CN112850496A - 遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法，步骤包括：步骤1、开机初始化；步骤2、塔机自动跟踪上料遥控器；步骤3、激活上料遥控器，完成吊钩定位与上料作业；步骤4、上料遥控器失效，塔机自动跟踪下料遥控器；步骤5、激活下料遥控器，完成吊钩定位与下料作业；步骤6、下料遥控器失效，塔机重新自动跟踪上料遥控器；重复上述步骤2‑步骤6，循环完成塔机的下一次吊运作业。本发明方法在保证吊装安全的前提下，解决了塔机司机高空作业的安全风险，适合于施工现场随机吊装的工况特点，并满足精准定位的需求，降低了劳动成本。

Description

遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法

技术领域

本发明属于塔机智能控制技术领域，涉及一种遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法。

背景技术

塔式起重机(简称塔机)是建设房屋和桥梁的主要吊装工具，由于高空作业，按相关标准规定，塔机司机的操作必须听从地面指挥。在这个过程中，塔机司机注意力需要高度集中，劳动强度大，容易疲劳，是塔机事故的重大隐患。为了解决塔机司机的高空作业劳动风险问题，人们一直在努力研究无人控制的塔机。早在90年代就有了塔机遥控方式，司机不用上塔，利用遥控的无线信号对塔机进行控制，这种方式的优点是：司机在地面可以看清吊物的装卸过程，便于精准定位；缺点是：1)遥控司机在地面操作仰视吊钩容易导致视觉误判；2)塔机在执行吊运任务时，吊钩空间运行范围大，根据塔机操作要求，塔机指挥必须必须跟随吊钩运动，也就是说要求遥控操作员要跟随吊钩，然而，在高层建筑中，现场遥控操作员跟吊钩跑是不太现实的，现场一般会采用两个遥控，遥控操作员不跟随吊钩，这样存在两个遥控误操作的安全隐患，因此，塔机遥控一直得不到推广应用。

随着5G网络技术以及视屏技术发展，借鉴“无人港口”的技术，塔机的操作出现了远程操控模式。利用现场塔机上安装摄像头以及5G网络，将图像现象传输到远程操控平台，塔机司机在远程操作室对塔机进行操控。但考虑到塔机高空吊装绳索摆动，在装配式施工中，通过摄像头所得到的信息太少，很难实现精确定位，同时，在塔机起重臂大范围移动过程中，仅仅利用摄像头的二维信息，远程操作员不能进行空间距离的判断，存在安全隐患。

考虑施工现场塔机的工况特点：1)高空作业时，吊钩摆动严重，且塔机作业空间大，司机的视线有限，导致塔机在钢结构的装卸中的精准定位难；2)与自动港口码头的吊装相比，施工物料尺寸不规范，在现阶段，施工现场塔机的装卸还是必须要有人的；3)在施工现场物料区比较零散，且吊运工作比较随机，也就是执行吊运任务的上料与下料的位置随时变化，塔机的地面指挥必须随时移动，劳动强度大；综合上述工况特点，在目前的施工工艺条件下，要实现塔机完全无人操作很难。

发明内容

本发明的目的是提供一种遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法，解决了现有技术条件下塔机司机必须现场高空作业，或进行远距离遥控存在安全风险大的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法，按照以下步骤实施：

步骤1、开机初始化，

塔机智能监控系统处于自动跟踪模式，并启动所有的功能；两个塔机遥控器的控制功能处于失效模式，但两个塔机遥控器的北斗定位功能均启动；两个塔机遥控器与塔机智能监控系统通过5G网络进行信息互联互通，两个塔机遥控器将实时位置信息通过5G网络传输给塔机智能监控系统；

步骤2、塔机自动跟踪上料遥控器，

塔机智能监控系统利用运行状态监测功能实时获取塔机的位置，并与上料遥控器发送的实时位置进行比较，控制塔机的运动，实现塔机自动跟踪上料遥控器；

步骤3、激活上料遥控器，完成吊钩定位与上料作业，

当塔机智能监控系统监测到塔机吊钩当前位置运动至上料遥控器位置附近，塔机智能监控系统发送指令激活上料遥控器，同时，塔机智能监控系统处于待命模式，等待上料遥控器发送运动控制指令，完成吊钩定位以及上料作业；

步骤4、上料遥控器失效，塔机自动跟踪下料遥控器，

完成上料作业后，上料遥控器的遥控操作员通过上料遥控器上的按钮主动发送“失效状态”指令，并通过5G网络发送失效状态给塔机智能监控系统，塔机智能监控系统在收到相应的失效状态信号后，启动自动跟踪功能，控制塔机自动跟踪下料遥控器；

步骤5、激活下料遥控器，完成吊钩定位与下料作业，

当塔机吊钩运动至下料遥控器的位置附近，塔机智能监控系统激活下料遥控器，然后，塔机智能监控系统处于待命状态，等待下料遥控器发送运动控制指令，完成塔机吊钩定位以及下料作业；

步骤6、下料遥控器失效，

完成下料作业后，下料遥控器的操作员利用下料遥控器上的按钮主动发送“失效状态”指令，并通过5G网络发送失效状态给塔机智能监控系统，塔机智能监控系统在收到相应的失效状态信号后，启动自动跟踪功能，塔机重新自动跟踪上料遥控器，完成塔机的一次吊运作业。

本发明的有益效果是，针对施工现场塔机吊装的工况特点，将遥控技术与机器人自动跟踪技术相结合，利用遥控实现塔机吊钩的定位，利用5G技术以及卫星定位技术实现塔机对遥控司机的自动跟踪，具体优点是：1)该控制方法适合于施工现场随机吊装的工况特点，又能满足精准定位的需求；2)解决了塔机司机高空作业的安全风险，降低了劳动成本；3)利用控制权安全切换的遥控方式，避免了远距离遥控导致的安全风险。

附图说明

图1是本发明方法所依赖的硬件设备关系简图；

图2是本发明方法采用的塔机智能监控系统1的功能模块示意图；

图3是本发明方法采用的塔机遥控器的功能模块示意图；

图4是采用本发明方法采用的控制流程图；

图5是本发明方法实施例的现场布置示意图。

图中，1.塔机塔机智能监控系统，2.上料遥控器，3.下料遥控器，4.塔机，5.云端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在施工过程中，塔机是主要的运输工具，是通过塔机的回转、变幅以及起升三个运动将物料从上料点(物料堆放区)运输到下料点(物料需要的地方)。参照图1是本发明方法的硬件设备关系简图，由塔机智能监控系统1和两个塔机遥控器(分为上料遥控器2和下料遥控器3)配套组成。塔机智能监控系统1安装在塔机4上，两个塔机遥控器分别位于施工现场的物料区以及施工作业面；两个塔机遥控器具有相同的功能模块，在工作中根据塔机遥控器所在位置，分别称为上料遥控器2与下料遥控器3。塔机智能监控系统1与两个塔机遥控器之间通过5G网络与云端5进行信息交换，塔机智能监控系统1控制塔机循环实现对两个塔机遥控器的跟踪运动，两个塔机遥控器则控制塔机吊钩的定位，完成物料的装/卸，从而周而复始地完成塔机吊装作业。

参照图2，是塔机智能监控系统1的功能模块示意图，包括八个功能模块，分别实现塔机运行状态的监测、安全监控、小车视频、运行机构故障诊断、自动跟踪控制、塔机控制、遥控器激活与指令解析，

1、塔机智能监控系统1。

塔机智能监控系统1具有自动跟踪与待命两种工作模式，两种工作模式下，塔机运行状态的监测、运行机构故障诊断、安全监控、小车视频、遥控器激活与指令解析、自动跟踪控制功能一直有效，但塔机自动跟踪控制功能是需要切换的；即在自动跟踪模式下，塔机智能监控系统1启动“自动跟踪控制”功能，在吊运的不同阶段，实现塔机对其中一个塔机遥控器的自动跟踪；在待命模式下，“自动跟踪控制”功能关闭，等待其中一个塔机遥控器的控制命令。各个功能模块分别说明如下：

A、塔机运行状态的监测，

见图2左边，在塔机相应位置上安装有吊重传感器(销轴)、高度传感器(限位器)、幅度传感器(限位器)、回转传感器(绝对值编码器)，实现塔机智能监控系统1对塔机当前运行状态以及当前位姿的实时监测。

B、安全监控，

见图2右边，为了保证塔机工作中的安全，需要根据塔机当前运行状态对塔机进行安全监控，安全监控功能包括：超载监控、超力矩监控、行程限位监控、限行区监控，在群塔工作时，还需要实现群塔的防碰撞监控。该安全监控的模块输出控制信号给塔机控制，实时控制塔机的运动。

C、小车视频，

由于塔机的高度明显，吊钩在起升过程中，地面的遥控操作人员需要实时了解吊钩上方的工况，从而避免发生碰撞，同时也有利于大型钢结构的定位，因此，通过在塔机的变幅小车上安装吊钩摄像头，实时获取吊钩上面的图像信息，并将该图像信息通过5G无线网桥传输到地面的两个遥控器，并在两个遥控器上显示出来。

D、运行机构故障诊断，

塔机有起升控制、回转控制以及变幅控制三大运行机构，每种机构一般包括电机、减速器以及卷筒、钢绳等部件。通过在电机、减速器等设备上安装各种振动传感器、温度传感器、应变传感器、摄像头，对三大运行机构的运行状态进行监控，同时进行故障诊断，如减速箱故障、钢绳跳槽、卷筒乱绳等。当诊断到机构的故障，系统及时输出信号并发出报警，保证塔机运行安全。

E、自动跟踪控制

根据施工需要，塔机吊运工作的随机性强，即吊运位置(上料点或下料点)不固定，在吊运中要求塔机指挥一直跟随吊钩，这在高层建筑施工中一般比较难以做到，因此，本发明方法采用了吊钩的自动跟踪控制模式。即在遥控操作员的控制下完成吊钩定位以及上料/下料后，塔机进入自动跟踪控制模式，在不同的吊运工作阶段，塔机智能监控系统1根据云端获得的两个塔机遥控器发送的北斗定位信号，控制塔机运动，实现塔机对某一个塔机遥控器位置进行自动跟踪，比如：在塔机完成上料后，塔机将跟踪下料遥控器3；塔机完成下料后，塔机将跟踪上料遥控器2。

F、遥控器激活与指令解析，

当塔机智能监控系统1判断到塔机当前位置到达上料遥控器2或下料遥控器3附近后，将结束塔机自动跟踪控制模式，进入待命模式；同时通过5G发送相应的塔机遥控器激活指令，该塔机遥控器激活后，塔机在该塔机遥控器操作员的控制下完成定位与物料装/卸。遥控操作员对塔机的控制，则是通过该塔机遥控器的5G网络对安装在塔机上的塔机智能监控系统1发送塔机操控指令，由塔机智能监控系统1根据协议对指令进行解析，并将控制指令发送给塔机控制的模块。

G、塔机控制

塔机智能监控系统1根据各种功能模块的控制信号，向塔机控制的模块(硬件设备即塔机电器控制柜)输出控制信号，实现对塔机的运动控制。

2、塔机遥控器。

在遥控与自动跟踪相结合的塔机智能安全控制方式下，上料遥控器2以及下料遥控器3分别位于上料点与下料点，由地面遥控操作员操作，控制塔机吊钩的定位，完成物料的装/卸。两个塔机遥控器具有相同的功能模块，根据每个塔机遥控器所在的位置不同，具体称为上料遥控器2与下料遥控器3。参照图3，是塔机遥控器功能模块示意图，其中的功能模块分别说明如下：

1)遥控功能，实现塔机的精确定位；

在装配式建筑施工中，钢结构或预制件需要精确定位，采用地面遥控方式，遥控操作员可以清楚看见作业面的情况，精确定位控制更方便。上料遥控器2或下料遥控器3通过5G网络向塔机智能监控系统1发送塔机运动控制指令，塔机智能监控系统1接收到上料遥控器2或下料遥控器3的控制指令后，根据协议解析控制塔机的运动指令，并发送控制信号，控制塔机的运动；

2)北斗定位功能，实现塔机遥控的定位；

考虑到塔机吊运点可能随机变化，为了便于塔机对上料遥控器2或下料遥控器3的自动跟踪，上料遥控器2以及下料遥控器3利用内置的北斗定位功能，确定上料遥控器2以及下料遥控器3的位置，并将上料遥控器2以及下料遥控器3的位置通过5G实时发送给塔机智能监控系统1，在不同的吊运阶段，自动跟踪模式下实现塔机无人自动跟踪上料遥控器2或下料遥控器3。

3)塔机遥控器控制权的安全切换，

为了保证塔机工作安全，上料遥控器2与下料遥控器3的激活必须是互斥的，即同时只能有一个塔机遥控器处于激活状态，否则可能由于误操作导致安全事故。因此，两个塔机遥控器的遥控功能必须具有激活与失效两种状态的安全切换。

在遥控与自动跟踪相结合的塔机智能安全控制下，两个塔机遥控器的激活由塔机智能监控系统1来控制，当塔机智能监控系统1监测到塔机当前位置与某个塔机遥控器的位置接近，塔机智能监控系统1则通过5G网络发送激活命令，相应的塔机遥控器被激活。上料遥控器2或下料遥控器3的失效是由遥控操作员控制，当完成上料或下料作业后，遥控操作员通过按下本塔机遥控器上的“关闭按钮”实现主动失效，并通过5G网络发送“失效状态”给塔机智能监控系统1，塔机智能监控系统1在收到相应的“失效状态”信号后，启动自动跟踪功能，控制塔机自动跟踪另外一个塔机遥控器；当塔机到达另外一个塔机遥控器的位置附近，塔机智能监控系统1激活该位置处的塔机遥控器，然后，由该塔机遥控器控制塔机的上料或下料作业。因此，在上述安全切换模式下，每个塔机遥控器只能在塔机达到相应位置进行吊装作业的时候才能激活，在自动跟踪模式下，两个塔机遥控器均无效，而且两个塔机遥控器的激活是互斥的，不可能同时有效，以此保证了整体系统的安全性。

4)显示功能，

在塔机完成上料或下料作业后，遥控操作员需要控制吊钩起升到一定的高度，避免塔机在自动跟踪时，与下方物体发生碰撞。在遥控与自动跟踪相结合的塔机智能安全吊装控制方式中，遥控操作员在地面，无法观察塔机吊钩上面的情况，因此，两个塔机遥控器均设置有显示功能，可以显示塔机智能监控系统1通过5G网络传输的吊钩高度信息以及小车视频图像。

参考图4，本发明方法利用上述的硬件设备，对塔机吊装作业实施流程控制，按照以下步骤实施：

步骤1、开机初始化，

塔机智能监控系统1处于自动跟踪模式，并启动所有的功能；两个塔机遥控器的控制功能处于失效模式，但两个塔机遥控器的北斗定位功能均启动；两个塔机遥控器与塔机智能监控系统1通过5G网络进行信息互联互通，两个塔机遥控器将实时位置信息通过5G网络传输给塔机智能监控系统1；

步骤2、塔机自动跟踪上料遥控器2，

塔机智能监控系统1利用运行状态监测功能实时获取塔机的位置，并与上料遥控器2发送的实时位置进行比较，控制塔机的运动，实现塔机自动跟踪上料遥控器2；

步骤3、激活上料遥控器2，完成吊钩定位与上料作业，

当塔机智能监控系统1监测到塔机吊钩当前位置运动至上料遥控器2位置附近，塔机智能监控系统1发送指令激活上料遥控器2，同时，塔机智能监控系统1处于待命模式，等待上料遥控器2发送运动控制指令，完成吊钩定位以及上料作业；

步骤4、上料遥控器2失效，塔机自动跟踪下料遥控器3，

完成上料作业后，上料遥控器2的遥控操作员通过上料遥控器2上的按钮主动发送“失效状态”指令，并通过5G网络发送失效状态给塔机智能监控系统1，塔机智能监控系统1在收到相应的失效状态信号后，启动自动跟踪功能，控制塔机自动跟踪下料遥控器3；

步骤5、激活下料遥控器3，完成吊钩定位与下料作业，

当塔机吊钩运动至下料遥控器3的位置附近，塔机智能监控系统1激活下料遥控器3，然后，塔机智能监控系统1处于待命状态，等待下料遥控器3发送运动控制指令，完成塔机吊钩定位以及下料作业；

步骤6、下料遥控器3失效，

完成下料作业后，下料遥控器3的操作员利用下料遥控器3上的按钮主动发送“失效状态”指令，并通过5G网络发送失效状态给塔机智能监控系统1，塔机智能监控系统1在收到相应的失效状态信号后，启动自动跟踪功能，塔机重新自动跟踪上料遥控器2；

重复上述步骤2-步骤6，循环完成塔机的下一次吊运作业。

实施例

参照图5，某施工现场有1台塔机，有一个钢筋料场P1以及一个钢结构料场P2，需要塔机将物料送往施工作业面位置C(一般为在建楼顶面)，因此，塔机需要往返于两个料场与作业面之间。采用本发明方法对该塔机进行控制，在该塔机上安装塔机智能监控系统1，两个塔机遥控器分别位于料场以及施工作业面。

假设塔机需要先从钢筋料场P1将钢筋运输到施工作业面C，此时，上料遥控器2位于钢筋料场P1处，下料遥控器3位于施工作业面C处，开始以下操作，

步骤1、系统初始化完成后，塔机处于自动跟踪模式，两个塔机遥控器均处于失效状态，上料遥控器2与下料遥控器3将实时位置信息通过5G网络传输给塔机智能监控系统1，同时，塔机智能监控系统1实时监测塔机当前位置；

步骤2、塔机自动前往钢筋料场P1处(此时为上料场)；

步骤3、当塔机接近钢筋料场P1，上料遥控器2控制功能激活，塔机待命模式，等待上料遥控器2发送控制指令，控制塔机吊钩定位，并完成上料作业；

步骤4、上料遥控器2主动失效，塔机重新处于自动跟踪模式，自动前往施工作业面C处(下料遥控器3位置)；

步骤5、当塔机接近施工作业面C，下料遥控器3控制功能激活，塔机处于待命模式，等待下料遥控器3发送控制指令，控制塔机吊钩定位，并完成下料作业；从而完成一次吊运作业；

步骤6、下料遥控器3主动失效，之后，塔机重新处于自动跟踪模式，自动前往上料遥控器2的位置，继续第二次上料吊运作业。

步骤7、第二次上料吊运作业，如果第二次吊运作业需要从钢结构料场P2(此时为上料场)将钢结构运输到施工作业面C，那么上料遥控器2操作员需要持上料遥控器2先前往钢结构料场P2，于是，塔机在完成上一次吊运后，在自动跟踪模式下，会自动前往钢结构料场P2(新的上料场)，然后，激活在钢结构料场P2的上料遥控器2，完成上料，上料遥控器2失效；随后在自动跟踪模式下塔机到达施工作业面C，又激活下料遥控器3，从而完成下料。重复上述过程，完成多次吊运作业。

综上所述，本发明的方法，将遥控技术与机器人的自动跟踪技术相结合，适合于施工现场随机吊装的工况特点，利用遥控实现塔机吊钩的定位，利用5G技术以及卫星定位技术实现塔机对遥控司机的自动跟踪；解决了塔机司机高空作业的安全风险，降低了劳动成本，又能满足精准定位的需求；同时，遥控器控制权的安全切换避免了远距离遥控导致的安全风险。

Claims (5)

1.一种遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、开机初始化，

塔机智能监控系统(1)处于自动跟踪模式，并启动所有的功能；两个塔机遥控器的控制功能处于失效模式，但两个塔机遥控器的北斗定位功能均启动；两个塔机遥控器与塔机智能监控系统(1)通过5G网络进行信息互联互通，两个塔机遥控器将实时位置信息通过5G网络传输给塔机智能监控系统(1)；

步骤2、塔机自动跟踪上料遥控器(2)，

塔机智能监控系统(1)利用运行状态监测功能实时获取塔机的位置，并与上料遥控器(2)发送的实时位置进行比较，控制塔机的运动，实现塔机自动跟踪上料遥控器(2)；

步骤3、激活上料遥控器(2)，完成吊钩定位与上料作业，

当塔机智能监控系统(1)监测到塔机吊钩当前位置运动至上料遥控器(2)位置附近，塔机智能监控系统(1)发送指令激活上料遥控器(2)，同时，塔机智能监控系统(1)处于待命模式，等待上料遥控器(2)发送运动控制指令，完成吊钩定位以及上料作业；

步骤4、上料遥控器(2)失效，塔机自动跟踪下料遥控器(3)，

完成上料作业后，上料遥控器(2)的遥控操作员通过上料遥控器(2)上的按钮主动发送“失效状态”指令，并通过5G网络发送失效状态给塔机智能监控系统(1)，塔机智能监控系统(1)在收到相应的失效状态信号后，启动自动跟踪功能，控制塔机自动跟踪下料遥控器(3)；

步骤5、激活下料遥控器(3)，完成吊钩定位与下料作业，

当塔机吊钩运动至下料遥控器(3)的位置附近，塔机智能监控系统(1)激活下料遥控器(3)，然后，塔机智能监控系统(1)处于待命状态，等待下料遥控器(3)发送运动控制指令，完成塔机吊钩定位以及下料作业；

步骤6、下料遥控器(3)失效，

完成下料作业后，下料遥控器(3)的操作员利用下料遥控器(3)上的按钮主动发送“失效状态”指令，并通过5G网络发送失效状态给塔机智能监控系统(1)，塔机智能监控系统(1)在收到相应的失效状态信号后，启动自动跟踪功能，塔机重新自动跟踪上料遥控器(2)，完成塔机的一次吊运作业。

2.根据权利要求1所述的遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法，其特征在于：所述的塔机智能监控系统(1)安装在塔机(4)上，塔机智能监控系统(1)包括八个功能模块，分别实现塔机运行状态的监测、安全监控、小车视频、运行机构故障诊断、自动跟踪控制、塔机控制、遥控器激活与指令解析。

3.根据权利要求1所述的遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法，其特征在于：所述的上料遥控器(2)以及下料遥控器(3)分别位于上料点与下料点，由地面遥控操作员操作，控制塔机吊钩的定位，完成物料的装/卸；两个塔机遥控器具有相同的功能模块，包括遥控功能、北斗定位功能、塔机遥控器控制权的安全切换、显示功能。

4.根据权利要求2和3所述的遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法，其特征在于：所述的塔机智能监控系统(1)与两个塔机遥控器之间通过5G网络与云端(5)进行信息交换，塔机智能监控系统(1)控制塔机循环实现对两个塔机遥控器的跟踪运动，两个塔机遥控器则控制塔机吊钩的定位，完成物料的装/卸，从而周而复始地完成塔机吊装作业。

5.根据权利要求2所述的遥控与自动跟踪相结合的塔式起重机智能安全控制方法，其特征在于：所述的遥控器激活与指令解析，具体过程是，

当塔机智能监控系统(1)判断到塔机当前位置到达上料遥控器(2)或下料遥控器(3)附近后，将结束塔机自动跟踪控制模式，进入待命模式；同时通过5G发送相应的塔机遥控器激活指令，该塔机遥控器激活后，塔机在该塔机遥控器操作员的控制下完成定位与物料装/卸。遥控操作员对塔机的控制，则是通过该塔机遥控器的5G网络对安装在塔机上的塔机智能监控系统(1)发送塔机操控指令，由塔机智能监控系统(1)根据协议对指令进行解析，并将控制指令发送给塔机控制的模块。

Images