門座式起重機(jī)防碰撞系統(tǒng)研究

崔建平 鄧桂花

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-5684

摘? 要：針對(duì)門座式起重機(jī)之間距離近，主要依靠司機(jī)的操作水平和經(jīng)驗(yàn)來避障，缺乏有效的防碰撞檢測(cè)方法的問題，該文提出了基于數(shù)學(xué)模型的防碰撞方法和防碰撞系統(tǒng)，從傳感器選型、信號(hào)采集和傳輸、界面設(shè)計(jì)、防碰撞策略制定、程序設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)探討。結(jié)果表明，該系統(tǒng)以控制為核心，輔以有效檢測(cè)手段，能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)潛在的碰撞危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，并切斷危險(xiǎn)方向的動(dòng)作，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全，使門座式起重機(jī)始終能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行，提升作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：門座式起重機(jī)? 防碰撞? 控制? 策略

中圖分類號(hào)：TH21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）03（b）-0077-04

Research on Anti-collision System of Portal Crane

CUI Jianping1? DENG Guihua2

（1.China Railway Construction Heavy Industry Co.， Ltd.， Changsha， Hunan Province， 410000 China;

2.Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei Province， 430063? China）

Abstract： Aiming at the problem that gantry cranes are close to each other， mainly rely on the driver's operation level and experience to avoid obstacles， and lack of effective anti-collision detection method， this paper proposes an anti-collision method and anti-collision system based on mathematical model， and discusses in detail from sensor selection， signal acquisition and transmission， interface design， anti-collision strategy formulation， program design and other aspects. The results show that the system takes control as the core， supplemented by effective detection means， could warn the potential collision danger quickly and accurately and cut off the action in the dangerous direction， protect personal and property safety， make the gantry crane always be able to operate safely and stably， and improve the operation efficiency.

Key Words： Portal crane; Anti-collision; Control; Strategy

門座式起重機(jī)屬于港口常用的起重設(shè)備，是重要的貨物裝卸和搬運(yùn)設(shè)備，具有起升、回轉(zhuǎn)、變幅、沿軌道行走這4個(gè)動(dòng)作。通常在同一個(gè)軌道上會(huì)布置多臺(tái)門座式起重機(jī)，執(zhí)行裝卸作業(yè)時(shí)，往往是幾臺(tái)門座式起重機(jī)一同協(xié)作完成，它們之間的間距較近。所以協(xié)同作業(yè)時(shí)，門座式起重機(jī)之間會(huì)產(chǎn)生交叉作業(yè)區(qū)域。目前主要是依賴司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)來判斷運(yùn)行路徑上是否有障礙物，怎么進(jìn)行避障。但是人長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)會(huì)產(chǎn)生疲勞和視覺誤差，而且操作經(jīng)驗(yàn)因人而異，并不可靠，一旦發(fā)生碰撞將會(huì)帶來嚴(yán)重的危害，所以研究一種門座式起重機(jī)防碰撞系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)防碰撞具有非常重要的意義。

1? 系統(tǒng)介紹

該文介紹了如何進(jìn)行門座式起重機(jī)的防碰撞，包含信號(hào)的獲取、傳輸、處理，防撞策略的實(shí)施?？傮w來說，門座式起重機(jī)防碰撞系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、信號(hào)采集、通信系統(tǒng)、人機(jī)交互四大部分[1]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)防碰撞系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)傳感器信息的采集處理、門座式起重機(jī)之間通信建立、防撞策略的執(zhí)行等。

以西門子PLC為控制核心。獲取本機(jī)傳感器數(shù)據(jù)后，PLC將本機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送給相;鄰的門座式起重機(jī)，同時(shí)接收相鄰門座式起重機(jī)的信息，達(dá)到數(shù)據(jù)交換的目的[2]。

建立在數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上，本機(jī)PLC計(jì)算本機(jī)與相鄰門座式起重機(jī)的實(shí)時(shí)空間位置，運(yùn)行防碰撞策略，判斷有沒有碰撞的可能。如果有則限制該方向上的動(dòng)作[3]，直到危險(xiǎn)解除后限制才解除。

1.2 信號(hào)采集系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)門座式起重機(jī)之間的防撞，需要采集門座式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)角度、大車間距、幅度這3個(gè)信息。

采用編碼器進(jìn)行回轉(zhuǎn)角度的采集[4]。由于存在累計(jì)誤差，所以設(shè)置回轉(zhuǎn)零位，每當(dāng)回轉(zhuǎn)經(jīng)過該點(diǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)角度就校準(zhǔn)一次。同時(shí)為了安全可靠，防止傳感器出現(xiàn)故障而帶來誤判，采用冗余設(shè)計(jì)的方式，即布置兩套傳感器，當(dāng)兩者采集的數(shù)據(jù)相差較大時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，提醒用戶進(jìn)行檢查，防止發(fā)生故障而帶來隱患。

大車間距也是通過編碼器進(jìn)行采集。為了消除由于輪子打滑等因素所帶來的測(cè)量誤差，在沿途軌道邊上布置多個(gè)RFID進(jìn)行校準(zhǔn)[5]，確保采集的可靠性和精度。

由于門座式起重機(jī)在變幅過程中幅度變化是非線性的，所以幅度很難直接得到。采用在起重臂上安裝角度傳感器，測(cè)量起重臂與水平面的夾角，起重臂長(zhǎng)乘以夾角的余弦即得到當(dāng)前的幅度。

1.3 通信系統(tǒng)

門座式起重機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換是通過控制系統(tǒng)PLC與PLC之間的通信來實(shí)現(xiàn)的。PLC與PLC之間的通信方式很多，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況選擇不同的通信方式。

西門子PLC與PLC之間的通信可以采用S7通信。S7通信簡(jiǎn)單方便，只需要在一端組態(tài)即可。由于門座式起重機(jī)經(jīng)常會(huì)移動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境比較惡劣，所以采用無線通信的方式[6]。

1.4 人機(jī)交互系統(tǒng)

門座式起重機(jī)之間的防碰撞是協(xié)助司機(jī)完成作業(yè)，采用可視化設(shè)計(jì)使司機(jī)更好地了解系統(tǒng)的整體狀況。人機(jī)交互界面分為3個(gè)部分：最上面顯示動(dòng)作是否被限制，綠色表示未受限，紅色表示被限制;中間部分顯示門座式起重機(jī)的俯視圖，包括臂的位置、活動(dòng)范圍、回轉(zhuǎn)中心區(qū)域;最下方則顯示門座式起重機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，包括回轉(zhuǎn)角度、幅度、大車間距、回轉(zhuǎn)速度等。主界面圖如圖2所示。

2? 防碰撞策略

為了敘述方便，該次研究的門座式起重機(jī)簡(jiǎn)稱本機(jī)，相鄰門座式起重機(jī)簡(jiǎn)稱它機(jī)。

防碰撞是指基于自身傳感器采集的本機(jī)的位置信息，結(jié)合它機(jī)的位置信息，計(jì)算本機(jī)與它機(jī)有無碰撞的可能[7]。若有則限制本機(jī)當(dāng)前動(dòng)作，直到限制解除。防碰撞策略的實(shí)施包括以下5個(gè)步驟。

2.1 建立平面坐標(biāo)系

以本機(jī)回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，大車軌道為X軸建立直角坐標(biāo)系。同理，其他門機(jī)均依此建立坐標(biāo)系[8]。坐標(biāo)系均是獨(dú)立的，即每臺(tái)門機(jī)均建立自己的坐標(biāo)系。

如圖3所示，x-O1-y為本機(jī)坐標(biāo)系，x-O2-y為它機(jī)坐標(biāo)系。

2.2 預(yù)測(cè)臂在減速時(shí)間內(nèi)每個(gè)時(shí)刻的位置

設(shè)本機(jī)減速時(shí)間為t1，最大轉(zhuǎn)速為Nmax，最大減速時(shí)間為Tmax，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速為n1。它機(jī)減速時(shí)間為t2。

則t1=Tmax×n1/Nmax

設(shè)最大循環(huán)時(shí)間為T，

若t1≥t2，則T= t1;

若t1

設(shè)本機(jī)的回轉(zhuǎn)角度為θ1，角速度為w1，則在未來任一時(shí)刻t，本機(jī)的回轉(zhuǎn)角度：

若t≤t1，則：

α1=θ1+0.5×w1×t

若t>t1，則：

α1=θ1+0.5×w1×t1

2.3 計(jì)算臂與臂的交點(diǎn)

臂與臂相撞，抽象為數(shù)學(xué)模型就是兩條直線在某個(gè)時(shí)刻相交了，計(jì)算臂與臂的交點(diǎn)則轉(zhuǎn)化為計(jì)算直線與直線的交點(diǎn)[9]。在本機(jī)坐標(biāo)系下：

設(shè)本機(jī)臂的方程為：y=k1x;

它機(jī)臂的方程為：y=k2x+?;

如圖3所示，k1=Tan（θ1），|O1O2|為大車間距，設(shè)為D，|O2 b|為它機(jī)臂長(zhǎng)，設(shè)為L(zhǎng)，則k2= Tan（θ2），?=-d× Tan（θ2）。

所以，兩臂的交點(diǎn)的X坐標(biāo)x=?/（ k1- k2）=-d× Tan（θ2）/ （Tan（θ1）- Tan（θ2））。

2.4 判斷交點(diǎn)是否在交叉區(qū)域內(nèi)

實(shí)際上臂是有邊界的，所以前面計(jì)算的直線與直線的交點(diǎn)有可能在臂的延長(zhǎng)線上。臂與臂實(shí)際相撞的條件是交點(diǎn)在兩臂上，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)就是兩臂交點(diǎn)的X坐標(biāo)分別在兩臂的臂尖X坐標(biāo)與臂尾X坐標(biāo)之間。

如圖3所示，O1a為本機(jī)臂，O1b為它機(jī)臂，兩機(jī)臂的交點(diǎn)在b點(diǎn)。兩機(jī)臂交點(diǎn)的X坐標(biāo)分別為O1d和O2d。兩機(jī)的臂尖的X坐標(biāo)分別為O1c和O2d，所以判斷兩臂相交的條件為：

|O1d|≤|O1c|，且|O2d|≤|O2d|

2.5 系統(tǒng)報(bào)警并參與控制

若交點(diǎn)在交叉區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，并且禁止當(dāng)前方向的動(dòng)作，直到危險(xiǎn)解除或朝相反的方向動(dòng)作。

若交點(diǎn)不在交叉區(qū)域內(nèi)，則系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行判斷。

3? 程序框架

根據(jù)以上步驟，先計(jì)算本機(jī)和它機(jī)的減速時(shí)間，然后計(jì)算最大循環(huán)時(shí)間，在最大循環(huán)時(shí)間內(nèi)，循環(huán)計(jì)算回轉(zhuǎn)角度、兩直線的交點(diǎn)、判斷交點(diǎn)是否在線段上、進(jìn)而發(fā)出控制指令。

程序流程圖見圖4。

4? 結(jié)語

門座式起重機(jī)的防碰撞還可以延伸為與之結(jié)構(gòu)相似的臂架式起重機(jī)的防碰撞，兩者的防碰撞原理和策略相同。該文的成功應(yīng)用可解決目前港口門座式起重機(jī)依賴人工操作、自動(dòng)化程度偏低的弊端，可有效提高操作的安全性和舒適性，對(duì)港口機(jī)械的發(fā)展有著重要意義。

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