本发明涉及起重机机械领域，特别涉及一种大型起重机的移动测量与反馈控制系统及方法。
背景技术：
起重机通常都是指有起重能力并依据固定轨道工作的起重设施，例如在码头、水电站的大型龙门吊，在建筑工地中应用的塔吊等。随着社会经济的不断发展，应用者对于起重设备的要求也在不断增加，其中安全性能、质量问题等都是需要关注的重点。并且，随着科学技术的不断创新，促使无线通讯技术、检查以及传感器技术等一些基础性的自动化技术创新，现代化起重机设备也得到了有效地改善。
另外，龙门吊对操作人员要求高，现有技术的龙门吊还需要操作员与吊装员建立统一关系、密切配合才可完成吊装任务，操控流程复杂，对人员素质要求严格。采用传统的人工值守方法指挥吊装任务，作业效率低下且易受通视条件限制而作业困难，费时费力，智能化程度低且不经济。
技术实现要素：
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种大型起重机的移动测量与反馈控制系统及方法。
第一方面，本发明实施例提供一种大型起重机的移动测量与反馈控制系统，用于实现大型起重机自动吊装作业，其特征在于，包括：移动扫描仪、工控机和gps辅助装置；所述工控机分别连接所述移动扫描仪和所述gps辅助装置；
所述移动扫描仪安装在所述大型起重机上方，用于移动扫描大型起重机下方区域，得到吊装起始位置、吊装目标位置、吊装目标位置上铝卷槽型锲位及起吊品的点云数据；
所述gps辅助装置用于获取吊钩的实时位置信息；
所述工控机用于根据所述点云数据构筑三维模型及其中心点坐标参数，获得所述吊装起始位置、吊装目标位置、吊装目标位置上的铝卷槽型锲位及起吊品的相对位置；并根据所述吊钩的实时位置信息，将所述起吊品放置在吊装目标位置上的铝卷槽型锲位。
在一个实施例中，所述大型起重机包括：支腿、横臂、行走机构、吊绳、动滑轮、静滑轮和吊钩，所述动滑轮或静滑轮上安装有里程表；所述工控机连接所述里程表，获取所述吊绳的里程表信息；
所述gps辅助装置包括：基站和移动站，所述移动站安装在沿所述横臂滑动的行走机构上，且位于所述吊钩正上方，所述移动站连接所述工控机；
所述移动站接收基站发射的卫星差分改正信号，根据所述信号确定所述移动站的位置信息，将所述移动站的位置信息发送给所述工控机；
所述工控机根据所述吊绳的里程表信息和所述移动站的位置信息，确定所述吊钩的实时位置信息。
在一个实施例中，所述移动站接收基站发射的卫星差分改正信号，根据所述信号确定所述移动站的位置信息，将所述移动站的位置信息发送给所述工控机，包括：
所述移动站接收gnss卫星信号获得自身近似位置信息，并接收基站发射的卫星差分改正信号，确定所述移动站自身位置信息，将所述移动站的位置信息发送给所述工控机。
在一个实施例中，所述工控机根据所述吊绳的里程表信息和所述移动站的位置信息，确定所述吊钩的实时位置信息，包括：
通过以下公式一确定吊钩的高程：
其中，hg表示吊钩的高程，h1是移动站天线相位中心的高程，h2是移动站天线相位中心至天线底部的垂高，h3是横臂上所述行走机构的高度，l是里程表测得的吊绳的收放里程，v1是横臂上所述行走机构的切线速度，v2为风速，a是风的加速度，h4是动滑轮与吊钩的垂直距离；
获取移动站在wgs-84系下的坐标，将其转换为在工控机建立的大型起重机系中的坐标；
将所述大型起重机坐标系，在高斯投影下转换为平面直角坐标系，获得移动站在平面直角坐标系中的坐标；
根据所述移动站在平面直角坐标系的坐标，确定吊钩的平面位置；
根据所述吊钩的高程和所述吊钩的平面位置，确定所述吊钩的实时位置信息。
在一个实施例中，所述工控机根据所述吊绳的里程表信息和所述移动站的位置信息，确定所述吊钩的实时位置信息，还包括：
所述移动站根据接收所述基站的差分改正信号以及所述基站到所述大型起重机的距离，计算平移参数误差；
根据计算得出的参数误差，确定所述吊钩的实时位置信息。
在一个实施例中，所述工控机用于根据所述点云数据构筑三维模型及其中心点坐标参数，包括：
所述工控机用于根据所述点云数据通过拟合点云的算法，识别所述吊装起始位置、吊装目标位置、吊装目标位置上的铝卷槽型锲位及起吊品的轮廓和中心点坐标。
第二方面，本发明实施例提供一种大型起重机的移动测量与反馈控制方法，使用如上述实施例中任一项所述的大型起重机的移动测量与反馈控制系统实现大型起重机自动吊装作业。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的大型起重机的移动测量与反馈控制系统，包括移动扫描仪、工控机和gps辅助装置；所述工控机分别连接所述移动扫描仪和所述gps辅助装置；所述移动扫描仪安装在所述大型起重机上方，用于移动扫描大型起重机下方区域，得到吊装起始位置、吊装目标位置、吊装目标位置上铝卷槽型锲位及起吊品的点云数据；所述gps辅助装置用于获取吊钩的实时位置信息；所述工控机用于根据所述点云数据构筑三维模型及其中心点坐标参数，获得所述起始位置、目标位置、目标位置上的铝卷槽型锲位及起吊品的相对位置；并根据所述吊钩的实时位置信息，将所述起吊品放置在吊装目标位置上的铝卷槽型锲位。本发明实施例提供的大型起重机的移动测量与反馈控制系统，用于实现大型起重机自动吊装作业，提高工作效率，大大的减少人力成本，并且能够实现全天候工作，在晚上或者视线不好的天气也能正常工作。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的大型起重机的移动测量与反馈控制系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的gps辅助装置与工控机连接示意框图；
图3为为本发明实施例提供的确定吊钩的实时位置步骤的流程图；
图4a为wgs-84世界大地坐标系示意图；
图4b为本发明实施例提供的工控机建立的以大型起重机质心为坐标原点的坐标系示意图；
图4c为本发明实施例提供的坐标系转换流程示意图；
图5a为本发明实施例提供的遗传算法拟合圆柱效果图；
图5b为本发明实施例提供的高斯映射拟合圆柱效果图；
图5c为本发明实施例提供的ransac算法拟合圆柱效果图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供的大型起重机的移动测量与反馈控制系统，用于实现大型起重机自动吊装作业，本发明所提到的大型起重机，比如门式起重机、龙门吊等，其包括支腿、横臂、行走机构、吊绳、动滑轮、静滑轮和吊钩、电气部分等部件；
参照图1所示，本发明实施例提供的大型起重机的移动测量与反馈控制系统包括：移动扫描仪1、工控机2和gps辅助装置3；其中工控机2分别连接移动扫描仪1和gps辅助装置3；
移动扫描仪1可以是移动三维激光扫描系统，也可以是其他扫描设备，只要可以实现对地理区域进行三维扫描即可；比如将上述移动扫描仪1安装在大型起重机的行走机构上，用于移动扫描大型起重机下方区域，得到吊装起始位置、吊装目标位置、吊装目标位置上铝卷槽型锲位及起吊品的点云数据；
可利用gps辅助装置3获取吊钩的实时位置信息；工控机2根据上述点云数据构筑三维模型及其中心点坐标参数，获得吊装起始位置、吊装目标位置、吊装目标位置上的铝卷槽型锲位及起吊品的相对位置，并根据吊钩的实时位置信息，将起吊品放置在吊装目标位置上的铝卷槽型锲位。本发明实施例提供的大型起重机的移动测量与反馈控制系统，用于实现大型起重机自动吊装作业，可根据扫描仪移动测量吊装起始位置、吊装目标位置、吊装目标位置上铝卷槽型锲位及起吊品相对位置信息，并通过gps辅助设置获得吊钩位置信息，工控机根据上述信息通过最短路径算法，工控机会自动指挥吊钩将起吊品放置在铝卷槽型锲位，可控制大型起重机实现智能自动吊装作业，提高了工作效率，大大的减少人力成本，并且能够实现全天候工作，在晚上或者视线不好的天气也能正常工作。
在一个实施例中，可在大型起重机的动滑轮或静滑轮上安装有里程表，该里程表用于测量吊绳的收放距离，工控机可实时获取吊绳的里程表信息。gps辅助装置3包括安装在固定地点的基站21和安装在行走机构上的移动站32，且移动站32位于吊钩的正上方，移动站32随行走机构在横臂上滑动。参照图2所示，移动站32通过有线或无线通信链路与工控机1连接，移动站32接收基站31发射的卫星差分改正信号，确定自身的位置信息，其中为了进一步的提高位置信息的精准度，可以设置2～3个基站。移动站32将该位置信息发送给工控机2，工控机2根据上述吊绳的里程表信息和移动站的位置信息，从而确定吊钩的实时位置。
为了减少移动站位置信息的误差，移动站可接收全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)卫星信号获得自身近似位置信息，同时接收基站发射的卫星差分改正信号，进一步地确定移动站自身位置信息。
在一个实施例中，工控机根据吊绳里程表信息和移动站位置信息，确定吊钩的实时位置信息，参照图3所示，步骤如下：
包括：步骤s301～s305；
s301、确定吊钩的高程；
可通过以下公式一确定吊钩的高程：
其中，hg表示吊钩的高程，h1是移动站天线相位中心的高程，h2是移动站天线相位中心至天线底部的垂高，h3是横臂上所述行走机构的高度，l是里程表测得的吊绳的收放里程，v1是横臂上所述行走机构的切线速度，v2为风速，a是风的加速度，h4是动滑轮与吊钩的垂直距离。天线所辐射出的电磁波在离开天线一定的距离后，其等相位面会近似为一个球面，该球面的球心即为该天线的相位中心。
s302、获取移动站在wgs-84系下的坐标，将其转换为在工控机建立的大型起重机系中的坐标；
通过公式二将其转换为在工控机建立的大型起重机系中的坐标；
公式二：
其中：
其中，参照图4a所示，wgs-84坐标系(worldgeodeticsystem一1984coordinatesystem)是一种国际上采用的地心坐标系，坐标原点为地球质心。参照图4b所示，工控机建立的是以大型起重机质心为坐标原点的坐标系，本步骤中，需要将移动站在wgs-84坐标系下的坐标xw、yw、zw转换为工控机建立的大型起重机系中的坐标xg、yg、zg；
s303、将所述大型起重机坐标系，在高斯投影下转换为平面直角坐标系，获得移动站在平面直角坐标系中的坐标；
获得移动站在所述大型起重机坐标系中的坐标，将所述大型起重机坐标系在高斯投影下进行坐标转换为平面直角坐标系，得到移动站在平面直角坐标系中的坐标。即将三维坐标系进一步在转换为直角坐标系，最终确定移动站在直角坐标系中的坐标。
s304、根据所述移动站在平面直角坐标系的坐标，确定吊钩的平面位置。
s305、根据所述吊钩的高程和所述吊钩的平面位置，确定所述吊钩的实时位置信息。
上述步骤s301～s305中，可参照图4c所示，为wgs-84坐标系、大型起重机坐标系、高斯投影变成平面直角坐标系，三者之间转换的示意图。
进一步地，工控机根据吊绳的里程表信息和移动站的位置信息，确定吊钩的实时位置信息步骤s305中，还包括：对误差的处理。
移动站根据接收基站的差分改正信号以及基站到大型起重机的距离，根据公式三计算平移参数误差：
其中dx、dy、dz表示流动站处的平移参数误差，b，l表示基站处的大地经纬度，dh表示基站处的大地高误差，b表示基站和移动站之间的平面横轴距离，l表示基站和移动站之间的平面纵轴距离；
根据上述计算得出的参数误差，最终确定吊钩的实时位置信息。
在一个实施例中，工控机根据上述点云数据通过拟合点云的算法，识别吊装起始位置、吊装目标位置、吊装目标位置上的铝卷槽型锲位及起吊品的轮廓和中心点坐标。
点云数据通过移动扫描仪扫描获得，比如通过移动三维激光扫描系统获得。移动三维激光扫描系统关键技术之一是基于直接地理定位技术的多传感器(multi-sensors)组合技术，尤其gnss/imu组合系统是移动三维激光扫描系统的核心。随着全球导航卫星系统gnss和惯性测量单元imu组合技术的发展，移动三维激光扫描系统充分利用gnss和imu的传感器信息。用高精度gnss定位结果来控制imu的系统漂移，用imu来补偿因gnss信号失锁而引起的恢复整周模糊度的问题，改正计算gnss模糊度搜索方法，使最终的输出结果具有高精度和高采样率，提高了组合系统的性能和可靠性，实现了优势互补。高精度的组合系统缩短了数据获取的时间，与传统的地图生产模式相比，提高了生产效率、成图质量和精度。
移动三维激光扫描系统是集成多传感器的组合系统，传感器按照各自的采样频率进行数据采集，数据的输入/输出，采样的时间间隔也存在差异。要对每个传感器的测量数据进行实时的或者数据后处理，必须拥有统一的空间基准和时间基准，才能保证系统数据的集成处理。对于空间基准，必须建立统一的坐标系统，将gps、imu、dmi、数码相机、激光扫描仪等传感器的原点统一到一个基准参考坐标系中，建立各个传感器之间严密的坐标关系，以实现多源数据的融合处理。整个移动三维激光扫描系统的传感器采集的数据必须建立在同一时间坐标系统中，才能保证数据的精确。
本实施例中，起吊品比如可以是棒材螺纹钢、线材盘螺或其他物体，其形状有圆柱体、立方体等。点云拟合的算法就是根据外业采集的海量离散点集，从中提取基本实体比如球面、圆柱的参数。
一、以圆柱拟合算法为例，拟合圆柱算法是为了拟合类似于圆柱的起吊品，比如棒材螺纹钢。而对于圆柱来说，常见的拟合算法有：遗传算法、高斯映射的方法、ransac算法。
下面对三种圆柱拟合算法举例说明：
1、采用遗传算法对曲面方程进行拟合，可以得到曲面方程的坐标平移、旋转以及曲面标准方程的参数。一般将柱面方程表示为：
其中：(x0，y0，z0)为轴线上的一个点，(m，n，p)为轴线的方向向量，r为半径。只要得到上述这7个参数的数值，就可以惟一确定一个三维圆柱面。参照图5a所示，为遗传算法拟合圆柱效果图。
2、由于外业采集的数据中不可避免地存在大量的噪声点，采用基于点云数据的方法，易受到噪声的干扰，容易出现拟合初值不稳定的情况，从而影响到最终结果的准确性。高斯映射的方法就是根据点云的法矢，将其映射到一个单位球上，形成高斯映像。然后采用聚类的方式剔除噪声点，获取比较干净的数据，利用这些数据获取准确的轴向和轴向上的一个点，最后采用非线性最小二乘算法进行优化，从而得到优化后的参数。
圆柱面的目标函数：
其中pi是数据点，n是θ的函数。圆柱面的求解过程采用levenbergmarquardt迭代法。迭代初值s＝(ρ，φ，θ，k，α)通过计算数据点的局部曲率特性来确定等首先在待拟合的数据点中选取一点，然后计算出该数据点的主曲率k1、k2及其主方向m1、m2，将最大曲率k2设为参数k的初值
比较理想的拟合初值不应该由某个点的微分几何属性来确定，而是应该由尽量多的数据点来确定；另外这些数据点应该是剔除了噪声的影响，这样的数据获得的拟合初值才是最可信的。在拟合初值参数中，轴线a这个参数对圆柱面和圆锥面拟合的成败和精度影响最重要。轴线a实际上包括了方向和位置两个参数。只要轴线参数初始值准确，则其它的参数可以比较容易地确定。参照图5b所示，为高斯映射拟合圆柱效果图。
3、要确定一个圆柱，最少采样个数为2，采样2个点以及它们的法向量来确定一个圆柱实体。
具体过程为：两个点p1和p2，以及相应的法向量n1和n2，首先确定圆柱的轴向为：a＝n1×n2。然后将直线p1+tn1和p2+tn2沿圆柱的轴向投影到平面a.x＝0上，将它们的交点作为圆柱的中点c，将c与p1在该平面上的投影点之间的距离作为半径。参照图5c所示，为ransac算法拟合圆柱效果图。
分别采用上述三种方法，对外业采集的圆柱数据进行拟合，拟合效果参照图5a、5b、5c，拟合参数见表格1。
表格1拟合圆柱算法对比
ransac算法拟合圆柱效果最好，原始数据和生成的模型贴合度较好，高斯映射的算法拟合效果次之，遗传算法得到的轴向不准确，偏差大，抗噪能力差。
二、以曲面拟合算法为例，拟合曲面的算法是为了拟合铝卷槽型锲位，通过拟合就可以自动识别这些物体的位置轮廓和中心点坐标等参数。最小二乘法的曲面拟合最小二乘法是一种逼近理论。也是点云数据最常用的一种拟合算法。曲面一般不通过已知数据点，而是根据拟合的曲面在取样处的值与实际值之差的平方和达到最小求得，它的主要思想就是真实值和测数据的偏差平方和达到最小，即：
式中，d(f)为计算误差的平方和，要使d(f)达到最小，需要满足下列方程：
由上式简化得：
将上式展开线性方程组的线性变换，既有：
…
将上式改成矩阵的形式：
bbta＝bz
其中
这里b是n×n矩阵，a，z均为n向量。根据上述矩阵方程a1，a2，...，an可以根据求解一般线性方程组的方法精确的解出。
本发明实施例还提供了一种大型起重机的移动测量与反馈控制方法，该方法使用如上述任一项所述的大型起重机的移动测量与反馈控制系统，实现大型起重机自动吊装作业。
基于同一发明构思，由于该方法所解决问题的原理与前述基于大型起重机的移动测量与反馈控制系统相似，因此该方法的实施可以参见前述系统的实施，重复之处不再赘述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。