基于超聲波測距的塔吊防碰撞探測器設計*

許景波， 趙　宇， 沈永濱， 崔曉萌， 劉　泊

(哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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基于超聲波測距的塔吊防碰撞探測器設計*

許景波， 趙宇， 沈永濱， 崔曉萌， 劉泊

(哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

摘要:針對塔吊作業(yè)防碰撞問題，設計了用于障礙物檢測的防碰撞探測器。基于超聲波測距原理，探測器可以對接近塔吊臂的障礙物主動檢測，發(fā)出報警信息。從系統(tǒng)的構成、工作方式、探測器結構設計和安裝布置等幾方面進行了詳細論述，通過Matlab仿真對設計結果進行了驗證。該設計擴寬了探測器檢測范圍，通過多節(jié)點布置，對塔吊臂形成了封閉的三維保護區(qū)，有效避免事故發(fā)生，對于塔吊安全運行具有重要意義。

關鍵詞：塔吊; 超聲波測距; 防碰撞; 結構設計

0引言

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，塔吊作為一種主要的搬運機械，越來越被廣泛應用，然而，塔吊碰撞傾翻事故時有發(fā)生，面向塔吊防碰撞問題的研究也相繼開展起來?，F(xiàn)有的研究大多采用如下方法[1～4]：進行自身高度、幅度和回轉角度等參數(shù)的檢測，由無線組網技術將這些參數(shù)傳遞給周圍塔吊，同時也接收其它塔吊傳遞來的參數(shù)。由周圍塔吊和自身的位置狀態(tài)信息，判斷安全作業(yè)區(qū)域，進行預警、規(guī)劃路徑以及主動避讓。這種方法要求通信鏈路必須可靠，如果產生數(shù)據包丟失，將對塔吊的安全作業(yè)帶來隱患。此外，這是一種被動檢測方式，對于障礙物則不能主動探測。

本文根據超聲波測距原理設計了一種塔吊防碰撞探測器，它對進入保護區(qū)的障礙物能夠主動探測，向主控室發(fā)出報警信息，使駕駛員能夠及時采取措施進行避讓。由于采取的是直接探測、總線連接方式，有效避免了已有方法的不足。

1超聲波測距原理

由發(fā)射器發(fā)出一組超聲波，當遇到障礙物時發(fā)生反射，接收器用來接收反射波，則得到發(fā)射器到障礙物的距離s為

s=t×v/2,

(1)

式中t為發(fā)射到接收所經歷的時間，v為超聲波波速，常溫下為344 m/s。所以，測得超聲波傳播的時間就可以間接地得到距離[5,6]。

由于超聲波方向性強，即垂直于發(fā)射表面的一定區(qū)域內能量集中，超出這一區(qū)域能量衰減很快，這就形成了波束角，一般在30°左右。而塔吊臂作業(yè)空間寬闊，需要在0°～180°范圍內檢測障礙物，要使用超聲波傳感器進行防碰撞保護，必須加寬其檢測范圍。探測器在塔吊臂上的安裝形式如圖1所示。

圖1　探測器布置示意圖Fig 1　Diagram of detectors layout

整個系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。在每個節(jié)點中，為了防止超聲波傳感器之間的干擾，單片機采用時分復用的輪巡控制方式，即讓每一只超聲波傳感器分時工作，每次單獨完成一個測距周期，所以，各節(jié)點類似于不斷進行掃描探測的數(shù)字式雷達[7]。節(jié)點單片機對各傳感器檢測距離進行仲裁，取最小值作為探測器的實際檢測距離。各節(jié)點通過CAN總線不斷向主控室發(fā)送探測信息，在小于安全距離時發(fā)出報警信號，以使駕駛員做出正確判斷，及時避讓。

圖2　硬件組成框圖Fig 2　Block diagram of hardware composition

2探測器結構設計

為了有效拓寬檢測范圍，可以將超聲波傳感器布置成陣列的形式，在“傳感器數(shù)量少，檢測范圍寬”的原則下，對傳感器檢測范圍進行組合，形成一種探測器的結構。本文所設計的探測器是一種弧形十字支架結構，在支架的四端和中間交叉點分別布置5只超聲波傳感器，如圖3(a)所示。設傳感器的直徑為D，波束角為θ，傳感器之間相鄰角度為φ，相鄰弧長為l，則可根據弧長計算式(2)，計算出此支架的半徑R

(2)

傳感器的相鄰弧長l為

(3)

整個安裝支架的弧長L和對應角度ψ為

L=3D+2l,ψ=3θ+2φ.

(4)

從橫縱兩個方向考慮，該探測器在空間上形成了錐度為ψ的錐形探測區(qū)間，如圖3(c)所示。一般地，超聲波傳感器的波束角θ=32°，可以布置傳感器相鄰角度φ=6°，那么,整個探測器就形成了錐度為108°的探測空間，而探測半徑為超聲波傳感器的最大測量距離。

圖3　探測器結構Fig 3　Detector structure

對于探測器的安裝布置，要保證相鄰探測器之間構成封閉的檢測區(qū)間，以形成對塔吊臂的有效保護，如圖4所示，ai為兩個相鄰探測器之間的距離，c為交點至超聲波傳感器的距離，h為交點距塔吊臂的高度，則可以得到ai的計算為

(5)

圖4　探測器的安裝作用區(qū)域Fig 4　Installation and effect area of detectors

改變安裝間距ai或探測區(qū)間錐角ψ的大小，相應地可以改變交叉點至吊臂的高度h。塔式起重機安全規(guī)程中規(guī)定[8]，兩臺起重機之間的最小架設距離應保證處于低位起重機的臂架端部與另一臺起重機的塔身之間至少有2m安全距離，所以,應保證h≤2m。

設塔吊臂長為F，那么,在整個吊臂內所要安裝的防碰撞節(jié)點數(shù)目n為

(6)

式中ROUND為四舍五入取整函數(shù)。

3仿真實例與分析

本文所選塔吊型號為QTZ63，起重臂長45m，要在其上布置超聲波探測器，構成三維空間的保護區(qū)。這里,探測器上所選用的超聲波傳感器型號為DYA—35—5A，波束角為32°，該傳感器最大探測范圍5m，傳感器直徑為65mm。采用Matlab軟件進行計算仿真。

圖5　Matlab仿真分析圖Fig 5　Simulation analysis diagram by Matlab

按照本文所設計的由5只傳感器構成的探測器，其支架半徑為116.4mm，探測范圍108°。按照式(5)，限制h=2m，計算得出相鄰探測器之間的間距為5.7m，那么，在QTZ63塔吊臂上需要布置8個這樣的節(jié)點。塔吊臂的覆蓋區(qū)域如圖5(a)所示，可以看出這些節(jié)點形成了封閉的保護區(qū)，完全覆蓋了整個吊臂。圖5(b)是相應的剖面圖，左右兩個探測器共同作用，區(qū)域為-18°～198°。另外，可以增加探測器的作用范圍，在橫縱支架上各增加一只傳感器，那么探測器的范圍達到了146°。這時只需5個節(jié)點即可覆蓋整個吊臂，傳感器間距為9.3 m，如圖5(c)所示，并且h只有1.38 m。圖5(d)是相應的剖面圖，其作用區(qū)域為-56°～236°。

從以上分析可以看出：如果探測器所用傳感器數(shù)量少，則作用范圍窄，而在整個塔吊臂上需要布置更多的節(jié)點。但要增加探測器作用范圍，就需要更多的傳感器，這樣所需要布置的節(jié)點相對減少,這需要在工程實踐中根據具體情況靈活掌握。

4結論

本文基于超聲波測距原理設計了一種塔吊防碰撞探測器，它可以主動探測起重臂工作范圍的障礙物，發(fā)出報警信息。從其工作方式上，可以看作一種數(shù)字掃描式“防碰撞雷達”，為塔吊防碰撞領域研究提供了一種新的思路。本文詳細給出了探測器的結構設計和節(jié)點布置，通過仿真實驗進行了驗證，對于工程應用具有指導意義。

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Design of detector for tower crane anti-collision based on ultrasonic distance measurement*

XU Jing-bo, ZHAO Yu, SHEN Yong-bin, CUI Xiao-meng, LIU Bo

(College of Measurement-Control Technology & Communication Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

Abstract:Aiming at problem of tower crane anti-collision,a detector for obstacle detection is designed.Based on principle of ultrasonic distance measurement,detector can automatically detect obstacles close to tower crane arm and send alarm message.System composition,operation mode,detector structure design and installation are illustrated indetail,design result is verified by Matlab simulation.The design broadens detection range,and closed three-dimensional protection zone around tower crane arm is formed through multiple nodes arrangement,that avoids accident effectively and it is of great significance for safe operation of tower crane.

Key words:tower crane; ultrasonic distance measurement; anti-collision; structure design

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0127—03

收稿日期：2015—07—09

*基金項目：2013年住建部研究開發(fā)資助項目(2013—R3—7)

中圖分類號：TP 212

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0127—03

作者簡介:

許景波(1973-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，工學博士，教授，研究方向為精密測量、信號處理。