阅读说明：本技术 一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统及控制方法 (Intelligent tower crane wireless remote control system with pose perception technology and control method ) 是由 宋连玉 李楠楠 宋世军 崔康基 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统,包括：塔机操作控制部、数据处理器、便携式无线遥控盒和强电控制部。本发明基于视频监控、钢结构健康状态诊断、安全监控等,建立多信息融合的多层次智能塔机无线遥控系统,能在安全状态下进行监测,不安全状态下进行风险管控的无线遥控智能系统。本发明通过实验验证塔机在安全状态和不安全状态下塔机遥控智能系统的可靠性。由此极大的保障塔机在本发明所述系统下的安全稳定的工作,避免安全事故的发生。(An intelligent tower crane wireless remote control system with pose perception technology comprises: the system comprises a tower crane operation control part, a data processor, a portable wireless remote control box and a strong current control part. The invention establishes a multi-information-fusion multi-level intelligent tower crane wireless remote control system based on video monitoring, steel structure health state diagnosis, safety monitoring and the like, and can monitor in a safe state and control risks in an unsafe state. The reliability of the remote control intelligent system of the tower crane in the safe state and the unsafe state is verified through experiments. Therefore, the safe and stable work of the tower crane under the system of the invention is greatly ensured, and the occurrence of safety accidents is avoided.)

一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统及控制方法，属于塔式起重机施工控制的技术领域。

背景技术

传统工作状态下的塔式起重机，以下简称为塔机，通过塔机控制室内司机的操作联动台实现对塔机的操作控制，在工作状态下的塔机是否存在状态异常也只能靠司机的日常经验进行判断，缺乏科学有效的塔机安全监控手段，这便必然的增加了塔机的安全隐患，易导致安全事故的发生。如果塔机作业时，周围环境能见度较差，视野不清晰或建筑施工物料距离塔机距离过大时，塔机司机不能很直观的看到物料，通过现有的通信设备与地面工作人员进行交流作业，使整个作业过程变得复杂繁琐，效率极低又容易发生危险。且塔机司机长时间在塔机司机室工作，在严寒酷暑的季节，工作环境就变的很差，严重影响司机的工作状态。故基于此，减少塔机意外事故、实现对塔机状态的实时监控、改善司机的工作环境、提高塔机的安全性能和作业效率的工作就迫在眉睫。

另一方面，近年来塔机事故频发，塔式起重机安全问题不仅仅涉及个体生命的安全与健康，而且对社会稳定和经济发展同样有着极为重要的影响。一旦发生事故，经济损失惨重、社会影响恶劣。如何避免和及时发现以及排除塔式起重机的故障或隐患，使用一种能对塔机状态进行感知和信息处理能力的技术方法，对塔机进行综合全面的安全状态监测、状态诊断和风险管控，从而提高其运行的可靠性，这已成为业内非常关注的焦点问题。

故基于此，现阶段，塔机行业急需一种既能保证塔机安全高效的进行施工作业，又能对塔机进行全方位的安全监控，排查其作业隐患的塔机智能操作系统及方法，以对塔机进行安全状态下的状态监测和不安全状态下的风险管控。

发明内容

为解决上述存在的一系列问题，本发明提供一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统。

本发明还公开一种智能塔机无线遥控的控制方法。

本发明旨在集成无线遥控、视频监控、塔机钢结构健康状态诊断、安全监控和塔机工作过程状态预警等相关先进技术，给出适合工地实用的智能无线遥控系统及实现方法，解决目前人力紧张，塔机安全事故频发的技术难题，实现吊装实时视频传送和塔机安全状态智能诊断、安全风险智能管控等功能。

本发明的技术方案如下：

一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统，其特征在于，包括：塔机操作控制部、数据处理器、便携式无线遥控盒和强电控制部；

所述塔机操作控制部，用于：塔机操作人员直接在塔机操控室直接通过手动操纵台对塔机进行控制，或者塔机操作人员通过无线遥控方式对塔机进行控制；

所述数据处理器，用于处理数据采集传感器、视频系统、危险感知模块中的数据；

所述便携式无线遥控盒，包括无线发射器、无线接收器、人脸识别模块和工控机；其中，所述无线发射器，用于向无线接收机发送但不限于：控制塔机起升、回转、变幅控制指令；优选的，还用于向无线接收机发送急停控制指令；优选的，当无线发射器超出工作范围时，无线发射器还用于向无线接收机发送报警信号；所述无线发射器包括实现上述控制指令的操纵按钮和急停按钮；其中，所述无线接收器通过向塔机变频控制柜发送不同的控制指令信号间接控制塔机对应的操作作业；在所述无线发射器和无线接收器之间实时通讯，无线接收器具备双CPU(微处理器)，以保证在任何非正常工作情况下实现接收系统的自动关闭功能，避免任何错误信号对无线接收器输出继电器或通讯接口产生错误指令；所述人脸识别模块，用于对塔机操作人员进行身份验证，并记录塔机操作人员的工作时段，使用塔机操作人员身份认证无误后才能获得工控机和便携式无线遥控盒的使用权限；

所述数据采集传感器通过无线通讯模块向数据处理器实时传输数据，经数据处理器处理后的数据经工控机显示输出：塔机实时参数数据、塔机视频图像数据和报警数据，其中所述报警数据是将实时塔机实时参数数据和/或塔机视频图像数据通过危险感知模块运算得到的报警数据；

其中，所述数据采集传感器包括但不限于：高度传感器用于采集塔机高度，幅度传感器用于采集塔机变幅小车的位移状况，重量传感器用于采集塔机起吊物重量，回转传感器用于采集塔机回转角度，风速仪用于采集塔机上风速；所述塔机视频图像数据通过高清网络摄像机(IPC)设置多个视频系统位置，以对塔机进行一个全方位的视频监测，例如，设有可对吊钩进行自动变焦追踪功能，用于捕捉运动状态下的吊钩。所述视频图像数据通过无线网桥运用点对点的传输方式上传至工控机的显示界面上；

其中，所述危险感知模块包括位姿感知装置和/或防碰撞模块，可以通过预装相关软件实现位姿感知和防碰撞功能。例如，所述位姿感知装置为中国专利ZL2007200330472.7记载的塔式起重机防倾翻监测仪，所述位姿感知装置用于采集塔机塔身顶端的位姿变化的状态数据，通过建立塔身钢结构完好状态刚度空间模型，在模型坐标系x’，y’，z’内划定塔机顶端安全位移区域，在塔机出现前倾，后倾和侧向倾斜不同状态时，位姿感知装置采集记录塔机不同时态状态下的位姿点(x,y)：

当塔机塔身顶端端点坐标(x,y)在安全位移区域之内时，则判定为塔机处于安全状态；

当塔机塔身顶端端点坐标(x,y)在安全位移区域之外时，则判定为塔机处于危险状态；

所述防碰撞模块用于，在群塔作业时是基于各个塔机上的数据处理器中高度传感器，幅度传感器，回转传感器所采集的高度，幅度，回转角等的参数信息通过无线通讯模块实现塔机间实时信息交互，形成群塔作业安全区域图像，避开群塔作业时发生碰撞事故；所述防碰撞模块在有障碍物的区域内工作时，通过障碍物离塔机距离和所占区域大小得到塔机工作的危险区域，使塔机回转时避开危险区域所在角度区间，避开障碍物进行作业；防碰撞模块在监测到塔机即将进入危险范围时会发出区域报警信号。其中危险感知模块在智能塔机无线遥控系统中可有效的弥补塔机在工作状态下没有司机感官感知对塔机运行状态的监测的缺陷，且能够更加准确有效的对塔机作业过程和非作业过程进行实时监测，对提高塔机在无线遥控操作下的安全性意义重大；

所述强电控制部，根据危险感知模块是否产生报警，对塔机进行限位控制。

根据本发明优选的，在手动操纵方式和无线遥控方式对塔机进行控制之间，进行切换互锁。

一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统及控制方法，其特征在于，控制方法包括：

手动模式和无效遥控模式的切换控制：

在塔机操控室直接通过手动操纵台对塔机进行控制，或者通过无线遥控方式对塔机进行控制；所述手动操纵台通过有线方式连接到塔机变频控制柜，所述手动操纵台与无线遥控器的转换开关接在无线接收器与塔机变频控制柜和手动操纵台与变控控制柜的总线处，实现两种模式的切换互锁；

数据采集：

数据采集包括多塔机运行参数的采集、对塔机工况视频的采集和对塔机操作人员的脸部识别采集；

其中，利用数据采集传感器对塔机运行参数进行采集，利用视频系统对塔机工况进行采集，利用便携式无线遥控盒对塔机操作人员的脸部识别采集；

控制信息传输：

所述无线接收器通过无线传输模块获取无线发射器控制指令；所述无线接收器将不同电控端子与塔机变频控制柜相对应的机构控制端连接；

所述强电控制部连接塔机变频控制柜和数据处理器，用以接收数据处理器所采集数据，根据危险感知模块是否产生报警，对塔机进行限位控制；

所述数据处理器与工控机通过无线通讯模块和网桥传输获取危险感知模块，传感器和视频系统数据；

所述危险感知模块和各类传感器通过有线连接到数据处理器；

所述视频系统通过POE交换机连接网线与数据处理器连接。

根据本发明优选的，所述视频系统包括四组摄像点位：

(1)塔机操控室摄像点位，用于拍摄切换到手动状态下时，司机的工作情况；

(2)塔机的起升卷扬机摄像点位，用于监测起升钢丝绳排线是否正常；

(3)塔机的套架栏杆摄像点位，用于拍摄套架面向起重臂方向工作区域；

(4)塔机的起重臂尖端摄像点位，用于对吊钩进行自动变焦追踪拍摄。

本发明的有益效果：

本发明基于视频监控、钢结构健康状态诊断、安全监控等，建立多信息融合的多层次智能塔机无线遥控系统，能在安全状态下进行监测，不安全状态下进行风险管控的无线遥控智能系统。本发明通过实验验证塔机在安全状态和不安全状态下塔机遥控智能系统的可靠性。由此极大的保障塔机在本发明所述系统下的安全稳定的工作，避免安全事故的发生。

附图说明

附图1为本发明便携式遥控盒组成分布图；

附图2为本发明一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统在塔机上的安装分布图；

在附图1、2中，无线发射器点位1、工控机点位2、人脸识别模块点位3、无线接收器4、变频控制柜点位5、卷扬机摄像机点位6、风速仪点位7、幅度传感器点位8、重量传感器点位9、吊钩跟踪摄像机点位10、回转传感器点位11、数据处理器点位12、司机室摄像机点位13、手动操纵台点位14、套架摄像机点位15、高度传感器点位16、位姿感知装置点位17；

附图3为本发明所述系统的原理示意图；

在附图3中，便携式无线遥控盒100、无线接收器110、无线发射器120、工控机130和人脸识别模块140；

数据处理器200、危险感知模块210、数据采集传感器220和视频系统230；

强电控制300；

塔机操作控制部分400、包括手动操纵平台410和变频控制柜420。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1、

一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统，包括：塔机操作控制部、数据处理器、便携式无线遥控盒和强电控制部；

所述塔机操作控制部，用于：塔机操作人员直接在塔机操控室直接通过手动操纵台对塔机进行控制，或者塔机操作人员通过无线遥控方式对塔机进行控制；

所述数据处理器，用于处理数据采集传感器、视频系统、危险感知模块中的数据；

所述便携式无线遥控盒，包括无线发射器、无线接收器、人脸识别模块和工控机；其中，所述无线发射器，用于向无线接收机发送但不限于：控制塔机起升、回转、变幅控制指令；优选的，还用于向无线接收机发送急停控制指令；优选的，当无线发射器超出工作范围时，无线发射器还用于向无线接收机发送报警信号；所述无线发射器包括实现上述控制指令的操纵按钮和急停按钮；其中，所述无线接收器通过向塔机变频控制柜发送不同的控制指令信号间接控制塔机对应的操作作业；在所述无线发射器和无线接收器之间实时通讯，无线接收器具备双CPU(微处理器)，以保证在任何非正常工作情况下实现接收系统的自动关闭功能，避免任何错误信号对无线接收器输出继电器或通讯接口产生错误指令；所述人脸识别模块，用于对塔机操作人员进行身份验证，并记录塔机操作人员的工作时段，使用塔机操作人员身份认证无误后才能获得工控机和便携式无线遥控盒的使用权限；

所述数据采集传感器通过无线通讯模块向数据处理器实时传输数据，经数据处理器处理后的数据经工控机显示输出：塔机实时参数数据、塔机视频图像数据和报警数据，其中所述报警数据是将实时塔机实时参数数据和/或塔机视频图像数据通过危险感知模块运算得到的报警数据；

其中，所述数据采集传感器包括但不限于：高度传感器用于采集塔机高度，幅度传感器用于采集塔机变幅小车的位移状况，重量传感器用于采集塔机起吊物重量，回转传感器用于采集塔机回转角度，风速仪用于采集塔机上风速；所述塔机视频图像数据通过高清网络摄像机(IPC)设置多个视频系统位置，以对塔机进行一个全方位的视频监测，例如，设有可对吊钩进行自动变焦追踪功能，用于捕捉运动状态下的吊钩。所述视频图像数据通过无线网桥运用点对点的传输方式上传至工控机的显示界面上；

其中，所述危险感知模块包括位姿感知装置和/或防碰撞模块，可以通过预装相关软件实现位姿感知和防碰撞功能。例如，所述位姿感知装置为中国专利ZL2007200330472.7记载的塔式起重机防倾翻监测仪，所述位姿感知装置用于采集塔机塔身顶端的位姿变化的状态数据，通过建立塔身钢结构完好状态刚度空间模型，在模型坐标系x’，y’，z’内划定塔机顶端安全位移区域，在塔机出现前倾，后倾和侧向倾斜不同状态时，位姿感知装置采集记录塔机不同时态状态下的位姿点(x,y)：

当塔机塔身顶端端点坐标(x,y)在安全位移区域之内时，则判定为塔机处于安全状态；

当塔机塔身顶端端点坐标(x,y)在安全位移区域之外时，则判定为塔机处于危险状态；

所述防碰撞模块用于，在群塔作业时是基于各个塔机上的数据处理器中高度传感器，幅度传感器，回转传感器所采集的高度，幅度，回转角等的参数信息通过无线通讯模块实现塔机间实时信息交互，形成群塔作业安全区域图像，避开群塔作业时发生碰撞事故；所述防碰撞模块在有障碍物的区域内工作时，通过障碍物离塔机距离和所占区域大小得到塔机工作的危险区域，使塔机回转时避开危险区域所在角度区间，避开障碍物进行作业；防碰撞模块在监测到塔机即将进入危险范围时会发出区域报警信号。其中危险感知模块在智能塔机无线遥控系统中可有效的弥补塔机在工作状态下没有司机感官感知对塔机运行状态的监测的缺陷，且能够更加准确有效的对塔机作业过程和非作业过程进行实时监测，对提高塔机在无线遥控操作下的安全性意义重大；

所述强电控制部，根据危险感知模块是否产生报警，对塔机进行限位控制。

在手动操纵方式和无线遥控方式对塔机进行控制之间，进行切换互锁。

实施例2、

一种如实施例1所述基于位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统的控制方法，控制方法包括：

手动模式和无效遥控模式的切换控制：

在塔机操控室直接通过手动操纵台对塔机进行控制，或者通过无线遥控方式对塔机进行控制；所述手动操纵台通过有线方式连接到塔机变频控制柜，所述手动操纵台与无线遥控器的转换开关接在无线接收器与塔机变频控制柜和手动操纵台与变控控制柜的总线处，实现两种模式的切换互锁；

数据采集：

数据采集包括多塔机运行参数的采集、对塔机工况视频的采集和对塔机操作人员的脸部识别采集；

其中，利用数据采集传感器对塔机运行参数进行采集，利用视频系统对塔机工况进行采集，利用便携式无线遥控盒对塔机操作人员的脸部识别采集；

控制信息传输：

所述无线接收器通过无线传输模块获取无线发射器控制指令；所述无线接收器将不同电控端子与塔机变频控制柜相对应的机构控制端连接；

所述强电控制部连接塔机变频控制柜和数据处理器，用以接收数据处理器所采集数据，根据危险感知模块是否产生报警，对塔机进行限位控制；

所述数据处理器与工控机通过无线通讯模块和网桥传输获取危险感知模块，传感器和视频系统数据；

所述危险感知模块和各类传感器通过有线连接到数据处理器；

所述视频系统通过POE交换机连接网线与数据处理器连接。

实施例3、

如实施例2所述的控制方法，其区别在于，所述视频系统包括四组摄像点位：

(1)塔机操控室摄像点位，用于拍摄切换到手动状态下时，司机的工作情况；

(2)塔机的起升卷扬机摄像点位，用于监测起升钢丝绳排线是否正常；

(3)塔机的套架栏杆摄像点位，用于拍摄套架面向起重臂方向工作区域；

(4)塔机的起重臂尖端摄像点位，用于对吊钩进行自动变焦追踪拍摄。

如图1，图2，图3所示，是本发明的一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统在塔机上的安装分布图，各个装置安装位置点位为：无线发射器点位1，工控机点位2，人脸识别模块点位3，无线接收器4，所述无线接收器安装在塔机变频控制柜中，变频控制柜点位5，卷扬机摄像机点位6，风速仪点位7，幅度传感器点位8，重量传感器点位9，吊钩跟踪摄像机点位10，回转传感器点位11，数据处理器点位12，司机室摄像机点位13，手动操纵台点位14，套架摄像机点位15，高度传感器点位16，所述高度传感器安装在顶升套架与标准节主肢接触部位，位姿感知装置点位17，所述位姿感知装置安装在回转塔身的主肢上，安装保证垂直且稳定可靠。

针对图2的基于位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统在塔机上的安装分布图，图3是本发明提供的一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统的原理示意图。如图3所示：一种具有位姿感知技术的智能塔机无线遥控系统包括便携式无线遥控盒100、数据处理器200、强电控制300和塔机操作控制部分400。

所述便捷式无线遥控盒包括：无线接收器110、无线发射器120、工控机130和人脸识别模块140。所述无线接收器110与无线发射器120之间进行无线通讯，进行信号的无线传输；所述人脸识别模块140设置在工控机130内，对使用人员进行身份识别，使用人员身份认证无误后才能获得工控机130和无线遥控器的使用权限。

所述数据处理器200包括：危险感知模块210、数据采集传感器220和视频系统230。

所述危险感知模块210内含防碰撞模块和位姿感知装置。所述防碰撞模块用于在施工现场有妨碍塔机工作的障碍物或在群塔环境下作业时规避障碍物或其他塔机对作业塔机的影响；所述位姿感知装置安装于塔机上回转主肢上，可实时采集塔机塔身上端部的一个位姿变化状态，以所模拟设定的安全位移区域为参考区域判断塔机整体状态是否安全，弥补了在塔机上无司机对塔机状态感知的缺陷。

所述数据采集传感器220包括：高度传感器用于采集塔机高度，幅度传感器用于采集塔机变幅小车的位移状况，重量传感器用于采集塔机起吊物重量，回转传感器用于采集塔机回转角度，风速仪用于采集塔机上风速。

所述视频系统230分布四个位置上的摄像头点位，分别对应司机室，卷扬机，顶升套架和起重臂臂尖位置，用于对塔机进行全方位视频监控。四个摄像头均采用POE(PowerOver Ethernet)交换机对其进行传输数据信号的同时，还能为此提供直流供电。

所述危险感知模块210、传感器220和视频系统230，三部分均与数据处理器主控单元采用有线连接。

所述强电控制300是在获取数据采集传感器220采集塔机状态参数后，强电控制300与变频控制柜420进行有线连接，依据系统所设定的安全值，判断塔机高度，幅度，重量，回转角度和风速是否超出安全值，在超出安全范围时对变频控制柜发送指令，对塔机进行限位控制。

所述塔机操作控制部分400包括手动操纵平台410和变频控制柜420。所述无线接收器110，手动操作台410均与变频控制柜420进行有线连接，通过给变频控制柜发出操作指令控制塔机进行起升、回转、变幅动作。