基于極坐標(biāo)系下塔式起重機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

虞長興，李鋒，孔佳利

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

長期以來，建筑業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)，有效發(fā)揮著帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長與促進(jìn)社會(huì)就業(yè)的作用。隨著國內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，塔吊行業(yè)也得到迅速發(fā)展。就目前的市場情況來看，塔吊行業(yè)仍存在巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑖鴥?nèi)的塔吊生產(chǎn)企業(yè)可以全力打造技術(shù)質(zhì)量和品牌效應(yīng)。塔式起重機(jī)的研發(fā)和制造對我國基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)起到很重要的作用。塔式起重機(jī)自身所具備工作效率高、起升高度高、回轉(zhuǎn)半徑大、安裝拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。所以在一些大型建設(shè)工地常通過塔式起重機(jī)群聯(lián)合作業(yè)，這對于塔式起重機(jī)的安全性和操作性提出了更為苛刻的要求。

要實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)的遠(yuǎn)程聯(lián)合控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、事故分析以及壽命預(yù)測等功能就需要開發(fā)基于現(xiàn)代電子技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的智能化塔式起重機(jī)系統(tǒng)。本文通過對國內(nèi)智能化塔式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，知道目前塔機(jī)的工作狀態(tài)監(jiān)控是我國塔機(jī)急需解決又必須解決的課題，因此研發(fā)了一種基于極坐標(biāo)系下塔式起重機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對塔機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控，還可以實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)對塔式起重機(jī)進(jìn)行控制需要在傳統(tǒng)塔式起重機(jī)上安裝一系列傳感元件和監(jiān)控設(shè)備，這些設(shè)備可通過WIFI連接或者通過藍(lán)牙連接，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)終端無線遠(yuǎn)程控制。本塔機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由距離傳感模塊、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角度傳感模塊、重量傳感模塊、計(jì)算機(jī)控制臺(tái)、機(jī)載三維成像儀、單片機(jī)、攝像頭七部分組成。采用多模塊一體化設(shè)計(jì)，多項(xiàng)模塊協(xié)調(diào)工作。

該控制系統(tǒng)的具體技術(shù)路線如圖1所示。將全方位障礙物檢測獲得的施工環(huán)境三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和各模塊數(shù)據(jù)匯總輸入計(jì)算機(jī)并與以塔身為極點(diǎn)建立的極坐標(biāo)系匹配，生成仿真施工環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖。然后對施工環(huán)境內(nèi)物體的位置進(jìn)行極坐標(biāo)化處理，再將這些坐標(biāo)信息無線數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，使其與生成的施工環(huán)境擬合出帶有施工環(huán)境內(nèi)所有物體極坐標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)環(huán)境圖像。該圖像用于輔助計(jì)算機(jī)計(jì)算塔機(jī)吊鉤初末位置之間的合理路徑，同時(shí)提供塔機(jī)駕駛員高空視野。利用傳感器模塊對起重機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]，計(jì)算機(jī)對塔機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)分析處理，提前對塔機(jī)極限狀態(tài)預(yù)測，并提供給地面控制臺(tái)實(shí)時(shí)影像和塔機(jī)數(shù)據(jù)參數(shù)。地面控制臺(tái)從塔機(jī)的各模塊接收數(shù)據(jù)，輸入需要操作的指令，施工人員可采用按鈕式控制面板、計(jì)算機(jī)、觸摸屏或其他無線遙控設(shè)備，通過對計(jì)算機(jī)和單片機(jī)控制，調(diào)節(jié)各電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，控制變幅小車的移動(dòng)和塔機(jī)平衡臂回轉(zhuǎn)、吊鉤的升降，實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

圖1 塔機(jī)遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要包括改造后的塔式起重機(jī)、計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、操作手柄、測量模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及全方位障礙物檢測模塊。

2.1 改造后的塔式起重機(jī)

改造后的塔式起重機(jī)概念如圖2所示。為了消除駕駛員高空作業(yè)時(shí)存在的安全隱患，采用對塔式起重機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的方式替代駕駛員高空作業(yè)。塔式起重機(jī)的遠(yuǎn)程控制原理是通過塔機(jī)上安裝的各種傳感元件獲取的塔機(jī)吊鉤位置坐標(biāo)與計(jì)算機(jī)建立的極坐標(biāo)環(huán)境進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)吊鉤精確定位，利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析生成合理的吊鉤運(yùn)動(dòng)軌跡。所以在塔式起重機(jī)變幅小車上安裝超聲波測距傳感器1，該傳感器用于發(fā)射和接收超聲波。于同一水平面上的塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心處安裝反射平板2，超聲波測距傳感器1向反射平板2發(fā)射超聲波，經(jīng)過反射平板反射超聲波，超聲波測距傳感器1接收到反射的超聲波并記錄從發(fā)射超聲波到接受到反射波之間的時(shí)間差△t，ρ=v聲△t/2從而獲取變幅小車到塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心的距離。在塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心處安裝無接觸角度傳感器6用于測量平衡臂的旋轉(zhuǎn)角度，無接觸角度傳感器6的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使磁場發(fā)生變化，變化的磁場被磁敏元件感知并通過電子儀器轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)識(shí)別電信號轉(zhuǎn)換成角度信息θ。在吊鉤和變幅小車位置安裝拉力傳感器用于測量被吊運(yùn)物料的重量F1和F2，這兩個(gè)數(shù)據(jù)用于計(jì)算塔機(jī)工作狀態(tài)的力矩等參數(shù)，并在塔身、平衡臂及吊鉤等位置安裝監(jiān)控夜視攝像儀5保證塔機(jī)工作時(shí)視野充足。圖中3和4均表示齒輪，構(gòu)成回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用來為平衡臂旋轉(zhuǎn)進(jìn)行傳動(dòng)。

圖2 改造后的塔式起重機(jī)概念圖

2.2 測量模塊

該測量模塊采用超聲波測距和無接觸角度傳感器和拉力傳感器。

超聲波測距模塊用于測量變幅小車到回轉(zhuǎn)中心（極點(diǎn)）的距離。超聲波測距模塊安裝在變幅小車上朝向塔身，超聲波發(fā)射器向塔身方向發(fā)射超聲波，在超聲波發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到塔身反射平板就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)（超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距塔身中心反射板的距離ρ，即ρ=340t/2）?；?9C51單片機(jī)的超聲波測距傳感器原理如圖3所示。該系統(tǒng)由單片機(jī)定時(shí)器、超聲波傳感器、接受處理電路和顯示電路四部分組成。工作過程是先開機(jī)，然后單片機(jī)復(fù)位，然后編程好了的單片機(jī)發(fā)出10個(gè)40 kHz的脈沖信號給到超聲波傳感器，使超聲波傳感器發(fā)射第一個(gè)超聲波，并于同時(shí)開始計(jì)時(shí)，一直到超聲波傳感器接收到第一個(gè)反射波脈沖瞬間計(jì)時(shí)停止[2]。根據(jù)聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度和時(shí)間間隔△t代入計(jì)算公式得到被測距離，被測距離電信號傳輸給上位機(jī)。

圖3 超聲波測距原理圖

無接觸角度傳感裝置用于測量回轉(zhuǎn)臂與設(shè)定虛擬極坐標(biāo)軸之間的夾角θ，安裝在塔身回轉(zhuǎn)中心。無接觸角度傳感器是根據(jù)磁敏原理，轉(zhuǎn)動(dòng)端放置一個(gè)磁路發(fā)生裝置，當(dāng)中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁場方向發(fā)生改變，使固定在線路板上的磁敏元件被電子儀器識(shí)別的電壓或電流信號傳輸給上位機(jī)。

由于起重機(jī)在使用的過程中需要起吊不同質(zhì)量的重物，因此就需要配備一套拉力傳感器系統(tǒng)對起吊重物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便對當(dāng)前工作狀況作出判斷，如正常起重狀態(tài)、滿載狀態(tài)、超載狀態(tài)等等。拉力傳感器含有力敏器件和兩個(gè)拉力傳遞部分，彈性元件在被調(diào)運(yùn)物料的重力下產(chǎn)生彈性變形，使電阻應(yīng)變片產(chǎn)生變形，由于電阻應(yīng)變片變形后阻值發(fā)生變化，經(jīng)過測量電路把阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流，從而傳輸給上位機(jī)。

2.3 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊主要作用是將各個(gè)測量模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。采用WIFI或者藍(lán)牙連接進(jìn)行無線開關(guān)控制。同時(shí)進(jìn)行無線模擬量采集，以便于計(jì)算機(jī)將測量數(shù)據(jù)顯示在建立的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中。以WIFI連接為例，該模塊需要在控制塔機(jī)運(yùn)行的單片機(jī)上安裝WIFI芯片，驅(qū)動(dòng)芯片然后與計(jì)算機(jī)PC聯(lián)入同一局域網(wǎng)（路由器），通過對單片機(jī)和計(jì)算機(jī)終端編寫Socket程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)上WIFI芯片建立信息交流[3]。各種傳感器與信號轉(zhuǎn)換模塊連接將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制語言通過WiFi傳輸給計(jì)算機(jī)PC。

2.4 全方位障礙物檢測模塊

該模塊需要掃描目標(biāo)空間內(nèi)所有的物體輪廓特征信息并作為RTF深度網(wǎng)絡(luò)對空間內(nèi)圖像的所有場景進(jìn)行描邊檢測，獲得空間中障礙物（或物料）的位置信息；然后通過單線激光對獲取的障礙物（或物料）區(qū)域進(jìn)行深度測量并得到各位置點(diǎn)的極坐標(biāo)，其中包括測量目標(biāo)深度和獲得多幀融合的深度圖，將原始障礙物的平面信息與獲得的深度圖像進(jìn)行匹配融合，并建立目標(biāo)的三維點(diǎn)云模型[4]。隨著施工場景的不斷變化，進(jìn)而不斷的生成實(shí)時(shí)的三維點(diǎn)云模型，之后傳輸給計(jì)算機(jī)終端。

3 結(jié)語

塔式起重機(jī)作為建筑行業(yè)重要的機(jī)械設(shè)備，其安全使用的狀況將直接影響工程的進(jìn)度。目前我國塔機(jī)性能基本處于發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)末的機(jī)械水平，而且采用的設(shè)計(jì)方法還是傳統(tǒng)的許用應(yīng)力法，這種方法與國外已經(jīng)采用的極限狀態(tài)法和近期采用的概率設(shè)計(jì)法相比，無論在設(shè)計(jì)參數(shù)取值和安全系數(shù)選取上均與實(shí)際情況有較大出入[5]。而且我國生產(chǎn)的塔機(jī)的零部件、元器件和整機(jī)的故障率較高，可靠性和安全性差，壽命短。面對日益殘酷的市場競爭，國內(nèi)塔機(jī)企業(yè)需要在科學(xué)前沿和戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地，才能在未來嚴(yán)峻的市場競爭中立于不敗之地。

通過對不同類型施工現(xiàn)場實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)塔式起重機(jī)高空作業(yè)方式對高空視野要求不是很高，例如大型塔吊駕駛室高度可達(dá)100 m以上，能夠獲取的視野不夠清晰，對于視野盲區(qū)內(nèi)的重物調(diào)運(yùn)則全靠對講機(jī)指揮。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將控制倉轉(zhuǎn)移至地面，能夠有效保證塔吊駕駛?cè)说陌踩?。通過三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配出的仿真施工環(huán)境動(dòng)態(tài)圖，以及攝像頭和安全預(yù)警程序三方位保證對塔機(jī)遠(yuǎn)程控制安全運(yùn)行，平穩(wěn)高效且安全的實(shí)現(xiàn)建筑塔吊的精準(zhǔn)運(yùn)行控制，保障了單個(gè)塔吊和塔吊群的施工作業(yè)安全，減小事故發(fā)生的概率。塔式起重機(jī)的遠(yuǎn)程控制與傳統(tǒng)起重機(jī)高空作業(yè)相比，能有效地節(jié)省駕駛員與信號員之間60%的信息交流時(shí)間，消除70%因駕駛員與信號員溝通有誤帶來的安全隱患，有效提高20%夜間生產(chǎn)效率。同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更便捷的操作，既保證操作員和建筑設(shè)備施工安全，又簡化了操作工序，節(jié)省很多的時(shí)間，提高了工作效率。