基于北斗卫星定位技术的塔机群在线监控与控制系统

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1、基于北斗卫星定位技术的塔机群在线监控与控制系统刘海龙张敏三吴海波张蕾湖南铁道职业技术学院工程建设行业屮应用Y大量的塔式起重机，尤其在比较大型的工程建设屮，往往采用多台塔机群，提高工作效率，因此也带来了极大的安全隐患。本文针对塔式起重机的作业特点，设计开发了一种基于北斗卫星定位技术的塔式起重机群在线监控与控制系统，系统利用北斗卫星定位进行精确定位后，利用S3C2440微控制器微核心，WinCE7操作系统平台，实现了对塔式起重机的运动重要参数实施在线监控。现场测试表面，该系统可有效预防塔式起重机的碰撞危险，提高作业效率。关键词：北斗卫星

2、定位;塔机群防碰撞;在线监控;控制系统;基金：湖南省教育厅资助科研项目(15C0905)我W建筑行业和基础工程建设行业快速发展，而塔式起重机是工程施工中必不可少的起重设备，其在工程施工应用中越来越广泛。为了提高工作效率和满足工地建设面积全覆盖的要求，经常在同一个施工现场内使用多台塔式起重机进行同时交叉作业。这样在塔吊与塔吊之间发生碰撞的风险性就大大提高，甚至导致严重的塔品倒塌的危险事故，因此研宄塔式起重机的在线监控、故障诊断和控制具有重要的意义。针对塔式起重机机群的潜在风险性因素，主要为机群间的碰撞风险以及塔吊与周边障碍物的碰撞风险

3、，在早期的文献中有提出了通过比较两台塔吊之间吊重与各自屮心基座之间之和，与两台塔吊回转时屮心直线距离的关系来判断是否会发生潜在碰撞风险，实际上当高位塔机吊重到其中心的距离与低位塔机吊臂之和大于M台塔机回转中心之间的距离时塔机就有碰撞危险，这种方法在多台塔吊群作业时会有比较大的重叠盲区，数据的有效性有一定的问题，在盲区内还是可能会发生碰撞风险。也有文献提出一种基于超声传感器和Kalman滤波算法计算塔吊群之间的风险系数，并引入模糊算法进行估算是否进行危险控制等，然后在三台以上塔吊同时作业时由于建模算法过于复杂导致可行性不高，且在远距离

4、的测算中误差会相对较大。北斗卫星定位系统为我国最新的卫星定位系统，在实现对塔吊距离位置精确定位的基础上，联合ZigBee双向无线通信技术，采用无线通讯ZigBee模块实现塔吊群运行关键状态信息和位置定位信息的交互，建立塔吊机群三维立体模型和在线监控运行控制算法，实现了对塔吊及群的实时安全监控和安全防护功能。釆用自主进入与自主退出技术，满足了大型建筑工程塔机群高效协同作业乂区域交叉重叠的需要，又极大降低了作业的潜在风险因素。1系统方案设计本系统采用分散式控制结构模式，由中央控制计算机统一调度监控管理，各个子系统分散式分布于各个塔吊，由

5、于中央计算机系统采用GPRS无线网络传输，因此各个子系统不限固定的施工工地。其结构图如图1所示。各个独立的子系统获得塔吊本身的运行参数，主要包括冋转角度、塔吊自身工作范围、屮心坐标位置参数、吊钩吊线距离位置信息等重要参数，经过处理后再通过实时无线网络传输给相邻可能发生发生碰撞风险的塔吊子系统，存在碰撞风险因素的判断通过北斗卫星对其中心坐标定位后由后台计算机计算，并对其进行相应的标号通过无线传输网络发送给对应的子系统。从而建立机群三维立体模型，系统在运行吋实吋监控各个子系统的状态信息，实现在线监控、诊断和控制功能。图1系统的整体结构图

6、在这种分布式结构中，整个系统由远程监控中心统一监控与管理，各个子系统负责监控自身塔吊重要参数，并参与控制自身系统下局部风险冲突时的控制决策，如在发现碰撞风险时及时控制本机停机以保障安全。各个子系统是相互独立作业的与监控的，参数又可通过无线网络实时共享，这种并行的处理机制可极大提高数据处理的实时性和准确性。2硬件平台的搭建各个监控子系统是安装在塔吊的驾驶室内，是相互独立运行的子系统，硬件平台以ARM9微处理器为核心，由传感器系统、无线通讯系统、数据存储模块、控制决策模块、人机交互触摸屏等几大部分组成，如图2所示。图2子系统硬件框图本系

7、统传感器系统中各个传感器元件也是采用分布式结构，主耍是采集与处理塔吊的高度和回转角度、吊钩高度和吊重等参数。控制系统则主要以继电器控制输出为主，连接塔吊的PLC控制枳中，对其关键的控制电路进行联动控制。3无线组网通讯塔吊群无线通讯系统组网采用动态路由结合网状拓扑结构，数据传输前通过对网络实时可利用的所有节点进行检索，通讯模块会自动选择附近的节点进行接入，如果网络由加密设置则需要进行密码校验，验证后就可以进行数据传输了，网络节点组网方式采用点对点网络拓扑结构，如图3所示。图3多节点网络组网结构图每个塔吊在线监控系统都是一个独立的网络节

8、点，II相互无缝链接入远程控制屮心。系统之间是通过约定好的通信协议进行无线传输，标准采用MODBUS通信协议，数据必须包括数据帧头识别号、数据区、数据帧尾CKC校验等信息。由于塔吊在现场作业时位罝坐标系统是随机的，而且数量也非固定，因