当前塔机吊钩高度，塔机小车幅度、大臂回转角度参数，将这些参数与障碍物信息进行比对，从而通过动作指令模块调整吊钩上下移动，塔吊小车来回移动 ，从而绕开障碍物。

有益效果：本发明所揭示的一种无人驾驶塔机的控制系统，具有如下有益效果：

采用GIS建模单元将施工图纸转换成三维施工地图，并标注施工现场各个塔机，物料点，卸料点和障碍物的信息，施工人员通过手持终端可以对任何一个塔机进行对应的物料点和卸料点的绑定，增加塔机吊装点调节的灵活性；

通过设置的多个传感器采集模块实时获取塔机运行参数，并反馈至后台服务器，这些运行参数的获取不仅仅实现了避障，还兼具塔机黑匣子功能，当塔机出现故障是，通过调取塔机试试运行参数来追溯故障原因；

对于控制层次的结构选择终端-服务器-终端的三层结构形式，中间增设的后台服务器除了实现双方信息的传递以外，还可以进行第三方监控，配合塔机上设置的四个图像采集单元进行塔机各个位置以及运行过程的监控，通过这个第三方监控可以看到塔机无人驾驶的过程，在存在异常是及时停止塔机运行，减少不必要的损失；

对于无人驾驶过程中的运行计算，利用障碍物相对于塔机的参数信息，计算出最优的运行方向及最优运动调整轨迹，为可靠运行提供保障；

整个控制系统有效实现塔吊的智能化运输物资，提高运输物资的安全性和效率。

附图说明

图1为本发明实施例的系统框架图；

图2为本发明实施例中手持终端的原理框架图；

图3为本发明实施例中塔机控制终端的原理框架图；

图4为本发明实施例的运行流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，本发明所揭示的一种无人驾驶塔机的控制系统，包括GIS建模单元、多个手持终端、塔机控制终端、后台服务器及图像采集单元，其中：

所述GIS建模单元与后台服务器连接，根据施工图纸建立施工现场模型，并在模型中标注各个建筑，物料点，卸料点及塔机的精确坐标信息，同时生成施工现场地图传输至后台服务器，该GIS建模单元利用GIS内部建模工具，如MapInfo的MapBasic语言，应用函数库（API）等功能组件，对整个施工现场进行3D建模，描述了整个工地上所有的关键节点的坐标信息，形成的施工现场地图可以使得操作人员通过远端设备随时登陆查看地图。

所述手持终端与后台服务器进行无线通信，施工人员通过手持终端随时调取后台服务器中施工现场地图以及各个塔机的运行参数，同时可以通过手持终端录入塔机信息，周围障碍物信息，吊装微调参数以及控制指令，这些信息以及指令发送至后台服务器，并传送至塔机控制终端，如图2所示，手持终端包括CPU，串口触摸屏及5G通信模块，CPU选用STM32F407，搭配串口触摸屏获取施工人员的操作指令，并将这些指令通过5G通信模块上传至后台服务器。

所述塔机控制终端安装在塔机驾驶室内，与后台服务器进行无线通信，将采集的塔机实时运行参数上传至后台服务器，并接收后台服务器下发的操作指令，如图3所示，所述塔机控制终端包括处理器，与处理器连接的传感器采集模块，动作指令模块及数据通信模块，所述处理器以ARMCortex-A7处理器为核心，使用Linux操作系统，实时获取传感器采集模块采集的塔机运行参数，处理器内设置有人工微调和无人驾驶两种模式，在人工微调模式下，手持终端上的调整指令可以被接收，处理器会根据外界的调整参数控制动作指令模块进行相应调整，而在无人驾驶模式下，外部的控制指令被隔绝，此时处理器根据接收的塔机运行参数，从后台服务器中调取的障碍物信息，以及目标点坐标信息，自动生成起点到终点的最优路径，并控制动作指令模块进行相应运动。

所述传感器采集模块包括安装在塔机吊钩上的高度限位器，起重量限位器，安装在塔机小车上的幅度限位器及安装在塔机大臂上的回转角限位器，由于限位器为线性电阻，其行程与阻值之间存在线性关系，所述处理器通过起重量限位器，高度限位器，幅度限位器，回转角限位器的线性关系检测到塔机实时的起重量，高度，幅度和回转角度值。

所述动作指令模块包括塔机小车控制模块，大臂回转控制模块以及吊钩垂直高度控制模块；所述塔机小车控制模块控制小车在大臂上水平方向上的移动，所述大臂回转控制模块用于控制大臂的回转角度，所述吊钩垂直高度控制模块用于控制吊钩上下的移动。

所述数据通信模块为5G通信模块，由于塔机自动控制过程中与后台交互的数据量大，且考虑到塔机运行的安全性以及对数据延迟性的高要求，采用5G技术其峰值速率可以达到Gbit/s的标准，且空中接口延迟水平只有1ms左右，完全可以满足塔机运行的通信要求。

所述图像采集单元与后台服务器连接，并实时上传采集信息，所述图像采集单元包括第一图像采集单元，第二图像采集单元，第三图像采集单元和第四图像采集单元，第一图像采集单元安装在塔机大臂下方，获取塔机运行轨迹、运行状态、周围环境信息、上料和卸料过程中吊钩的实时位置以及吊钩运动轨迹，第二图像采集单元安装在塔机驾驶室，监控驾驶室内实时情况，第三图像采集单元安装在物料点，监控物料点实时情况，第四图像采集单元安装在卸料点，监控卸料点实时情况，所述第一图像采集单元，第二图像采集单元，第三图像采集单元和第四图像采集单元统一采用海康威视智能监控球机，像素400万，焦距4.8~153mm，采集的图像实时上传至后台服务器，便于后台监管人员实时监控塔机各个位置的运行状态，确保整个无人驾驶过程的安全。

如图4所示，本发明所揭示的一种无人驾驶塔机的控制方法，包括如下步骤内容：

前期设置过程

a、根据施工图纸建立施工现场地图，并在地图中标注施工现场所有物料点，卸料点，塔机，建筑物的三维坐标，并导入后台服务器；

b、物料点或卸料点人员通过手持终端访问后台服务器，在施工现场地图中选择相应的物料点，卸料点和塔机进行绑定，并将绑定的物料点，卸料点和塔机信息上传至后台服务器，后台服务器将对应物料点、卸料点和塔机坐标发送至对应塔机控制终端，激活塔机控制终端的处理器；

c、操作人员通过手持终端录入该塔机的基本信息，周围障碍物相对于塔机的各项参数信息，并将录入的信息上传至后台服务器，由后台服务器传送至塔机控制终端，塔机的基本信息包括塔机型号、倍率、最大倾角、最大力矩，而障碍物相对于塔机的各项参数信息包括障碍物相对塔机的起始角度、终止角度（以正北方为0°）、起始高度、终止高度（以地面为0点），起始幅度、终止幅度（以塔机中心轴为0点）；

上料过程

d、物料点人员通过手持终端下发开始运行按钮，塔机控制终端进入无人驾驶模式，塔机控制终端根据物料点坐标、塔机坐标以及周围障碍物信息自动生成由当前位置行驶至物料点的运动方向和运动调整轨迹，并行驶至相应的物料点3m范围内；

e、塔机控制终端由无人驾驶模式进入人工微调模式，对应物料点的施工人员通过手持终端调取后台服务器内塔机运行参数，并人工设定微调参数上传至后台服务器，由后台服务器传送至塔机控制终端，对塔机吊钩高度，大臂回转角，小车幅度进行微调，使吊钩准确进入物料点进行上料；

卸料过程

f、上料完成后，物料点人员通过手持终端发送转向卸料点指令，塔机控制终端进入无人驾驶模式，根据卸料点坐标，塔机坐标以及周围障碍物信息自动生成有当前位置行驶至卸料点的运动方向和运动调整轨迹，并行驶至卸料点3m范围内，在该过程中，塔机处于负载后行驶，除了根据高度、幅度、回转角及起重量进行避障外，，还需要加入力矩这一参量，保证塔机实时力矩不大于最高力矩阈值；

g、塔机控制终端由无人驾驶模式进入人工微调模式，卸料点人员通过手持终端调取后台服务器内塔机运行参数，并人工设定微调参数上传至后台服务器，由后台服务器传送至塔机控制终端，对塔机吊钩高度，大臂回转角，小车幅度进行微调，使吊钩准确进入卸料点进行卸料；

复位过程

h、卸料完成后，判断是否要进行下一次吊运，若需要则重复步骤d~g，若不需要，卸料点人员通过手持终端发送复位指令，塔机控制终端进入无人驾驶模式行驶至初始位置，并进入未激活状态，等待下一次的激活。

在上述步骤d和步骤f中，运动方向选择包括如下内容：

根据障碍物相对于塔机的起始距离、终止距离，起始角度以及终止角度，计算出障碍物的中心点坐标，获得障碍物的分布情况，并统计出顺时针方向障碍物数量和逆时针方向障碍物数量；

根据顺时针和逆时针上障碍物起始距离与塔机大臂最大长度进行对比，提出塔机大臂范围之外的障碍物，将剔除后顺时针和逆时针方向障碍物数量对比，选择数量少的为运行方向。

而运动调整轨迹包括如下内容：

塔机大臂旋转运行过程中通过传感器采集模块，实时采集当前塔机吊钩高度，塔机小车幅度、大臂回转角度参数，将这些参数与障碍物信息进行比对，从而通过动作指令模块调整吊钩上下移动，塔吊小车来回移动 ，从而绕开障碍物，若某一方向障碍物无法进行避让，则控制大臂反向运动进行吊装，若还是无法进行避让，则上传错误信息，人工进行障碍物搬离。

以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种无人驾驶塔机的控制系统的控制方法，其特征在于：所述控制系统包括GIS建模单元、手持终端，塔机控制终端，后台服务器，其中：

GIS建模单元与后台服务器连接，根据施工图纸建立施工现场模型，标汁重要节点坐标，生成施工现场地图传输至后台服务器；

手持终端与后台服务器通信，施工人员通过手持终端调取后台服务器中施工现场地图，各个塔机的运行参数，同时发送操作指令至后台服务器；

塔机控制终端安装在塔机驾驶室内，采集的塔机实时运行参数并上传至后台服务器，按收后台服务器下发的操作指令，塔机控制终端根据操作指令内容进行人工吊装微调，或进入无人驾驶操作进行自动吊装；

所述控制方法包括如下内容：

前期设置：

a、根据施工图纸建立施工现场地图，并在地图中标汁施工现场所有物料点，卸料点，塔机，建筑物的三维坐标，并导入后台服务器；

b、物料点或卸料点人员通过手持终端访问后台服务器，在施工现场地图中选择相应的物料点，卸料点和塔机，并进行绑定，并将绑定的物料点，卸料点和塔机信息上传至后台服务器，后台服务器将对应物料点和卸料点坐标发送至对应塔机控制终端，激活塔机控制终端的处理器；

c、操作人员通过手持终端录入塔机的基本信息，障碍物相对于塔机的各项参数信息，并将录入的信息上传至后台服务器，由后台服务器传送至塔机控制终端；

上料：

d、物料点人员通过手持终端下发开始运行按钮，塔机控制终端进入无人驾驶模式，塔机控制终端根据物料点坐标、塔机坐标以及周围障碍物信息自动生成由当前位置行驶至物料点的运动方向和运动调整轨迹，并行驶至相应的物料点3m范围内；

e、塔机控制终端由无人驾驶模式进入人工微调模式，人员通过手持终端调取后台服务器内塔机运行参数，并人工设定微调参数上传至后台服务器，由后台服务器传送至塔机控制终端，对塔机吊钩高度，大臂回转角，小车幅度进行微调，使吊钩准确进入物料点进行上料；

卸料：

f、上料完成后，物料点人员通过手持终端发送转向卸料点指令，塔机控制终端进入无人驾驶模式，根据卸料点坐标，塔机坐标以及周围障碍物信息自动生成有当前位置行驶至卸料点的运动方向和运动调整轨迹，并行驶至卸料点3m范围内

g、塔机控制终端由无人驾驶模式进入人工微调模式，卸料点人员通过手持终端调取后台服务器内塔机运行参数，并人工设定微调参数上传至后台服务器，由后台服务器传送至塔机控制终端，对塔机吊钩高度，人臂回转角，小车幅度进行微调，使吊钩准确进入卸料点进行卸料；

复位：

h、卸料完成后，卸料点人员通过手持终端发送复位指令，塔机控制终端进入无人驾驶模式行驶至初始位置，并进入未激活状态，等待下一次的激活。

2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶塔机的控制系统的控制方法，其特征在于：所述塔机控制终端包括处理器，与处理器连接的传感器采集模块，动作指令模块及数据通信模块，传感器采集模块实时采集塔机的运行参数并反馈至处理器，处理器迎过数据迎信模块上传运行参数至后台服务器，同时处理器按收后台服务器的操作指令，处理器内设置有人工微调模式以及无人驾驶模式，人工微调模式下，处理器接收外部调整参数指令，并根据调整参数值控制动作指令模块进行相应控制，无人驾驶模式下，处理器自动生成运行轨迹，并控制动作指令模块进行相应吊装。

3.根据权利要求2所述的一种无人驾驶塔机的控制系统的控制方法，其特征在于：所述传感器采集模块包括安装在塔机吊钩上的高度限位器，起重量限位器，安装在塔机小车上的幅度限位器及安装在塔机大臂上的回转角限位器，所述处理器通过起重量限位器，高度限位器，幅度限位器，回转角限位器的线性关系获取塔机实时的起重量，高度，幅度和回转角度值。

4.根据权利要求2所述的一种无人驾驶塔机的控制系统的控制方法，其特征在于：所述动作指令模块包括塔机小车控制模块，大臂回转控制模块以及吊钩垂直高度控制模块；所述塔机小车控制模块控制小车在大臂上水平方向上的移动，所述大臂回转控制模块用于控制大臂的回转角度，所述吊钩垂直高度控制模块用于控制吊钩上下的移动。

5.根据权利要求2所述的一种无人驾驶塔机的控制系统的控制方法，其特征在于：所述数据通信模块为5G通信模块。

6.根据权利要求1所述的一种无人驾驶塔机的控制系统的控制方法，其特征在于：还包括图像采集单元与后台服务器连按，并实时上传采集信息，所述图像采集单元包括第一图像采集单元，第图像采集单元，第三图像采集单元和第四图像采集单元，第一图像采集单元安装在塔机大臂下方，获取塔机运行轨迹、运行状态、周围环境信息、吊钩位置及吊钩运动轨迹，第图像采集单元安装在塔机驾驶室，监控驾驶室内情况，第三图像采集单元安装在物料点，监控物料点实时情况，第四图像采集单元安装在卸料点，监控卸料点实时情况。

7.根据权利要求1所述的一种无人驾驶塔机的控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤c中塔机的基本信息包括塔机型号、倍率、最大倾角、最大力矩，障碍物相刘于塔机的各项参数信息包括障碍物相对塔机的起始角度、终止角度、起始高度、终止高度，起始幅度、终止幅度。

8.根据权利要求1所述的一种无人驾驶塔机的控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤d和步骤f中，运动方向选择包括如下内容：

根据障碍物相对于塔机的起始距离、终止距离，起始角度以及终止角度，计算出障碍物的中心点坐标，获得障碍物的分布情况，并统计出顺时针方向障碍物数量和逆时针方向障碍物数量；

根据顺时针和逆时针上障碍物起始距离与塔机大臂最大长度进行对比，提出塔机大臂范围之外的障碍物，将剔除后顺时针和逆时针方向障碍物数量对比，选择数量少的为运行方向。

9.根据权利要求1所述的一种无人驾驶塔机的控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤d和步骤f中，运动调整轨迹包括如下内容：

塔机大臂旋转运行过程中通过传感器采集模块，实时采集当前塔机吊钩高度，塔机小车幅度、大臂回转角度参数，将这些参数与障碍物信息进行比对，从而通过动作指令模块调整吊钩上下移动，塔吊小车来回移动，从而绕开障碍物。

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