基于GPS—RTK的塔吊自動(dòng)化控制與監(jiān)控系統(tǒng)

周海燕 張浩強(qiáng) 陳同琦 張怡杰 黃永康

摘要：隨著我國(guó)大型工程項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大型工程項(xiàng)目質(zhì)量的智能安全監(jiān)管手段將會(huì)或已經(jīng)走向現(xiàn)代化，必然發(fā)展趨勢(shì)是高新技術(shù)勢(shì)必會(huì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)監(jiān)管技術(shù)。為了盡可能減少塔吊在工作過(guò)程中所隱藏著的較多的危險(xiǎn)因素，基于GPS-RTK的塔吊自動(dòng)化控制與監(jiān)控系統(tǒng)緊跟“物聯(lián)網(wǎng)”趨勢(shì)，結(jié)合GPS-RTK提供的實(shí)時(shí)精密定位技術(shù)應(yīng)用于施工機(jī)械智能控制和安全監(jiān)控，可為工程施工安全提供新的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；監(jiān)控系統(tǒng)；GPS；嵌入式；塔吊

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）05-0266-02

Automatic Control and Monitoring System of Tower Crane Based on GPS-RTK

ZHOU Hai-yan， ZHANG Hao-qiang， CHEN Tong-qi， ZHANG Yi-jie， HUANG Yong-kang

（School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： with the expansion of China's large scale of construction projects and the progress of science and technology， the development trend of intelligent safety supervision will means the quality of construction project or have modernized high-tech is bound to replace the traditional supervision technology. In order to minimize the crane hidden more risk factors in the work process， GPS-RTK tower crane automation control and monitoring system with the "Internet of things" trend based on GPS-RTK based real-time precise positioning technology is applied to the monitoring of construction machinery intelligent control and safety， can provide new technical guarantee for construction safety.

Key words： automation； Monitoring system； GPS； embedded； tower crane

1 引言

塔吊在現(xiàn)代建筑施工中起著舉足輕重的作用，特別是在大型工程、群體工程中，它的作用表現(xiàn)得尤為突出，是必不可少的運(yùn)輸工具。雖然塔吊有其特有的優(yōu)點(diǎn)：塔身高、起重臂長(zhǎng)、作業(yè)范圍廣，能夠同時(shí)進(jìn)行起升、回轉(zhuǎn)、變幅等運(yùn)動(dòng)，具有高效的吊運(yùn)速度和效率。但是，由于塔吊的工作重心高、運(yùn)行速度快、起重載荷大，貨物運(yùn)輸全靠人工操作等特點(diǎn)，也使得塔吊在工作過(guò)程中隱藏著較多的危險(xiǎn)因素。為了降低建設(shè)成本，提高施工效率和安全性，實(shí)現(xiàn)塔吊在控制終端控制下自動(dòng)化運(yùn)行和對(duì)塔吊實(shí)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)就顯得非常重要。

2 研究方向與應(yīng)用前景

現(xiàn)代大型建筑工程中，塔吊是必不可少的。塔吊的作用舉足輕重，然而塔吊對(duì)操作者的要求性極高，且操作塔吊風(fēng)險(xiǎn)較高，一旦發(fā)生事故，輕者設(shè)備損壞，重者機(jī)毀人亡。

基于GPS-RTK的塔吊自動(dòng)化控制與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了塔吊自動(dòng)化控制與監(jiān)控，在工程項(xiàng)目中不僅提高了工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，減少人工操作所造成的誤差，還大大降低了項(xiàng)目工程中人為造成的重大事故的概率，并且能夠準(zhǔn)確地將貨物下落在相應(yīng)的位置，不需要因?yàn)檎`差而再次啟動(dòng)塔吊進(jìn)行下一次吊貨，省時(shí)省力的完成工程要求，加快了項(xiàng)目進(jìn)程，對(duì)于大型工程來(lái)說(shuō)，采用這樣的設(shè)計(jì)，就能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低建設(shè)成本，提高施工質(zhì)量和施工效率，是各部門一直在研究的方向，因此這個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)在工程中是具有不可估量的應(yīng)用前景的。

3 硬件設(shè)計(jì)方案

在塔吊模型的基礎(chǔ)上確定以塔吊基點(diǎn)，O點(diǎn)為原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)系。在坐標(biāo)系內(nèi)即可用坐標(biāo)表示塔吊A點(diǎn)、吊鉤C點(diǎn)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

基于GPS-RTK的塔吊自動(dòng)化控制與監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于將 GPS-RTK 實(shí)時(shí)精密定位的方法應(yīng)用于塔吊自動(dòng)化運(yùn)行和安全監(jiān)控中。當(dāng)確定貨物運(yùn)輸目的地的坐標(biāo)，利用 GPS-RTK 定位技術(shù)實(shí)時(shí)定位塔吊吊鉤和貨物，控制終端發(fā)送命令給嵌入式系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)裝置自動(dòng)將貨物運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢茫⒃谶\(yùn)輸過(guò)程中將吊鉤和貨物GPS模塊所獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給控制終端，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析獲知塔吊是否安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)塔吊安全狀態(tài)的監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)塔吊的智能控制。

從塔吊精密定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖可以看出，本方案可分為四個(gè)部分：塔吊信息采集單元、主控制中心、驅(qū)動(dòng)電路和傳動(dòng)裝置。塔吊信息采集單元是為了獲取控制系統(tǒng)所需的塔吊各部分位置信息，主控制中心則應(yīng)用相應(yīng)的算法對(duì)所獲取的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并直觀地呈現(xiàn)給控制臺(tái)。

3.1 塔吊信息的獲取

為了實(shí)現(xiàn)塔吊的智能控制，必須實(shí)時(shí)獲取塔吊各部件的三維位置信息。根據(jù)前面對(duì)塔吊幾何模型的闡述，只需要獲取三個(gè)點(diǎn)（塔身基點(diǎn)O、位置A和吊鉤位置C）的三維信息即可完成塔吊幾何模型的建立。為此，分別在上述位置布置一個(gè) GPS數(shù)據(jù)采集單元即可。而這些 GPS 數(shù)據(jù)采集單元所獲取的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以經(jīng)算法處理后并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的該位置的三維位置信息。

為獲取塔吊主要部件位置信息，采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集模塊為 UBLOX-LEA-6 / NEO-6 GPS 模塊。其中GPS數(shù)據(jù)接收模塊主要完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收功能；高度數(shù)據(jù)采集模塊用高度傳感器采集塔吊塔臂和吊鉤的高度信息；處理器模塊主要用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各模塊的工作，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存；電源模塊為各系統(tǒng)提高電源。

GPS的RTK（Real-Time Kinematic）技術(shù)也叫實(shí)時(shí)差分GPS定位技術(shù)，它是目前GPS定位方法中精度最高的一種定位方法。RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)別的定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分方法。其工作原理：

（1） 在測(cè)量區(qū)內(nèi)選擇一個(gè)精確坐標(biāo)已知的點(diǎn)安放一臺(tái) GPS 接收機(jī)作為參考站，參考站點(diǎn)連續(xù)跟蹤所有可見(jiàn)衛(wèi)星并將測(cè)量到的載波相位觀測(cè)量、參考站點(diǎn)坐標(biāo)等信息發(fā)送給流動(dòng)站。

（2） 在流動(dòng)站將接收到的載波相位觀測(cè)量進(jìn)行實(shí)時(shí)差分處理，然后再通過(guò)一系列數(shù)據(jù)處理得到參考站點(diǎn)和流動(dòng)站的坐標(biāo)差，坐標(biāo)差加上參考站點(diǎn)的坐標(biāo)便得到流動(dòng)站在 WGS-84 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。這個(gè)過(guò)程稱作 GPS-RTK 定位過(guò)程。

用RTK相對(duì)定位技術(shù)獲得的流動(dòng)站的坐標(biāo)屬于 WGS-84 坐標(biāo)系，為了方便塔吊控制的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境設(shè)計(jì)了一個(gè)自定義的坐標(biāo)系，并將RTK算法獲得的 WGS-84 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為自定義的塔吊施工現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

3.2 信息傳輸和處理

GPS數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)獲取到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳輸至PC機(jī)控制中心（在實(shí)際工程應(yīng)用中，可使用 GPRS 無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸），并在控制端經(jīng)上位機(jī)軟件處理轉(zhuǎn)換為塔吊各部件的相對(duì)位置信息。

3.3 塔吊實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)

控制臺(tái)的上位機(jī)軟件將處理得到的塔吊各部件的相對(duì)位置信息經(jīng)串口發(fā)送至嵌入式系統(tǒng)，這樣就能實(shí)時(shí)檢測(cè)塔吊的安全狀態(tài)。如果給定貨物運(yùn)輸目的地坐標(biāo)，將會(huì)驅(qū)動(dòng)塔吊的傳動(dòng)裝置自動(dòng)將貨物運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢谩？刂平K端也能根據(jù)情況在任何時(shí)候終止塔吊的運(yùn)行，對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情及時(shí)制止。實(shí)現(xiàn)塔吊模型的控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

考慮到塔吊的工作方式，可以擬采用四相步進(jìn)電機(jī)作為貨物自動(dòng)運(yùn)輸?shù)膫鲃?dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)塔吊模型自動(dòng)運(yùn)輸貨物的功能。

4 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用工程上較為成熟的 Visual Basic 6.0 設(shè)計(jì)控制臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)塔吊的智能控制設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)可分解為參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示五個(gè)部分。

利用 Microsoft Communications Control 控件 （以下簡(jiǎn)稱 MSComm）實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、發(fā)送的功能。

5 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（1） 采用GPS-RTK 定位技術(shù)實(shí)時(shí)精密定位塔吊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位置。

（2） 能夠?qū)崿F(xiàn)給定貨物運(yùn)輸?shù)刂纷鴺?biāo)即可讓控制終端控制貨物自動(dòng)運(yùn)輸?shù)侥康牡氐墓δ堋?/p>

（3） 實(shí)現(xiàn)塔吊貨物在運(yùn)輸過(guò)程中塔吊安全狀態(tài)的監(jiān)控。

（4） 實(shí)現(xiàn)控制終端能根據(jù)情況在任何時(shí)候終止塔吊的運(yùn)行，對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況及時(shí)制止。

6 結(jié)語(yǔ)

基于GPS-RTK的塔吊自動(dòng)化控制與監(jiān)控系統(tǒng)用于大型工程或者群體工程中可以自動(dòng)地將物料安全精確地運(yùn)送到指定的位置，保證了運(yùn)送的精確性，也避免人為操作發(fā)生意外的可能性。結(jié)合GPS-RTK提供的實(shí)時(shí)精密定位技術(shù)應(yīng)用于施工機(jī)械智能控制和安全監(jiān)控中，能夠?qū)崿F(xiàn)塔吊的自動(dòng)化運(yùn)行和安全監(jiān)控。

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【通聯(lián)編輯：梁書】