【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数字孪生，具体设计一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统及构建方法。
技术介绍
1、随着建筑行业的快速发展，塔式起重机在高层建筑施工中扮演着至关重要的角色。塔式起重机的安全性、操作效率和精确度直接影响到工程进度和施工安全。传统的塔式起重机监控方法依赖于现场操作员的视觉监控和手动控制，这不仅效率低下，而且在复杂或视线受限的环境中存在安全隐患。
2、为了提高塔式起重机的监控效率和安全性，现有的技术已经尝试引入自动化和远程监控系统。这些系统通常包括传感器、摄像头、定位装置等硬件设备，以及数据处理和远程控制软件。然而，这些系统在实际应用中仍面临一些挑战：
3、定位精度：传统的gps定位系统在精度上存在局限性，尤其是在需要高精度定位的建筑施工现场，这可能导致塔式起重机操作的不精确和潜在的安全风险。
4、数据处理和融合：现有的监控系统可能无法有效地处理和融合来自多个传感器的数据，特别是在动态变化的施工现场环境中，这限制了系统的实时定位和规划能力。
5、虚拟仿真与现实世界的同步：现有的技术在实现虚拟模型与实际塔式起重机操作的实时同步方面存在困难，这影响了远程监控的有效性和操作员对现场情况的准确理解。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术提出了一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统及构建方法，该系统通过高精度的rtk定位技术、多传感器数据融合、以及虚拟仿真与现实世界同步，显著提高了塔式起重机监控的精度、效率和安全性，最终实现对
2、为了实现上述的技术特征，本专利技术的目的是这样实现的：一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统，包括
3、物理设备模块：由塔式起重机的主体结构构成，作为系统的基础；
4、虚拟仿真模块：用于建立塔式起重机的运行环境模型，并根据物理设备模块中rtk定位装置采集的工作点坐标信息进行路径规划和仿真，为远程监控提供了一个直观的三维可视化界面，使得操作者能够在虚拟空间中进行路径规划和操作预演；
5、数据处理模块：用于处理传感器数据、控制数据和坐标数据，具体包括塔式起重机模型数据的更新、三维激光雷达扫描点云数据的处理、rtk定位装置获取的差分卫星数据的坐标转换、仿真路径数据的获取；
6、数据传输模块：用于在数据处理模块、物理设备模块、虚拟仿真模块和远程显示模块之间建立数据连接，并进行远程数据分发；
7、远程显示模块：用于呈现数字孪生的可视化显示界面，并提供用户交互界面，包括塔式起重机远程控制功能面板、运行状态的监测、虚拟运行状态与现实运行状态的对比以及实时定位作业点信息。
8、物理设备模块具体包括传感器设备、视频监控摄像头、rtk定位装置和电气控制设备；其中，传感器设备用于采集塔式起重机的运行状态信息和运行场景信息；视频监控摄像头用于实时监控塔式起重机及其周边环境；rtk定位装置用于实时获取工作点定位信息并传输至数据处理模块进行坐标转换；电气控制设备用于控制塔式起重机的运动。
9、一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统的构建方法，包括以下步骤：
10、步骤1，搭建物理设备模块：
11、在塔式起重机的关键机构上安装多种传感器和设备，包括回转部位的角度传感器、变幅部位的幅度传感器、起升部位的高度传感器、载荷传感器和塔式起重机顶部的风速仪，用于实时采集塔式起重机的运行数据；以及三维激光雷达，用于实时采集塔式起重机的运行数据和环境点云信息；同时，通过视频监控摄像头进行多角度视频监控，并使用rtk定位装置进行施工人员和工作点的实时定位；
12、步骤2，数据采集和传输：
13、基于塔式起重机的装配模型文件，创建统一机器人描述格式模型文件以生成塔式起重机的虚拟模型；并将物理设备模块中传感器数据、三维激光雷达点云数据以及rtk定位数据利用数据传输模块无线传输至数据处理模块，为下一步的数据处理做准备；
14、步骤3，数据分析和处理：
15、通过数据处理模块对收集到的数据进行分析处理，包括点云数据的预处理、坐标变换，以及rtk定位数据的读取和转换，并将处理后的数据传输至虚拟仿真模块；
16、步骤4，塔式起重机的仿真控制：
17、根据塔式起重机的实际运行状况定义场景坐标系，并将塔式起重机虚拟模型、点云环境模型和rtk定位数据融合至该坐标系下；利用实时定位数据进行动态路径规划仿真，并将仿真结果发送至plc控制器以指导塔式起重机的实际运行；
18、步骤5：塔式起重机的远程可视化：
19、远程端构建一个集成控制界面，使用moveit作为可视化仿真平台，实现实时定位数据、传感器控制、仿真功能控制以及路径仿真数据的集成管理；同时，将视频监控数据和传感器采集数据传输至集成控制界面，以便与虚拟仿真平台的运行状态进行实时对比显示。
20、所述步骤1中，在塔式起重机起重臂的前端和后端分别安装三维激光雷达，倾斜向下进行扫描，所述三维激光雷达的扫描数据被融合处理，以形成塔式起重机周围环境的完整点云场景模型，所述点云场景模型用于提供塔式起重机运行环境的高精度三维表示，以支持后续的数据处理和虚拟仿真模块的操作。
21、所述步骤2中，具体过程为：
22、首先，plc负责实时读取并存储塔式起重机的运行状态数据，这些数据包括起重臂的回转角度、起重小车的变幅位移、吊钩的起升高度、载荷重量以及风速关键参数；为实现数据的无线传输，系统通过物联网盒子与交换机相连，通过mqtt服务与塔式起重机的plc建立通信，并使用tcp协议将数据无线传输至数据处理模块；
23、同时，系统通过tcp协议与三维激光雷达服务器建立稳定连接，远程操控三维激光雷达启动，并引导塔式起重机的起重臂旋转一周，以构建详尽的工作场景三维地图，所生成的点云数据通过http协议无线传输至数据处理模块，采用两个三维激光雷达以增强塔式起重机三维场景模型的准确性；
24、此外，物理设备模块中的视频监控摄像头负责捕捉实时视频流，并将视频流上传至云服务器，使得这些视频资料能够被远程显示模块随时调用和查看，rtk定位装置获取的原始数据为经纬度坐标数据，通过rtk定位软件将正确的坐标数据保存到本地，然后通过http协议发送至数据处理模块，为塔式起重机的精确定位和路径规划提供必要信息。
25、所述步骤3中，具体过程为：
26、通过对从plc接受的塔式起重机运行状态数据进行解码，获取塔式起重机当前的姿态数据，包括塔式起重机起重臂角度、起重小车位置、吊钩升起高度，这些数据作为塔式起重机后续路径规划的起始点；
27、对两个三维激光雷达扫描出的点云地图进行匹配融合，具体如下：
28、步骤3.1.1：使用统计方法识别并移除塔式起重机点云数据中传感器误差或环境干扰产生的噪声；应用高斯滤波算法，减少点云数据中的随机误差，提高数据质本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统，其特征在于，包括
2.根据权利要求1所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统，其特征在于，物理设备模块具体包括传感器设备、视频监控摄像头、RTK定位装置和电气控制设备；其中，传感器设备用于采集塔式起重机的运行状态信息和运行场景信息；视频监控摄像头用于实时监控塔式起重机及其周边环境；RTK定位装置用于实时获取工作点定位信息并传输至数据处理模块进行坐标转换；电气控制设备用于控制塔式起重机的运动。
3.权利要求1-2任意一项所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统的构建方法，其特征在于，所述步骤1中，在塔式起重机起重臂的前端和后端分别安装三维激光雷达，倾斜向下进行扫描，所述三维激光雷达的扫描数据被融合处理，以形成塔式起重机周围环境的完整点云场景模型，所述点云场景模型用于提供塔式起重机运行环境的高精度三维表示，以支持后续的数据处理和虚拟仿真模块的操作。
5.根据权利要求3所述一种基于数字
6.根据权利要求5所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统的构建方法，其特征在于，所述步骤3中，具体过程为：
7.根据权利要求5所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统的构建方法，其特征在于，所述数据处理和坐标转换具体为：
8.根据权利要求7所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统的构建方法，其特征在于，所述坐标转换的具体计算过程：
9.根据权利要求7所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统的构建方法，其特征在于，步骤4的具体步骤为：
10.根据权利要求7所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统的构建方法，其特征在于，步骤5的具体步骤为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统，其特征在于，包括
2.根据权利要求1所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统，其特征在于，物理设备模块具体包括传感器设备、视频监控摄像头、rtk定位装置和电气控制设备；其中，传感器设备用于采集塔式起重机的运行状态信息和运行场景信息；视频监控摄像头用于实时监控塔式起重机及其周边环境；rtk定位装置用于实时获取工作点定位信息并传输至数据处理模块进行坐标转换；电气控制设备用于控制塔式起重机的运动。
3.权利要求1-2任意一项所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述一种基于数字孪生的塔式起重机远程监控系统的构建方法，其特征在于，所述步骤1中，在塔式起重机起重臂的前端和后端分别安装三维激光雷达，倾斜向下进行扫描，所述三维激光雷达的扫描数据被融合处理，以形成塔式起重机周围环境的完整点云场景模型，所述点...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜轩，何鑫远，文朝辉，张志，李炜，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：
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