CN111847243A - 基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法 - Google Patents

基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法 Download PDF

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Abstract

本方法公开了基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，涉及装配式建筑领域，针对预制构件吊装存在的问题，提出了一种可行的吊装姿态控制方法。本方法可在一定程度上解决了现有的预制构件施工吊装存在吊装粗糙，不能姿态控制，吊装现场处理方法落后等吊装安全风险问题。该方法主要包括：一是基于LoRa技术的信息传输单元，对吊装过程中的信息进行实时传输；二是基于惯性测量单元的姿态监测控制方法，对吊装过程中预制构件的摆动、偏转进行实时监控反馈。

Description

基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法
技术领域
本发明涉及建筑建造技术领域，具体为基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法。
背景技术
装配式建筑预制构件施工吊装作业中存在许多问题，如吊装物体形状不规则；吊装过程要求精度高、要求预制构件摆动小等，但建筑业中对于构件吊装过程精确控制的研究较为缺少，对于构件的姿态控制研究几近于无。同时目前通信技术快速发展，一大批技术迅速发展，如LoRa、NB－IOT、UWB、RFID等技术加强了物与互联网、物与物之间的联系。相比于其他传输技术，LoRa技术在建筑行业具有独特的优势，LoRa技术采用LoRa网关独立组网，对比于NB-IOT组网更灵活，同时传输的穿透性能更好，传输距离也更远。对于施工现场来说，LoRa技术更加适用于施工现场复杂的环境，Lora网关可现场安装，施工完毕后拆卸重复利用，基于LoRa技术建立施工现场的物联网络体系，统筹整个施工流程以及施工工序。利用LoRa技术基于LoRaWAN低功耗广域网建立施工现场的智慧管理系统，建立构件吊装管理模块，对施工现场所要进行的吊装进行吊装过程以及吊装路径控制。传统LoRa技术主要应用于农业、道路交通等领域。随着近年来物联网的大力发展，基于LoRa技术在建筑领域的应用也已有了相关的研究，如目前已提出的基于LoRa技术的装配式施工智慧管理系统框架。另一方面，基于惯性测量单元(Interoir Measuent Unit)的研究十分多，主要在自动驾驶、航空航天领域，在建筑行业应用较少。惯性测量单元一般是由3个加速度计、3个陀螺仪以及磁力计组合而成的单元。通过加速度传感器可以测得三个方向的加速度，通过陀螺仪可以测得三轴得角速度。方法是先有惯性测量单元输出AD值，再通过转化算法将AD值转化为四元数，再通过转化算法将四元数解算为欧拉角，以上为姿态控制算法。本文基于此前研究的基础上，对基于LoRa技术的施工吊装精确控制提出了可行的方案，并进行了实际验证。
发明内容
针对现有存在的问题，本发明提供了基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，该方法可以针对构件的姿态进行监控。该方法利用惯性测量单元(IMU)进行构件吊装过程中构件的姿态监测信息收集，同时基于LoRa技术，建立现场信息传输网络，进行预制构件吊装时构件姿态信息上传；将IMU收集到的姿态信息通过LoRa技术上传至云端服务器的数据库，在系统平台监控吊装过程中构件的实际姿态。具体方法为：利用IMU单元对构件在吊装过程的实时的摆动姿态监控，从而分辨吊装过成的风险。IMU单元，其包括有内置的坐标轴(坐标系)，称之为相对坐标系，同时建立以沿竖直方向向上为Z轴正向，以正北方向为X轴正向，以正东方向为Y轴正向的绝对坐标系。通过惯性测量单元实际测量得到的数据得出吊装过程中物体的倾斜角度以及推算出吊装过程中的摆动幅度。利用IMU监控构件在吊装过程中得姿态信息，通过IMU&LoRa模块将IMU得到的姿态信息利用LoRa传输模块传输到现场预先布置的网关中，再有LoRa网关上传至云端，从而使操作人员在平台上监控构件吊装过程中的实时姿态。可以给操作人员在吊装过程中根据实际情况及时判断吊装过程是否会发生危险，从而在危险发生前及时终止吊装，以此来保障吊装过程得安全性。同时设计了该方法的吊装控制具体应用流程，如下：LoRa网络现场布置；预制构件信息确认及核对；LoRa&IMU模块安装；LoRa&IMU模块激活及核对；吊装过程姿态监控；吊装结束模块关闭及拆卸。
该方法具体实施步骤如下：
步骤一：根据施工现场情况，基于LoRaWAN的网络架构进行组网，LoRa组网简单，只需在施工现场布置好网关即可，通过终端接受到的信息数据先传输到网关再有网关传输到云端服务器。结合施工现场物料堆放等情况布置相应的LoRa网关，在施工现场建立好LoRa的信息传输网络。
步骤二：通过目前常用的手持设备扫描标签确定吊装构件的信息，同时查BIM模型中所需该构件的相应位置，与现场图纸、BIM模型比对查看进行吊装前的信息核对，从而确定被吊装构件的吊装的位置地点，规划合理的吊装路径，同时查看现场的环境因素，确保构件与吊装位置一一对应。
步骤三：在施工现场确认构件信息无误后，进行基于LoRa开发的LoRa&IMU姿态监控模块的安装。由现场施工人员利用相应的安装设备将该模块安装在被吊装构件的中心处，模块的方向与预先规定的方向一致。
步骤四：由现场施工人员利用手持设备激活LoRa&IMU模块。激活后LoRa模块进行实时的信息采集和传输，此时由塔吊操作人员核对该构件的姿态信息，核对无误后准备进行吊装。
步骤五：塔吊操作人员在设备上查看构件的实际姿态信息，查看构件在吊装过程中的偏转、倾斜角度和吊索的偏角。根据实时的构件监控状态确保整个吊装过程的安全。同时在吊装安装时辅助构件准确定位。
步骤六：预制构件在塔吊的协助下安装固定完成后，核对安装位置是否正确，确认无误后通过手持设备确认构件安装完毕，上传相关信息至云端服务器的数据库中进行保存以备后续查看和验收，信息上传后将模块拆除并关闭模块，供以后吊装使用。
与现有技术相比较，该发明利用无线传输技术以及惯性测量单元对预制构件吊装进行吊装全过程姿态监控，有利于保障吊装过程的安全性，使预制构件的吊装更加精细化、透明化，有利于构件吊装的及时反馈与控制。同时该发明也为施工的进一步智能化打下了基础，有利于建筑建造的智能化发展。
附图说明
图1技术路线流程图
具体实施方式
以下结合附图和实施例，具体对本发明进行详细描述。
基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，所述的姿态控制方法包括：基于LoRa技术进行施工现场的信息传输，建立现场信息传输网络，实现信息上传；利用惯性测量单元(Interoir Measuent Unit)进行构件吊装过程中构件的姿态监测信息收集；将IMU收集到的姿态信息通过LoRa技术上传至云端平台，在云端平台监控吊装过程中构件的实际姿态；吊装控制流程：LoRa网络现场布置；预制构件信息确认及核对；LoRa&IMU模块安装；LoRa&IMU模块激活及核对；吊装过程姿态监控；吊装结束模块关闭及拆卸。
所述的利用LoRa技术建立信息传输网络，首先利用LoRa网关在施工现场建立LoRa技术的传输网络，在施工现场根据需求按规划在相应位置布设LoRa网关，LoRa网关可以将从LoRa模块收集到的信息传输到云端平台上面，通过云端平台上收集到的数据通过再开发的系统上可以将吊装构件的实际位置以及姿态信息呈现出来。LoRa技术在整个吊装控制中起到了无线传输的作用，通过LoRa技术进行整个吊装过程的信息传输，相比于有线传输极大的简化了信息传输流程，更加适用施工现场复杂的环境。
所述的利用IMU收集构件姿态信息，利用IMU单元对构件在吊装过程的实时的摆动姿态进行监控，从而分辨吊装过程的风险。对于IMU单元，其包括有内置的坐标轴(坐标系)，称之为相对坐标系，同时建立以沿竖直方向向上为Z轴正向，以正北方向为X轴正向，以正东方向为Y轴正向的绝对坐标系。同时通过惯性测量单元实际测量得到的数据得出吊装过程中物体的倾斜角度以及推算出吊装过程中的摆动幅度。
所述的将IMU收集到的信息通过LoRa网络传输到云端平台，通过惯性测量单元实际测量得到的数据得出吊装过程中物体的倾斜角度以及推算出吊装过程中吊索的摆动幅度。利用IMU监控构件在吊装过程中的姿态信息，通过IMU&LoRa模块将IMU得到的姿态信息利用LoRa传输模块传输到现场预先布置的网关中，再由LoRa网关上传至云端服务器。
所述的LoRa网络现场布置，基于LoRaWAN的网络架构进行组网，LoRa组网简单，只需在施工现场布置好网关即可，通过终端接受到的信息数据先传输到网关，再由网关传输到云端服务器。根据施工现场情况，结合施工现场物料堆放等情况布置LoRa网关，在施工现场建立好LoRa的信息传输网络。
所述的预制构件信息确认及核对，通过目前常用的手持设备扫描RFID标签确定吊装构件的信息，同时查看BIM模型中所需该构件的相应位置，与现场图纸、BIM模型比对查看进行吊装前的信息核对，从而确定被吊装构件的吊装的位置地点，规划合理的吊装路径，同时查看现场的环境因素，确保构件与吊装位置一一对应。
所述的LoRa&IMU模块安装，在施工现场将信息确认无误的构件进行模块安装，基于LoRa开发了LoRa&IMU姿态监控模块。通过现场施工人员利用相应的安装设备将该模块安装在被吊装构件的中心处，模块的方向与预先规定的方向一致。
所述的LoRa&IMU模块激活及核对，由现场施工人员利用手持设备激活LoRa&IMU模块，激活后LoRa模块进行实时的信息传输，此时由塔吊操作人员核对该构件的姿态信息，核对无误后准备进行吊装。
所述的吊装过程姿态监控，塔吊操作人员在设备上查看构件的实际姿态信息，查看构件在吊装过程中的偏转、倾斜角度和吊索的偏角。根据实时的构件监控状态确保整个吊装过程的安全。
所述的吊装结束模块关闭及拆卸，预制构件在塔吊的协助下安装固定完成后，核对安装位置是否正确，确认无误后通过手持设备确认构件安装完毕，上传相关信息至云端服务器的数据库中进行保存以备后续查看和验收，信息上传后将模块拆除并重置ID信息，供后面吊装使用。
基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，具体包括如下步骤：
步骤一所述的LoRa模块与LoRa网关采用无线传输模块。
步骤二所述的利用BIM模型核对，是该项目所开发建模的BIM模型，包含吊装构件应吊装到的位置信息，通过扫描标签与现场图纸与BIM模型进行确认，确保吊装的构件位置无误。
步骤三所述的LoRa&IMU模块是由LoRa模块与IMU经集成化处理，组建一个新的姿态信息无线传输单元，用于进行现场吊装构件的姿态信息收集与无线传输。该单元主要包括LoRa传输模块，IMU姿态信息模块以及电源等。该模块能够实时监测构件吊装过程中的姿态，并通过无线传输至LoRa网关，大大简化了施工吊装过程中的监控方式，同时基于构件在吊装过程中的姿态，对吊装时构件摆动的角度进行解算，能够更好地保障吊装过程中的安全性。
步骤四所述的利用手持设备激活LoRa&IMU模块，是指在利用手持设备打开LoRa&IMU模块的信息传输开关，保证实时的信息传输，当监控平台显示出相应的姿态信息时，说明该模块处在正常工作的状态。
步骤五所述的塔吊操作人员在设备平台上监控吊装过程中实时姿态信息，是指监控构件的偏转、旋转、倾斜以及吊索的偏角等。通过以上信息塔吊操作人员可以基本判断该处于该状态下的构件是否存在危险。存在不正常的信息时，如吊钩脱落等，观测到的信息急剧变化，此时塔吊操作人员可根据实际情况安全降落或汇报给现场负责人，由其做出正确解决方案。
步骤六所述的辅助构件的安装是指通过塔吊操作人员根据监控得到的姿态信息对构件的姿态进行相应的调整，从而简化现场施工人员的作业量，提高施工效率。同时根据现场施工人员指示进行辅助精确定位，方便完成现场安装。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，其特征在于：基于LoRa技术进行施工现场的信息传输，利用LoRa技术建立现场信息传输网络，实现信息上传；利用惯性测量单元MU进行预制构件吊装过程中构件的姿态监测信息收集；将惯性测量单元IMU收集到的姿态监测信息通过LoRa技术上传至云端平台，在云端平台监控吊装过程中预制构件的实际姿态；
吊装控制流程如下：LoRa网络现场布置；预制构件信息确认及核对；LoRa&IMU模块安装；LoRa&IMU模块激活及核对；吊装过程姿态监控；吊装结束模块关闭及拆卸。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，其特征在于：所述的利用LoRa技术建立现场信息传输网络，首先利用LoRa网关在施工现场建立LoRa技术的传输网络，在施工现场根据需求按规划在相应位置布设LoRa网关，LoRa网关将从LoRa模块收集到的信息传输到云端平台上面，通过云端平台上收集到的数据通过再开发的系统上将吊装预制构件的实际位置以及姿态信息呈现出来；LoRa技术在整个吊装控制中起无线传输作用，通过LoRa技术进行整个吊装过程的信息传输。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，其特征在于：所述的利用IMU收集构件姿态信息，利用IMU单元对构件在吊装过程的实时的摆动姿态进行监控，从而分辨吊装过程的风险；IMU单元包括有内置的坐标轴，称之为相对坐标系，同时建立以沿竖直方向向上为Z轴正向，以正北方向为X轴正向，以正东方向为Y轴正向的绝对坐标系；同时通过惯性测量单元实际测量得到的数据得出吊装过程中物体的倾斜角度以及推算出吊装过程中的摆动幅度。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，其特征在于：所述的将IMU收集到的信息通过LoRa网络传输到云端平台，通过惯性测量单元实际测量得到的数据得出吊装过程中物体的倾斜角度以及推算出吊装过程中吊索的摆动幅度；利用IMU监控构件在吊装过程中的姿态信息，通过IMU&LoRa模块将IMU得到的姿态信息利用LoRa传输模块传输到现场预先布置的网关中，再由LoRa网关上传至云端服务器。
5.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，其特征在于：所述的LoRa网络现场布置，基于LoRaWAN的网络架构进行组网，在施工现场布置好LoRa组网的网关，通过终端接收到的信息数据先传输到网关，再由网关传输到云端服务器；根据施工现场情况，结合施工现场物料堆放情况布置LoRa网关，在施工现场建立好LoRa的信息传输网络。
6.根据权利要求1或5所述的基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，其特征在于：所述的预制构件信息确认及核对，通过手持设备扫描RFID标签确定吊装构件的信息，同时查看BIM模型中所需该构件的相应位置，与现场图纸、BIM模型比对查看进行吊装前的信息核对，从而确定被吊装构件的吊装的位置地点，规划吊装路径，查看现场兵确保构件与吊装位置一一对应。
7.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，其特征在于：所述的LoRa&IMU模块安装，在施工现场将信息确认无误的构件进行模块安装，基于LoRa开发了LoRa&IMU姿态监控模块；通过现场相应的安装设备将该模块安装在被吊装构件的中心处，模块的方向与预先规定的方向一致。
8.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，其特征在于：所述的LoRa&IMU模块激活及核对，利用手持设备激活LoRa&IMU模块，激活后LoRa模块进行预制构件的实时信息传输，由塔吊操作人员核对预制构件的姿态信息，核对无误后准备进行吊装。
9.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，其特征在于：所述的吊装过程姿态监控，塔吊操作人员在设备上查看构件的实际姿态信息，查看预制构件在吊装过程中的偏转、倾斜角度和吊索的偏角；根据实时预制构件监控状态确保整个吊装过程安全。
10.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的预制构件吊装姿态控制方法，其特征在于：所述的吊装结束模块关闭及拆卸，预制构件在塔吊的协助下安装固定完成后，核对安装位置是否正确，确认无误后通过手持设备确认预制构件安装完毕，上传相关信息至云端服务器的数据库中进行保存以备后续查看和验收，信息上传后将模块拆除并重置ID信息，供后面吊装使用。
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