基于ZigBee技術(shù)的塔機(jī)群防碰撞控制系統(tǒng)

楊 輝，周文海，劉海龍

（1. 華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，南昌 330013；2. 江西省先進(jìn)控制與優(yōu)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013）

0 引言

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑施工機(jī)械——塔式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)塔機(jī)）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。同時(shí)，為提高作業(yè)效率，在同一建筑施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常需要同時(shí)布置多臺(tái)塔機(jī)近距離交叉作業(yè)[1]，這樣塔機(jī)與塔機(jī)之間、塔機(jī)與周?chē)潭ㄕ系K物之間就有可能發(fā)生碰撞，這給塔機(jī)的安全、高效運(yùn)行帶來(lái)種種隱患，因此對(duì)塔機(jī)群防碰撞控制系統(tǒng)的研究具有重要意義。

針對(duì)塔機(jī)群防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[2]提出了通過(guò)比較兩臺(tái)塔機(jī)吊重到各自中心距離之和與兩臺(tái)塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心之間距離的關(guān)系來(lái)判斷塔機(jī)是否有碰撞危險(xiǎn)。實(shí)際上當(dāng)高位塔機(jī)吊重到其中心的距離與低位塔機(jī)吊臂之和大于兩臺(tái)塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心之間的距離時(shí)塔機(jī)就有碰撞危險(xiǎn)。文獻(xiàn)[3]提出的基于超聲傳感器和Kalman濾波的塔機(jī)群防碰撞算法，然而超聲波測(cè)距適用于在塔機(jī)相距比較近時(shí)，塔機(jī)相距遠(yuǎn)了誤差就會(huì)比較大。且在塔機(jī)吊臂上布置傳感器時(shí)，會(huì)出現(xiàn)重疊區(qū)或盲區(qū)，降低了數(shù)據(jù)的有效性及實(shí)時(shí)性，進(jìn)入盲區(qū)后塔機(jī)有可能發(fā)生碰撞。

ZigBee作為一種短距離的雙向無(wú)線通信技術(shù)，具有低功耗、低復(fù)雜度及低成本等特點(diǎn)?；诖?，本文采用無(wú)線通訊ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)塔機(jī)群狀態(tài)信息的交互，建立塔機(jī)群控模型和防碰撞運(yùn)行控制算法，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)防碰撞。采用自主進(jìn)入與自主退出技術(shù)，滿足了大型建筑工程塔機(jī)群協(xié)同交叉作業(yè)的需要，提高了塔機(jī)的工作效率和安全性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和硬件平臺(tái)搭建

本系統(tǒng)采用分布式控制模式，每臺(tái)塔機(jī)控制器都是一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)控子系統(tǒng)，各個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)無(wú)主從之分。每個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)分別獲取自身塔機(jī)的幾何參數(shù)包括塔機(jī)機(jī)型、塔身高度、坐標(biāo)位置，再根據(jù)本塔機(jī)周?chē)系K物的幾何參數(shù)和本塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，就可設(shè)計(jì)本塔機(jī)與固定障礙物的防碰撞算法。通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)可獲取相關(guān)塔機(jī)的幾何參數(shù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，并建立塔機(jī)群控模型，就可設(shè)計(jì)塔機(jī)與塔機(jī)之間的防碰撞運(yùn)行控制算法，得到塔機(jī)的控制決策。塔機(jī)群防碰撞控制系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 塔機(jī)群防碰撞系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)圖

在這種分布式結(jié)構(gòu)中，整個(gè)系統(tǒng)的防碰撞任務(wù)被分散到各個(gè)塔機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)中，各個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)選擇有利于自己局部利益的控制決策，決策的制定和任務(wù)的執(zhí)行表現(xiàn)出并行的特點(diǎn)，這種并行處理機(jī)制大大提高了問(wèn)題求解效率[4]。由于在分布式結(jié)構(gòu)中每個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、邏輯分析與控制，這樣不僅計(jì)算量巨大，而且影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此，在程序初始化時(shí)將那些彼此不會(huì)發(fā)生干涉的塔機(jī)、障礙物排除在計(jì)算循環(huán)之外，這樣可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

監(jiān)控子系統(tǒng)硬件平臺(tái)以ARM9微處理器為核心，由信號(hào)采集處理模塊、無(wú)線通訊ZigBee模塊、報(bào)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、輸出控制模塊和人機(jī)交互模塊[5]組成，如圖2所示。

圖2 防碰撞監(jiān)控子系統(tǒng)硬件框圖

本系統(tǒng)主要是采集塔機(jī)吊重高度、回轉(zhuǎn)、幅度等參數(shù)，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、信息交互、防碰撞運(yùn)算、輸出預(yù)警等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)各塔機(jī)的在線監(jiān)測(cè)。

2 無(wú)線通訊ZigBee技術(shù)組網(wǎng)通訊

2.1 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧包括IEEE802.15.4和ZigBee聯(lián)盟定義，如圖3所示。

圖3 ZigBee協(xié)議棧

IEEE802.15.4是IEEE確定的低速率無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(Physical layer)和介質(zhì)訪問(wèn)控制層(Medium Access Control layer)[6]。物理層定義了物理無(wú)線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。介質(zhì)訪問(wèn)控制層負(fù)責(zé)處理所有的物理無(wú)線信道訪問(wèn)，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和同步信號(hào)；支持PAN連接和分離，提供兩個(gè)對(duì)等MAC實(shí)體之間可靠地鏈路。

ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)安全層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)安全層主要用于WPAN的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等；應(yīng)用層主要為實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

2.2 無(wú)線通訊ZigBee模塊組網(wǎng)方式

塔機(jī)群防碰撞無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)采用的是動(dòng)態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)路由就是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)可利用的所有路徑進(jìn)行搜索，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇一個(gè)最方便最快速的方案來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的傳輸。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方式采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少需要一個(gè)FFD實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能，終端設(shè)備可以是RFD用來(lái)降低系統(tǒng)成本。

圖4 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

每個(gè)塔機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)都是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)根據(jù)約定好的協(xié)議向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送含自身塔機(jī)編號(hào)、吊重高度、幅度、回轉(zhuǎn)、吊臂長(zhǎng)、坐標(biāo)、塔身高度等防碰撞所需信息。同時(shí)各個(gè)塔機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)會(huì)接收無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的信息，并判斷是不是傳送給自己的信息，若是的話就可以進(jìn)行信息的接收。由于塔機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)擺放順序具有隨機(jī)性，且數(shù)量有增減，所以在配置ZigBee模塊時(shí)采用路由設(shè)備類(lèi)型和廣播發(fā)送模式，當(dāng)系統(tǒng)中任意一個(gè)塔機(jī)節(jié)點(diǎn)失效、移動(dòng)位置或增減塔機(jī)數(shù)量，無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)能自動(dòng)愈合重新組網(wǎng)[7]。

2.3 無(wú)線通訊ZigBee收發(fā)數(shù)據(jù)

無(wú)線通訊ZigBee模塊實(shí)際就相當(dāng)于一個(gè)無(wú)線串口，為了提高運(yùn)行效率，系統(tǒng)采用多線程同步方式，有效避免多線程阻塞及沖突問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)里用串口調(diào)試助手模擬兩個(gè)模塊的通訊狀態(tài)如圖5所示。由于串口收發(fā)是以十六進(jìn)制的形式進(jìn)行，而實(shí)際過(guò)程中塔機(jī)的運(yùn)行參數(shù)有些會(huì)精確到小數(shù)點(diǎn)后面，所以我們一律將要傳送的塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)乘以100，再轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制發(fā)送。我們以接收到的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：FF FF 02 01 13 88 26 48 27 10 27 10 05 9B 09 2A 5C 0F 00。其中FF FF是起始碼，后面的分別表示自身塔機(jī)ID是02號(hào)，發(fā)送方塔機(jī)ID是01號(hào)，塔機(jī)1的塔身高度為50，臂長(zhǎng)98，坐標(biāo)為（100，100），吊重高度14.35，實(shí)時(shí)幅度23.46，回轉(zhuǎn)角度235.67。

圖5 實(shí)驗(yàn)室里模擬兩個(gè)模塊的通訊狀態(tài)

3 塔機(jī)群建模和防碰撞算法設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取最佳位置的一臺(tái)塔機(jī)作為參考原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，確保所有塔機(jī)均在第一象限內(nèi)，各塔機(jī)中心相對(duì)于參考原點(diǎn)的X，Y軸距離即為該塔機(jī)的坐標(biāo)。選取塔臂為高度的參考零點(diǎn)，這樣在塔身往上加標(biāo)準(zhǔn)節(jié)時(shí)程序中就不用修改高度的參考零點(diǎn)了。一般以正北方向?yàn)榻嵌鹊幕鶞?zhǔn)零度，小車(chē)在最小幅度時(shí)為幅度零點(diǎn)。這樣建立的坐標(biāo)系就可將系統(tǒng)中需要計(jì)算的距離所涉及到的點(diǎn)、線、面轉(zhuǎn)化到了二維坐標(biāo)系中。

在塔機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際工況可能比較復(fù)雜，特別是當(dāng)同一施工工地有多臺(tái)塔機(jī)同時(shí)交叉作業(yè)時(shí)，避免塔機(jī)可能發(fā)生的碰撞就顯得尤為重要。塔機(jī)可能發(fā)生的碰撞主要分兩種：第一種類(lèi)型是防止塔機(jī)與塔機(jī)之間的相互碰撞，第二種類(lèi)型是防止塔機(jī)與周?chē)潭ㄕ系K物的碰撞。

第一種類(lèi)型是防止塔機(jī)與塔機(jī)之間的碰撞，如圖6中塔機(jī)1和塔機(jī)2在交叉區(qū)域可能發(fā)生的碰撞。主要包括兩個(gè)方面：塔機(jī)高度相同時(shí)起重臂之間的碰撞、塔機(jī)高度不同時(shí)高位塔機(jī)的起升繩或吊鉤與低位塔機(jī)起重臂之間的碰撞。塔機(jī)與塔機(jī)之間防碰撞算法設(shè)計(jì)分四部分：1）是對(duì)交叉區(qū)域的圈定。如圖6所示兩塔機(jī)的吊臂臂長(zhǎng)分別為r1和r2。根據(jù)兩臺(tái)塔機(jī)的坐標(biāo)，可以求出塔機(jī)中心的距離d和q1，根據(jù)余弦定理可求出q2，這樣就可以得到兩個(gè)夾逼角度q1-q2和q1＋q2，當(dāng)塔機(jī)1的角度大于q1-q2小于q1＋q2時(shí)就說(shuō)明塔機(jī)1進(jìn)入了交叉區(qū)域。2）是兩塔機(jī)高度幅度方向上的防碰撞。如圖7所示TC1是高位塔機(jī)，TC2是低位塔機(jī)，若滿足L1+r2>d且h1

圖6 塔機(jī)群中任意兩臺(tái)塔機(jī)運(yùn)行俯視示意圖

圖7 高低位塔機(jī)在高度幅度方向上的防碰撞

根據(jù)式(1)可求出三角形BCD的面積S，由式(2)可求出TC1吊臂頂點(diǎn)B到TC2吊臂CD的垂直距離。用同樣的方法可求出TC2吊臂頂點(diǎn)到TC1吊臂的垂直距離，取小者為兩塔機(jī)相距的最小垂直距離。4)就是比較一下這個(gè)最小垂直距離和設(shè)定的塔機(jī)群防碰撞安全距離的關(guān)系。當(dāng)兩塔機(jī)都進(jìn)入交叉區(qū)域且高度幅度方向上標(biāo)記危險(xiǎn)了，這時(shí)當(dāng)兩塔機(jī)相距的最小垂直距離小于塔機(jī)防碰撞安全距離時(shí)就認(rèn)為有發(fā)生碰撞的可能，并輸出相應(yīng)控制決策。反之，則認(rèn)為塔機(jī)運(yùn)行安全，具體流程如圖8(a)。

圖8 塔機(jī)防碰撞流程圖

第二種類(lèi)型是防止塔機(jī)與周?chē)潭ㄕ系K物的碰撞，如圖6中塔機(jī)1和固定障礙物之間可能發(fā)生的碰撞。塔機(jī)與周?chē)潭ㄕ系K物的防碰撞算法設(shè)計(jì)首先要對(duì)固定障礙物進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，在其周?chē)由弦欢ǖ脑Ａ亢蟮刃榉叫徒Y(jié)構(gòu)。根據(jù)(x3, y3)， (x4, y4)可求出固定障礙物的區(qū)域?，在現(xiàn)場(chǎng)還可以量出固定障礙物所占變幅L1和L2。當(dāng)障礙物高度高于塔機(jī)高度時(shí)，進(jìn)入固定障礙物的區(qū)域?就有碰撞危險(xiǎn)了。當(dāng)障礙物高度低于塔機(jī)高度時(shí)，塔機(jī)同時(shí)滿足進(jìn)入固定障礙物的區(qū)域?、幅度在L1和L2之間、吊重高度小于障礙物高度時(shí)才有碰撞危險(xiǎn)。其它情況都能安全運(yùn)行，具體流程如圖8(b)所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

我們?cè)谀彻さ匕惭b了三臺(tái)塔機(jī)群防碰撞監(jiān)控子系統(tǒng)，工地現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示，三臺(tái)塔機(jī)近距離矗立， 彼此都有交叉區(qū)域，周?chē)€有固定障礙物。監(jiān)控子系統(tǒng)界面如圖10所示，三角扇形為交叉區(qū)域弧形扇形為障礙物區(qū)域，當(dāng)塔機(jī)有碰撞危險(xiǎn)時(shí)，都能及時(shí)報(bào)警處理。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，跟其它的防碰撞系統(tǒng)相比本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)就是最大限度的加大了群塔近距離交叉作業(yè)的區(qū)域。本系統(tǒng)計(jì)算了相關(guān)兩塔機(jī)吊臂對(duì)地運(yùn)動(dòng)后在同一平面上的垂直距離，當(dāng)該距離大于防碰撞安全距離且無(wú)碰撞可能時(shí)塔機(jī)都能安全運(yùn)行，使塔機(jī)運(yùn)行更加靈活，提高了塔機(jī)的工作效率和安全性。

圖9 某工地三臺(tái)塔機(jī)交叉作業(yè)實(shí)際工況圖

圖10 塔機(jī)群防碰撞監(jiān)控子系統(tǒng)界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)在同一建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的多臺(tái)塔機(jī)近距離交叉作業(yè)時(shí)可能發(fā)生的碰撞，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)的塔機(jī)群防碰撞控制系統(tǒng)。通過(guò)塔機(jī)群運(yùn)行狀態(tài)信息的交互，建立了塔機(jī)群控模型和防碰撞運(yùn)行控制算法。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明該系統(tǒng)能有效的防止塔機(jī)與塔機(jī)之間和塔機(jī)與周?chē)系K物之間的碰撞，在確保塔機(jī)安全運(yùn)行的同時(shí)，有效的提高了塔機(jī)群的工作效率，具有良好的市場(chǎng)前景。

[1] 楊清泉, 劉春林. 塔機(jī)防碰撞及工作區(qū)域限制技術(shù)[J]. 建筑機(jī)械, 2004, (07): 78-80.

[2] 劉曉勝, 周進(jìn). 塔機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵控制算法研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2010, 10 (24): 5889-5895.

[3] 張亞磊, 段志善. 基于超聲傳感器和Kalman濾波的塔式起重機(jī)防碰撞研究[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械, 2010, (10): 31-34.

[4] 陳幫, 張洪濤. 基于嵌入式Linux的塔機(jī)群防碰撞控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程, 2011, (3): 346-348.

[5] 楊輝, 劉海龍, 高子潔. 基于ARM9及WinCE6.0的塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2012, (1): 78-80.

[6] 楊福寶. 基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2011, 33 (10): 85-88.

[7] 鄭夕健, 宋爭(zhēng)艷, 謝正義, 費(fèi)燁. 基于ZigBee的塔機(jī)群控?zé)o線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2010,(5): 1-3.