CN108190749A - 一种塔吊的远程控制装置、控制方法和智能塔吊 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔吊的远程控制装置、控制方法和智能塔吊，该装置包括摄像单元、定位单元、报警单元、控制单元和地面遥控显示装置，摄像单元采集塔吊所在工位的地面环境图像信息，定位单元采集吊钩的位置信息，并发送至控制单元和地面遥控显示装置；所述报警单元设置在塔吊的吊钩上，通过定位单元检测，通过报警单元设置检测吊钩在运行过程中与障碍物的距离，当距离低于设定的安全距离时，所述报警单元进行报警，并将报警信号传输至控制单元；所述控制单元将接收到的地面环境图像信息和吊钩的位置信息无线发送至地面遥控显示装置，并根据接收到的报警信号或地面遥控显示装置发送的操作指令对塔吊的吊钩进行控制。

Description

一种塔吊的远程控制装置、控制方法和智能塔吊

技术领域

本发明涉及建筑设备领域，具体涉及一种塔吊的远程控制装置、控制方法和智能塔吊。

背景技术

塔吊是建筑工地上最常用的一种起重设备，又名“塔式起重机”，用来吊运施工用的钢筋、木楞、混凝土、钢管等施工的原材料。塔吊是目前建筑工地上一种必不可少的设备。

目前中国正在大力发展基础设施建设，塔吊在建筑工地几乎不可或缺，传统的塔吊的操作室安装在主体支架上，离地面很高，操作员上下操作室需要花费很多的时间且在攀爬时容易发生事故，高空操作对操作员的心理也是一种挑战；另外，恶劣的天气环境下，操作员的视线受阻，导致难以准确的进行施工操作，在冬夏两季由于气温太高或太低，操作员难以长时间进行工作，导致施工效率低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种塔吊的远程控制装置、控制方法和智能塔吊，通过摄像头拍摄塔吊所在工位的地面环境，定位装置确定吊钩的空间三维坐标，定位装置以及摄像头将获取到的信息实时发送给中央控制器以及地面遥控显示装置，地面遥控装置的屏幕上显示塔吊的三维模型及吊钩的坐标位置，根据接收到的信息该模型姿态会实时发生变化。

本发明所采用的技术方案是：

一种塔吊的远程控制装置，包括定位单元、报警单元、控制单元和地面遥控显示装置；所述定位单元用于采集吊钩的坐标位置信息，并发送至控制单元和地面遥控显示装置，地面遥控显示装置将接收到的吊钩的坐标位置信息赋值到塔吊三维模型上，并在显示该塔吊三维模型；所述报警单元设置在塔吊的吊钩上，检测吊钩在运行过程中与障碍物的距离，当距离低于设定的安全距离时，所述报警单元进行报警，并将报警信号传输至控制单元和地面遥控显示装置；所述控制单元根据接收到的报警信号或地面遥控显示装置发送的操作指令向塔吊电机和钢缆电机输送控制指令，塔吊电机和电缆电机根据接收到的控制指令控制吊钩移动。

进一步的，所述控制单元包括中央处理器和第一无线信号收发模块，所述中央处理器设置在塔吊的操作室内；第一无线信号收发模块安装在塔吊的操作室的下方，并与中央处理器连接，所述中央处理器通过第一无线信号收发模块与摄像单元、定位单元、报警单元和地面遥控显示装置通信连接，所述中央处理器还与塔吊电机相连，用于对吊臂的控制；所述中央处理器还与钢缆电机连接，用于对钢缆收放控制。

进一步的，还包括摄像单元，所述摄像单元设置在塔吊主体支架的顶端，采集塔吊所在工位的地面环境图像信息，并发送至控制单元和地面遥控显示装置；所述摄像单元、定位单元和报警单元内均设有无线通信模块。

进一步的，所述定位单元包括GNSS主天线、GNSS副天线、编码器和GNSS处理板，GNSS主天线、GNSS副天线、编码器分别与GNSS处理板连接；所述GNSS主天线安装于塔吊的操作室内，获取塔吊操作室的位置信息，所述GNSS副天线安装在吊臂上滑动组件的上端，获取吊臂上滑动组件的位置信息；所述编码器安装在吊臂上滑动组件上，用于检测滑轮的滚动圈数从而确定吊钩的下放距离；所述GNSS处理板安装在吊臂上，根据接收到的塔吊操作室的位置信息、吊臂上滑动组件的位置信息以及吊钩的下放距离，计算吊钩的三维坐标位置，并发送至控制单元和地面遥控显示装置。

进一步的，所述报警单元包括红外传感器、控制器和报警器，所述红外传感器和报警器分别与控制器连接，所述红外传感器用于采集吊钩在运行过程中与障碍物的距离，并发送给控制器，当距离低于设定的安全距离时，控制器控制报警器报警，并将报警信号发生至控制单元和地面遥控显示装置。

进一步的，所述地面遥控显示装置采用工业平板电脑，所述工业平板电脑包括主机、显示屏、触摸屏、电源接口、电源开关、第二无线信号收发模块和电源，所述显示屏、触摸屏、电源接口、电源开关和第二无线信号收发模块分别与主机连接，所述主机通过触摸屏获取用户针对塔吊的远程操作指令，并通过第二无线信号收发模块发送至控制单元，且接收控制单元发送的吊钩的位置信息及塔吊所在工位的地面环境图像信息，并在显示屏上显示。

采用上述的塔吊的远程控制装置进行远程控制方法，该方法包括以下步骤：

获取塔吊和施工现场的数据，建立塔吊的三维模型；

确定当前吊钩的坐标位置信息，并将吊钩的坐标位置信息输入到塔吊的三维模型上；

设置吊钩的目标位置坐标，根据塔吊的三维模型获得移动至吊钩的目标位置所需的吊臂转角及吊钩下放长度；

根据所需的吊臂转角及吊钩下放长度，控制塔吊电机带动吊臂移动相应的角度，控制钢缆电机带动钢缆收放一定长度，从而使吊钩移动到指定位置。。

进一步的，还包括：获取吊钩在运行过程中与障碍物的距离，当距离低于设定的安全距离时，进行报警，并控制塔吊电机停止工作。

进一步的，所述当前吊钩的坐标位置信息的确定方法为：

获取塔吊的操作室的位置信息以及当前吊臂上滑动组件的位置信息，计算吊臂的航向角以及操作室与吊臂上滑动组件之间的距离；

获取吊臂上滑动组件的滑轮滚动的圈数，确定吊钩的下放距离，将吊臂上的滑动组件与吊钩之间的初始距离与吊钩的下放距离相加，得到吊臂上的滑动组件与吊钩之间的距离；

根据塔吊的操作室的位置信息、吊臂的航向角、操作室与吊臂上滑动组件之间的距离以及吊臂上的滑动组件与吊钩之间的距离，计算吊钩的三维坐标位置。

一种智能塔吊，其特征是，包括上述的塔吊的远程控制装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过地面遥控显示装置远程遥控操作塔吊，工作人员只需在地面遥控，无需人工坐在高空操作室进行操作，减少了安全隐患，节约了人工上下操作室的时间；

(2)本发明在在操作塔吊的过程中也不受施工环境的影响，可保证塔吊的连续工作，提高了施工效率；

(3)本发明采用摄像头和定位单元将地面信息以及吊钩的三维坐标位置信息传输到地面遥控显示装置上，操作人员通过遥控显示装置对塔吊的吊钩进行远程操作，该操作方式更加智能化和人性化，操作精度和操作速度大大提高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是智能塔吊结构示意图；

图2是塔吊的远程控制装置框图；

图3是地面遥控装置结构图；

图4是塔吊上各点位置示意图；

图5是滑轮与编码器关系图；

其中，1、塔吊主体支架，2、吊臂，3、吊钩，4、滑动组件，5、中央处理器，6、摄像单元，7、报警单元，8、地面遥控显示装置，9、定位单元，10、第一无线信号收发模块，11、电源接口，12、显示屏，13、电源开关，14、第二无线信号收发模块，15、钢缆，16、滑轮，17、编码器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在在恶劣的天气环境下，操作员的视线受阻，难以准确的进行施工，在冬夏两季由于气温太高或太低，操作员难以长时间进行工作，导致施工效率低的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种塔吊的远程控制装置、控制方法及智能塔吊。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1和2所示，提供了一种塔吊的远程控制装置，该装置包括摄像单元6、定位单元9、报警单元7、控制单元和地面遥控显示装置8。

摄像单元6设置在塔吊主体支架1的最顶端，采集塔吊所在工位的地面环境图像信息，在该摄像单元内设有无线通信模块，通过无线通信模块将采集的图像信息传输至控制单元和地面遥控装置。在本实施例中，所述摄像单元6包括360°广角摄像头，该摄像头安装在塔吊的最顶端，摄像头的拍照像素为500万，影像分辨率为1080P，型号为XM-JPF2-F4，焦距2.8mm，检测区域面积为80-100平方米。摄像头采集到的信息能够通过无线通信模块实时传递到控制单元和地面遥控装置。

所述定位单元9用于采集吊钩3的位置信息，该定位单元内也设有无线通信模块，通过无线通信模块将采集到的吊钩的位置信息传输至控制单元和地面遥控显示装置。在本实施例中，所述定位单元9包括GNSS主天线、GNSS副天线、编码器17、GNSS处理板和电源，所述电源为定位单元提供所需电源，GNSS主天线、GNSS副天线和编码器分别与GNSS处理板连接；其中，

所述GNSS主天线安装于塔吊的操作室内，获取塔吊操作室的位置信息，所述GNSS副天线安装在吊臂上滑动组件的上端，获取吊臂2上滑动组件4的位置信息；所述编码器安装在吊臂上滑动组件上，用于检测滑轮的滚动圈数从而确定吊钩的下放距离；所述GNSS处理板安装在吊臂上，根据接收到的塔吊操作室的位置信息、吊臂上滑动组件的位置信息以及吊钩的下放距离，计算吊钩的三维坐标位置，并发送至控制单元和地面遥控显示装置。

所述报警单元7设置在塔吊的吊钩上，通过报警单元7设置检测吊钩在运行过程中与障碍物的距离，当距离低于设定的安全距离时，所述报警单元进行报警，提醒操作人员停止操作，并将报警信号传输至控制单元。在该报警单元内也设有无线通信模块，通过无线通信模块将采集到的距离信息和报警信息发送至控制单元。

在本实施例中，在所述摄像单元6、定位单元9和报警单元7内均设有无线通信模块，该无线通信模块可为4G通信模块，也可为其他无线通信设备。

在本实施例中，所述报警单元7包括红外传感器、控制器和报警器，所述红外传感器和报警器分别与控制器连接，所述红外传感器用于采集吊钩在运行过程中与障碍物的距离，并发送给控制器，当距离低于设定的安全距离时，控制器控制报警器报警，并将采集到的距离信息和报警信号发生至控制单元，同时，报警单元还会将报警信号传递给地面遥控显示装置，提醒地面操作人员按下“停止”按钮，避免意外事故的发生。

所述控制单元包括中央处理器5和第一无线信号收发模块10，所述中央处理器设置在塔吊的操作室内；第一无线信号收发模块安装在塔吊的操作室的下方，实现摄像单元、定位单元以及地面遥控显示装置与中央处理器的之间信号传输；所述中央处理器通过第一无线信号收发模块与摄像单元、定位单元、报警单元和地面遥控装置通信连接，所述中央处理器还与塔吊电机相连，用于对吊臂的控制，通过吊臂带动吊钩移动；所述中央处理器与钢缆电机连接，用于对钢缆收放控制；所述中央处理器还与钢缆电机连接，用于对钢缆收放控制，通过钢缆电机带动吊钩下方一定长度。所述中央处理器还接收地面遥控显示装置发送的操作指令，控制塔吊电机和钢缆电机使吊钩在施工现场到达指定位置，从而实现智能塔吊的远程控制功能。

在本实施例中，中央处理器为微处理器，其可为W77E516A40PL型微处理器，也可为其他微处理器，中央处理器会将摄像单元、定位单元以及地面遥控显示装置的发送过来的数据进行处理，并将处理后的数据转换成信号通过第一无线信号收发模块发送到地面遥控显示装置，地面遥控显示装置也通过第二无线信号收发模块进行通信，中央处理器接收到地面遥控显示装置的发出的操作指令，进而操控塔吊电机运动，从而实现整个智能塔吊的远程控制。

所述地面遥控显示装置8为具有无线收发模块的工业平板电脑，如图3所示，所述工业平板电脑包括主机、显示屏12、触摸屏、电源接口11、电源开关13、第二无线信号收发模块14和电源，所述显示屏12、触摸屏、电源接口11、电源开关13和第二无线信号收发模块分别与主机连接，所述主机内移植有塔吊的三维模型，通过显示屏显示塔吊的三维模型；所述主机通过触摸屏获取用户针对塔吊的远程操作指令，并通过第二无线信号收发模块发送至控制单元，且接收控制单元发送的吊钩的坐标位置信息及塔吊所在工位的地面环境图像信息，并在显示屏上显示，地面操作人员能够通过显示屏实时观测到塔吊的形态、吊钩的三维坐标位置以及塔吊所在工位的实时地图，操作人员可以通过触摸屏将塔吊三维模型的吊钩移动到某一具体位置或输入输入吊钩运动的终点三维坐标，，通过控制单元控制施工现场的塔吊的吊钩也会移动到实际的相应位置。

在本实施例中，所述第一无线信号收发模块和第二无线信号收发模块可为4G信号收发器，也可为其他无线信号收发器。

地面遥控显示装置8获取到上述信号以后能在屏幕实时显示智能塔吊的当前姿态以及所在工位的地面环境。

本发明提出的塔吊的远程控制装置，通过摄像单元6以及定位单元9的获取到的地面工况以及吊钩的三维坐标位置信息，并通过4G通信模块发送给地面遥控显示装置8，地面遥控显示装置接收到定位单元以及摄像单元传送过来的实时信息之后会在屏幕上显示塔吊的三维模型以及吊钩的三维坐标位置，地面遥控显示装置的显示界面是塔吊的三维模型，并且有“上升”、“下降”、“确定”、“停止”按钮，点击“上升”按钮，塔吊的吊钩会自动上升，点击“下降”按钮会进行与前者相反的动作，地面操作人员可以通过触控在地面遥控显示装置上选择吊钩的工作位置或者是手动输入吊钩的三维坐标，点击“确定”按钮以后，地面遥控显示装置上塔吊模型的吊钩会运动到指定位置，相应的，该操作指令会通过4G信号收发模块传递给中央控制器，中央控制器控制塔吊电机从而使吊钩在施工现场到达指定位置。

本申请的另一种典型实施方式中，提供了一种塔吊的远程控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：获取塔吊和施工现场的数据，建立塔吊的三维模型。

根据塔吊和施工现场的数据，通过SolidWorks三维软件对工位上运行的塔吊进行三维模型构建，然后将生成的三维模型文件转换成wrl格式，最后利用3Dmax软件对模型进行渲染，最终生成可移植的塔吊三维模型，将塔吊的三维模型移植在地面遥控显示装置上。

步骤2：确定当前吊钩的坐标位置信息，并将吊钩的坐标位置信息输入到塔吊的三维模型上。

在本实施例中，通过定位单元确定当前时刻吊钩的坐标位置信息，并将该当前时刻吊钩的坐标位置信息发送至地面遥控显示装置，地面遥控显示装置接收该当前时刻吊钩的坐标位置信息，并加载到塔吊的三维模型上，在显示屏上显示该塔吊的三维模型。

步骤3：设置吊钩的目标位置坐标，根据塔吊的三维模型获得移动至吊钩的目标位置所需的吊臂转角及吊钩下放长度。

用户通过该地面遥控显示装置设置吊钩的目标位置坐标，根据塔吊的三维模型获得移动至吊钩的目标位置所需的吊臂转角及吊钩下放长度，并发送至控制单元。

步骤4：根据所需的吊臂转角及吊钩下放长度，控制塔吊电机带动吊臂移动相应的角度，控制钢缆另一端连接的钢缆电机带动钢缆收放一定长度使吊钩下放相应的长度，从而使吊钩移动到指定位置。

控制单元根据所需的吊臂转角及吊钩下放长度，控制塔吊电机带动吊臂移动相应的角度，控制钢缆另一端连接的钢缆电机带动钢缆收放一定长度使吊钩下放相应的长度，从而使吊钩移动到指定位置。

该方法还包括：通过报警单元测量吊钩在运行过程中与障碍物的距离，当距离低于设定的安全距离时，所述报警单元进行报警，并将报警信号传输至控制单元，控制单元根据接收到的距离信号和报警信号，通过塔吊电机控制塔吊的吊钩停止工作。

在本实施例中，所述吊钩的坐标位置信息的确定方法为：

如图4所示，点P₁为塔吊的操作室，该位置在塔吊运动过程中保持固定，在此处安装有GNSS主天线；点P₂位于吊臂上滑动组件上端，安装有GNSS副天线，在滑动组件处安装有滑轮16，钢缆15绕过滑轮凹槽，其末端连接吊钩3。滑轮16处安装有编码器17，如图5所示。假设编码器的编码个数为n，设最小编码格值对应的弧度为r₀，则有：

预先测出初始吊钩收至最顶端时的距离，已知点P₂与点P₃之间的初始距离并连续记录编码器的计数C_enc变化以获取编码器整周计数C_cycle，则P₂与P₃之间的距离可按下式计算：

若又已知P₁的准确坐标P₁和定位单元测得的点P₁、P₂之间的航向α和距离则吊钩坐标P₃可按下式计算：

从而可以精确计算吊钩的三维坐标位置。

本申请的另一种典型实施方式中，如图1所示，提供了一种智能塔吊，该塔吊包括上述的塔吊的远程控制装置。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种塔吊的远程控制装置，其特征是，包括定位单元、报警单元、控制单元和地面遥控显示装置；所述定位单元用于采集吊钩的坐标位置信息，并发送至控制单元和地面遥控显示装置，地面遥控显示装置将接收到的吊钩的坐标位置信息赋值到塔吊三维模型上，并在显示该塔吊三维模型；所述报警单元设置在塔吊的吊钩上，检测吊钩在运行过程中与障碍物的距离，当距离低于设定的安全距离时，所述报警单元进行报警，并将报警信号传输至控制单元和地面遥控显示装置；所述控制单元根据接收到的报警信号或地面遥控显示装置发送的操作指令向塔吊电机和钢缆电机输送控制指令，塔吊电机和电缆电机根据接收到的控制指令控制吊钩移动。

2.根据权利要求1所述的塔吊的远程控制装置，其特征是，所述控制单元包括中央处理器和第一无线信号收发模块，所述中央处理器设置在塔吊的操作室内；第一无线信号收发模块安装在塔吊的操作室的下方，并与中央处理器连接，所述中央处理器通过第一无线信号收发模块与摄像单元、定位单元、报警单元和地面遥控显示装置通信连接，所述中央处理器与塔吊电机相连，用于对吊臂的控制；所述中央处理器还与钢缆电机连接，用于对钢缆收放控制。

3.根据权利要求1所述的塔吊的远程控制装置，其特征是，还包括摄像单元，所述摄像单元设置在塔吊主体支架的顶端，采集塔吊所在工位的地面环境图像信息，并发送至控制单元和地面遥控显示装置；所述摄像单元、定位单元和报警单元内均设有无线通信模块。

4.根据权利要求1所述的塔吊的远程控制装置，其特征是，所述定位单元包括GNSS主天线、GNSS副天线、编码器和GNSS处理板，GNSS主天线、GNSS副天线、编码器分别与GNSS处理板连接；所述GNSS主天线安装于塔吊的操作室内，获取塔吊操作室的位置信息，所述GNSS副天线安装在吊臂上滑动组件的上端，获取吊臂上滑动组件的位置信息；所述编码器安装在吊臂上滑动组件上，用于检测滑轮的滚动圈数从而确定吊钩的下放距离；所述GNSS处理板安装在吊臂上，根据接收到的塔吊操作室的位置信息、吊臂上滑动组件的位置信息以及吊钩的下放距离，计算吊钩的三维坐标位置，并发送至控制单元和地面遥控显示装置。

5.根据权利要求1所述的塔吊的远程控制装置，其特征是，所述报警单元包括红外传感器、控制器和报警器，所述红外传感器和报警器分别与控制器连接，所述红外传感器用于采集吊钩在运行过程中与障碍物的距离，并发送给控制器，当距离低于设定的安全距离时，控制器控制报警器报警，并将报警信号发生至控制单元和地面遥控显示装置。

6.根据权利要求1所述的塔吊的远程控制装置，其特征是，所述地面遥控显示装置采用工业平板电脑，所述工业平板电脑包括主机、显示屏、触摸屏、电源接口、电源开关、第二无线信号收发模块和电源，所述显示屏、触摸屏、电源接口、电源开关和第二无线信号收发模块分别与主机连接，所述主机通过触摸屏获取用户针对塔吊的远程操作指令，并通过第二无线信号收发模块发送至控制单元，且接收控制单元发送的吊钩的位置信息及塔吊所在工位的地面环境图像信息，并在显示屏上显示。

7.采用权利要求1-6中任一项所述的塔吊的远程控制装置进行远程控制方法，其特征是，包括以下步骤：

获取塔吊和施工现场的数据，建立塔吊的三维模型；

确定当前吊钩的坐标位置信息，并将吊钩的坐标位置信息输入到塔吊的三维模型上；

设置吊钩的目标位置坐标，根据塔吊的三维模型获得移动至吊钩的目标位置所需的吊臂转角及吊钩下放长度；

根据所需的吊臂转角及吊钩下放长度，控制塔吊电机带动吊臂移动相应的角度，控制钢缆电机带动钢缆收放一定长度，从而使吊钩移动到指定位置。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征是，还包括：获取吊钩在运行过程中与障碍物的距离，当距离低于设定的安全距离时，进行报警，并控制塔吊电机停止工作。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征是，所述当前吊钩的坐标位置信息的确定方法为：

获取塔吊的操作室的位置信息以及当前吊臂上滑动组件的位置信息，计算吊臂的航向角以及操作室与吊臂上滑动组件之间的距离；

获取吊臂上滑动组件的滑轮滚动的圈数，确定吊钩的下放距离，将吊臂上的滑动组件与吊钩之间的初始距离与吊钩的下放距离相加，得到吊臂上的滑动组件与吊钩之间的距离；

根据塔吊的操作室的位置信息、吊臂的航向角、操作室与吊臂上滑动组件之间的距离以及吊臂上的滑动组件与吊钩之间的距离，计算吊钩的三维坐标位置。

10.一种智能塔吊，其特征是，包括权利要求1-6中任一项所述的塔吊的远程控制装置。