周海燕 张浩强 陈同琦 张怡杰 黄永康

摘要：随着我国大型工程项目建设规模的扩大和科学技术的进步，大型工程项目质量的智能安全监管手段将会或已经走向现代化，必然发展趋势是高新技术势必会代替传统监管技术。为了尽可能减少塔吊在工作过程中所隐藏着的较多的危险因素，基于GPS-RTK的塔吊自动化控制与监控系统紧跟“物联网”趋势，结合GPS-RTK提供的实时精密定位技术应用于施工机械智能控制和安全监控，可为工程施工安全提供新的技术保障。

关键词：自动化；监控系统；GPS；嵌入式；塔吊

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：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

塔吊在现代建筑施工中起着举足轻重的作用，特别是在大型工程、群体工程中，它的作用表现得尤为突出，是必不可少的运输工具。虽然塔吊有其特有的优点：塔身高、起重臂长、作业范围广，能够同时进行起升、回转、变幅等运动，具有高效的吊运速度和效率。但是，由于塔吊的工作重心高、运行速度快、起重载荷大，货物运输全靠人工操作等特点，也使得塔吊在工作过程中隐藏着较多的危险因素。为了降低建设成本，提高施工效率和安全性，实现塔吊在控制終端控制下自动化运行和对塔吊实行严密监测就显得非常重要。

2 研究方向与应用前景

现代大型建筑工程中，塔吊是必不可少的。塔吊的作用举足轻重，然而塔吊对操作者的要求性极高，且操作塔吊风险较高，一旦发生事故，轻者设备损坏，重者机毁人亡。

基于GPS-RTK的塔吊自动化控制与监控系统实现了塔吊自动化控制与监控，在工程项目中不仅提高了工程质量标准，减少人工操作所造成的误差，还大大降低了项目工程中人为造成的重大事故的概率，并且能够准确地将货物下落在相应的位置，不需要因为误差而再次启动塔吊进行下一次吊货，省时省力的完成工程要求，加快了项目进程，对于大型工程来说，采用这样的设计，就能大大减轻劳动强度，降低建设成本，提高施工质量和施工效率，是各部门一直在研究的方向，因此这个设计的实现在工程中是具有不可估量的应用前景的。

3 硬件设计方案

在塔吊模型的基础上确定以塔吊基点，O点为原点的空间直角坐标系。在坐标系内即可用坐标表示塔吊A点、吊钩C点等关键节点。

基于GPS-RTK的塔吊自动化控制与监控系统的创新点在于将 GPS-RTK 实时精密定位的方法应用于塔吊自动化运行和安全监控中。当确定货物运输目的地的坐标，利用 GPS-RTK 定位技术实时定位塔吊吊钩和货物，控制终端发送命令给嵌入式系统，驱动步进电机传动装置自动将货物运输到指定位置，并在运输过程中将吊钩和货物GPS模块所获取的数据实时反馈给控制终端，对其进行数据分析获知塔吊是否安全运行，实现塔吊安全状态的监控，进而实现对塔吊的智能控制。

从塔吊精密定位控制系统的设计图可以看出，本方案可分为四个部分：塔吊信息采集单元、主控制中心、驱动电路和传动装置。塔吊信息采集单元是为了获取控制系统所需的塔吊各部分位置信息，主控制中心则应用相应的算法对所获取的信息数据进行处理，并直观地呈现给控制台。

3.1 塔吊信息的获取

为了实现塔吊的智能控制，必须实时获取塔吊各部件的三维位置信息。根据前面对塔吊几何模型的阐述，只需要获取三个点（塔身基点O、位置A和吊钩位置C）的三维信息即可完成塔吊几何模型的建立。为此，分别在上述位置布置一个 GPS数据采集单元即可。而这些 GPS 数据采集单元所获取的GPS卫星数据可以经算法处理后并转换为对应的该位置的三维位置信息。

为获取塔吊主要部件位置信息，采用的卫星数据采集模块为 UBLOX-LEA-6 / NEO-6 GPS 模块。其中GPS数据接收模块主要完成卫星数据的接收功能；高度数据采集模块用高度传感器采集塔吊塔臂和吊钩的高度信息；处理器模块主要用于协调系统中各模块的工作，并实现数据的缓存；电源模块为各系统提高电源。

GPS的RTK（Real-Time Kinematic）技术也叫实时差分GPS定位技术，它是目前GPS定位方法中精度最高的一种定位方法。RTK是能够在野外实时得到厘米级别的定位精度的测量方法，它采用了载波相位实时动态差分方法。其工作原理：

（1） 在测量区内选择一个精确坐标已知的点安放一台 GPS 接收机作为参考站，参考站点连续跟踪所有可见卫星并将测量到的载波相位观测量、参考站点坐标等信息发送给流动站。

（2） 在流动站将接收到的载波相位观测量进行实时差分处理，然后再通过一系列数据处理得到参考站点和流动站的坐标差，坐标差加上参考站点的坐标便得到流动站在 WGS-84 坐标系下的坐标。这个过程称作 GPS-RTK 定位过程。

用RTK相对定位技术获得的流动站的坐标属于 WGS-84 坐标系，为了方便塔吊控制的实现，应根据施工现场的环境设计了一个自定义的坐标系，并将RTK算法获得的 WGS-84 坐标系下的坐标转换为自定义的塔吊施工现场坐标系下的坐标。

3.2 信息传输和处理

GPS数据采集单元实时获取到的卫星数据通过串口通信传输至PC机控制中心（在实际工程应用中，可使用 GPRS 无线传输方式实现卫星数据的传输），并在控制端经上位机软件处理转换为塔吊各部件的相对位置信息。

3.3 塔吊实时控制和监测

控制台的上位机软件将处理得到的塔吊各部件的相对位置信息经串口发送至嵌入式系统，这样就能实时检测塔吊的安全状态。如果给定货物运输目的地坐标，将会驱动塔吊的传动装置自动将货物运输到指定位置。控制终端也能根据情况在任何时候终止塔吊的运行，对可能出现的危险情及时制止。实现塔吊模型的控制和实时监控。

考虑到塔吊的工作方式，可以拟采用四相步进电机作为货物自动运输的传动装置，以实现塔吊模型自动运输货物的功能。

4 软件开发环境

软件开发环境采用工程上较为成熟的 Visual Basic 6.0 设计控制台软件，实现塔吊的智能控制设计。整个控制系统可分解为参数设置、数据发送、数据接收、存储数据和状态显示五个部分。

利用 Microsoft Communications Control 控件 （以下简称 MSComm）实现计算机串口进行数据接收、发送的功能。

5 创新设计

（1） 采用GPS-RTK 定位技术实时精密定位塔吊关键节点的位置。

（2） 能够实现给定货物运输地址坐标即可让控制终端控制貨物自动运输到目的地的功能。

（3） 实现塔吊货物在运输过程中塔吊安全状态的监控。

（4） 实现控制终端能根据情况在任何时候终止塔吊的运行，对可能出现的危险情况及时制止。

6 结语

基于GPS-RTK的塔吊自动化控制与监控系统用于大型工程或者群体工程中可以自动地将物料安全精确地运送到指定的位置，保证了运送的精确性，也避免人为操作发生意外的可能性。结合GPS-RTK提供的实时精密定位技术应用于施工机械智能控制和安全监控中，能够实现塔吊的自动化运行和安全监控。

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【通联编辑：梁书】