CN110608714A - 一种基于北斗/gnss塔吊姿态自动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及塔吊监测技术领域，具体的说是一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法，包括塔吊上的北斗/GNSS监测设备通过北斗/GNSS接收机的接收天线对北斗/GNSS卫星信号进行接收；以卫星天线的相位中心为载体中心来提取卫星信号中的经纬度坐标；将经纬度坐标通过坐标变换原理转成矢量坐标建立姿态矩阵；通过双差测姿模型求出姿态角，通过姿态角来监测塔吊的姿态信息。本发明一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法可以监测塔吊的航向角、横滚角和俯仰角等参数信息，监测信息全面。

Description

一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法

技术领域

本发明涉及塔吊监测技术领域，具体的说是一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法。

背景技术

随着市场建筑工程往大型化、复杂化、快速化的发展，施工现场对于大型设备的***将是未来建筑工程安全管理发展的重中之重，而塔吊也相应地朝着自动化、多功能、大型化路线发展。近几年塔吊事故频频发生，不仅造成人员伤亡严重，也造成巨大的经济损失。目前大多数的监测方法虽然可以监测塔吊姿态，但监测方法普遍存在监测精度不高、监测不及时和受天气影响较大等因素。本发明提供一种基于北斗/GNSS塔吊姿态监测方法，该方法不受时间和天气影响，可以全天候、全天时将塔吊的主要安全参数实时反馈于后台，施工现场安全管理人员可以根据报警数据进行针对性管理，以达到减少事故发生概率、提高生产效率的目的。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法可以监测塔吊的航向角、横滚角和俯仰角等参数信息，监测信息全面。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法，一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法

(1)塔吊上的北斗/GNSS监测设备通过北斗/GNSS接收机的接收天线对北斗/GNSS卫星信号进行接收；

(2)以卫星天线的相位中心为载体中心来提取卫星信号中的经纬度坐标；

(3)将经纬度坐标通过坐标变换原理转成矢量坐标；

(4)建立姿态矩阵；

(5)通过双差测姿模型求出姿态角。

(6)通过姿态角来监测塔吊的姿态信息。

本发明进一步设置为，所述步骤(2)中经纬度坐标建立的方法，具体为：

假设地理坐标系原点(0，0，0)在CGCS2000坐标系下的坐标为其经度、纬度分别为λ₀、由坐标转换知识可得CGCS2000坐标系下基线上某点坐标(X^CGCS,Y^CGCS,Z^CGCS)转换成所述地理坐标系下的坐标值为：

其中，经纬度可以由所述北斗/GNSS接收机直接给出。

本发明进一步设置为，所述步骤(3)中建立矢量坐标XL的具体步骤为：

将当地地理坐标系依次绕Zl、Xl、Yl轴转动y、p和r角，所述地理坐标系下M点的坐标矢量XB＝(XB、YB、ZB)转换到在所述载体坐标系中的矢量坐标XL＝(XL、YL、ZL)(2)如下：

其中，航向角y定义为载体相对于所述地理坐标系Z轴的旋转角度，顺时针方向为正，逆时针方向为负，定义域0°--360°；横滚角r定义为载体相对于所述地理坐标系X轴的旋转角度，右倾为正，左倾为负，定义域-180°--180°；俯仰角p定义为载体相对于所述地理坐标系Y轴相对于地理坐标系旋转角度，向上为正，向下为负，定义域-90°--90°。

本发明进一步设置为，所述步骤(4)中的姿态矩阵为：

式中，R(r)yR(p)xR(y)z＝Rypr称为姿态矩阵，分别为：

假定载体平台坐标系原点O和参考天线相位重合，天线与载体刚性连接，y、r、p包含于姿态矩阵R中：

则基线矢量在所述载体坐标系与地理坐标系之间的转换关系表示如下：

b^B＝R(r)_yR(p)_xR(y)_zb^L (5)

其中，bB可根据天线安装实际自主设定，bL可由观测方程通过最小二乘求得。

本发明进一步设置为，所述步骤(5)中求出姿态角具体步骤为：

两个天线相对于卫星S1、S2的距离之差可以视为基线矢量在参考天线1指向卫星的单位矢量的投影：

式中：为由参考天线和从天线构成的基线相对位置矢量，是天线1(参考天线)指向卫星S1的单位视线矢量；

载体姿态测量中，天线可安装的平面或空间距离有限，载波相位电磁波传播路径基本相似，电离层和对流层延迟对短基线天线的影响相似，通过载波相位差分可以相互抵消忽略不计，双差测姿方程可以化简为：

利用坐标系的转换关系联合姿态参数，进一步地上述式(7)可改写为：

式中：R为地理坐标系到所述载体坐标系的姿态矩阵；为地理坐标系到地心坐标系(CCTCS)的姿态转换矩阵。

本发明进一步设置为，所述姿态角的求解如下：

设可观测卫星数为M，那么每条基线可建立M-1个双差观测方程，以1号卫星为参考卫星，1号天线为参考天线，则观测M颗卫星的双差观测方程矩阵形式如下：

假设获得的天线1和天线2的坐标分别为 然后通过平移使得参考天线1坐标平移到载体坐标原点，可得到新的坐标值(0，0，0)、则可根据下式计算出两个姿态角：

对于三维姿态参数测量，只需引入新的天线3与参考天线1组成与基线不共线的新基线，同理可得俯仰角。

本发明的有益效果：

(1)本发明一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法可以监测塔吊的航向角、横滚角和俯仰角等参数信息，监测信息全面；

(2)本发明一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法可以全天时、全天候实时监测，不受时间、空间和环境的限制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法的数据处理流程示意图。

图2为本发明一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法的姿态角位置关系示意图。

图3为本发明一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法的基线矢量投影测姿示意图。

图4为本发明一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法的载波相位双差观测示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，在塔吊姿态测量中，首先要测量出塔吊上安装的北斗/GNSS接收机天线在载体坐标系中的坐标，然后通过双差测姿模型求出北斗/GNSS接收机天线姿态角，进而监测出塔吊姿态信息。

载体坐标系可通过北斗/GNSS接收机接收到的经纬度信息转换到地理坐标系，然后再转换到载体坐标系，具体方式如下：

首先，假设地理坐标系原点(0，0，0)在CGCS2000为其经度、纬度分别为λ₀、由坐标转换数学知识，可得CGCS2000坐标系下基线上某点坐标(X^CGCS,Y^CGCS,Z^CGCS)转换成地理坐标系下的坐标值为：

其中，经纬度可以由接收机直接给出；

如图2所示，由坐标系定义可知参考天线相位中心作为当地地理坐标系和载体坐标系的原点，二者之间转换的参数为三个欧拉姿态角，偏航角(Yaw)，横滚角(Roll)，俯仰角(Pitch)；根据坐标变换原理，分别将当地地理坐标系依此绕Zl、Xl、Yl轴转动y、p和r角，得到地理坐标系下M点的坐标矢量XB＝(XB、YB、ZB)转换到在载体坐标系中的矢量坐标XL＝(XL、YL、ZL)如下：

式中，R(r)yR(p)xR(y)z＝Rypr称为姿态矩阵，分别为：

其中，航向角Y定义为载体相对于地理坐标系Z轴的旋转角度，顺时针方向为正，逆时针方向为负，定义域0°--360°；横滚角r定义为载体相对于地理坐标系X轴的旋转角度，右倾为正，左倾为负，定义域-180°--180°；俯仰角P定义为载体相对于地理坐标系Y轴相对于地理坐标系转角度，向上为正，向下为负，定义域-90°--90°；

假定载体平台坐标系原点O和参考天线相位重合，天线与载体刚性连接。航向角、横滚角和俯仰角分别用y，r，p表示，包含于姿态矩阵R中：

则基线矢量在载体坐标系与地理坐标系之间的转换关系表示如下：

b^B＝R(r)_yR(p)_xR(y)_zb^L (5)

其中bB可根据天线安装实际自主设定，bL可由观测方程通过最小二乘求得。

双差测姿模型如下：

如图3所示，通常采用两个卫星天线即可实现二维姿态角的测量，横滚角可以看成是基线矢量与其在当地水平面的投影之间的几何角度，航向角可以看成是基线矢量与其在过基线法平面内的投影之间的几何角度；

两个天线相对于卫星S1、S2的距离之差可以视为基线矢量在参考天线1指向卫星的单位矢量的投影：

式中：为由参考天线和从天线构成的基线相对位置矢量，是天线1(参考天线)指向卫星S1的单位视线矢量；

载体姿态测量中，天线可安装的平面或空间距离有限，载波相位电磁波传播路径基本相似，电离层和对流层延迟对短基线天线的影响相似，通过载波相位差分可以相互抵消忽略不计，双差观测方程可以化简为：

利用北斗卫星测量的位置信息是在CGCS-2000坐标系下，而载体姿态测量反映的是载体坐标系和当地水平坐标系之间的相对关系，所以需要利用坐标系的转换关系联合姿态参数，进一步地上述式(7)可改写为：

式中：R为地理坐标系到载体坐标系的姿态矩阵；为地理坐标系到地心坐标系(CCTCS)的姿态转换矩阵；y、r、p分别表示航向角、横滚角、俯仰角。

姿态角的求解如下：

如图4所示，通常的北斗卫星可见卫星数量在4颗以上，当载波双差观测方程确定后，因为两个天线坐标，卫星星历己知，当双差整周模糊度精确固定，则可由(8)式载波双差观测量与姿态角的关系式建立观测方程矩阵，即可得出相应的姿态角；设可观测卫星数为M，那么每条基线可建立M-1个双差观测方程，以1号卫星为参考卫星，1号天线为参考天线，则观测M颗卫星的双差观测方程矩阵形式如下：

假设获得的天线1和天线2的坐标分别为 然后通过平移使得参考天线1坐标平移到载体坐标原点，可得到新的坐标值(0，0，0)、则可根据下式计算出两个姿态角：

对于三维姿态参数测量，只需引入新的天线3与参考天线1组成与基线不共线的新基线，同理可得俯仰角。

本申请中出现的电器元件在使用时均外接连通电源。

涉及到电路和电器元件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。

在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法，其特征在于包括以下几个步骤

(1)塔吊上的北斗/GNSS监测设备通过北斗/GNSS接收机的接收天线对北斗/GNSS卫星信号进行接收；

(2)以卫星天线的相位中心为载体中心来提取卫星信号中的经纬度坐标；

(3)将经纬度坐标通过坐标变换原理转成矢量坐标；

(4)建立姿态矩阵；

(5)通过双差测姿模型求出姿态角。

(6)通过姿态角来监测塔吊的姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法，其特征在于：所述步骤(2)中经纬度坐标建立的方法，具体为：

假设地理坐标系原点(0，0，0)在CGCS2000坐标系下的坐标为(1)，其经度、纬度分别为λ₀、由坐标转换知识可得CGCS2000坐标系下基线上某点坐标(X^CGCS,Y^CGCS,Z^CGCS)转换成所述地理坐标系下的坐标值为：

其中，经纬度可以由所述北斗/GNSS接收机直接给出。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法，其特征在于：所述步骤(3)中建立矢量坐标XL的具体步骤为：

将当地地理坐标系依次绕Zl、Xl、Yl轴转动y、p和r角，所述地理坐标系下M点的坐标矢量XB＝(XB、YB、ZB)转换到在所述载体坐标系中的矢量坐标XL＝(XL、YL、ZL)(2)如下：

其中，航向角y定义为载体相对于所述地理坐标系Z轴的旋转角度，顺时针方向为正，逆时针方向为负，定义域0°--360°；横滚角r定义为载体相对于所述地理坐标系X轴的旋转角度，右倾为正，左倾为负，定义域-180°--180°；俯仰角p定义为载体相对于所述地理坐标系Y轴相对于地理坐标系旋转角度，向上为正，向下为负，定义域-90°--90°。

4.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法，其特征在于：所述步骤(4)中的姿态矩阵为：

式中，R(r)yR(p)xR(y)z＝Rypr称为姿态矩阵，分别为：

假定载体平台坐标系原点O和参考天线相位重合，天线与载体刚性连接，y、r、p包含于姿态矩阵R中：

则基线矢量在所述载体坐标系与地理坐标系之间的转换关系表示如下：

b^B＝R(r)_yR(p)_xR(y)_zb^L (5)

其中，bB可根据天线安装实际自主设定，bL可由观测方程通过最小二乘求得。

5.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法，其特征在于：所述步骤(5)中求出姿态角具体步骤为：

两个天线相对于卫星S1、S2的距离之差可以视为基线矢量在参考天线1指向卫星的单位矢量的投影：

式中：为由参考天线和从天线构成的基线相对位置矢量，是天线1(参考天线)指向卫星S1的单位视线矢量；

载体姿态测量中，天线可安装的平面或空间距离有限，载波相位电磁波传播路径基本相似，电离层和对流层延迟对短基线天线的影响相似，通过载波相位差分可以相互抵消忽略不计，双差测姿方程可以化简为：

利用坐标系的转换关系联合姿态参数，进一步地上述式(7)可改写为：

式中：R为地理坐标系到所述载体坐标系的姿态矩阵；为地理坐标系到地心坐标系(CCTCS)的姿态转换矩阵。

6.根据权利要求1所述一种基于北斗/GNSS塔吊姿态自动监测方法，其特征在于：所述姿态角的求解如下：

设可观测卫星数为M，那么每条基线可建立M-1个双差观测方程，以1号卫星为参考卫星，1号天线为参考天线，则观测M颗卫星的双差观测方程矩阵形式如下：

假设获得的天线1和天线2的坐标分别为 然后通过平移使得参考天线1坐标平移到载体坐标原点，可得到新的坐标值(0，0，0)、则可根据下式计算出两个姿态角：

对于三维姿态参数测量，只需引入新的天线3与参考天线1组成与基线不共线的新基线，同理可得俯仰角。