一种塔吊自动化操作方法与流程

1.本发明涉及塔吊控制技术领域，具体涉及一种塔吊自动化操作方法。


背景技术：

2.在建筑施工作业中，rtk(real—time kinematic)载波相位差技术因其定位精度高、使用安全可靠、成本低等特点，正越来越多地用在建筑施工塔吊无人操作的开发运用上。但由于塔吊作业安全风险高、吊钩及重物通过钢丝绳软连接导致控制复杂等因素，自动控制系统对rtk定位数据的采集率及采集方法要求较为严格，否则很难真正做到塔吊作业的无人化全自动操作。
3.中国发明专利202010147095.5公开了一种塔吊自动化控制方法(下面简称对比文件)，其采用rtk技术对塔吊进行自动化控制，其基准站、移动站设置及安装方法：o点是基准点安装点、b点为地面装载点(货物挂钩点)rtk安装点、c点为物料卸料点(楼面脱钩点)rtk安装点，由于rtk定位数据采集不足及采集方法存在问题，具体如下：
4.1)系统自动设定的挂钩点与实际挂钩点严重偏差
5.如图1所示，系统自动设定的挂钩点为b点，在无人自动化作业条件下，挂钩通过变幅、回转及下降将自动到达挂钩b点(图中wb线)供司索工挂钩，但实际的挂钩点是在卸货车辆上(bb点)，即挂钩后将产生一个倾斜角(∠bwbb)，这是由于数据采集方式不当导致的。数据采集方式不当的问题同样存在于卸料点c(楼面货物脱钩点)。
6.2)货物起吊后，系统无法自动识别晃动倾斜角
7.如图2所示，货物起吊后在转运过程中，由于仅在吊钩处设置了rtk用于采集吊钩的实时三维定位数据，系统将无法识别货物转运过程中因晃动产生的实时晃动角(θ)，即图中的∠a，这是由于定位数据采集不足导致的。
8.3)技术方案中因缺少对倾斜角(∠bwbb)、晃动角(θ)自动计算所必需的实时坐标数据，系统将无法通过建模、组态与编程对货物起吊、转运过程中产生的倾斜角(∠bwbb)和晃动角θ通过自动控制功能进行自动控制。
9.上述问题将导致以下严重后果
10.1)晃动失控的严重后果：
11.货物转运过程中，晃动控制是对司机操作的一项基本要求，即除非是非常缓慢的转运，否则晃动是一定存在的。当塔吊高度到达50米作业高度时，塔吊的重心会全部落在四个支撑结构上。当晃动的角度超过300时，塔吊的重心就会向上偏移，偏移的方向是向上方的支撑杆，当支撑杆的重心超过四个支撑结构时塔吊就会倒塌，造成机毁人亡的恶性事故。
12.2)货物挂钩后起吊时，由于自动控制系统无法识别吊货索的倾斜角而自动起吊时，就会发生塔吊作业中“十不吊”中严格禁止的“斜牵斜拉”的违规作业。“斜牵斜拉”产生的一种危害就是晃动危害，另一种危害是对载货车辆及其它货物的损害。
13.3)卸料点c产生的后果有二个方面。一方面是货物自动导航至卸料点c站上方时为保护rtk设备而无法下降落地导致无法卸料，如果货物强行落地则导致c站损毁。另一方面
是楼面作业的卸料点范围是非常大的，c点安装在一个固定位置将严重限制堆料的作业范围，必将大大增加人工转运工作量及作业效率的问题。
14.要实现塔吊操作过程自动化，需要解决的技术难点是要对塔吊作业过中的吊钩/货物、回转、变幅与货物挂钩点、脱钩点进行动态实时跟踪定位、并将其多维度晃动轨迹通过建立数据模型后通过自动控制塔吊的变幅及旋转即可精准和自动控制货物的取料/卸料的对位作业，并在转运过程中对晃动进行自动控制，在确保作业安全和作业效率的前提下实现无人自动化操作。


技术实现要素：

15.为此，本发明提供一种塔吊自动化操作方法，为塔吊全自动无人化作业提供一种利用定位数据对塔吊作业过程中挂钩/货物进行实时、动态、高精度跟踪定位从而实现全自动精准控制的方法，在确保作业安全和作业效率的前提下实现无人自动化操作。
16.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
17.该塔吊自动化操作方法包括以下步骤：
18.1)、采集a站、b站、c站、g站、k站的三维坐标数据并发送至数据自动分析仪，其中a站位于门机下端，b站位于移动小车上、c站位于吊钩上、g站为车载卸料挂钩点、k站为脱钩点；
19.2)、通过手持式遥控器发出开始指令；
20.3)、系统自动进入无人全自动安全作业程序；
21.其中步骤3)包括以下步骤：
22.301)、数据自动分析模块自动提供塔吊从待命点导航至挂钩点的回转方位、变幅距离及下降高度数据；
23.302)、自动控制回转、变幅及升降机构将空钩运转至挂钩处；
24.303)、遥控空钩停止、挂钩后发出作业开始信号；
25.304)、数据自动分析模块自动提供塔吊从挂钩点导航至脱钩点的回转方位、变幅距离及升降高度数据；
26.305)、自动控制回转、变幅及升降机构将货物运转至脱钩处；
27.306)、货物自动到达脱钩点位置，遥控停止，脱钩；
28.在步骤304)中，通过c站与g站的三维坐标数据，自动检测起吊时货物倾斜角，并提供倾斜方位及幅度，如果倾斜角超过倾斜安全阈值，系统则自动调整吊臂方位及变幅将吊钩调整至货物的正上方再起吊；
29.在步骤305)中，货物转运过程中，通过a站、b站和c站的三维坐标数据，检测货物是否存在晃动，如果晃动超过了晃动安全阈值，则自动进行晃动控制。
30.进一步地，在步骤303)后还通过重量传感器自动检测系统是否超载。
31.进一步地，在所述步骤305)中设置有避碰安全参数阈值，根据各站的三维坐标数据自动检测转运过程中货物位置是否超过各类预设的避碰安全参数阈值。
32.进一步地，所述车载卸料挂钩点与卸料脱钩点均通过手持式rtk打点采集三维定位坐标；
33.移动小车上安装rtk移动站，在吊钩处铰接安装有rtk移动站，通过rtk移动站采集
移动小车与吊钩的三维坐标数据。
34.进一步地，还设有网络差分基准站和服务器，网络差分基准站安装在施工现场已知坐标的固定地点，网络差分基准站通过位置实时数据网口接收安装点的北斗实时定位数据并与真实位置数据进行比较，得出二者的误差值，通过4g方式传输到服务器；
35.服务器通过4g方式将误差数据传输给b站、c站、g站和k站的rtk移动站，b站、c站、g站、k站的移动站对各自接收到的北斗实时定位数据在消除了来自服务器的误差值后即可获取高精度的定位数据，再通过4g网络将经差分后的定位数据传输给数据自动分析仪。
36.进一步地，所述步骤305)中检测晃动的方法如下：
37.计算移动小车在水平面内的实时方位角∠b，吊钩在水平面内的实时方位角∠c，a站与c站的水平直线距离f，b站与a站的实时水平直线距离m；
38.计算∠c-∠b的值以及f-m的值；
39.∠c-∠b为正值时，说明方位偏差值位于右侧，需通过向左旋转进行该值调整，反之则向右调整；当f-m为正值时，说明距离偏差值位于变幅机构外侧，需通过收缩变幅机构对该值进行调整，反之则通过伸放变幅机构进行调整，直至∠c-∠b＝0、f-m＝0。
40.进一步地，在步骤305)中还检测吊钩的绝对摆动角θ，绝对摆动角θ超过摆动安全阈值后进行报警。
41.进一步地，所述绝对摆动角θ的计算方法如下：
42.θ＝arccos(h+h5)/(l+h5)，其中h为b站与c站的实时高度差，l为吊钩垂直时b站与c站的高度差，h5为设计安全量常数。
43.本发明具有如下优点：
44.本发明的通过在移动小车处增设rtk移动站，并对挂钩点、脱钩点利用手持式rtk打点采集定位数据的方式，可以解决现有技术中数据采集不足及采集方式的问题导致的各类生产安全事故。
45.通过对塔吊作业过中的空钩/货物、回转、变幅、货物挂钩点、脱钩点进行动态实时跟踪定位、并将其多维度晃动轨迹通过建立数据模型后通过自动控制塔吊的变幅及旋转即可精准和自动控制货物的取料/卸料的对位作业，并在转运过程中对晃动进行自动控制，在确保作业安全和作业效率的前提下实现无人自动化操作。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
47.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
48.图1为现有技术中塔吊数据采集位置的示意图；
49.图2为货物起吊后的晃动示意图；
50.图3为本发明实施例提供的塔吊自动化操作方法的数据采集位置的示意图；
51.图4为本发明实施例数据传输网络架构示意图；
52.图5为本发明实施例的控制方法流程示意图；
53.图6为a站与b站坐标转换示意图；
54.图7为a站与c站坐标转换示意图；
55.图8为晃动偏差值分布点示意图；
56.图9为本发明实施例晃动自动控制逻辑图；
具体实施方式
57.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
58.参见图3～4，该塔吊自动化操作方法所使用的设备包括rtk基准站、服务器、rtk移动站、网络交换机、自动分析模块、5g通信、电池。数据传输网络架构的数据传输采用4g，其中a站三维位置为门机中心性底部，不需要接入数据传输网络中。
59.塔吊自动化操作方法rtk数据采集站布置如下：
60.a站三维位置为门机中心线底部，不需另设移动站，因该点位置在塔吊作业过程中是不变的，只需要在工程安装时通过手持式rtk定位仪进行打点采集后作为永久性坐标发送至数据分析仪中作为计算变幅、回转、货物倾角、挂钩点、脱钩点的平面距离和方位的参考点即可；
61.b站安装在移动小车处；
62.c站通过铰连的方式安装在吊钩处，电源采用可替换的电池；
63.g站通过司索工利用手持式rtk对挂钩点进行打点采集三维坐标数据并发送至数据自动分析仪；
64.k站通过司索工利用手持式rtk对脱钩点进行打点采集三维坐标数据并发送至数据自动分析仪。
65.网络差分基准站安装在施工现场已知坐标的固定地点，网络差分基准站通过位置实时数据网口接收安装点的北斗实时定位数据并与真实位置数据进行比较，得出二者的误差值，通过4g方式传输到服务器。
66.服务器通过4g方式将误差数据传输给b站、c站、g站和k站rtk移动站。
67.移动站。b站、c站、g站、k站移动站对各自接收到的北斗实时定位数据在消除了来自服务器的误差值后即可获取高精度的定位数据，再通过4g网络将经差分后的定位数据传输给数据自动分析仪。其中，g站和k站为手持式打点移动站，a站坐标在安装阶段经差分消除误差值数据后通过手持式打点获取，c站将数据转换器(dtu)和电池组装成一个便于安装的模块。该电池可供c站及dtu模块连续工作10天以上，且易于更换。
68.数据自动分析模块。该模块通过rtk网络交换机接收这些移动站的高精度实时定位数据后，进行自动处理、分析并将分析结果通过超5类光纤传递给工控机，通过工控机中设置的顺控逻辑及ai控制程序对塔吊进行自动调节控制，从而实现塔吊作业的安全、高效、平稳的全自动无人化作业模式。
69.手持式遥控器。该遥控设备用于司索工人工发出起吊或停止的遥控信号。例如，司索工挂钩完毕通知起吊作业时，通过遥控器发出人工起吊信号，塔吊plc在接收到起吊信号后，才自动开始起吊作业。遥控器由射频发射无线信号。
70.另外还设置有重量传感器，用于实时检测起吊货物的重量。
71.数据自动分析模块通过超5类光纤及网络交换机控制参数传送给工控机，工控机根据plc自动控制和hmi组态程序，实时自动调整塔吊的变幅机构、旋转机构、起升机构的控制操作，实现自控程序设定的各项无人化操作目的。
72.利用组态软件对plc自动控制和hmi进行组态编程，从而实现塔吊从任意位置通过变幅、回转、升降自动向挂钩点运行、货物挂钩后，从挂钩点自动向脱钩点自动运行，同时，在转运过程中，通过晃动自动控制程序，实现塔吊的安全、平稳、高效全自动无人化操作功能。
73.通过组态、编程的主要自控安全程序有：
74.(1)数据自动分析模块
75.本模块通过a点固定点坐标与移动小车、吊钩、取料点、卸料点实时三维坐标进行建模、自动计算并通过坐标转换可以实现取料点到卸料点所需的变幅幅度、回转角度、升降高度及吊钩倾角姿态，为吊机无人化操作及控摆动、控斜拉提供定位数据。
76.(2)手持式rtk打点辅助定位模块
77.为了给智能控制系统发出挂/脱钩点三维位置信号，本项目采用手持式高精度差分定位仪，由司索工人工获取挂钩点、脱钩点坐标并通过无线传输将信号送给塔吊plc。
78.(3)人工辅助起/停信号模块
79.该模块用于司索工人工发出起吊或停止的遥控信号。例如，司索工挂钩完毕通知起吊作业时，通过遥控器发出人工起吊信号，塔吊plc在接收到起吊信号后，才自动开始起吊作业。遥控器由射频发射无线信号。
80.(4)升降/回转/变幅ai安全操作程序
81.本程序用于自动控制升降、回转、变幅的次序。动臂式起重机的起重、回转二种动作可以同时进行，但变幅只能单独进行。允许带载的变幅在满载或接近满载时，不得变幅；本程序将通过限位信号自动控制升降、回转、变幅、起重量，确保设备不会越位操作。
82.(5)工作速度ai安全操作程序
83.本程序用于控制升降、回转、变幅的工作速度。本程序按“二慢一快”的速度控制进行设计，即起步时慢、到终点前慢、中间快，同时，不能出现越档加速或减束的情况出现，在确保安全的前提下尽可能缩短工作循环时间，提升作业效率。
84.(6)起重/起重力矩控制ai安全操作程序
85.根据不同塔吊的性能曲线图，本程序通过重量传感器在重物刚起吊离地时将自动计算不同重物重量对应的安全幅度。当重物转运水平距离超过性能曲线图规定的安全幅度值时，系统在报警后将自动放下重物至原位并通过联锁功能停止作业。该功能同样适用于
额定起重量的安全保护。
86.(7)晃动控制ai安全操作程序
87.本程序用于控制重物转运过程的摆动，确保重物转运的平稳，避免对塔吊结构损害和碰撞危险。
88.(8)拖拽控制ai安全操作程序
89.本程序用于起吊时(重物离底前)自动计算的重物倾角姿态超出允许范围将产生重物起吊拖拽时，通过自动调整变幅和回转角度消除重物倾角状态达到垂直起吊的功能。
90.(8)避碰控制ai安全操作程序
91.本程序通过重物实时三维数据、相邻塔吊及重物与构建物之间的安全间距、算法通过建模构建作业过程中相邻塔吊或重物与构建物的自主避碰安全操作模式。本程序中，在跨越障碍物时，重物底部应高出其跨越障碍物0.5米以上，保持两机之间任何接近部位(包括吊起的重物)距离不小于5米；其它本机预设的回转、升降、变幅限位设定值为程序中避碰的设定值。
92.(9)非工作风力工况ai安全操作程序
93.各种塔式起重机，禁止在非工作风力下作业。一般塔式起重机规定六级以上，风速为11-13米/秒，风压为约105n/m2的情况为非工作风力。
94.为满足非工作风力工况的安全操作要求，本程序在监测到风速达到非工作风力条件时，系统将自动报警并自动进入作业停止ai安全操作程序。
95.(10)ai报警与紧急联锁程序
96.系统对监控对象按“正常”、“异常”和“紧急”设置了相对应的阈值，通过实时值(pv值)、设定值(sp)，阈位值(op)的比较，系统将自动对这些数据进行分析与诊断，并根据分析结果得出系统运行工况处于“正常”、“异常”及“紧急”三种状态下的哪种状态。一旦监控对象的pv值达到报警的sp值，系统将自动报警，当达到紧急联锁值时，则系统将紧急联锁停止作业。
97.(11)作业停止ai安全操作程序
98.作业结束后，通过本程序，臂杆将转至顺风方向，放松回转控制器，小车及平衡重应移至非工作状态位置，吊钩提升至离臂端2-3米处，各操作档位自动归零，电源自动切断。
99.参见图5，该塔吊自动化操作方法具体包括以下步骤：
100.1)、采集a站、b站、c站、g站、k站的三维坐标数据并发送至数据自动分析仪，其中a站位于门机下端，b站位于移动小车上、c站位于吊钩上、g站为车载卸料挂钩点、k站为脱钩点；地面司索工通过手持式rtk对车载卸料挂钩点g站打点采集三维定位坐标并发送至数据自动分析仪，楼面司索工通过手持式rtk对楼面卸料脱钩点k站打点采集三维定位坐标并发送至数据自动分析仪；
101.2)、地面司索工通过手持式遥控器发出开始指令；
102.3)、系统自动进入无人全自动安全作业程序。
103.其中步骤3)包括以下步骤：
104.301)、数据自动分析模块自动提供塔吊从待命点导航至挂钩点的回转方位、变幅距离及下降高度数据；
105.302)、升降/回转/变幅ai安全操作程序自动控制回转、变幅及升降机构将空钩运
转至挂钩处；
106.303)、地面司索工遥控空钩停止、挂钩后发出作业开始信号；
107.304)、数据自动分析模块自动提供塔吊从挂钩点导航至脱钩点的回转方位、变幅距离及升降高度数据；
108.305)、升降/回转/变幅ai安全操作程序自动控制回转、变幅及升降机构将货物运转至脱钩处；
109.拖拽控制ai安全操作过程中，通过c站与g站的三维坐标数据，自动检测起吊时货物倾斜角，并提供倾斜方位及幅度，如果倾斜角超过倾斜安全阈值，系统则自动调整吊臂方位及变幅将吊钩调整至货物的正上方再起吊；
110.起重/起重力矩控制ai安全操作程序通过重量传感器自动检测系统是否超载；
111.货物转运过程中，晃动控制ai安全操作程序通过a站、b站和c站的三维坐标数据，检测货物是否存在晃动，一旦晃动超过了晃动安全阈值，则自动进行晃动控制；
112.避碰控制ai安全操作程序自动检测转运过程中各类预设的避碰安全参数阈值；
113.ai报警与紧急联锁程序对各类监控参数达到报警或联锁阈值的自动采取报警或紧急联锁动作，确保作业的安全运行；
114.306)、货物自动到达脱钩点位置，楼面司索工遥控停止，人工脱钩；
115.307)、一个工作循环结束。
116.关于本发明的算法
117.(1)控制算法的设计原理
118.塔吊在货物转运作业过程中，空钩/货物的动态轨迹将受到以下力的作用风力、变幅机构输出沿变幅方向的水平作用力和垂直作用力、旋转机构输出沿变幅方向的离心力和切线力、升降机构输出垂直作用力，在这些力的共同作用下，空钩/货物作出复杂的三维动态运动。控制算法的设计原理为剔除对晃动不产生影响的垂直方向的作用力，这样就只需要计算、跟踪空钩/货物在变幅水平方向及旋转方向的动态定位数据，通过映射关系进行数字化建模。
119.(2)需要计算的平面坐标参数(距离、真方位)
120.参见图2，图中两个水平虚线为真北方向(0
°
)，竖直虚线为吊货钢丝绳，竖直虚线下端即为货物。
121.①
移动小车平面坐标参数即b站距门机中心线(对应a站)的实时水平距离(设定为m值)，真方位(设定∠b)。
122.②
空钩或货物即c站距门机中心线(对应a站)的实时水平距离(设定为f值)，真方位(设定为∠c)。
123.③
挂钩点即g站距门机中心线(对应a站)的实时水平距离(设定为g值)，真方位(设定为∠g)。
124.④
脱钩点即k站距门机中心线(对应a站)的实时水平距离(设定为k值)，真方位(设定为∠k)。
125.∠a＝空钩/货物的实时晃动角。
126.∠b＝变幅机构实时方位(真方位)，即b点与a点虚拟到同一水平面时的连线与真北之间的夹角。
127.∠c＝空钩/货物点实时方位(真方位)，即c点与a点虚拟到同一水平面时的连线与真北之间的夹角。
128.参见图6，在剔除了垂直作用力对空钩/货物点晃动角及晃动方向的影响后，将a点与b点虚拟到同一水平面，并将a点与b点之间的位置关系由北斗坐标(东经e、北纬n)转化为平面方位及距离的位置关系的过程。其中：直角
△
adb中，ad＝a、b二点间的纬度距离差＝n2-n1，db＝a、b二点间的经度距离差＝e2-e1，ab＝a、b二点间的水平直线距离＝m，即变幅实时数据，∠b＝变幅实时方位角。
129.参见图7，在剔除了垂直作用力对挂钩点晃动角及晃动方向的影响后，将a点与c点虚拟到同一水平面，并将a点与c点之间的位置关系由北斗坐标(东经e、北纬n)转化为平面方位及距离的位置关系的过程。
130.其中：直角
△
aec中，ae＝a、c二点间的纬度距离差＝n3-n1，ec＝a、c二点的经度距离差＝e3-e1，ac＝a、c二点间的水平直线距离＝f，即空钩/货物点距塔吊中心线的水平实时数据，∠c＝空钩/货物点的实时方位角。
131.同理，a-g、a-k之间的大地坐标与平面距离、方位坐标之间的转换参考图6或图7的转换原理。
132.移动小车b站实时动态平面坐标(m、∠b)的算法。
133.(1)m的算法：
134.参照图6。在回转机构旋转及变幅过程中，虚拟的
△
adb作相应的动态变化，但直角的特性始终保持不变的。因此，m的动态实时数据与另二个边之间的函数关系是直角三角形的关系，通过勾股定理公式进行实时计算得出，其函数关系为：
[0135][0136]
(2)∠b的算法：
[0137]
b站的实时方位角∠b在平面直角
△
abc中对应的是∠dab，它是以真北方向00度作为起算点，通过勾股定理公式，∠b为db和ad线的正切反三角函数，其公式为：
[0138][0139]
吊钩实时动态平面坐标(f、∠c)的算法：
[0140]
①
f的算法
[0141]
参照图7。虚拟的直角
△
aec绕着a点作相应的动态变化，但直角的特性始终保持不变的。因此，f即ac的动态实时距离通过勾股定理公式进行实时计算得出，其公式为：
[0142][0143]
②
∠c的算法：
[0144]
空钩/货物点的实时方位角∠c在平面直角
△
aec中对应的是∠eac，它是以真北方向00度作为起算点，通过勾股定理公式，∠c为de和cd线的正
[0145]
切反三角函数，其公式为：
[0146]
[0147]
挂钩点g站(g、∠g)、脱钩点k站(k、∠k)的算法：
[0148]
同理，g站(g、∠g)、k站(k、∠k)参照上述算法可以得出：
[0149]
①
g站的平面坐标(g、∠g)的函数公为：
[0150][0151][0152]
②
k站的平面坐标(k、∠k)的函数公为：
[0153][0154][0155]
在步骤305)中还检测吊钩的绝对摆动角θ，绝对摆动角θ超过摆动安全阈值后进行报警，首先计算绝对摆动角θ，然后再计算晃动角度和幅度。绝对摆动角θ的计算方法如下：
[0156]
θ＝arccos(h+h5)/(l+h5)，其中h为b站与c站的实时高度差，l为吊钩垂直时b站与c站的高度差，h5为设计安全量常数。
[0157]
空钩或货物高度算法：
[0158]
吊货索长度l＝b移动站高度(h2)-c移动站高度(h3)。
[0159]
数据自动分析模块通过上述算法自动将b站、c站、g站、k站经差分后的三维卫星实时坐标(东经e、北纬n、高度h)中的大地坐标(东经e、北纬n)转换成以塔吊垂直中心线为基准线的平面方位、距离位置坐标。
[0160]
步骤305)中检测晃动的方法如下：
[0161]
参见图8-9，计算移动小车在水平面内的实时方位角∠b，吊钩在水平面内的实时方位角∠c，a站与c站的水平直线距离f，b站与a站的实时水平直线距离m。
[0162]
数据自动分析模块通过内置算法将自动计算出控制参数的实时纠偏值及纠偏方向，即图中的(∠c-∠b)值及(f-m)值。当(∠c-∠b)为正值时，说明方位偏差值位于右侧，需通过向左旋转进行该值调整，反之则向右调整。当(f-m)为正值时，说明距离偏差值位于变幅机构外侧，需通过收缩变幅机构对该值进行调整，反之则通过伸放变幅机构进行调整，只有当∠c-∠b＝0、f-m＝0时，倾角消除，晃动控制。
[0163]
本发明通过载波相位差技术可获得的定位精度达到了10厘米以内，完全可以满足无人自动化作业的定位精度要求。
[0164]
本发明的方案适用性强，可以用于多种起重设备。不仅适用于塔式起重设备、也适用于门座式和桥式起重设备，不仅适用于固定式、也适用于流动式，不仅适用于采用小车变幅式、也适用于动臂俯仰变幅式。所不同的是，对于流动式起重设备较之于本技术方案中的固定式，仅需在a站位置安装一台rtk移动站取代手持式rtk打点作为永久性计算参考点即可、对采用动臂变幅的，只需要用将本技术方案中安装在移动小车处的b移动站安装到动臂前端吊货索滑轮处即可。
[0165]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种塔吊自动化操作方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、采集a站、b站、c站、g站、k站的三维坐标数据并发送至数据自动分析仪，其中a站位于门机下端，b站位于移动小车上、c站位于吊钩上、g站为车载卸料挂钩点、k站为脱钩点；2)、通过手持式遥控器发出开始指令；3)、系统自动进入无人全自动安全作业程序；其中步骤3)包括以下步骤：301)、数据自动分析模块自动提供塔吊从待命点导航至挂钩点的回转方位、变幅距离及下降高度数据；302)、自动控制回转、变幅及升降机构将空钩运转至挂钩处；303)、遥控空钩停止、挂钩后发出作业开始信号；304)、数据自动分析模块自动提供塔吊从挂钩点导航至脱钩点的回转方位、变幅距离及升降高度数据；305)、自动控制回转、变幅及升降机构将货物运转至脱钩处；306)、货物自动到达脱钩点位置，遥控停止，脱钩；在步骤304)中，通过c站与g站的三维坐标数据，自动检测起吊时货物倾斜角，并提供倾斜方位及幅度，如果倾斜角超过倾斜安全阈值，系统则自动调整吊臂方位及变幅将吊钩调整至货物的正上方再起吊；在步骤305)中，货物转运过程中，通过a站、b站和c站的三维坐标数据，检测货物是否存在晃动，如果晃动超过了晃动安全阈值，则自动进行晃动控制。2.根据权利要求1所述的塔吊自动化操作方法，其特征在于，在步骤303)后还通过重量传感器自动检测系统是否超载。3.根据权利要求1所述的塔吊自动化操作方法，其特征在于，在步骤305)中设置有避碰安全参数阈值，根据各站的三维坐标数据自动检测转运过程中货物位置是否超过各类预设的避碰安全参数阈值。4.根据权利要求1所述的塔吊自动化操作方法，其特征在于，所述车载卸料挂钩点与卸料脱钩点均通过手持式rtk打点采集三维定位坐标；移动小车上安装rtk移动站，在吊钩处铰接安装有rtk移动站，通过rtk移动站采集移动小车与吊钩的三维坐标数据。5.根据权利要求1或4所述的塔吊自动化操作方法，其特征在于，还设有网络差分基准站和服务器，网络差分基准站安装在施工现场已知坐标的固定地点，网络差分基准站通过位置实时数据网口接收安装点的北斗实时定位数据并与真实位置数据进行比较，得出二者的误差值，通过4g方式传输到服务器；服务器通过4g方式将误差数据传输给b站、c站、g站和k站的rtk移动站，b站、c站、g站、k站的移动站对各自接收到的北斗实时定位数据在消除了来自服务器的误差值后即可获取高精度的定位数据，再通过4g网络将经差分后的定位数据传输给数据自动分析仪。6.根据权利要求1所述的塔吊自动化操作方法，其特征在于，所述步骤305)中检测晃动的方法如下：计算移动小车在水平面内的实时方位角∠b，吊钩在水平面内的实时方位角∠c，a站与c站的水平直线距离f，b站与a站的实时水平直线距离m；
计算∠c-∠b的值以及f-m的值；∠c-∠b为正值时，说明方位偏差值位于右侧，需通过向左旋转进行该值调整，反之则向右调整；当f-m为正值时，说明距离偏差值位于变幅机构外侧，需通过收缩变幅机构对该值进行调整，反之则通过伸放变幅机构进行调整，直至∠c-∠b＝0、f-m＝0。7.根据权利要求1所述的塔吊自动化操作方法，其特征在于，在步骤305)中还检测吊钩的绝对摆动角θ，绝对摆动角θ超过摆动安全阈值后进行报警。8.根据权利要求7所述的塔吊自动化操作方法，其特征在于，所述绝对摆动角θ的计算方法如下：θ＝arccos(h+h5)/(l+h5)，其中h为b站与c站的实时高度差，l为吊钩垂直时b站与c站的高度差，h5为设计安全量常数。

技术总结
本发明公开了一种塔吊自动化操作方法，在移动小车处增设RTK移动站，并对挂钩点、脱钩点利用手持式RTK打点采集定位数据的方式，自动检测起吊时货物倾斜角，并提供倾斜方位及幅度，如果倾斜角超过倾斜安全阈值，系统则自动调整吊臂方位及变幅将吊钩调整至货物的正上方再起吊；检测货物是否存在晃动，如果晃动超过了晃动安全阈值，则自动进行晃动控制可以解决现有技术中数据采集不足及采集方式的问题导致的各类生产安全事故，可精准和自动控制货物的取料/卸料的对位作业，并在转运过程中对晃动进行自动控制，在确保作业安全和作业效率的前提下实现无人自动化操作。的前提下实现无人自动化操作。的前提下实现无人自动化操作。


技术研发人员：周仁林 杨爵
受保护的技术使用者：杨爵
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/9/7