基于多點位的三維空間群塔防碰撞算法

摘 要工地塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)中防碰撞功能是其核心功能之一，市場上大多數塔機監(jiān)控產品的群塔防碰撞性能不夠完善和穩(wěn)定。本文采用基于多點位的三維空間群塔防碰撞算法，通過實時狀態(tài)更新，系統(tǒng)會自動生成群塔的三維模型，通過計算水平相關性、高度相關性得出防碰撞關系。實際操作中，只需要通過相對距離和塔機參數設定，即可完成群塔防碰撞預警設置。規(guī)模使用結果表明，該算法大大提高了工地塔機監(jiān)控系統(tǒng)的群塔防碰撞預警性能。

【關鍵詞】多點位 塔機 防碰撞 相關性

1 區(qū)域防碰撞

塔吊碰撞分為區(qū)域碰撞和塔間碰撞。

區(qū)域防碰：即單臺塔機在其作業(yè)半徑范圍內有障礙物，例如高壓線，樓宇等。

1.1 有限/無限高度禁行區(qū)

禁行區(qū)防碰撞中，存在有限/無限高度的角度禁行區(qū)，比如高樓、電線桿等。無限高度禁行區(qū)，則塔吊大臂不能到達起始角度-終止角度之間的區(qū)域，設定右轉報警角度和左轉預警角度，則檢測到塔吊大臂進入報警區(qū)域后，設備報警。

1.2 兩點確定的直線禁行區(qū)

實際工地現場，常出現兩點確定的直線禁行區(qū)，如圖1中禁行區(qū)AB。塔吊大臂為OC，C點為當前小車的位置，當C點碰到禁行區(qū)AB時，將發(fā)生預警。

首先已知塔吊中心點的坐標：

禁行區(qū)起始和終止角度：

禁行區(qū)起始和終止幅度：

確定起始點坐標：

（1）

同理，確定終點坐標：

（2）

最后確定碰點C的坐標：

（3）

根據A點和B點的坐標可以計算出AB確定的直線：； （4）

計算碰點C到直線禁行區(qū)AB的距離：，判斷計算出來的dist與預警和報警值的大小，得出是否預警。

2 塔間防碰撞

塔間防碰撞，即兩臺及兩臺以上塔機共同使用時，存在重疊的作業(yè)半徑，使得塔機與塔機間發(fā)生碰撞的可能。在符合布塔規(guī)范的情況下，只存在高塔機的吊鉤碰低塔機的大臂或平衡臂。

實際情況下，可能存在布塔不規(guī)范，導致更多碰撞的情況，例如大臂碰大臂，大臂碰塔身等。

主動防碰和非主動防碰的區(qū)別：

非主動防碰撞，即為當兩臺塔機中任何一臺塔機的大臂進入陰影區(qū)域，就開始報警。這個實現方式，可以省去塔機間的通訊模塊，降低成本，但是存在誤警漏警。

主動防碰，即兩個大臂靠近到一定角度時，再根據小車位置等參數計算是否報警。該方式需要有塔機通訊模塊。

2.1 群塔坐標確定

群塔防碰撞算法，通過本塔和相關塔的“靜態(tài)參數”和“實時數據”來計算。其中，靜態(tài)參數主要包括：靜態(tài)坐標，大臂長度、平衡臂長度、塔身高度、塔頂高度。實時數據包括：回轉角度、吊鉤高度和幅度。

每一臺塔吊以自身為本塔，其他塔吊作為相關塔。防碰撞關系的確定，首先要計算出每臺相關塔吊相對于自身的相對坐標。本塔坐標都是默認值，利用極坐標方法，通過回轉傳感器測量出來的回轉角度和各塔到本塔的間距，自動計算相關塔的相對坐標。

2.2 水平相關性

水平相關性，指的是在水平面上兩塔之間是否具有碰撞關系。

當兩個塔機中心點的距離d

2.3 高度相關性

當兩塔具備水平相關性時，才考慮高度相關性。高度相關性是指，塔機之間存在空間上的高度差異，存在碰撞區(qū)域。

如果“本塔塔身高度”>“相關塔塔頂高度”，則本塔是高塔機；如果“本塔塔頂高度”< “相關塔塔身高度”，則本塔是低塔機；除上述條件外，則本塔機是等高塔機。

塔吊防碰撞的三維立體模型依賴于三點坐標：前點、后點和吊鉤坐標點。前點即大臂最前端位置；后點即塔吊平衡臂最尾端點，吊鉤坐標點為當前吊鉤的位置點。

2.4 防碰撞計算

在群塔運動過程中，各塔機發(fā)生碰撞時，只需要從上述三點來計算碰撞關系，需要分別從碰撞距離和碰撞角度兩個方面去計算。

首先根據塔吊靜態(tài)參數和實時狀態(tài)數據，確定本塔相對于相關塔的類型。然后分別計算出各碰點的坐標，得出對應的碰撞角度和距離。

以“本塔機為低塔機時，本塔機大臂（前點）碰相關塔機吊鉤”為例：

（1）計算本塔中心坐標點到相關塔吊鉤坐標點的距離d1，當d1<本塔大臂長+預警距離時，吊鉤進入本塔機大臂的碰撞范圍；然后分別計算角度預警和距離預警；

（2）根據相關塔機吊鉤坐標點相對于本塔機的角度P_angle；當|P_angle-本塔實時角度|< 角度預警值時，觸發(fā)預警；

（3）實時計算相關塔吊鉤到本塔大臂的距離，當距離到達預警/報警范圍后，發(fā)生預警/報警。

3 算法實際使用效果

本文所闡述的防碰撞算法，其應用在具體監(jiān)控系統(tǒng)中時，整體系統(tǒng)的性能還取決于回轉傳感器以及幅度、高度傳感器的精度，這些數據的采集在此不作討論。

4 結束語

本文針對現有市場上塔吊監(jiān)控產品中群塔防碰撞性能的不足，提出覆蓋全面的群塔防碰撞算法，實用性強。已廣泛應用于全國多個工地的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)中，性能穩(wěn)定可靠，為工地塔機安全作業(yè)提供更好的保障。

參考文獻

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作者簡介

龔結龍（1988-），男，安徽省安慶市人。碩士研究生學歷、工程師。主要研究領域為工地安全監(jiān)控、電梯物聯安全監(jiān)控、物聯網技術研發(fā)、智能傳感器技術等。

作者單位

中國電子科技集團公司第五十二研究所 浙江省杭州市 310012