GNSS定位系統(tǒng)在智能塔機(jī)的應(yīng)用

李加敖，李洪鵬，房海波，謝 鳴，李小松

（1.山東中建眾力設(shè)備租賃有限公司，山東 濟(jì)南 250022；2.中建八局第二建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250022；3.武漢港迪電氣傳動(dòng)技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430040）

塔機(jī)智能化是大勢(shì)所趨，現(xiàn)今塔機(jī)操控技術(shù)雖在新時(shí)代的沖擊下得到了發(fā)展，但由于其應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)水平的特殊性，智能化程度不高，塔機(jī)依舊在沿襲傳統(tǒng)的操控手段。傳統(tǒng)的人工操作有以下弊端：①塔機(jī)安全性對(duì)操作人員的能力及素質(zhì)依賴高，長(zhǎng)時(shí)間的簡(jiǎn)單重復(fù)動(dòng)作，極易疲勞，誤操作、違章操作導(dǎo)致的安全事故頻發(fā)；②操作環(huán)境狹小、上下班需攀爬塔機(jī)，惡劣的工作環(huán)境和工作內(nèi)容使得年輕人都不愿從事塔機(jī)操作工作，使得塔機(jī)司機(jī)極端欠缺。

隨著控制技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)日趨成熟，將這些新技術(shù)應(yīng)用到塔機(jī)操控上，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)智能化已是迫在眉睫。而實(shí)現(xiàn)塔機(jī)智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一就是無(wú)人駕駛下智能定位及跟隨技術(shù)。為此，中建八局第二建設(shè)有限公司、山東中建眾力設(shè)備租賃有限公司聯(lián)合武漢港迪電器公司成功開(kāi)發(fā)了GNSS 定位系統(tǒng)并在無(wú)人操作塔機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，定位精度及響應(yīng)時(shí)間基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

1 GNSS定位系統(tǒng)的組成

GNSS 定位系統(tǒng)由無(wú)線AP、CORS 站接收機(jī)、平板移動(dòng)站、PLC、交換機(jī)組成，無(wú)線AP、PLC、HMI及CORS站接收機(jī)通過(guò)交換機(jī)相連接，平板移動(dòng)站通過(guò)無(wú)線AP 的WiFi 網(wǎng)絡(luò)與CORS基站接收機(jī)通訊（圖1）；CORS 站接收機(jī)、交換機(jī)、PLC 安裝在平衡臂根部配電箱處，無(wú)線AP安裝在平衡臂中部，無(wú)線AP 天線安裝在平衡臂端部，平板移動(dòng)站由操控人員手持，位于吊物起吊位置及就位位置。

圖1 GNSS定位系統(tǒng)的組成

2 GNSS定位系統(tǒng)的工作原理

GNSS 定位系統(tǒng)使用RTK 技術(shù)完成塔機(jī)與無(wú)線遠(yuǎn)程移動(dòng)終端（操控人員）的定位，CORS站接收機(jī)自身的高精度位置信息通過(guò)交換機(jī)傳給PLC 設(shè)置為塔心經(jīng)緯度坐標(biāo)，接收機(jī)作為基準(zhǔn)站。平板作為流動(dòng)站通過(guò)無(wú)線AP 的WiFi 接收基準(zhǔn)站的差分信號(hào)，消去共同誤差式平板能得到高精度的衛(wèi)星定位信號(hào)。平板內(nèi)置塔機(jī)智能遠(yuǎn)控APP 通過(guò)內(nèi)部程序獲得平板的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

平板APP 通過(guò)無(wú)線AP 的WiFi 與PLC 進(jìn)行通訊，獲得塔心的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并根據(jù)算法建立一個(gè)以塔心為坐標(biāo)原點(diǎn)以正東為x軸，正北為y軸的平面坐標(biāo)系。計(jì)算出平板所在位置（經(jīng)緯度坐標(biāo)值）與塔心之間的實(shí)時(shí)距離，以及平板位置在建立的平面坐標(biāo)系中的x值、y值，并換算得到平板與塔心所在連線與正東方向所成的角度（-180°～180°）。

平板到塔心的距離即為小車運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)變幅距離，只需要將平板在坐標(biāo)系中的角度跟塔機(jī)的回轉(zhuǎn)角度關(guān)聯(lián)起來(lái)就可以得到平板所在位置的回轉(zhuǎn)角度。

如圖2 所示，側(cè)塔機(jī)俯視圖，以塔心為坐標(biāo)原點(diǎn)，正東為x軸正向，正北為y軸正向建立的坐標(biāo)系中，A 小人所在位置為平板經(jīng)緯度坐標(biāo)換算所得的實(shí)時(shí)位置，同時(shí)顯示的塔機(jī)臂架實(shí)時(shí)角度。

圖2 GNSS定位系統(tǒng)顯示界面

塔機(jī)回轉(zhuǎn)角度的0°不變時(shí)，它與正東方向所成的角度是一個(gè)固定值，因此只需要在平板坐標(biāo)角度之上減去這個(gè)固定值就可以獲得平板所在位置的塔機(jī)回轉(zhuǎn)角度值，計(jì)算公式如下所示

式中α——平板位置塔機(jī)回轉(zhuǎn)角度；

β——平板實(shí)時(shí)坐標(biāo)角度；

γ——塔機(jī)0°時(shí)平板在塔臂下獲得坐標(biāo)角度。

根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行塔臂校正時(shí)不一定要在塔機(jī)回轉(zhuǎn)0°進(jìn)行，根據(jù)實(shí)際工況塔臂校正時(shí)的計(jì)算公式如下可以轉(zhuǎn)化為

式中α——平板位置塔機(jī)回轉(zhuǎn)角度；

β——平板實(shí)時(shí)坐標(biāo)角度；

δ——塔臂校正時(shí)坐標(biāo)角度；

θ——塔臂校正時(shí)回轉(zhuǎn)角度。

綜上所述，通過(guò)平板與PLC 的通訊，PLC可以獲得平板所在位置的變幅距離、回轉(zhuǎn)角度，只需要再設(shè)置一個(gè)起升高度，就可以有一個(gè)明確的吊裝目標(biāo)位置。通過(guò)平板與遙控器的操作，將當(dāng)前平板所在位置設(shè)為塔機(jī)半自動(dòng)運(yùn)行的目標(biāo)位置，啟動(dòng)半自動(dòng)，塔機(jī)將會(huì)完成半自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)吊鉤到達(dá)平板所在位置上方，完成塔機(jī)呼喚功能。

根據(jù)RTK 差分衛(wèi)星定位法通過(guò)接收機(jī)發(fā)來(lái)的差分信號(hào)，使得安裝了衛(wèi)星定位模塊、差分服務(wù)軟件的平板獲得高精度（厘米級(jí)）的衛(wèi)星定位信號(hào)。

3 GNSS定位系統(tǒng)在智能塔機(jī)測(cè)試

我單位在廠區(qū)對(duì)QTZ160 塔機(jī)對(duì)GNSS 定位系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試：測(cè)試點(diǎn)（可分固定點(diǎn)和移動(dòng)點(diǎn)）分布塔機(jī)不同方位、不同高度（模擬現(xiàn)場(chǎng)施工的不同工況），分別進(jìn)行空載和吊載測(cè)試；在塔機(jī)半自動(dòng)運(yùn)行各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，手持移動(dòng)平板的操控人員在測(cè)試點(diǎn)按下遙控器“呼喚”鍵，塔機(jī)自動(dòng)從初始位置先起升至安全距離，然后回轉(zhuǎn)、變幅聯(lián)動(dòng)至測(cè)試點(diǎn)上方，吊鉤下降至安全距離停止，經(jīng)多次測(cè)試吊鉤中心至測(cè)試點(diǎn)誤差10cm 以內(nèi)，定位精度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；末端少量工作可采取人工干預(yù)，完成整個(gè)吊裝過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

GNSS 定位系統(tǒng)在智能塔機(jī)成功測(cè)試為塔機(jī)智能遠(yuǎn)控做出了有益探索，為塔機(jī)智能遠(yuǎn)控提供了一個(gè)可選項(xiàng)，但GNSS 定位系統(tǒng)存在響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)問(wèn)題，對(duì)塔機(jī)運(yùn)行效率有一定影響，需進(jìn)一步改進(jìn)，為智能遠(yuǎn)控塔機(jī)進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)奠定基礎(chǔ)。