1.本发明涉及无人驾驶领域，具体而言，涉及一种塔机无人驾驶控制系统及无人驾驶控制方法。
背景技术：
2.塔机是建筑工地上常用的起重设备，目前塔机的操控方式是塔司与地面指挥人员配合操作，塔司需要进入位于高空的塔机驾驶室进行操作，极端天气下塔司进出操作室极为不便，且塔机司机需在高空中作业，工作环境恶劣，如遇到塔机倒塌事故，塔司生命安全将受到重大威胁。塔机上使用的安全监控系统，通过多种传感器和摄像头实时监测塔机的工作状态，辅助塔司进行安全作业，并具有防碰撞功能，在临近额定限值时发出声光预警和报警，实现塔吊危险作业自动截断。但是并未解决塔司高空的作业模式，而且现有塔机安全系统还存在以下问题：
3.1.安全监控系统中的视频监控易受天气光照等环境因素和塔机作业高度影响，导致识别度降低，易出现误操作；
4.2.现有安全系统中防碰撞功能只能实现安装同一型号防碰撞设备的塔机与塔机之间的碰撞问题，不能解决已安装防碰撞设备的塔机与安装不同型号防碰撞设备的塔机之间、已安装防碰撞设备的塔机与未安装防碰撞设备的塔机之间的碰撞问题，更解决不了塔机与周围建筑物的碰撞问题；
5.3.塔司需要地面指挥人员配合，才能知道吊挂物的具体位置以及吊装路径是否安全，导致作业效率低，并存在一定的安全隐患。
6.因此，塔机智能化操作的发展趋势已成为必然。
技术实现要素：
7.本发明的主要目的在于提供一种塔机无人驾驶控制系统及无人驾驶控制方法，以至少解决现有技术中的塔机操作智能化程度低的问题。
8.为了实现上述目的，本发明提供了一种塔机无人驾驶控制系统及无人驾驶控制方法。
9.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了塔机无人驾驶控制系统，包括两个对讲定位操控终端、信息传感器组、激光雷达传感器、中央控制单元、塔机电控单元、塔机执行机构以及无线通信模块；两个对讲定位操控终端分别位于地面吊装点和目的卸货点，两个对讲定位操控终端用于分别获取塔机运行过程中地面吊装点和目的卸货点的实时空间位置数据；信息传感器组设置在塔机上，信息传感器组用于获取塔机运行过程中的塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度以及塔机起重臂的回转角度数据；激光雷达传感器设置在塔机上，激光雷达传感器用于发射激光束以扫描塔机周围环境障碍物的三维建模数据；中央控制单元与信息传感器组和激光雷达传感器均连接，中央控制单元用于根据激光雷达传感器扫描的三维建模数据生成塔机周围环境障碍物的三维模型数据，以及根据塔
机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度、塔机起重臂的回转角度数据、地面吊装点或目的卸货点的实时空间位置数据以及三维模型数据生成塔机预设运行路径；塔机电控单元与中央控制单元连接，塔机电控单元用于接收中央控制单元根据塔机预设运行路径转化的塔机电控单元可执行的路径操控指令；塔机执行机构与塔机电控单元连接，塔机执行机构根据塔机电控单元执行路径操控指令以驱动塔机按照塔机预设运行路径运转；无线通信模块与中央控制单元连接，无线通信模块用于收发无线通讯信号；其中，两个对讲定位操控终端通过无线通信模块与中央控制单元连接以使两个对讲定位操控终端与中央控制单元进行通信，两个定位操作终端通过无线通信模块相互之间进行通信。
10.进一步地，信息传感器组包括高度传感器、幅度传感器以及角度传感器；高度传感器设置在塔机平衡臂的起升机构齿轮上，高度传感器用于实时监测塔机吊钩的起吊高度；幅度传感器设置在塔机起重臂的变幅机构齿轮上，幅度传感器用于实时监测塔机小车的运转幅度；角度传感器设置在塔机回转上部结构齿圈外侧，角度传感器用于实时测量塔机起重臂的回转角度。
11.进一步地，信息传感器组还包括风速传感器和重量传感器；风速传感器设置在塔机平衡臂的中段位置，风速传感器用于实时监测塔机的环境风速；重量传感器设置在塔机起重臂的后端，重量传感器用于实时监测塔机起重的货物重量；其中，风速传感器和重量传感器均与中央控制单元连接，中央控制单元还用于根据塔机的环境风速和塔机起重的货物重量生成运转控制指令；塔机电控单元根据运转控制指令控制塔机执行机构启动或停止运转。
12.进一步地，中央控制单元包括数据传输模块、数据处理模块、运动规划模块以及适配器；数据传输模块与信息传感器组、激光雷达传感器以及无线通信模块均连接，数据传输模块用于收集并下发塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度、塔机起重臂的回转角度数据、三维建模数据以及地面吊装点和目的卸货点的实时空间位置数据；数据处理模块与数据传输模块连接，数据处理模块用于根据三维建模数据生成三维模型数据；运动规划模块与数据处理模块连接，运动规划模块用于根据塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度、塔机起重臂的回转角度数据、地面吊装点或目的卸货点的实时空间位置数据以及三维模型数据生成并下发塔机预设运行路径，并将塔机预设运行路径转化为路径操控指令；适配器与运动规划模块连接，适配器用于接收路径操控指令并转化成塔机各部位参数以及下发。
13.进一步地，塔机无人驾驶控制系统还包括云台，云台安装在塔机起重臂的臂根，激光雷达传感器设置在云台上。
14.根据本发明的另一方面，提供了一种塔机无人驾驶控制方法，塔机无人驾驶控制方法应用于上述任一项的塔机无人驾驶控制系统，塔机无人驾驶控制方法包括：
15.实时获取塔机运行过程中的塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度以及塔机起重臂的回转角度数据并根据塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度以及塔机起重臂的回转角度数据计算得到塔机的初始姿态数据；
16.实时获取塔机周围环境障碍物的三维建模数据并根据三维建模数据生成塔机周围环境障碍物的三维模型数据；
17.获取塔机运行的地面吊装点和目的卸货点的空间位置数据；
18.根据初始姿态数据、三维模型数据以及地面吊装点或目的卸货点的空间位置数据生成塔机的预设运行路径和目标姿态数据；
19.将预设运行路径和目标姿态数据转换为路径操控指令并根据路径操控指令驱动塔机吊钩运行至地面吊装点或目的卸货点。
20.进一步地，实时获取塔机周围环境障碍物的三维建模数据并根据三维建模数据生成塔机周围环境障碍物的三维模型数据包括：
21.向塔机周围环境发射激光束；
22.接收塔机周围环境的障碍物反射的激光束信号并转换成电信号；
23.对转换的电信号进行处理和计算以得到障碍物的位置信息和几何形状信息；
24.通过周期扫描障碍物并将获得的障碍物的位置信息和几何形状信息进行拼接、去噪和特征提取以生成塔机周围环境障碍物的三维模型数据。
25.进一步地，根据初始姿态数据、三维模型数据以及地面吊装点或目的卸货点的空间位置数据生成塔机的预设运行路径和目标姿态数据包括：
26.根据初始姿态数据和三维模型数据生成全局代价地图；
27.调取全局代价地图计算生成地面吊装点和目的卸货点之间的全局路径规划并选出全局最优路径；
28.根据实时获取的三维模型数据生成本地代价地图；
29.调取本地代价地图计算生成地面吊装点和目的卸货点之间的本地路径规划，并结合初始姿态数据、三维模型数据以及全局最优路径选出本地最优路径以尽量符合全局最优路径；
30.将本地最优路径设定为塔机预设运行路径并生成目标姿态数据。
31.进一步地，根据路径操控指令驱动塔机吊钩运行之前，塔机无人驾驶控制方法还包括：
32.实施监测塔机的环境风速以及塔机起重的货物重量；
33.在塔机的环境风速大于预设值和/或塔机起重的货物重量大于预设值时控制塔机吊钩停止运行。
34.进一步地，根据路径操控指令驱动塔机吊钩运行过程中，塔机无人驾驶控制方法还包括：
35.实施监测塔机的环境风速以及塔机起重的货物重量；
36.在塔机的环境风速大于预设值和/或塔机起重的货物重量发生突变时控制塔机吊钩停止运行。
37.本发明技术方案的塔机无人驾驶控制方法包括：实时获取塔机运行过程中的塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度以及塔机起重臂的回转角度数据并根据塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度以及塔机起重臂的回转角度数据计算得到塔机的初始姿态数据；实时获取塔机周围环境障碍物的三维建模数据并根据三维建模数据生成塔机周围环境障碍物的三维模型数据；获取塔机运行的地面吊装点和目的卸货点的空间位置数据；根据初始姿态数据、三维模型数据以及地面吊装点或目的卸货点的空间位置数据生成塔机的预设运行路径和目标姿态数据；将预设运行路径和目标姿态数据转换为路径操控指令并根据路径操控指令驱动塔机吊钩运行至地面吊装点或目的卸货点。塔机系统自主收集塔机运
行状态和周围环境数据，并生成路径规划控制塔机运行，解决了现有技术中的塔机操作智能化程度低的问题。
附图说明
38.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
39.图1是根据本发明实施例可选的一种塔机无人驾驶控制系统的结构示意图；
40.图2是根据本发明实施例可选的一种塔机无人驾驶控制系统的信息传感器组结构示意图；
41.图3是根据本发明实施例可选的一种塔机无人驾驶控制系统的中央控制单元结构示意图；
42.图4是根据本发明实施例可选的一种塔机无人驾驶控制方法的流程框图；
43.图5是根据本发明实施例可选的一种塔机无人驾驶控制方法的s104的流程框图；
44.图6是根据本发明实施例可选的一种塔机无人驾驶控制方法的s108的流程框图；
45.图7是根据本发明实施例可选的一种塔机无人驾驶控制方法的s110的流程框图；
46.图8是根据本发明实施例可选的ros moveit平台的原理图；
47.图9是根据本发明实施例可选的一种塔机无人驾驶控制方法的预设路径规划的原理图；
48.图10是根据本发明实施例可选的一种塔机无人驾驶控制方法的预设路径规划的流程图。
49.其中，上述附图包括以下附图标记：
50.10、两个对讲定位操控终端；20、信息传感器组；21、高度传感器；22、幅度传感器；23、角度传感器；24、风速传感器；25、重量传感器；30、激光雷达传感器；40、中央控制单元；41、数据传输模块；42、数据处理模块；43、运动规划模块；44、适配器；50、塔机电控单元；60、塔机执行机构；70、无线通信模块；80、云台。
具体实施方式
51.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
52.根据本发明一种实施例的一种塔机无人驾驶控制系统，如图1所示，包括两个对讲定位操控终端10、信息传感器组20、激光雷达传感器30、中央控制单元40、塔机电控单元50、塔机执行机构60以及无线通信模块70；两个对讲定位操控终端10分别位于地面吊装点和目的卸货点，两个对讲定位操控终端10用于分别获取塔机运行过程中地面吊装点和目的卸货点的实时空间位置数据；信息传感器组20设置在塔机上，信息传感器组20用于获取塔机运行过程中的塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度以及塔机起重臂的回转角度数据；激光雷达传感器30设置在塔机上，激光雷达传感器30用于发射激光束以扫描塔机周围环境障碍物的三维建模数据；中央控制单元40与信息传感器组20和激光雷达传感器30均连接，中央控制单元40用于根据激光雷达传感器30扫描的三维建模数据生成塔机周围环境障碍物的三维模型数据，以及根据塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度、塔机起重臂的回
转角度数据、地面吊装点或目的卸货点的实时空间位置数据以及三维模型数据生成塔机预设运行路径；塔机电控单元50与中央控制单元40连接，塔机电控单元50用于接收中央控制单元40根据塔机预设运行路径转化的塔机电控单元50可执行的路径操控指令；塔机执行机构60与塔机电控单元50连接，塔机执行机构60根据塔机电控单元50执行路径操控指令以驱动塔机按照塔机预设运行路径运转；无线通信模块70与中央控制单元40连接，无线通信模块70用于收发无线通讯信号；其中，两个对讲定位操控终端10通过无线通信模块70与中央控制单元40连接以使两个对讲定位操控终端10与中央控制单元40进行通信，两个定位操作终端通过无线通信模块70相互之间进行通信。两个对讲定位操控终端10可以实现地面操作人员之间沟通的功能，实时定位、一键呼叫塔机以及近距离操作塔机的功能。塔机系统自主收集塔机运行状态和周围环境数据，并生成路径规划控制塔机运行，解决了现有技术中的塔机操作智能化程度低的问题。
53.具体实施时，如图2所示，信息传感器组20包括高度传感器21、幅度传感器22以及角度传感器23；高度传感器21设置在塔机平衡臂的起升机构齿轮上，高度传感器21用于实时监测塔机吊钩的起吊高度；幅度传感器22设置在塔机起重臂的变幅机构齿轮上，幅度传感器22用于实时监测塔机小车的运转幅度；角度传感器23设置在塔机回转上部结构齿圈外侧，角度传感器23用于实时测量塔机起重臂的回转角度，实现了对塔机运行过程中的塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度以及塔机起重臂的回转角度数据的监测功能。
54.进一步地，信息传感器组20还包括风速传感器24和重量传感器25；风速传感器24设置在塔机平衡臂的中段位置，风速传感器24用于实时监测塔机的环境风速；重量传感器25设置在塔机起重臂的后端，重量传感器25用于实时监测塔机起重的货物重量；其中，风速传感器24和重量传感器25均与中央控制单元40连接，中央控制单元40还用于根据塔机的环境风速和塔机起重的货物重量生成运转控制指令；塔机电控单元50根据运转控制指令控制塔机执行机构60启动或停止运转，通过监测塔机的环境风速和塔机起重的货物重量保证塔机在安全状态运行。
55.具体实施时，如图3所示，中央控制单元40包括数据传输模块41、数据处理模块42、运动规划模块43以及适配器44；数据传输模块41与信息传感器组20、激光雷达传感器30以及无线通信模块70均连接，数据传输模块41用于收集并下发塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度、塔机起重臂的回转角度数据、三维建模数据以及地面吊装点和目的卸货点的实时空间位置数据；数据处理模块42与数据传输模块41连接，数据处理模块42用于根据三维建模数据生成三维模型数据；运动规划模块43与数据处理模块42连接，运动规划模块43用于根据塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度、塔机起重臂的回转角度数据、地面吊装点或目的卸货点的实时空间位置数据以及三维模型数据生成并下发塔机预设运行路径，并将所述塔机预设运行路径转化为所述路径操控指令；适配器44与运动规划模块43连接，适配器44用于接收路径操控指令并转化成塔机各部位参数以及下发。智能控制系统负责各种传感器数据、激光雷达障碍物的位置信息和几何形状信息和定位对讲机实时坐标等数据的采集、处理以及给塔机电控单元下达操控指令等工作。
56.进一步地，塔机无人驾驶控制系统还包括云台80，云台80安装在塔机起重臂的臂根，激光雷达传感器30设置在云台80上，可随塔机回转360度旋转，避免塔机运行时振动对激光雷达传感器30稳定性影响，确保数据准确性，云台80还可以对激光雷达传感器的视场
角进行角度补偿，增大雷达扫描范围。
57.根据本发明另一种实施例的一种塔机无人驾驶控制方法，塔机无人驾驶控制方法应用于上述任一项的塔机无人驾驶控制系统，如图4所示，塔机无人驾驶控制方法包括：
58.s102：实时获取塔机运行过程中的塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度以及塔机起重臂的回转角度数据并根据塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度以及塔机起重臂的回转角度数据计算得到塔机的初始姿态数据；
59.s104：实时获取塔机周围环境障碍物的三维建模数据并根据三维建模数据生成塔机周围环境障碍物的三维模型数据；
60.s106：获取塔机运行的地面吊装点和目的卸货点的空间位置数据；
61.s108：根据初始姿态数据、三维模型数据以及地面吊装点或目的卸货点的空间位置数据生成塔机的预设运行路径和目标姿态数据；
62.s110：将预设运行路径和目标姿态数据转换为路径操控指令并根据路径操控指令驱动塔机吊钩运行至地面吊装点或目的卸货点。
63.具体实施时，如图5所示，在步骤s104中，实时获取塔机周围环境障碍物的三维建模数据并根据三维建模数据生成塔机周围环境障碍物的三维模型数据包括：
64.s1041：向塔机周围环境发射激光束；使用激光雷达来动态实时监测塔机周围环境的变化，激光雷达对光照变化不敏感，不受夜晚场景的影响，可以全天候工作；
65.s1042：接收塔机周围环境的障碍物反射的激光束信号并转换成电信号；
66.s1043：对转换的电信号进行处理和计算以得到障碍物的位置信息和几何形状信息等点云数据，激光雷达测距精度相比其他传感器都要高，具有一定的抗干扰能力，可实时探测生成环境物三维图形；
67.s1044：通过周期扫描障碍物并将获得的障碍物的位置信息和几何形状信息等点云数据进行拼接、去噪和特征提取以生成塔机周围环境障碍物的三维模型数据。
68.具体实施时，如图6所示，在步骤108中，根据初始姿态数据、三维模型数据以及地面吊装点或目的卸货点的空间位置数据生成塔机的预设运行路径和目标姿态数据包括：
69.s1081：根据初始姿态数据和三维模型数据生成全局代价地图；塔机施工前，激光雷达旋转一周，生成周围环境三维模型，即全局代价地图，属于静态地图；
70.s1082：调用全局路径规划器通过碰撞检测算法和路径规划算法根据全局代价地图计算生成地面吊装点和目的卸货点之间的全局路径规划并选出全局最优路径；全局规划器就是在运动之前，根据接收到的塔机位姿数据，基于全局代价地图并调用对应的路径规划算法生成一条从当前位置到目标位置的路径，然后交给本地路径规划器；
71.s1083：根据实时获取的三维模型数据生成本地代价地图；本地代价地图是基于激光雷达的实时数据生成的动态地图；
72.s1084：调取本地路径规划器通过碰撞检测算法和路径规划算法根据本地代价地图计算生成地面吊装点和目的卸货点之间的本地路径规划，并结合初始姿态数据和三维模型数据选出本地最优路径以尽量符合全局最优路径；本地路径规划器将全局最优路径分成很多的小段，分段执行，并结合本地代价地图再进行本地路径规划，实现了对动态障碍物的避障；
73.s1085：将本地最优路径设定为塔机预设运行路径并生成目标姿态数据，通过碰撞
监测算法和路径规划算法，在躲避环境障碍物的同时，调用全局路径规划器找到一条到达目标姿态的较优路径，并调用本地路径规划器使塔机在运行过程中能沿着规划路径前进并动态规避障碍物；当塔机运动的导航路线受阻的时候，会触发“异常恢复”插件的功能，来对导航路线进行调整，如果调整失败，会结束导航。
74.具体实施时，如图7所示，在步骤s110中，根据路径操控指令驱动塔机吊钩运行之前，塔机无人驾驶控制方法还包括：
75.s1101：实施监测塔机的环境风速以及塔机起重的货物重量；
76.s1102：在塔机的环境风速大于预设值和/或塔机起重的货物重量大于预设值时控制塔机吊钩停止运行。
77.具体实施时，在步骤s110中，根据路径操控指令驱动塔机吊钩运行过程中，塔机无人驾驶控制方法还包括：
78.s1103：实施监测塔机的环境风速以及塔机起重的货物重量；
79.s1104：在塔机的环境风速大于预设值和/或塔机起重的货物重量发生突变时控制塔机吊钩停止运行。
80.塔机无人驾驶控制方法借助ros moveit平台，如图8所示，实现对塔机的建模、运动规划、避障等操作。使塔机在复杂的环境中进行运动规划，从一个地点安全的到达另外一个地点。使用激光雷达传感器30实时的监控塔机周围的环境，并反馈给运动规划系统。塔机再根据这些变化，进行动态的调整。moveit中的move_group节点将根据塔机模型urdf文件、配置srdf文件、塔机初始状态信息、塔机目标位姿信息、环境信息，调用kdl运动学算法，ompl运动规划算法、插补算法、fcl碰撞监测算法生成所需的运动轨迹，此轨迹以pvt格式数组的形式表示塔机运动轨迹上的位姿、速度、加速度等信息。采用kdl正逆运动学求解器及ompl轨迹规划器，能够快速将笛卡尔空间位姿转化为对应的关节角位姿。采用rrt算法作为塔机仿真分析的路径规划算法，rrt找到路径之后，moveit对路径进行塔机位姿插补、逆运动学求解等运动规划，最终生成塔机控制器可执行的关节实时运动信息文件。如图9和图10所示，在进行运动规划前，需要对定位对讲机的坐标信息进行采集处理，转化为塔机的姿态信息作为目标位姿信息，首先设定塔机的目标姿态，然后发送运动规划请求。规划请求适配器对目标位姿进行预处理请求，帮助纠正塔机各机构的非法状态，同时也可添加速度、加速度约束，实现参数化运动规划。运动规划器根据设定的位置、方向约束条件进行运动规划，并生成轨迹，同时规划请求适配器可对生成的轨迹添加时间参数等，最终生成运动轨迹信息，并转化为塔机路径操控指令发送给塔机电控单元50，塔机电控单元50驱动塔机执行机构60实现对塔机的控制。自主路径规划和自主运行使塔机达到了塔机无人驾驶的智能化操控水平，主动防碰撞功能为塔机的安全有效吊装提供了强有力的支撑，从实际出发达到塔机施工智能化、少人化、无人化的理念。
81.塔机无人驾驶控制方法具体实施时，地面操作人员先后使用两个对讲定位操控终端10远程呼叫塔机；塔机收到呼叫指令后，中央控制单元40通过无线通信模块70定位地面操作人员的目标位置并获取地面吊装点和目的卸货点的实时空间位置数据，信息传感器组20收集塔机运行过程中的塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度以及塔机起重臂的回转角度数据并下发，激光雷达传感器30扫描获取塔机周围环境的三维建模数据并下发；中央控制单元40用于根据激光雷达传感器30扫描的三维建模数据生成塔机周围环境障碍物
的三维模型数据，以及根据塔机吊钩的起吊高度、塔机小车的运转幅度、塔机起重臂的回转角度数据、地面吊装点或目的卸货点的实时空间位置数据以及三维模型数据生成塔机预设运行路径，并转化成路径操控指令；塔机电控单元50执行路径操作指令，以驱使塔机执行机构60驱动塔机按照塔机预设运行路径运转。控制方法包括两个对讲定位操控终端10操作、智能吊装自主路径规划、主动防碰撞和自主运行等功能，实现从“塔机高空操作变地面操作”到“远程智能控制”的跨越，解决塔司在高空中作业的恶劣环境，提高现场吊装精度，有效保障了司机人身安全。
82.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。