CN110790141A - 一种基于三维坐标投影的塔吊及其远程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三维坐标投影的塔吊，包括立架、控制室、平衡臂以及起重臂；所述控制室设置在立架顶端，所述平衡臂和起重臂分别设置在控制室两侧，且控制室、平衡臂以及起重臂设置在同一条直线上，所述起重臂上设置有吊钩，所述吊钩与起重臂滑动连接；所述控制室内设置有中央处理器以及报警指示模块；所述平衡臂设置有第一探测装置，所述第一探测装置用于探测平衡臂与周围障碍物之间的距离；所述起重臂设置有第二探测装置，所述第二探测装置用于探测起重臂与周围障碍物之间的距离；一种基于三维坐标投影的塔吊的远程控制方法，包括以下步骤：S1分析塔吊作业范围；S2分析吊钩位置；S3分析吊具位置；S4进行吊装；S5完成吊装。

Description

一种基于三维坐标投影的塔吊及其远程控制方法

技术领域

本发明涉及一种塔吊，尤其涉及一种基于三维坐标投影的塔吊及其远程控制方法。

背景技术

目前城市建筑楼宇的密集型施工使得塔吊机作业环境变得复杂；目前的吊装作业经常采用“操作员+吊装员”组合方式来实现吊装；这种方式对人的综合素质要求严格，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作业，操控流程复杂，智能化程度低且不经济；另外，人为操作或指挥失误容易引发安全事故，可靠性低。

现在的塔吊大多数配备了塔机吊钩可视化安全管理系统，360度无死角自动聚焦追踪吊钩运作画面，有效预防危险状况。

该引导系统能实时以高清晰图像向塔吊司机展现吊钩周围实时的视频图像，使司机能够快速准确的做出正确的操作和判断，解决了施工现场塔吊司机的视觉死角，远距离视觉模糊，语音引导易出差错等行业难题。

但还是需要操作员在控制室内对塔吊进行操作，智能化程度低，且操作员的决策是根据拍摄到的高清图像判断得来，对操作员经验要求高且可靠性低。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于三维坐标投影的塔吊及其远程控制方法。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种基于三维坐标投影的塔吊，包括立架、控制室、平衡臂以及起重臂；所述控制室设置在立架顶端，所述平衡臂和起重臂分别设置在控制室两侧，且控制室、平衡臂以及起重臂设置在同一条直线上，所述起重臂上设置有吊钩，所述吊钩与起重臂滑动连接；所述控制室内设置有中央处理器以及报警指示模块；所述平衡臂设置有第一探测装置，所述第一探测装置用于探测平衡臂与周围障碍物之间的距离；所述起重臂设置有第二探测装置，所述第二探测装置用于探测起重臂与周围障碍物之间的距离；所述第一探测装置、第二探测装置与报警指示模块电性连接，所述报警指示模块与中央处理器电性连接。

作为上述技术方案的进一步改进，以立架与地面的交点为原点O、吊钩在三维位置点为M，起重臂初始位置在地面上的投影所在的射线为极轴，立架所在直线为z轴，建立三维圆柱坐标系P(ρ，θ，z)；ρ为吊钩与立架之间的水平距离且ρ≥0，θ为起重臂实时位置在地面上的投影与极轴之间的角度且-π≤θ<π，z为吊钩的水平高度且z≥0。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括与吊钩配套使用的吊具；所述立架底部、控制室以及起重臂远离控制室一端分别设置有超声波发射器，且三处超声波发射器发射出的超神波频率各不相同；所述吊具设置有超声波接收器；所述超声波接收器与中央处理器电性连接，接收到不同超声波发射器发出的不同频率的超声波的时间传递给中央处理器，计算得出吊具的位置N(a，b，c)。

作为上述技术方案的进一步改进，所述立架底部原点O处设置有超声波接收器，用于接收从控制室处超声波发射器发出的超声波。

作为上述技术方案的进一步改进，所述起重臂设置有激光发射器，地面设置有若干个与激光发射器配套使用的第一激光接收器，所述第一激光接收器以立架为圆心呈环形阵列分布；所述第一激光接收器与中央处理器电性连接。

一种基于三维坐标投影的塔吊的远程控制方法，包括以下步骤：

S1分析塔吊作业范围

在塔吊安装完成后，平衡臂和起重臂进行转动，通过第一探测装置、第二探测装置探测平衡臂和起重臂的转动范围内是否有障碍物，通过报警指示模块使平衡臂和起重臂在遇到障碍物时保持在安全距离内，通过中央处理器分析得到塔吊的安全作业范围；

S2分析吊钩位置

通过中央处理器控制起重臂转动角度以及吊钩在起重臂上滑动的距离分析得到吊钩的位置M(ρ，θ，z)；

S3分析吊具位置

通过吊具接收到不同频率的超声波的时间计算出吊具与立架底部、控制室以及起重臂远离控制室一端的距离，中央处理器分析得到吊具的位置N (a，b，c)；

S4进行吊装

中央处理器控制起重臂转动以及吊钩在起重臂上滑动，使吊钩的位置 M(ρ，θ，z)与吊具的位置N(a，b，c)重合，即ρ＝a，θ＝b，z＝c；

S5完成吊装

使吊钩与吊具固定好，进行吊装，控制吊钩41移动到设定位置，完成吊装。

本发明的有益效果为：

1、在塔吊安装完成后，通过第一探测装置、第二探测装置探测平衡臂 30和起重臂40的转动范围内是否有障碍物，通过报警指示模块使平衡臂 30和起重臂40在遇到障碍物时保持在安全距离内，通过中央处理器分析得到塔吊的安全作业范围；使得塔吊不会在作业过程中与障碍物发生碰撞；

2、通过中央处理器控制起重臂转动角度以及吊钩在起重臂上滑动的距离分析得到吊钩的位置M(ρ，θ，z)；通过吊具接收到不同频率的超声波的时间计算出吊具与立架10底部、控制室20以及起重臂40远离控制室20 一端的距离，中央处理器分析得到吊具的位置N(a，b，c)；通过移动吊钩的位置M(ρ，θ，z)使得吊钩的位置M(ρ，θ，z)与吊具的位置N(a， b，c)重合，即ρ＝a，θ＝b，z＝c；实现吊钩与吊具的固定结合，相比人工定位与人工使吊钩、吊具固定结合更加智能化，不需要人工操作，提高作业过程中的可靠性；

3、起重臂40设置有激光发射器，地面设置有若干个与激光发射器配套使用的第一激光接收器，所述第一激光接收器以立架10为圆心呈环形阵列分布；通过激光发射器与第一激光接收器的配合使用，使得塔吊的起重臂在转动一段距离后进行校准，避免塔吊内部传动机构的机械误差在长时间的作业后越来越大，影响塔吊的正常作业；

4、通过在立架10底部、控制室20以及起重臂40远离控制室20一端分别设置有超声波发射器，且三处超声波发射器发射出的超神波频率各不相同；吊具设置有超声波接收器，接收到不同超声波发射器发出的不同频率的超声波的时间传递给中央处理器，计算得出吊具的位置N(a，b，c)；利用超声波确定吊具的位置，提高塔吊的精度。

附图说明

图1为本发明的实施例中所述塔吊结构示意图；

图2为本发明的实施例中所述塔吊初始位置时吊钩在圆柱坐标系中的位置示意图；

图3为本发明的实施例中所述塔吊转动后吊钩在圆柱坐标系中的位置示意图；

图4为本发明的实施例中所述吊具在圆柱坐标系中的坐标关系示意图；

图5为图4中沿G-G方向吊具在圆柱坐标系中的坐标关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于三维坐标投影的塔吊，包括立架10、控制室20、平衡臂30 以及起重臂40；所述控制室20设置在立架10顶端，所述平衡臂30和起重臂40分别设置在控制室20两侧，且控制室20、平衡臂30以及起重臂40 设置在同一条直线上，所述起重臂40上设置有吊钩41，所述吊钩41与起重臂40滑动连接；所述控制室20内设置有中央处理器以及报警指示模块；所述平衡臂30设置有第一探测装置，所述第一探测装置用于探测平衡臂30 与周围障碍物之间的距离；所述起重臂40设置有第二探测装置，所述第二探测装置用于探测起重臂40与周围障碍物之间的距离；所述第一探测装置、第二探测装置与报警指示模块电性连接，所述报警指示模块与中央处理器电性连接。

以立架10与地面的交点为原点O、吊钩41在三维位置点为M，起重臂40初始位置在地面上的投影所在的射线为极轴，立架10所在直线为z 轴，建立三维圆柱坐标系P(ρ，θ，z)；ρ为吊钩41与立架10之间的水平距离且ρ≥0，θ为起重臂40实时位置在地面上的投影与极轴之间的角度且-π≤θ<π，z为吊钩41的水平高度且z≥0。

还包括与吊钩41配套使用的吊具；所述立架10底部原点O、控制室 20以及起重臂40远离控制室20一端分别设置有超声波发射器，且三处超声波发射器发射出的超神波频率各不相同；所述吊具设置有超声波接收器；所述超声波接收器与中央处理器电性连接，接收到不同超声波发射器发出的不同频率的超声波的时间传递给中央处理器，计算得出吊具的位置N(a， b，c)。

设置控制室20在坐标系内的点为A，设置起重臂40远离控制室20一端为B，吊具的位置N在Z轴上的垂足为C，吊具的位置N在起重臂40 上的垂足为D，吊具的位置N在XOZ平面上的垂足为E；立架10底部原点O、控制室20以及起重臂40远离控制室20一端三处发射出的不同频率的超声波到达吊具上的超声波接收器的时间分别为t₁，t₂，t₃；通过中央处理器计算得到：

ON＝vt₁；AN＝vt₂；BN＝vt₃；(v为超声波在空气中传播的速度，在 15摄氏度的空气中其传播速度为340m/s)；

因为：

所以：

又因为ON＝vt₁；AN＝vt₂；BN＝vt₃；得到：

BA为起重臂40的长度，OA为控制室20离地面的高度；

既得到在三维圆柱坐标系P(ρ，θ，z)中吊具的位置N(a，b，c)；

所述立架10底部原点O处设置有超声波接收器，用于接收从控制室 20处超声波发射器发出的超声波；空气的温度、湿度不同，超声波传播速度会产生变化；利用在立架10底部原点O的超声波接收器，接收从控制室 20处超声波发射器发出的超声波的时间t₄来消除超声波传播速度变化对中央处理器计算吊具的位置N(a，b，c)时产生的影响；

由OA＝vt₄可知：

由此可知：吊具的位置N(a，b，c)只与控制室20距地面的高度OA；起重臂40的长度BA；吊具上的超声波接收器接收到立架10底部原点O、控制室20以及起重臂40远离控制室20一端的超声波发射器发射的超声波的时间t₁，t₂，t₃；以及立架10底部原点O处超声波接收器接收到控制室 20处超声波发射器发射的超声波的时间t₄有关；而这些都是可以通过提高仪器的精密度而提高数据的准确度，跟塔吊的作业环境关系不大，使得塔吊能够在不同的环境下工作而不影响其准确性。

所述起重臂40设置有激光发射器，地面设置有若干个与激光发射器配套使用的第一激光接收器，所述第一激光接收器以立架10为圆心呈环形阵列分布；所述第一激光接收器与中央处理器电性连接。

一种基于三维坐标投影的塔吊的远程控制方法，包括以下步骤：

S1分析塔吊作业范围

在塔吊安装完成后，平衡臂30和起重臂40进行转动，通过第一探测装置、第二探测装置探测平衡臂30和起重臂40的转动范围内是否有障碍物，通过报警指示模块使平衡臂30和起重臂40在遇到障碍物时保持在安全距离内，通过中央处理器分析得到塔吊的安全作业范围；

S2分析吊钩位置

通过中央处理器控制起重臂40转动角度以及吊钩在起重臂40上滑动的距离分析得到吊钩的位置M(ρ，θ，z)；

S3分析吊具位置

通过吊具接收到不同频率的超声波的时间计算出吊具与立架10底部、控制室20以及起重臂40远离控制室20一端的距离，中央处理器分析得到吊具的位置N(a，b，c)；

S4进行吊装

中央处理器控制起重臂40转动以及吊钩在起重臂40上滑动，使吊钩 41的位置M(ρ，θ，z)与吊具的位置N(a，b，c)重合，即ρ＝a，θ＝b， z＝c；

S5完成吊装

使吊钩41与吊具固定好，进行吊装，控制吊钩41移动到设定位置，完成吊装。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于三维坐标投影的塔吊，包括立架10、控制室20、平衡臂30以及起重臂40；所述控制室20设置在立架10顶端，所述平衡臂30和起重臂40分别设置在控制室20两侧，且控制室20、平衡臂30以及起重臂40设置在同一条直线上，所述起重臂40上设置有吊钩41，所述吊钩41与起重臂40滑动连接；其特征在于：所述控制室20内设置有中央处理器以及报警指示模块；所述平衡臂30设置有第一探测装置，所述第一探测装置用于探测平衡臂30与周围障碍物之间的距离；所述起重臂40设置有第二探测装置，所述第二探测装置用于探测起重臂40与周围障碍物之间的距离；所述第一探测装置、第二探测装置与报警指示模块电性连接，所述报警指示模块与中央处理器电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维坐标投影的塔吊，其特征在于：以立架10与地面的交点为原点O、吊钩41在三维位置点为M，起重臂40初始位置在地面上的投影所在的射线为极轴，立架10所在直线为z轴，建立三维圆柱坐标系P(ρ，θ，z)；ρ为吊钩41与立架10之间的水平距离且ρ≥0，θ为起重臂40实时位置在地面上的投影与极轴之间的角度且-π≤θ<π，z为吊钩41的水平高度且z≥0。

3.根据权利要求2所述的一种基于三维坐标投影的塔吊，其特征在于：还包括与吊钩41配套使用的吊具；所述立架10底部、控制室20以及起重臂40远离控制室20一端分别设置有超声波发射器，且三处超声波发射器发射出的超神波频率各不相同；所述吊具设置有超声波接收器；所述超声波接收器与中央处理器电性连接，接收到不同超声波发射器发出的不同频率的超声波的时间传递给中央处理器，计算得出吊具的位置N(a，b，c)。

4.根据权利要求3所述的一种基于三维坐标投影的塔吊，其特征在于：所述立架10底部原点O处设置有超声波接收器，用于接收从控制室20处超声波发射器发出的超声波。

5.根据权利要求4所述的一种基于三维坐标投影的塔吊，其特征在于：所述起重臂40设置有激光发射器，地面设置有若干个与激光发射器配套使用的第一激光接收器，所述第一激光接收器以立架10为圆心呈环形阵列分布；所述第一激光接收器与中央处理器电性连接。

6.一种基于三维坐标投影的塔吊的远程控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1分析塔吊作业范围

在塔吊安装完成后，平衡臂30和起重臂40进行转动，通过第一探测装置、第二探测装置探测平衡臂30和起重臂40的转动范围内是否有障碍物，通过报警指示模块使平衡臂30和起重臂40在遇到障碍物时保持在安全距离内，通过中央处理器分析得到塔吊的安全作业范围；

S2分析吊钩位置

通过中央处理器控制起重臂40转动角度以及吊钩在起重臂40上滑动的距离分析得到吊钩的位置M(ρ，θ，z)；

S3分析吊具位置

通过吊具接收到不同频率的超声波的时间计算出吊具与立架10底部、控制室20以及起重臂40远离控制室20一端的距离，中央处理器分析得到吊具的位置N(a，b，c)；

S4进行吊装

中央处理器控制起重臂40转动以及吊钩在起重臂40上滑动，使吊钩41的位置M(ρ，θ，z)与吊具的位置N(a，b，c)重合，即ρ＝a，θ＝b，z＝c；

S5完成吊装

使吊钩41与吊具固定好，进行吊装，控制吊钩41移动到设定位置，完成吊装。

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