基于卫星定位的建筑塔机侧向垂直度自动化检测系统的制作方法
本发明涉及建筑塔机及其健康监测预警的技术领域。
背景技术：
建筑施工塔吊机偶有事故发生，一旦发生事故就会造成较大的损失。随着塔身高度的增加，如果塔身垂直度出现较大的偏差，则可能造成重大安全事故。因而垂直度检测对于确保塔机安全运行具有重大的意义。垂直度检测的重要指标是侧向垂直度。目前没有在工作中对侧向垂直度进行实时测量的方法和系统。
技术实现要素：
本发明鉴于以上情况，提出用于缓解或消除现有技术中存在的一项或更多的缺点，至少提供一种有益的选择。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于卫星定位的建筑塔机侧向垂直度自动化检测系统，包括：塔身检测参数获取单元，用于获取建筑塔机塔顶中心处的塔身gnss检测站测得的各个检测历元的塔身北向坐标、塔身东向坐标和塔身高程；实时偏心量计算单元，用于根据所述塔身检测参数获取单元获得的各个检测历元的塔身北向坐标、塔身东向坐标，确定塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量；塔臂检测参数获取单元，用于获取建筑塔机塔臂上的塔臂gnss检测站测得的各个检测历元的塔臂北向坐标、塔臂东向坐标和塔臂高程；塔臂方位角确定单元，根据所述塔臂北向坐标、所述塔臂东向坐标以及所述塔身北向坐标、所述塔身东向坐标确定塔臂方位角；塔身侧向垂直度确定单元，根据所述塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量和塔身高度，以及所述塔臂方位角，确定塔身侧向垂直度。
根据一种实施方式，所述塔身gnss检测站测得的各个检测历元的塔身北向坐标、塔身东向坐标和塔身高程，以及所述塔臂gnss检测站测得的各个检测历元的塔臂北向坐标、塔臂东向坐标和塔臂高程是在确定双差整周模糊度之后根据最小二乘参数估计原则来实时获得的。
根据一种实施方式，所述塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量如下地确定：
其中，(δxn,δyn)是在gnss坐标系下的所述塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量；(xo,yo)是建筑塔机的塔基中心位置在gnss坐标系下的平面坐标，是预先已知的，
根据一种实施方式，所述塔臂方位角确定单元如下地实时确定塔臂方位角：
其中，
根据一种实施方式，所述塔身侧向垂直度确定单元如下地计算建筑塔机x轴向侧向垂直度：
所述塔身侧向垂直度确定单元如下地计算建筑塔机y轴向侧向垂直度：
其中，
(δxn,δyn)是在gnss坐标系下的所述塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量；
根据一种实施方式，所述塔身侧向垂直度确定单元如下地计算建筑塔机x轴向侧向垂直度：
所述塔身侧向垂直度确定单元如下地计算建筑塔机y轴向侧向垂直度：
其中，
(δxn,δyn)是在gnss坐标系下的所述塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量；
根据一种实施方式，所述系统还包括塔身侧向倾斜角参数确定单元，用于定量确定建筑塔机塔身x轴或y轴向侧向倾斜角参数的大小。
根据一种实施方式，所述塔身侧向倾斜角参数确定单元如下地计算建筑塔机x轴向侧向倾斜角参数：
所述塔身侧向倾斜角参数确定单元如下地计算建筑塔机y轴向侧向倾斜角参数：
其中，
根据一种实施方式，所述系统还包括预警单元，所述预警单元在塔身侧向垂直度大于预警阈值时进行预警提示，所述预警阈值如下地确定：
i＝0.4％×k
其中，k为预警系数，k＝0.5～3。
依据本发明的技术方案，能够实时检测塔身垂直度，结构简单，不用在塔身上安装复杂的倾角传感器等设备，提高建筑施工作业的安全性。
附图说明
结合附图，可以更好地理解本发明。但是附图仅仅是示例性的，也不是按照比例绘制的，不是对本发明的保护范围的限制。
图1示出了可使用依据本发明的一种实施方式的基于卫星定位的建筑塔机塔身侧向垂直度检测系统的示意图；
图2和图3是本发明的进行侧向垂直度检测的原理示意图；
图4示出了依据本发明的一种实施方式的基于卫星定位的建筑塔机塔身侧向垂直度检测系统的示意性功能方框图。
图5示出了依据本发明的另一种实施方式的基于卫星定位的建筑塔机塔身侧向垂直度检测系统的示意性功能方框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步详述，但不构成对本发明的任何限制。附图中没有示出虽然与建筑塔机的工作相关但对于理解本发明无关的部件，说明书中也没有描述这些部件，这些部件可以采用现在已知的或未来获知的各种技术，均在本发明的保护范围内。
图1示出了可使用依据本发明的一种实施方式的基于卫星定位的建筑塔机(建筑施工塔吊机)塔身垂直度实时监测系统的系统的示意图。
如图1所示，可以应用本发明的建筑塔机包括塔身14、塔臂13，在塔顶安装有塔身检测站(gnss流动站，roverstation)12和在塔臂尖端安装的塔臂检测站15，该检测站12和15包括接收机(gps接收机)，可以和地面设置的基准站(basestation)11通信。基准站11可以架设在视野开阔、遮挡少的地方。基准站和检测站通过对卫星进行定位，而可以自身定位。该检测站12如何接收卫星信号、以及如何与基准站11进行交互，如何接收和使用gnss卫星差分改正信号可以采用本领域所知的任何方法实现，在此不予赘述。
假设基准站(用下标b表示)和某一检测站(用下标d表示)在某一检测历元同步观测的导航卫星数为nk，且以同步观测的导航卫星高度角最大的卫星k作为参考导航卫星，则针对施工现场短基线情况下可列出nk-1个双差载波相位观测方程，其所对应的误差方程用矩阵形式表示为：
v＝a·δxd+b·▽δn+▽δl
式中，
v＝[v1v2...vk-1]t，
δxr＝[δxrδyrδzr]t，
▽δl＝[▽δl1▽δl2…▽δlk-1]t，
式中t表示矩阵的转置。
根据上式可知，一旦双差整周模糊度▽δn快速确定，则由最小二乘参数估计原则vtpv＝min可以实时获得检测站的三维坐标及精度信息：
式中，
式中，σ2为高精度载波相位观测值的单位权方差因子。
图2和图3是本发明的进行侧向垂直度检测的原理示意图。
如图2和图3所示，假设建筑塔机塔基的中心点在gnss坐标系下的平面坐标(xo,yo)和高程ho为预先已知量，并假设建筑塔机的塔基坐落方位角用αt表示，它是基于塔基最北角点为起点，以坐标北方向顺时针旋转到塔基第一条边所形成的平面夹角，如图3所示。针对施工现场的建筑塔机，αt一般为预先已知量。
假设在gnss坐标系下的塔顶检测站和臂尖检测站在第n个检测历元的平面坐标和高程分别为
当建筑塔机在工作状态时，针对塔顶检测站在第n个检测历元的水平方向相比塔基的中心点平面坐标(xo,yo)产生的北向、东向偏心量(δxn,δyn)为：
如图3所示，不妨以建筑塔机塔基的中心点为坐标原点o，垂直于塔基最北边的方向为x轴，垂直于塔基最东边的方向为y轴，建立塔基平面坐标系(xoy)。在塔基平面坐标系(xoy)下，假设塔顶检测站的第n个检测历元的平面坐标偏心于塔基中心点的x轴上偏心量和y轴上偏心量用
根据建筑塔机垂直度的定义，当塔臂摆臂正处于y轴方向时，利用塔顶检测站测量建筑塔机x轴向侧向垂直度及其对应的倾斜角为：
同理，当塔臂摆臂正处于x轴方向时，利用塔顶检测站测量建筑塔机y轴向侧向垂直度及其对应的倾斜角为：
式中，
图4示出了依据本发明的一种实施方式的基于卫星定位的建筑塔机塔身垂直度实时监测系统的示意性功能方框图。
如图4所述，依据本发明的一种实施方式的基于卫星定位的建筑塔机塔身垂直度实时监测系统包括塔身检测参数获取单元401、实时偏心量计算单元402、塔臂检测参数获取单元403、塔臂方位角确定单元404以及塔身垂直度确定单元405。
塔身检测参数获取单元401用于获取建筑塔机塔顶中心处的塔身gnss检测站测得的各检测历元的塔身北向坐标、塔身东向坐标和塔身高程；实时偏心量计算单元402用于根据所述塔身检测参数获取单元获得的各检测历元的塔身北向坐标、塔身东向坐标，确定塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量；塔臂检测参数获取单元403用于获取建筑塔机塔臂上的塔臂gnss检测站测得的各检测历元的塔臂北向坐标、塔臂东向坐标；塔臂方位角确定单元404根据所述塔臂北向坐标、所述塔臂东向坐标以及所述塔身北向坐标、所述塔身塔身东向坐标确定塔臂方位角；塔身垂直度确定单元405根据所述塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量和塔身高度，以及所述塔臂方位角，确定塔身垂直度。
图中还示出了在某些实施方式中可以省略的预警单元406。预警单元406在塔身垂直度大于该预警阈值时进行预警提示。
根据一种实施方式，所述预警阈值如下地确定：
i＝0.4％×k
其中，k为预警系数，k＝0.5～3。
根据一种实施方式，塔身gnss检测站12测得的各个检测历元的塔身北向坐标、塔身东向坐标和塔身高程，以及塔臂gnss检测站15测得的各个检测历元的塔臂北向坐标、塔臂东向坐标和塔臂高程是在确定双差整周模糊度之后根据最小二乘参数估计原则来实时获得的。塔身检测参数获取单元401可以从塔身gnss检测站12获得相应的参数。
根据一种实施方式，实时偏心量计算单元402如下地确定所述塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量：
其中，(δxn,δyn)是在gnss坐标系下的所述塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量；(xo,yo)是建筑塔机的塔基中心位置在gnss坐标系下的平面坐标，是预先已知的，
根据一种实施方式，所述塔臂方位角确定单元404如下地实时确定塔臂方位角：
其中，
根据一种实施方式，塔身侧向垂直度确定单元405如下地计算建筑塔机x轴向侧向垂直度：
根据一种实施方式，塔身侧向垂直度确定单元405如下地计算建筑塔机y轴向侧向垂直度：
其中，
(δxn,δyn)是在gnss坐标系下的所述塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量；
根据一种实施方式，塔身侧向垂直度确定单元405如下地计算建筑塔机x轴向侧向垂直度：
塔身侧向垂直度确定单元405如下地计算建筑塔机y轴向侧向垂直度：
其中，
(δxn,δyn)是在gnss坐标系下的所述塔身北向实时偏心量和塔身东向实时偏心量；
图5示出了依据本发明的另一种实施方式的基于卫星定位的建筑塔机塔身垂直度实时监测系统的示意性功能方框图。
如图5所示，该系统还包括塔身侧向倾斜角参数确定单元407。该倾斜角参数确定单元用于定量确定建筑塔机塔身垂直度的倾斜角度大小。
根据一种实施方式，该塔身侧向倾斜角参数确定单元407如下地计算建筑塔机x轴向侧向倾斜角参数：
塔身侧向倾斜角参数确定单元407如下地计算建筑塔机y轴向侧向倾斜角参数：
其中，
本发明的各个单元可以由硬件实现，也可以由软件配合硬件来实现。
本发明的上述详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。
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