CN115744679A - 一种塔吊工作姿态的采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种塔吊工作姿态的采集系统及方法，所述系统包括：回转姿态参数采集模块、变幅姿态参数采集模块、起升姿态参数采集模块和主控模块；回转姿态参数采集模块用于采集塔吊相对于基准角度值的回转角度值和角加速度值，并传输至主控模块；变幅姿态参数采集模块用于塔吊在作业过程中幅度发生变化时计算出幅度值，并传输至主控模块；起升姿态参数采集模块用于分别采集参考水平面处的第一气压高度值、起升吊钩处的第二气压高度值和塔吊回转机构上支承部位处的第三气压高度值，并分别传输至主控模块；主控模块用于根据回转角度、角加速度、幅度值和高度值以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，从而能够根据实时综合工作姿态规范塔吊在施工现场的使用，减少塔吊在运行过程中安全事故的发生。

Description

一种塔吊工作姿态的采集系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑施工检测技术领域，特别涉及一种塔吊工作姿态的采集系统及方法。

背景技术

塔吊作为建筑施工现场的重大危险源，所造成的生产安全事故经常发生，由于塔吊体积庞大、作业时各主要机构频繁运行和塔吊司机作业时视线不佳等原因，对周边环境、设施、作业面影响巨大，各机构在运行时稍有不慎就有可能造成碰撞、吊物散落并引起安全事故，如能够采集塔吊在作业过程中各主要运行机构的实时状态及变化趋势，结合该塔吊的起重臂、拉杆、平衡臂等各项固定结构参数，则可以通过计算，准确采集塔吊的实时工作姿态及变化趋势，如将塔吊的实时工作姿态和变化趋势上传至中央处理器，由中央处理器计算处理后，生成指令并分发至塔吊司机、管理者及塔吊可编程控制器，则可实现预警、截断、反向控制等动作，从而避免造成塔吊与周边环境、设施等发生碰撞，也可以自动控制塔吊回转、变幅、起升吊钩的综合运行区间，避免塔吊在吊装过程中吊物超出工地红线、从人员密集的场所上空经过等各种危险情况发生。

现有的塔吊运行姿态采集方法一般是通过安装在回转齿圈部位的计数装置采集塔吊回转角度参数，通过安装在起升卷扬机卷筒部位的计数装置采集吊钩起升高度参数，通过安装在变幅卷扬机卷筒部位的计数装置采集幅度参数。这一采集方法在每次更换塔吊起升钢丝绳或变幅钢丝绳的时候，均需要专业人员重新调试计数装置，耗时耗力，且无法精确采集与碰撞密切相关的回转角加速度参数。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种塔吊工作姿态的采集系统及方法，旨在解决现有技术中无法便捷且实时精准地采集塔吊运行姿态，而容易造成施工安全事故的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种塔吊工作姿态的采集系统，所述塔吊工作姿态的采集系统包括：回转姿态参数采集模块、变幅姿态参数采集模块、起升姿态参数采集模块和主控模块；

所述主控模块分别与所述回转姿态参数采集模块、所述变幅姿态参数采集模块和所述起升姿态参数采集模块电性连接；

所述回转姿态参数采集模块用于采集塔吊相对于基准角度值的回转角度和角加速度，并实时传输至所述主控模块；

所述变幅姿态参数采集模块用于在所述塔吊在作业过程中幅度发生变化时计算出幅度值，并实时传输至所述主控模块；

所述起升姿态参数采集模块用于分别采集参考水平面处的第一气压高度值、起升吊钩处的第二气压高度值和塔吊回转机构上支承部位处的第三气压高度值，并分别实时传输至所述主控模块；

所述主控模块用于根据所述回转角度、所述角加速度、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，以向塔吊司机、管理者及塔吊可编程控制器发送指令。

所述塔吊工作姿态的采集系统中，所述回转姿态参数采集模块包括：角运动检测单元和第一通信单元；所述第一通信单元与所述角运动检测单元连接，所述第一通信单元还与所述主控模块电性连接；

所述角运动检测单元用于在检测到塔吊塔身在发生旋转时，实时计算出所述塔吊相对于所述基准角度值的所述回转角度和所述角加速度，并将所述回转角度和所述角加速度传输至所述第一通信单元；所述第一通信单元用于将所述回转角度和所述角加速度实时传输至所述主控模块。

所述塔吊工作姿态的采集系统中，所述变幅姿态参数采集模块包括：幅度值参考单元、测距采集单元和第二通信单元；所述测距采集单元分别与所述第二通信单元和所述幅度值参考单元连接，所述第二通信单元还与所述主控模块电性连接；

所述幅度值参考单元用于标定塔吊初始幅度值及在塔吊幅度变化时为所述测距采集单元提供视觉影像；所述测距采集单元用于根据采集得到的所述幅度值参考单元的幅度发生变化信息后，通过视觉测距方法计算得到所述幅度值参考单元的所述幅度值，并传输至所述第二通信单元；所述第二通信单元用于将所述幅度值传输至所述主控模块。

所述塔吊工作姿态的采集系统中，所述起升姿态参数采集模块包括：第一气压采集单元、第二气压采集单元、第三气压采集单元和第三通信单元；所述第三通信单元分别与所述第一气压采集单元、所述第二气压采集单元、所述第三气压采集单元和所述主控模块电性连接；

所述第一气压采集单元用于采集参考水平面高度处的第一气压高度值，并传输至所述第三通信单元；所述第二气压采集单元用于采集塔吊的起升吊钩处的第二气压高度值，并传输至所述第三通信单元；所述第三气压采集单元用于采集塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处的第三气压高度值，并传输至所述第三通信单元；所述第三通信单元用于将所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值传输至所述主控模块。

所述塔吊工作姿态的采集系统中，所述角运动检测单元包括：陀螺仪；所述陀螺仪固定安装于塔吊回转机构上支承及以上的结构或塔吊驾驶室上，以使所述陀螺仪随塔吊同步回转。

所述塔吊工作姿态的采集系统中，所述测距采集单元包括：测距摄像头；所述幅度值参考单元包括：变幅小车；所述测距摄像头固定安装于塔吊回转机构上支承以上的结构或塔吊驾驶室上，且所述测距摄像头正对着所述变幅小车；在塔吊的初始状态时，所述变幅小车停留在预设幅度值处。

所述塔吊工作姿态的采集系统中，所述第一气压采集单元包括：第一气压高度计，所述第一气压高度计设置在所述参考水平面高度处；所述第二气压采集单元包括：第二气压高度计，所述第三气压高度计设置在所述塔吊的起升吊钩处；所述第三气压采集单元包括：第三气压高度计，所述第三气压高度计设置在所述塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处。

所述塔吊工作姿态的采集系统中，所述气压高度值包括：所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值；所述塔吊结构参数包括：回转支承座高度、起重臂长度、平衡臂长度、拉杆长度和塔帽高度。

一种基于如上所述的塔吊工作姿态的采集系统的塔吊工作姿态的采集方法，所述塔吊工作姿态的采集方法包括以下步骤：

回转姿态参数采集模块采集塔吊相对于基准角度值的回转角度和角加速度，并实时传输至所述主控模块；

在所述塔吊在作业过程中幅度发生变化时，变幅姿态参数采集模块计算出幅度值，并实时传输至所述主控模块；

起升姿态参数采集模块分别采集参考水平面处的第一气压高度值、起升吊钩处的第二气压高度值和塔吊回转机构上支承部位处的第三气压高度值，并分别实时传输至所述主控模块；

主控模块根据所述回转角度值、所述角加速度值、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，以向塔吊司机、管理者及塔吊可编程控制器发送指令；其中，所述塔吊结构参数包括：回转支承座高度、起重臂长度、平衡臂长度、拉杆长度和塔帽高度。

所述塔吊工作姿态的采集方法中，所述塔吊工作姿态的采集方法具体包括：

将陀螺仪固定安装于塔吊回转机构上支承及以上的结构或塔吊驾驶室上，并根据基准角度值对陀螺仪进行校准操作后，利用校准后的陀螺仪实时采集塔吊在作业时相对于基准角度值的回转角度和角加速度，并经过第一通信单元实时传输至主控模块；

将测距摄像头固定安装于塔吊回转机构上支承以上的结构或塔吊驾驶室上并正对变幅小车，采集经过标定后的变幅小车在作业过程中幅度发生变化时的幅度值，并经过第二通信单元传输至主控模块；

将第一气压高度计、第二气压高度计和第三气压高度计分别设置在参考水平面高度处、塔吊的起升吊钩处和塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处后，并将对应分别采集得到的第一气压高度值、第二气压高度值和第三气压高度值经过第三通信单元实时传输至所述主控模块；

控制主控模块根据第一气压高度值、第二气压高度值和第三气压高度值计算得到起升吊钩和塔吊塔身相对于参考水平面高度的高度值后，根据回转角度、角加速度、幅度值和高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，以向塔吊司机、管理者及塔吊可编程控制器发送指令。

相较于现有技术，本发明提供的一种塔吊工作姿态的采集系统及方法，所述系统包括：回转姿态参数采集模块、变幅姿态参数采集模块、起升姿态参数采集模块和主控模块；回转姿态参数采集模块用于采集塔吊相对于基准角度值的回转角度和角加速度，并传输至主控模块；变幅姿态参数采集模块用于在塔吊在作业过程中幅度发生变化时计算出幅度值，并传输至主控模块；起升姿态参数采集模块用于分别采集起升吊钩和塔吊塔身相对于参考水平高度值的高度值，并传输至主控模块；主控模块用于根据回转角度、角加速度、幅度值和高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，从而能够根据实时综合工作姿态规范塔吊在施工现场的使用，减少塔吊在运行过程中安全事故的发生。

附图说明

图1为本发明提供的塔吊工作姿态的采集系统的结构框图；

图2为本发明提供的塔吊工作姿态的采集系统的实物架构图；

图3为本发明提供的塔吊工作姿态的采集方法的较佳实施例的流程图；

图4为本发明提供的塔吊工作姿态的采集方法的较佳实施例的具体流程图。

附图标记：10：回转姿态参数采集模块；11：角运动检测单元；12：第一通信单元；20：变幅姿态参数采集模块；21：幅度值参考单元；22：测距采集单元；23：第二通信单元；30：起升姿态参数采集模块；31：第一气压采集单元；32：第二气压采集单元；33：第三气压采集单元；34：第三通信单元；40：主控模块；h1：第一气压高度值；h2：第二气压高度值；h3：第三气压高度值。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提供的一种塔吊工作姿态的采集系统及方法。通过分别采集塔吊相对于基准角度值的回转角度和角加速度、塔吊的幅度值、起升吊钩和塔吊塔身相对于参考水平面高度的高度值，并与塔吊结构参数进行匹配，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，通过对塔吊实时综合工作姿态的有效管理，既可以避免造成塔吊相互之间、与周边环境、设施等发生碰撞，也可以自动控制塔吊回转、变幅、起升吊钩的综合运行区间，避免塔吊在吊装过程中吊物超出工地红线、从人员密集的场所上空经过等各种危险情况发生。

下面通过具体示例性的实施例对塔吊工作姿态的采集系统设计方案进行描述，需要说明的是，下列实施例只用于对发明的技术方案进行解释说明，并不做具体限定：

请参阅图1，本发明提供的一种塔吊工作姿态的采集系统，所述塔吊工作姿态的采集系统包括：回转姿态参数采集模块10、变幅姿态参数采集模块20、起升姿态参数采集模块30和主控模块40；

所述主控模块40分别与所述回转姿态参数采集模块10、所述变幅姿态参数采集模块20和所述起升姿态参数采集模块30电性连接；

所述回转姿态参数采集模块10用于采集塔吊相对于基准角度值的回转角度和角加速度，并实时传输至所述主控模块40；

所述变幅姿态参数采集模块20用于在所述塔吊在作业过程中幅度发生变化时计算出幅度值，并实时传输至所述主控模块40；

所述起升姿态参数采集模块30用于分别采集参考水平面处的第一气压高度值、起升吊钩处的第二气压高度值和塔吊回转机构上支承部位处的第三气压高度值，并分别实时传输至所述主控模块40；

所述主控模块40用于根据所述回转角度、所述角加速度、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，以向塔吊司机、管理者及塔吊可编程控制器发送指令。

其中，所述主控模块40包括：中央处理器(CPU)；所述塔吊结构参数包括：回转支承座高度、起重臂长度、平衡臂长度、拉杆长度和塔帽高度。

具体地，本发明中利用所述塔吊工作姿态的采集系统模拟生成所述塔吊的实时综合工作姿态的过程如下：

首先，将所述回转姿态参数采集模块10固定在塔吊回转机构上支承或塔吊驾驶室上，使所述回转姿态采集模块10与塔吊同步回转，操作所述塔吊回转机构，使起重臂朝向预设方向(如正北方向)后，将所述回转姿态参数采集模块10内的角度显示值调整为所述基准角度值(此时角度值为0)，当所述塔吊回转作业时，所述回转姿态参数采集模块10采集所述塔吊相对于所述基准角度值的回转角度和角加速度，并将所述回转角度和所述角加速度实时传输至所述主控模块40。

然后，同样将所述变幅姿态采集模块20固定在塔吊回转机构上支承或塔吊驾驶室上，使所述变幅姿态采集模块20与塔吊同步回转。当塔吊在作业过程中幅度变化时，通过所述变幅姿态参数采集模块20动态计算塔吊的幅度值，并将该幅度值实时传输至所述主控模块40。

其次，在工程项目施工现场的确定标高处(参考水平面处，如正负零处)、塔吊起升吊钩上、塔吊回转机构上支承或塔吊驾驶室上设置所述起升姿态参数采集模块30，分别对该三处的气压高度值进行采集，并将对应采集到的所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值分别实时传输至所述主控模块40。

再者，所述主控模块40根据所述回转角度、所述角加速度、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值，以及根据塔吊结构参数(回转支承座高度、起重臂长度、平衡臂长度、拉杆长度和塔帽高度)，模拟生成塔吊实时综合工作姿态的三维动画，并呈现在智能终端(例如手机、电脑等)的屏幕上。

本发明中所述塔吊在作业过程时，通过所述回转姿态参数采集模块10采集塔吊相对于基准角度值的回转角度和角加速度，通过所述变幅姿态参数采集模块20计算出幅度发生变化后的幅度值，通过所述起升姿态参数采集模块30分别采集参考水平面处的第一气压高度值、起升吊钩处的第二气压高度值和塔吊回转机构上支承部位处的第三气压高度值。

最后，所述主控模块40根据所述回转角度、所述角加速度、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，以便能根据所述实时综合工作姿态，让塔吊司机和现场管理者清楚地了解到所述塔吊的实时工作状态，能及时在塔吊不规范使用时，发出预警和警告，进行截断、反向操作等指令，避免在群塔作业过程中，塔吊起重臂、平衡臂、拉杆、吊钩、起升钢丝绳等相互干涉的问题，有效地预防了塔吊在作业过程中相互碰撞而造成安全事故。

并且，可以按照所采集到的各姿态参数(所述回转角度、所述角加速度、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值)，结合塔吊的结构参数，在三维空间设定塔吊的安全作业区域、禁止作业区域，从而有效地预防塔吊在作业过程中碰撞其他设施、带着吊物跨越工地红线、从人员密集场所或关键设施上部经过的危险作业行为。

更进一步地，所述回转姿态参数采集模块10包括：角运动检测单元11和第一通信单元12；所述第一通信单元12与所述角运动检测单元11连接，所述第一通信单元12还与所述主控模块40电性连接；

所述角运动检测单元11用于在检测到塔吊在发生旋转时，实时计算出所述塔吊相对于所述基准角度值的所述回转角度和所述角加速度，并将所述回转角度和所述角加速度传输至所述第一通信单元12；所述第一通信单元12用于将所述回转角度和所述角加速度传输至所述主控模块40。

具体地，首先，将所述角运动检测单元11固定在塔吊回转机构上支承或塔吊驾驶室上，使所述角运动检测单元11与塔吊同步回转，在采集所述塔吊相对于所述基准角度值的回转角度和角加速度前，先对所述角运动检测单元11(例如本实施例中的陀螺仪)进行校准操作，即操作所述塔吊回转机构，将所述塔吊回转至所述预设方向(如正北或正南)后，将所述角运动检测单元11的角度调整为所述基准角度值(本实施例中为0)。

然后，当所述塔吊回转作业时，开始进入采集所述塔吊的回转角度和角加速度的过程，所述角运动检测单元11直接显示采集到的所述塔吊相对于所述基准角度值的回转角度和角加速度，并将所述回转角度和所述角加速度通过所述第一通信单元12传输至所述主控模块40。

通过首先对所述角运动检测单元11进行校准后，利用校准后的角运动检测单元11检测所述塔吊相对于所述基准角度值的回转角度和角加速度，从而实现了精准且快捷地测量出所述塔吊在回转作业时的回转角度和角加速度。

更进一步地，所述变幅姿态参数采集模块20包括：幅度值参考单元21、测距采集单元22和第二通信单元23；所述测距采集单元22分别与所述第二通信单元23和所述幅度值参考单元21连接，所述第二通信单元23还与所述主控模块40电性连接；

所述幅度值参考单元21用于标定塔吊初始幅度值及在塔吊幅度变化时为所述测距采集单元22提供视觉影像；所述测距采集单元22用于根据采集得到的所述幅度值参考单元21的幅度发生变化信息后，通过投影测距方式计算得到所述幅度值参考单元21的所述幅度值，并传输至所述第二通信单元23；所述第二通信单元23用于将所述幅度值传输至所述主控模块40。

具体地，在计算所述塔吊在作业过程中幅度发生变化后的幅度值时，首先，将所述测距采集单元22(例如本实施例中的测距摄像头)固定安装在塔吊回转机构上支承以上的结构或塔吊驾驶室上，并且使得所述测距采集单元22正对着所述幅度值参考单元21(例如本实施例中的变幅小车)方向。同时，为了能够更加方便且精准地检测出所述幅度值参考单元21的幅度值变化，可以先对所述幅度值参考单元21进行标注：先将所述幅度值参考单元21移动到所述预设幅度值处，即操作所述幅度值参考单元21使其运行到预设幅度值处(如30米处)，在所述测距采集单元22上设定该预设幅度值(30米)，作为检测幅度值变化的参考位置。

当所述塔吊在作业过程中所述幅度值参考单元21的幅度发生变化时，所述测距采集单元22将按照所述预设幅度值与所述幅度参考单元21在测距摄像头内部的投影尺寸(如面积、边长等)变化的线性关系，利用投影测距方式，例如视觉算法，动态计算变化后的幅度值参考单元21的幅度值，并通过所述第二通信单元23将所述幅度值实时上传到所述主控模块40。

本发明中通过所述测距采集单元22检测出所述幅度值参考单元21的幅度值发生变化时，测量出所述幅度值参考单元21的实时幅度值，并经过所述第二通信单元23传输至所述主控模块40，从而能够快速精确地实时测量所述幅度值参考单元21的幅度值。

更进一步地，所述起升姿态参数采集模块30包括：第一气压采集单元31、第二气压采集单元32、第三气压采集单元33和第三通信单元34；所述第三通信单元34分别与所述第一气压采集单元31、所述第二气压采集单元32、所述第三气压采集单元33和所述主控模块40电性连接；

所述第一气压采集单元31用于采集参考水平面高度处的第一气压高度值，并传输至所述第三通信单元34；所述第二气压采集单元32用于采集塔吊的起升吊钩处的第二气压高度值，并传输至所述第三通信单元34；所述第三气压采集单元33用于采集塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处的第三气压高度值，并传输至所述第三通信单元34；所述第三通信单元34用于将所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值传输至所述主控模块40。

其中，所述第一通信单元12、所述第二通信单元23和所述第三通信单元34均可以为无线通信单元，例如，数据网络无线通信(GPRS/CDMA无线通信)单元、短距离无线通信(Zig-Bee、无线宽带(Wi-Fi)和超宽带(UWB)等)单元或卫星通信单元等。

具体地，在采集起升吊钩和塔吊塔身相对于参考水平高度值的高度值时，首先，在工程项目施工现场的确定标高处(参考水平高度处，如正负零处)设置所述第一气压采集单元31(本实施例中的气压高度计1)，在塔吊起升吊钩上设置所述第二气压采集单元32(本实施例中的气压高度计2)，在塔吊回转机构上支承或塔吊驾驶室上设置所述气压采集单元33(本实施例中的气压高度计3)；然后，利用所述第一气压采集单元31采集所述第一气压高度值h1后传输至所述第三通信单元34；利用所述第二气压采集单元32采集所述第二气压高度值h2后传输至所述第三通信单元34；以及利用所述第三气压采集单元33采集所述第三气压高度值h3后传输至所述第三通信单元34。

其次，利用所述第三通信单元34将所述第一气压高度值h1、所述第二气压高度值h2和所述第三气压高度值h3传输至所述主控模块40。

其中，所述第一气压采集单元31所采集到的第一气压高度值h1除作为参考水平面高度基准值以外，也用于修正因天气变化所产生的所述第二气压采集单元32和所述第三气压采集单元33所采集的高度值的偏差。因此，在所述主控模块40上，利用所述第二气压采集单元32测量出的第二气压高度值h2和所述第三气压采集单元33测量出的第三气压高度值h3分别减去所述第一气压采集单元31测量出的第一气压高度值h1，对应得到所述起升吊钩和所述塔吊塔身相对于所述参考水平高度(施工现场确定标高处)的高度值，即所述第二气压采集单元32所采集到的第二气压高度值h2减去所述第一气压采集单元31于同一时间点所采集到的第一气压高度值h1为所述起升吊钩相对于所述参考水平高度的高度值，所述第三气压采集单元33所采集到的第三气压高度值h3减去所述第一气压采集单元31于同一时间点所采集到的第一气压高度值h1为所述塔吊塔身相对于所述参考水平高度的高度值。

本发明中通过所述第一气压采集单元31、所述第二气压采集单元32和所述第三气压采集单元33分别采集三个不同预设位置处的气压高度值，从而准确地计算得出起升吊钩和塔吊塔身相对于参考水平高度值的高度值。

更进一步地，请参阅图2，所述角运动检测单元11包括：陀螺仪；所述陀螺仪固定安装于塔吊回转机构上支承及以上的结构或塔吊驾驶室上，以便所述陀螺仪随塔吊同步回转。

其中，所述陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，本实施例中所述陀螺仪可以直接显示回转角度读数和角加速度读数。

具体地，在对所述塔吊的回转角度和角加速度进行采集时，首先，将所述陀螺仪固定安装于塔吊回转机构上支承及以上的结构或塔吊驾驶室上，使所述陀螺仪与塔吊同步回转。然后，对所述陀螺仪进行校准操作，即操作所述塔吊回转机构，将所述塔吊回转至所述预设方向(如正北或正南)后，将所述陀螺仪的角度调整为0，作为所述塔吊回转角度的基准角度值。

其次，当所述塔吊回转作业时，所述陀螺仪上的角度读数即为所述塔吊相对于所述基准角度值的回转角度读数；同样，所述陀螺仪上的角加速度读数即为所述塔吊回转的角加速度读数。

更进一步地，所述测距采集单元22包括：测距摄像头；所述幅度值参考单元21包括：变幅小车；所述测距摄像头固定安装于塔吊回转机构上支承以上的结构或塔吊驾驶室上，且所述测距摄像头正对着所述变幅小车；在塔吊的初始状态时，所述变幅小车停留在预设幅度值处。

其中，所述测距摄像头是一种利用视觉识别算法计算空间的深度或距离等数据的摄像头，本实施例中可以采用单目或双目以及具有红外夜视功能的摄像头。

具体地，在计算所述塔吊的幅度值时，首先，将所述测距摄像头固定安装在塔吊回转机构上支承以上的结构或塔吊驾驶室上，并且使得所述测距摄像头正对着所述变幅小车方向。

同时，对所述变幅小车进行标定操作，即控制所述变幅小车移动到所述预设幅度值处(如30米或40米处)，将变幅小车标定为识别对象，并将所述预设幅度值标定在所述测距摄像头的读数上，使得所述预设幅度值与所述测距摄像头所采集的变幅小车图像匹配。

当所述变幅小车的幅度值发生变化后，所述测距摄像头依据经过标定的预设幅度值及所述变幅小车在测距摄像头内的投影影像的尺寸(如面积、边长等)变化，利用投影测距方式，例如视觉算法，动态计算变幅小车在作业过程中幅度发生变化时的幅度值。并且，为提高所述变幅小车的辨识度，可以在所述变幅小车上安装固定易于所述测距摄像头捕捉图像的尺寸合适的物体(如方形塑料板等)。

更进一步地，所述第一气压采集单元31包括：第一气压高度计(图2中的气压高度计1)，所述第一气压高度计设置在所述参考水平高度处；所述第二气压采集单元32包括：第二气压高度计(图2中的气压高度计2)，所述第三气压高度计设置在所述塔吊的起升吊钩处；所述第三气压采集单元33包括：第三气压高度计(图2中的气压高度计3)，所述第三气压高度计设置在所述塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处。

其中，气压高度计的原理是利用大气压力与海拔高度的变化关系，根据测量大气压力，把大气压力转换成高度刻度显示出来；因陀螺仪、气压高度计和测距摄像头的体积均小巧，可以将陀螺仪、气压高度计3和测距摄像头集成为一体，并共用一个通讯模块，以减轻现场安装工作量。

具体地，在采集起升吊钩和塔吊塔身的高度值时，首先，将所述第一气压高度计安装在所述参考水平高度(工程项目标高为正负零，图2中的虚线处)处，用于采集所述第一气压高度值h1；将所述第二气压高度计安装在所述塔吊的起升吊钩处，用于采集所述第二气压高度值h2；以及将所述第三气压高度计安装在塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处，用于采集所述第三气压高度值h3。

进一步地，请参阅图3，本发明提供的一种基于如上所述的塔吊工作姿态的采集系统的塔吊工作姿态的采集方法，所述塔吊工作姿态的采集方法包括以下步骤：

A100、回转姿态参数采集模块10采集塔吊相对于基准角度值的回转角度和角加速度，并实时传输至所述主控模块40；

A200、在所述塔吊在作业过程中幅度发生变化时，变幅姿态参数采集模块20计算出幅度值，并实时传输至所述主控模块40；

A300、起升姿态参数采集模块30分别采集参考水平面处的第一气压高度值、起升吊钩处的第二气压高度值和塔吊回转机构上支承部位处的第三气压高度值，并分别实时传输至所述主控模块40；

A400、主控模块40根据所述回转角度、所述角加速度、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，以向塔吊司机、管理者及塔吊可编程控制器发送指令。

具体地，在本发明中的所述塔吊工作姿态的采集系统上实现所述塔吊工作姿态的采集方法，所述塔吊工作姿态的采集方法实现的步骤为：

首先，调节所述塔吊的方向为预设方向(如正北或正南)后，对所述回转姿态参数采集模块10进行标定，即将所述回转姿态参数采集模块10的角度调整为所述基准角度值(此时角度值为0)。

然后，当所述塔吊回转作业时，所述塔吊的幅度会发生变化，所述回转姿态参数采集模块10采集所述塔吊相对于所述基准角度值的回转角度和角加速度，并将所述回转角度和所述角加速度传输至所述主控模块40。

同时，对所述变幅小车进行标定操作，即控制所述变幅小车移动到所述预设幅度值处(如30米或40米处)，将变幅小车标定为识别对象，并将所述预设幅度值标定在所述测距摄像头的读数上，使得所述预设幅度值与所述测距摄像头所采集的变幅小车图像匹配。

当所述变幅小车的幅度值发生变化后，所述变幅姿态参数采集模块20通过视觉识别算法计算塔吊的幅度值，并将所述幅度值传输至所述主控模块40。

其次，先设置一个参考水平面，例如工程项目标高为正负零处，所述起升姿态参数采集模块30则分别采集所述参考水平面处的第一气压高度值、起升吊钩处的第二气压高度值、塔吊回转机构上支承以上或塔吊司机驾驶室处的气压高度值，将三次的高度值实时传输至所述主控模块40。

最后，所述主控模块40根据所述回转角度、所述角加速度、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值，以及根据塔吊结构参数(回转支承座高度、起重臂长度、平衡臂长度、拉杆长度和塔帽高度)，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态的三维动画，并呈现在智能终端(例如手机、电脑等)的屏幕上。

更进一步地，请参阅图4，所述塔吊工作姿态的采集方法具体包括：

B100、将陀螺仪固定安装于塔吊回转机构上支承及以上的结构或塔吊驾驶室上，并根据基准角度值对陀螺仪进行校准操作后，利用校准后的陀螺仪实时采集塔吊在作业时相对于基准角度值的回转角度和角加速度，并经过第一通信单元12实时传输至主控模块40；

B200、将测距摄像头固定安装于塔吊回转机构上支承以上的结构或塔吊驾驶室上并正对变幅小车，采集经过标定后的变幅小车在作业过程中幅度发生变化时的幅度值，并经过第二通信单元23实时传输至主控模块40；

B300、将第一气压高度计、第二气压高度计和第三气压高度计分别设置在参考水平高度处、塔吊的起升吊钩处和塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处后，并将对应分别采集得到的第一气压高度值、第二气压高度值和第三气压高度值经过第三通信单元34实时传输至所述主控模块40；

B400、控制主控模块40根据第一气压高度值、第二气压高度值和第三气压高度值计算得到起升吊钩和塔吊塔身相对于参考水平高度值的高度值后，根据所采集到的回转角度、角加速度、幅度值和高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，以向塔吊司机、管理者及塔吊可编程控制器发送指令。其中，所述塔吊结构参数包括：回转支承座高度、起重臂长度、平衡臂长度、拉杆长度和塔帽高度。

具体地，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态的过程如下：

首先，将所述陀螺仪固定安装于塔吊回转机构上支承及以上的结构或塔吊驾驶室上，使所述陀螺仪与塔吊同步回转，并根据基准角度值对陀螺仪进行校准操作，即操作所述塔吊回转机构，将所述塔吊回转至所述预设方向(如正北或正南)后，将所述陀螺仪的角度调整为0，作为所述塔吊回转角度的基准角度值。

然后，当所述塔吊回转作业时，利用校准后的陀螺仪实时采集塔吊在作业时相对于基准角度值的回转角度和角加速度，即直接读取所述陀螺仪上的角度读数即为所述塔吊相对于所述基准角度值的回转角度读数，同样，直接读取所述陀螺仪上的角加速度读数即为所述塔吊回转的角加速度读数，并将所述回转角度和所述角加速度经过第一通信单元12传输至所述主控模块40。

其次，计算所述塔吊的幅度值，先将所述测距摄像头固定安装在塔吊回转机构上支承以上的结构或塔吊驾驶室上，且使得所述测距摄像头正对着所述变幅小车方向。同时，对所述变幅小车进行标定操作，即控制所述变幅小车移动到预设幅度值处(如30米或40米处)，将变幅小车标定为识别对象，并在所述测距摄像头的读数上对所述预设幅度值进行标定，作为检测幅度值变化的参考位置，使得所述预设幅度值与所述测距摄像头所采集的图像匹配。并且，为提高所述变幅小车的辨识度，可以在所述变幅小车上安装固定易于所述测距摄像头捕捉图像的尺寸合适的物体(如方形塑料板等)。当所述塔吊的幅度值发生变化时，由所述测距摄像头依据该标定的幅度值及变幅小车在测距摄像头内的投影影像的尺寸变化，实时计算变幅小车运行时的幅度值，并经过所述第二通信单元23传输至主控模块40。

再者，开始采集起升吊钩和塔吊塔身的高度值，先将所述第一气压高度计安装在所述参考水平高度(工程项目标高为正负零)处，利用所述第一气压高度计采集所述第一气压高度值h1后经过所述第三通信单元34传输至所述主控模块40；并将所述第二气压高度计安装在所述塔吊的起升吊钩处，利用所述第二气压高度计采集所述第二气压高度值h2后经过所述第三通信单元34传输至所述主控模块40；以及将所述第三气压高度计安装在塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处，利用所述第三气压高度计采集所述第三气压高度值h3后经过所述第三通信单元34传输至所述主控模块40。

最后，在所述主控模块40上，利用所述第二气压采集单元32测量出的第二气压高度值h2和所述第三气压采集单元33测量出的第三气压高度值h3分别减去所述第一气压采集单元31测量出的第一气压高度值h1，对应得到所述起升吊钩和所述塔吊塔身相对于所述参考水平高度值的高度值，即所述第二气压采集单元32测量出的第二气压高度值h2减去所述第一气压采集单元31测量出的第一气压高度值h1为所述起升吊钩相对于所述参考水平高度值的高度值，所述第三气压采集单元33测量出的第三气压高度值h3减去所述第一气压采集单元31测量出的第一气压高度值h1为所述塔吊塔身相对于所述参考水平高度值的高度值。

并且，所述主控模块40根据所述回转角度、所述角加速度、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值，以及根据塔吊结构参数(回转支承座高度、起重臂长度、平衡臂长度、拉杆长度和塔帽高度)，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态的三维动画，并呈现在智能终端(例如手机、电脑等)的屏幕上。

综上所述，本发明提供的一种塔吊工作姿态的采集系统及方法，所述系统包括：回转姿态参数采集模块、变幅姿态参数采集模块、起升姿态参数采集模块和主控模块；回转姿态参数采集模块用于采集塔吊相对于基准角度值的回转角度和角加速度，并传输至主控模块；变幅姿态参数采集模块用于在塔吊在作业过程中幅度发生变化时计算出幅度值，并传输至主控模块；起升姿态参数采集模块用于分别采集起升吊钩和塔吊塔身相对于参考水平高度值的高度值，并传输至主控模块；主控模块用于根据回转角度、角加速度、幅度值和高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，从而能够根据实时综合工作姿态规范塔吊在施工现场的使用，减少塔吊在运行过程中安全事故的发生。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种塔吊工作姿态的采集系统，其特征在于，所述塔吊工作姿态的采集系统包括：回转姿态参数采集模块、变幅姿态参数采集模块、起升姿态参数采集模块和主控模块；

所述主控模块分别与所述回转姿态参数采集模块、所述变幅姿态参数采集模块和所述起升姿态参数采集模块电性连接；

所述回转姿态参数采集模块用于采集塔吊相对于基准角度值的回转角度值和角加速度值，并实时传输至所述主控模块；

所述变幅姿态参数采集模块用于所述塔吊在作业过程中幅度发生变化时计算出幅度值，并实时传输至所述主控模块；

所述起升姿态参数采集模块用于分别采集参考水平面处的第一气压高度值、起升吊钩处的第二气压高度值和塔吊回转机构上支承部位处的第三气压高度值，并分别实时传输至所述主控模块；

所述主控模块用于根据所述回转角度、所述角加速度、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，以向塔吊司机、管理者及塔吊可编程控制器发送指令。

2.根据权利要求1所述的塔吊工作姿态的采集系统，其特征在于，所述回转姿态参数采集模块包括：角运动检测单元和第一通信单元；所述第一通信单元与所述角运动检测单元连接，所述第一通信单元还与所述主控模块电性连接；

所述角运动检测单元用于在检测到塔吊发生旋转时，实时计算出所述塔吊相对于所述基准角度值的所述回转角度和所述角加速度，并将所述回转角度和所述角加速度传输至所述第一通信单元；所述第一通信单元用于将所述回转角度和所述角加速度传输至所述主控模块。

3.根据权利要求1所述的塔吊工作姿态的采集系统，其特征在于，所述变幅姿态参数采集模块包括：幅度值参考单元、测距采集单元和第二通信单元；所述测距采集单元分别与所述第二通信单元和所述幅度值参考单元连接，所述第二通信单元还与所述主控模块电性连接；

所述幅度值参考单元用于标定塔吊初始幅度值及在塔吊幅度变化时为所述测距采集单元提供视觉影像；所述测距采集单元用于根据采集得到的所述幅度值参考单元的幅度发生变化的信息后，通过投影测距方式计算得到所述幅度值参考单元的所述幅度值，并传输至所述第二通信单元；所述第二通信单元用于将所述幅度值传输至所述主控模块。

4.根据权利要求1所述的塔吊工作姿态的采集系统，其特征在于，所述起升姿态参数采集模块包括：第一气压采集单元、第二气压采集单元、第三气压采集单元和第三通信单元；所述第三通信单元分别与所述第一气压采集单元、所述第二气压采集单元、所述第三气压采集单元和所述主控模块电性连接；

所述第一气压采集单元用于采集参考水平面处的第一气压高度值，并传输至所述第三通信单元；所述第二气压采集单元用于采集塔吊的起升吊钩处的第二气压高度值，并传输至所述第三通信单元；所述第三气压采集单元用于采集塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处的第三气压高度值，并传输至所述第三通信单元；所述第三通信单元用于将所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值传输至所述主控模块。

5.根据权利要求2所述的塔吊工作姿态的采集系统，其特征在于，所述角运动检测单元包括：陀螺仪；所述陀螺仪固定安装于塔吊回转机构上支承及以上的结构或塔吊驾驶室上，以使所述陀螺仪随塔吊同步回转。

6.根据权利要求3所述的塔吊工作姿态的采集系统，其特征在于，所述测距采集单元包括：测距摄像头；所述幅度值参考单元包括：变幅小车；所述测距摄像头固定安装于塔吊回转机构上支承以上的结构或塔吊驾驶室上，且所述测距摄像头正对着所述变幅小车；在塔吊的初始状态时，所述变幅小车停留在预设幅度值处并将该预设幅度值在测距摄像头上进行标定。

7.根据权利要求4所述的塔吊工作姿态的采集系统，其特征在于，所述第一气压采集单元包括：第一气压高度计，所述第一气压高度计设置在所述参考水平面高度处；所述第二气压采集单元包括：第二气压高度计，所述第二气压高度计设置在所述塔吊的起升吊钩处；所述第三气压采集单元包括：第三气压高度计，所述第三气压高度计设置在所述塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处。

8.根据权利要求4所述的塔吊工作姿态的采集系统，其特征在于，所述气压高度值包括：所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值；所述塔吊结构参数包括：回转支承座高度、起重臂长度、平衡臂长度、拉杆长度和塔帽高度。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的塔吊工作姿态的采集系统的塔吊工作姿态的采集方法，其特征在于，所述塔吊工作姿态的采集方法包括以下步骤：

回转姿态参数采集模块采集塔吊相对于基准角度值的回转角度和角加速度，并实时传输至所述主控模块；

在所述塔吊在作业过程中幅度发生变化时，变幅姿态参数采集模块计算出幅度值，并实时传输至所述主控模块；

起升姿态参数采集模块分别采集参考水平面处的第一气压高度值、起升吊钩处的第二气压高度值和塔吊回转机构上支承部位处的第三气压高度值，并分别实时传输至所述主控模块；

主控模块根据所述回转角度、所述角加速度、所述幅度值、所述第一气压高度值、所述第二气压高度值和所述第三气压高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊实时综合工作姿态，以向塔吊司机、管理者及塔吊可编程控制器发送指令；其中，所述塔吊结构参数包括：回转支承座高度、起重臂长度、平衡臂长度、拉杆长度和塔帽高度。

10.根据权利要求9所述的塔吊工作姿态的采集方法，其特征在于，所述塔吊工作姿态的采集方法具体包括：

将陀螺仪固定安装于塔吊回转机构上支承及以上的结构或塔吊驾驶室上，并根据基准角度值对陀螺仪进行校准操作后，利用校准后的陀螺仪实时采集塔吊在作业时相对于基准角度值的回转角度和角加速度，并经过第一通信单元实时传输至主控模块；

将测距摄像头固定安装于塔吊回转机构上支承以上的结构或塔吊驾驶室上并正对变幅小车，采集经过标定后的变幅小车在作业过程中幅度发生变化时的幅度值，并经第二通信单元实时传输至主控模块；

将第一气压高度计、第二气压高度计和第三气压高度计分别设置在参考水平面高度处、塔吊的起升吊钩处和塔吊回转机构上支承处或塔吊驾驶室处后，并将对应分别采集得到的第一气压高度值、第二气压高度值和第三气压高度值经过第三通信单元实时传输至所述主控模块；

控制主控模块根据第一气压高度值、第二气压高度值和第三气压高度值计算得到起升吊钩和塔吊塔身相对于参考水平面高度值的高度值后，根据回转角度、角加速度、幅度值和高度值，以及根据塔吊结构参数，模拟生成塔吊的实时综合工作姿态，以向塔吊司机、管理者及塔吊可编程控制器发送指令。

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