无人驾驶智能塔吊控制系统应用研究.pdf

Value Engineering0 引言随着人工智能、大数据、传感器等技术的快速发展，智能工程机械成为社会发展的必然产物。通信技术、计算机技术和人工智能技术的飞速发展，传统工程机械正在逐步实现“车+X”（X 指人、工程机械、路、后台等）的智能信息交换共享，并逐步具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能。将车联网与智能工程机械有机联合，智能网联工程机械应运而生。智能工程机械可有效解决行业面临的用工难、人工成本高等系列问题。众所周知，建筑行业的劳动环境恶劣、劳动强度大。未来，随着智能工程机械的普及，更多的人工岗位将被智能机械所代替，人工成本降低明显。而且智能工程机械作业规范性高，失误率小，变相为企业降低了使用成本。近年来建筑塔吊操作员在直接操作塔吊时，由于受到视野范围、恶劣天气状况等突发因素的影响，安全性得不到保障，一直以来被认为是高危行业；同时塔吊狭小的作业空间、高位作业给作业人员的心理造成了一定的影响。塔机智能化是在能够完成塔式起重机起重任务的基础上，将自动控制、人工智能、通讯、机械等多学科和领域耦合在一起的非线性系统，从而使其能够更加高效地完成作业任务1。研发基于人机共驾的智能塔吊操控装置及其控制系统符合行业需求，是推动行业进步的有效手段。智能塔吊控制系统，旨在运用人工智能技术以推动传统塔吊行业升级改造。利用人工智能技术对其工作全过程进行智能控制和安全预警具有及其重要的意义，智能塔吊也被纳入世界各国工程机械智能化发展战略中。1 国内外研究现状近年来，为了预防和减少塔吊安全生产事故发生，国内外研究人员针对塔吊运行状态的监测与控制在不同的方向做出了诸多研究。1.1 基于 GPS/IMU 定位系统研究多传感器数据融合是信息领域中前景广阔的研究方向，由于单一传感器数据融合算法的局限性，将多种传感器数据融合的算法已经成为数据融合领域中的研究热点。李庆成等2提出了一种融合 陨酝哉、郧晕杂杂 和车速传感器信号的定位系统，引入车辆车速传感器信号，对车辆车速进行修正。结果表明，定位误差大幅减小，定位精度显著提高，具有较好的鲁棒性。师小波等3设计了一种基于多信息融合的组合定位系统，基于迭代最近点匹配算法的外参标定工具，构建了特征点云匹配模型，完成了后端模型优化和仿真实验。李强等4将精密单点定位技术运用在运用到GPS/IMU 系统的处理中，为 GPS/IMU 定位技术提出了一种全新的方案。何科等5结合换道识别方法提出了多指标加权评价地图匹配算法，实验表明与传统利用摄像头与车道线融合定位方法相比，定位系统精度和稳定性有了明显提升。韩如坤6为了解决单一传感器定位精度问题，提出了基于模糊投票方式的 GPS/IMU 组合定位系统，通过卡尔曼滤波器融合 GPS 与 IMU 数据，最后通过仿真测试，该系统与单一传感器定位相比，在定位精度方面有了较为显著的提高。高扬等7为了提高定位导航系统在复杂环境中的定位精度问题，提出了一种基于 GPS/IMU/DMI 组合的导航系统，弥补了传统导航系统信号缺失问题以及随时间积累的发散问题等。1.2 基于激光雷达/摄像头监测系统研究激光雷达测量技术是一种先进的遥感式测量手段，抗干扰能力很强。针对于传统摄像头监测易受光照条件和环要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要作者简介院卢彦霖（1986-），男，山东平度人，本科，中级工程师，研究方向为土建技术。无人驾驶智能塔吊控制系统应用研究Exploration of the Application of Unmanned Intelligent Tower Crane Control System卢彦霖 LU Yan-lin曰王凯平 WANG Kai-ping曰李涵 LI Han曰李锁强 LI Suo-qiang曰李鹏鹏 LI Peng-peng（中铁建设集团有限公司，北京100049）（China Railway Construction Group Co.，Ltd.，Beijing 100049，China）摘要院随着大数据、人工智能等技术的快速发展，工程机械的智能化逐步变成了时代的要求，智能化工程机械在社会的发展中占据着重要作用。本文探讨了智能化技术在塔吊行业中的应用，结合深度学习的目标检测与目标定位、多场景多任务的环境建模等技术，提出一种基于人机共驾的智能塔吊控制系统，以期推动塔吊行业智能化的行业发展与进步。Abstract:With the rapid development of big data and artificial intelligence,gradually the construction machinery intelligent hasbecome the requirements of the times.Intelligent construction machinery plays an important role in the development of society.In order topromote the development and progress of intelligent industry in the tower crane industry,this article explores the application of intelligenttechnology in the tower crane industry,combining deep learning object detection and positioning,multi scene and multi task environmentalmodeling,and proposes an intelligent tower crane control system based on human-machine co driving.关键词院人工智能；深度学习；控制系统；塔吊Key words:artificial intelligence；deep learning；control system；tower crane中图分类号院TU61文献标识码院A文章编号院1006-4311（2023）23-123-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.23.040价值工程境的影响，国内外学者基于激光雷达与摄像头检测技术展开了诸多的应用研究。谈守富8等提出的基于激光雷达的道路和障碍物检测方法可以适用于有少量障碍物遮挡的情景，对于环境复杂以及障碍物遮挡过多的情性，检测的准确性还有待提高。许峰等9提出了一种基于激光雷达与摄像头数据融合的交互式障碍物检测算法，通过摄像头和激光雷达将周围有效区域内的障碍物等信息实时的进行采集并进行数据融合，成功的解决了单一数据融合算法进行环境障碍物感知的局限性。1.3 塔机控制系统研究通过对塔吊运行时的数据分析与监测，对塔吊运行及时做出安全预警，能够有效的保证施工作业的安全进行以及预防安全事故的发生。郝金星10为解决塔吊安全管控问题，提出了智能监控系统技术，综合了电子、信息、通讯等多方面的高新技术，通过智能安全远程管理平台软件对塔吊作业期间的各种运行参数进行实时的分析、传输、存储，对塔吊的工作状态进行实时的远程监控。Li 等11将塔吊施工现场数据与三维仿真技术相结合，开发了一种数据驱动的塔吊远程监控报警系统，结合塔吊作业过程中采集的相关数据，通过参数化建模，利用事件触发和变分计算（ETVC）方法改进了模拟活动重构过程。2 系统方案2.1 总体方案研究基于人工智能的无人驾驶塔吊控制系统，通过无人机获取工地场景的高精度图，塔吊通过摄像头、激光雷达感知周围环境，根据指令利用塔吊一体化控制系统自行规划作业路径。操作人员不需要坐在塔吊驾驶室内，只需要在模拟驾驶室内下达指令即可，复杂工况下时可以对塔吊进行遥控作业，实现塔吊的人机共驾操作。总体方案如图 1 所示。2.2 技术详细方案2.2.1 基于无人机机载雷达多场景多任务的环境建模主要由激光雷达、无人机以及机载处理器实现。其中无人机与机载处理器通过串口进行连接，实现对无人机数据的读取以及相应的无人机控制，激光雷达与机载处理器的连接则通过 RJ45 网口相连接，系统连接示意图如图 2所示。图1系统总体方案GPS+IMU定位运输获取三维位置信息三维高精地图塔机控制器塔机运输最优路径规划无人机+激光雷达摄像头+激光雷达货物三维姿态和环境障碍物体感知塔机姿态和运动参数塔机信号采集与控制系统复杂工况下驾驶人接管塔机地面远程驾驶交互系统无线图传技术图2塔吊的多模态认知融合框架激光点云特征提取点云特征特征图像特征提取图像视觉毫米波点云特征提取点云特征毫米波点云特征特征特征融合视觉多模态融合激光点云特征塔吊障碍物目标检测、定位吊起物长、宽、高吊起物姿态危险区域检测先验知识长时记忆Value Engineering2.2.2 基于自主学习的自主作业路径规划策略塔吊的路径规划分为全局路径规划和局部路径规划，对于塔吊行驶路径而言，需要其具备一定的对环境变化的自适应能力和自学习能力，深度学习（DL）可以成功处理高维信息，强化学习（RL）可以在复杂环境下执行连续决策任务。深度强化学习（DQN）结合 DL 与 RL，首先通过 DL处理从环境中获取的多源传感器组成的状态信息，然后利用 RL 基于预期回报评判动作价值，将当前状态映射到相应动作，并将动态指令分配给塔吊，完成塔吊的自主路径规划。2.2.3 一体化驱动系统设计根据塔吊的工作模式，驾驶室内设置有第一摇杆和第二摇杆，第一摇杆连接升降模块、转动模块连接，第二摇杆连接拉索模块、平移模块；第一摇杆和第二摇杆均设置有上下左右四个控制方向。第一摇杆和第二摇杆上均设置有控制组块，控制组块包括壳体、调节板、导向组件、驱动组件和滚动组件。控制组块和模拟远程主控制台连接，控制组块使第一摇杆和第二摇杆进行上下左右的摆动，从而达到远程控制驱动目的。2.2.4 远程驾驶交互系统如图 3 所示，通过提取无人机构建的三维高精度地图，根据塔吊机载倾角、重量、力矩等传感器获取的塔吊本身参数和 GPS、IMU 获取的目标定位以及图像、毫米波雷达、激光雷达获取的塔吊工作姿态，结合数字孪生技术与虚拟现实技术构建一个塔吊三维场景数字孪生模型。采用模型渲染与人机交互技术，使数字孪生模型以及塔基路径规划等策略的可视化更加直观。利用 5G 图传技术将摄像头及激光、毫米波雷达采集到的信号通过无线传输至交互系统显示终端，实现塔吊感知的可视化。通过人机交互技术设计远程驾驶室，包含远程驱动中控制台、人机交互显示终端等所必须的硬件执行设备。3 结论现代工程机械正朝着智能化、信息化方向发展。本文系统分析了工程机械中塔吊的发展研究现状，分析了传统塔吊进行智能化升级的必要性。提出一种基于人机共驾的智能塔吊控制系统方案，该系统通过无人机获取工地场景的高精度图，塔吊通过摄像头、激光雷达感知周围环境，根据指令利用塔吊一体化控制系统自行规划作业路径。操作人员不需要坐在塔吊驾驶室内，在模拟驾驶室内下达指令即可，复杂工况下时可以对塔吊进行遥控作业，实现塔吊的人机共驾操作。就目前而言，我国工程机械智能化信息化水平与国外相比还存在一定差距。但随着对工程机械智能化信息化技术的不断研究，必将不断提高我国工程机械智能化信息化水平，工程机械的智能化发展具有广阔的发展空间。参考文献院1郑宏远，卢宁，宋鹏程，等.智能塔式起重机关键技术研究J.机电工程，2023，40（03）：435-443.2李庆成，王玉林，逯宇，等.基于IMU/GNSS/车速传感器的矿用车定位系统研究J.青岛大学学报（工程技术版），2023，38（02）：75-81.3师小波，赵丁选，孔志飞，等.基于多传感器信息融合的车辆高精度定位技术J.中国机械工程，2022，33（19）：2381-2387.4李强，梁涛.精密单点定位技术在IMU/GPS辅助航空测量中的应用研究J.科学时代，2012（1）：62-64.5何科，丁海涛，许男，等.基于摄像头和车道线的增强定位系统J.吉林大学学报（工学版），2023，53（03）：663-673.6韩如坤.基于GPS与IMU组合传感器数据融合的有轨电车定位分析J.自动化技术与应用，2019，38（08）：65-68.7高扬，高逦，乌萌，等.GPS/IMU/DMI组合导航方法研究J.西北工业大学学报，2018，36（02）：396-402.8谈守富，沈念如.基于激光雷达的道路和障碍物检测方法J.舰船电子工程，2021，41（04）：161-165.9许峰，程子龙，陈华，等.激光雷达与摄像头交互式障碍物检测算法J.数字通信世界，2017（09）：262-263.10郝金星.浅谈智能监控系统在塔吊安全管理中应用的重要性J.建材与装饰，2020（19）：218，220.11Yanming LiChengliang Liu.Integrating field data and 3Dsimulation for tower crane activity monitoring and alarming J援Automation in Construction援2012援图3远程驾驶交互系统GPS+IMU定位位置信息塔机运输最优施工工地三维高精地图运输获取三维无人机+激光雷达塔机姿态和运动参数塔机信号采集与控制系统复杂工况下驾驶人接管塔机远程驾驶交互系统路径规划货物三维姿态和环境障碍物体感知雷达摄像头+激光