激光測距雷達在剪叉式高空作業(yè)平臺安全監(jiān)測方面的研究及應(yīng)用

文｜中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司 吳凡 吳善滸 宋興彬

隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，剪叉式高空作業(yè)平臺（簡稱“高空車”）已經(jīng)普及到社會生活的各個角落，運用越來越廣泛，不管是建筑，土木工程，及人們的日常生活都離不開剪叉式高空作業(yè)平臺。在工程項目中已經(jīng)廣泛應(yīng)用剪叉式高空作業(yè)平臺以取代傳統(tǒng)的操作平臺，尤其在機電安裝、裝飾裝修方面。近幾年，因高空車違規(guī)操作引發(fā)的安全事故頻發(fā)。大多是因為操作人員誤操作導(dǎo)致的，如：（1）上升過程中作業(yè)人員身體超出護欄導(dǎo)致碰撞擠壓；（2）車輛超速制動不及時導(dǎo)致車輛人員碰撞；（3）將作業(yè)車作為管道頂升裝置導(dǎo)致升降車超載； （4）作業(yè)車在不平整場地上升導(dǎo)致設(shè)備傾倒等；安全形勢日益嚴(yán)峻，提高設(shè)備安全系數(shù)迫在眉睫。

在國內(nèi)剪叉式高空車作業(yè)平臺領(lǐng)域，為了改善這一安全隱患，設(shè)備廠家已研發(fā)出了高空車限位桿，在限位桿頂端安裝行程開關(guān)，通過控制線纜連接至高空車控制系統(tǒng)。限位桿安裝在操作平臺護欄上，當(dāng)行程開關(guān)接觸到障礙物后，會傳輸開關(guān)量信號給高空車控制系統(tǒng)以控制設(shè)備的急停，從而確保作業(yè)人員的安全。但限位桿使用過程中存在較明顯缺陷：（1）限位桿行程開關(guān)屬于易損器件，容易損壞；（2）限位桿長度安裝高度一般在1.8m左右，為保障作業(yè)過程安全可靠，一臺高空車通常至少安裝2 條限位桿（操作平臺的對角），限制了施工作業(yè)的操作空間；（3）限位桿分為內(nèi)桿及外桿，內(nèi)桿可以進行伸縮，在設(shè)備停用時會將內(nèi)桿收到外桿內(nèi)，而施工作業(yè)人員往往因為安全意識薄弱，在再次啟動時忽略使用限位桿。本技術(shù)目的在于研發(fā)一個基于激光測距雷達[1]的安全監(jiān)測設(shè)備，用以有效的提高設(shè)備操作安全系數(shù)，減少安全事故的發(fā)生。

表1 單點激光測距優(yōu)勢

1.激光測距雷達優(yōu)勢

建筑施工現(xiàn)場安全第一，結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境以及性價比，單點激光測距雷達效果最佳，但需設(shè)防水防塵措施保障光學(xué)系統(tǒng)的清潔。

360°激光測距雷達的工作方式：首先由發(fā)射機發(fā)射一束特定功率的激光束，經(jīng)過大氣傳輸輻射到目標(biāo)表面上，反射的回波由接收裝置接收，再對回波信號進行處理，提取有用信息。通過測量反射、散射回波信號的時間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標(biāo)的距離、方位和速度等信息，然后結(jié)合激光器本身的位置信息和姿態(tài)角度信息,準(zhǔn)確計算出目標(biāo)表面回波點的三維坐標(biāo)。

360°激光測距優(yōu)勢：目前廣泛應(yīng)用的為激光測距雷達，廣泛應(yīng)用于機器人定位與避障、工業(yè)快速精準(zhǔn)測繪、環(huán)境掃描等領(lǐng)域，可實現(xiàn)360°全方位掃描，測量半徑長，數(shù)據(jù)密度大、數(shù)據(jù)精度高、性價比高，穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。

2.激光測距雷達在剪叉式高空作業(yè)平臺安全監(jiān)測方面的研究及應(yīng)用

激光雷達的應(yīng)用范圍廣闊，我國激光雷達的下游市場主要集中在無人駕駛和勘探測繪領(lǐng)域。激光雷達應(yīng)用在無人駕駛領(lǐng)域，可以識別障礙物，保障行駛安全，隨著無人駕駛市場的蓬勃發(fā)展，車載激光雷達市場發(fā)展迅速，但在剪叉式高空車作業(yè)平臺領(lǐng)域，國內(nèi)各廠家設(shè)備均無安全限位緊急制動功能，僅具備超載、傾斜的報警功能，無法有效的防范安全事故的發(fā)生。

綜合以上考慮，對剪叉式高空作業(yè)平臺安全監(jiān)測設(shè)備進行研究，探討了通過激光測距雷達技術(shù)對周圍障礙物進行監(jiān)測的實施方案，以實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的便捷性、準(zhǔn)確性、可靠性。

2.1 研究內(nèi)容

通過在底座對角安裝兩個360°激光測距雷達，測量高空車水平方向距周圍墻體、障礙物的距離；在工作平臺上四角分別安裝四個單點激光測距雷達，測量欄桿距離上方障礙物的距離。進入到危險距離內(nèi)進行自動報警同時車輛緊急制動；實現(xiàn)自動避障的功能。

2.2 研究的關(guān)鍵技術(shù)

（1）單點激光測距雷達的應(yīng)用

單點激光測距雷達用于測量剪叉車護欄距離上方障礙物的距離，因其具有體積小、重量輕的特點，可以直接裝在作業(yè)平臺上面也不會對操作人員造成影響，故在作業(yè)平臺上四角分別安裝四個單點激光測距雷達，用自制的防塵防水保護殼進行固定及防護，電源線路及控制線路通過剪叉車臂接入安裝在底座上的集成電路系統(tǒng)。進入到危險距離內(nèi)進行自動報警同時車輛緊急制動；實現(xiàn)自動避障的功能。單點激光測距雷達結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 單點激光測距雷達結(jié)構(gòu)圖

（2）360°激光測距雷達的應(yīng)用

通過在剪叉車底座對角安裝兩個360°激光測距雷達，可以實現(xiàn)對水平方向上障礙物的監(jiān)測，有效避免安全事故的發(fā)生，但是360°激光測距雷達屬于精密設(shè)備，容易受到太陽光、污漬灰塵的影響導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，而且因為作業(yè)環(huán)境的影響外殼容易碰撞損壞，特設(shè)計適用于剪叉式登高作業(yè)車360°激光測距雷達的保護裝置，材質(zhì)采用鍍鋅鋼，不易損壞不易腐蝕，保護裝置僅留出激光發(fā)射返回的一點高度，其他地方可以有效的包圍住，可以極大減少太陽光的折射，也可以減少污漬灰塵的污染，建構(gòu)簡便，方標(biāo)拆卸修理。激光測距雷達保護裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 360°激光測距雷達結(jié)構(gòu)圖

該裝置包括：頂蓋、保護殼、底座、固定板四大部分。頂蓋與360°激光測距雷達通過長螺絲鏈接固定，頂蓋可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境做調(diào)整，在室內(nèi)情況下平面頂蓋即可，在室外條件下頂蓋邊緣向下微彎，可以起到防雨的作用，根據(jù)與360°激光測距雷達底部形狀及凸起在底座上做出相應(yīng)形狀用來固定360°激光測距雷達，保護殼在360°激光測距雷達外圍圍成一圈后通過螺絲將其擰緊，保護殼在靠近電源一側(cè)會預(yù)留接線孔供電線接入，保護殼與底座通過玻璃膠固定，底座與剪叉式高空作業(yè)車通過固定板及螺絲固定在一起。

（3）單片機的應(yīng)用

現(xiàn)有360°激光測距雷達只能測繪圖形，無法輸出電信號，需要設(shè)計單片機將測繪圖形轉(zhuǎn)換為電信號以此來控制設(shè)備的急停。選用STM32F103C8T6 系統(tǒng)板作為主板，通過Keil uVision5 軟件進行單片機編程，設(shè)定360°激光測距雷達的掃描范圍，每個雷達掃描角度為220°，將掃描范圍細分為100 個點，讀取100 個點的距離數(shù)據(jù)，達到設(shè)定值后輸出開關(guān)信號。單片機設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 單片機設(shè)計流程圖

（4）集成電路系統(tǒng)的設(shè)計

將各種傳感器信號、各模塊集成到類似配電箱的集成系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換、傳輸。需要選擇匹配的傳輸接口，設(shè)計可靠、穩(wěn)定的安裝方式方法。

本系統(tǒng)所設(shè)計的集成電路系統(tǒng)安裝在剪叉車底座上，集成系統(tǒng)主要包括單片機、單點激光雷達S2R 繼電器轉(zhuǎn)接板、繼電器、接線段子板等。通過單片機來實現(xiàn)360°激光測距雷達測繪地圖轉(zhuǎn)換為電開關(guān)量信號，通過繼電器來控制設(shè)備啟停。通過單點激光雷達S2R 繼電器轉(zhuǎn)接板將單點雷達測量距離轉(zhuǎn)換為電開關(guān)量信號直接控制設(shè)備啟停。集成系統(tǒng)的電源取自底座內(nèi)的蓄電池，兩種雷達的控制線通過“或”邏輯串聯(lián)在一起，只要任一方向障礙物距離滿足報警要求，控制開關(guān)量就會改變，設(shè)備停止運行。雷達監(jiān)測裝置安裝如圖4所示。

圖4 雷達監(jiān)測裝置安裝圖

2.3 研究成果

（1）豎直方向安全監(jiān)測精度達到±10mm

試驗標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為：豎直方向操作平臺上方1.8m 為急停觸發(fā)距離。水平方向車體周圍1.5m 為急停觸發(fā)距離。要求誤差精度不大于10mm。

第一次測試結(jié)果，室內(nèi)測距精度可以滿足±10mm，室外測距產(chǎn)生誤判，設(shè)備開機即急停。

總結(jié)問題：第一次試驗單點激光測距雷達無任何遮光擋光設(shè)施，室外受強光影響，太陽光射入激光接收器，影響系統(tǒng)對距離的判斷，導(dǎo)致誤觸發(fā)、開機即停機的情況。

表2 單點激光測距雷達改進后試驗（室內(nèi)）

表3 單點激光測距雷達改進后試驗（室外）

解決措施：在單點激光測距雷達周圍加設(shè)保護殼，用于遮光擋光以及防水防塵，僅在發(fā)射接收器上方留一個光源孔即可，保障光學(xué)系統(tǒng)靈敏度。

（2）水平方向安全監(jiān)測精度達到±50mm

以上車門為起始點0°，順時針方向每36°方向設(shè)一個測試點，共10 個測試點。

第一次測試結(jié)果，室內(nèi)測距精度可以滿足±50mm，室外測距產(chǎn)生誤判，設(shè)備開機即急停。

總結(jié)問題：（1）第一次試驗360°激光測距雷達無任何遮光擋光設(shè)施，室外受強光影響，太陽光射入激光接收器，影響系統(tǒng)對距離的判斷，導(dǎo)致開機即停機的情況；（2）單片機測距算法有誤，測量距離應(yīng)為障礙物距離車體距離而不是距離激光雷達的距離。

解決措施：在360°激光測距雷達周圍加設(shè)保護殼，用于遮光擋光以及防水防塵，保護裝置特分為上下兩部分，通過長螺絲來進行連接，中間留出光源掃描的空隙，保障光學(xué)系統(tǒng)靈敏度。修改單片機算法函數(shù)，以車體為距離起始點。

360°激光測距雷達是通過激光順時針旋轉(zhuǎn)接收反射信號進行測距的，旋轉(zhuǎn)過程需要一定時間，導(dǎo)致測距誤差變大，經(jīng)試驗，誤差精度在10-50mm 之間，多為負(fù)偏差。故單片機程序設(shè)置檢測距離時，以大于急停觸發(fā)距離50mm 設(shè)置為宜。

2.4 工程應(yīng)用

激光測距雷達在剪叉式高空作業(yè)平臺安全監(jiān)測方面的研究及應(yīng)用，實現(xiàn)了對高空作業(yè)平臺安全使用情況的監(jiān)控，可以準(zhǔn)確的進行避障報警，可以有效的提高設(shè)備使用的安全系數(shù)，減少事故發(fā)生的概率。工程建設(shè)現(xiàn)場施工講究安全第一，“安全一松，全線告終”，安全事故會導(dǎo)致工地停工，事故理賠，公司停牌等直接或間接的影響，剪叉式高空作業(yè)平臺安全檢測設(shè)備能極大的降低安全事故發(fā)生率，為項目建設(shè)、順利履約提供了有力的支撐。

本技術(shù)自2021年6月至今同時應(yīng)用于公司三個在建項目，在用高空車全年平均為150 臺。相比于傳統(tǒng)的管理模式，在管理成本上面，可減少車輛管理人員80%的工作量，節(jié)省了4 個車輛管理人員，年節(jié)約費用12*10000*4=48 萬元，后期推廣至整個公司或集團時將創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

經(jīng)實踐證明，剪叉式高空作業(yè)平臺安全監(jiān)測設(shè)備具有應(yīng)用方便、安裝便捷、使用環(huán)境廣泛、安全系數(shù)高的優(yōu)點，可以切實減少安全事故的發(fā)生，對建筑行業(yè)向工業(yè)化、信息化發(fā)展起到了積極的作用，具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景。

3.結(jié)語

通過對激光測距雷達在剪叉式高空作業(yè)平臺安全監(jiān)測方面的研究及應(yīng)用，研發(fā)出了剪叉式高空作業(yè)平臺安全監(jiān)測設(shè)備，可以有效的對周圍障礙物進行監(jiān)測，實現(xiàn)緊急避障的功能，經(jīng)多輪性能測試，剪叉式高空作業(yè)平臺安全監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測精度不大于±50mm，可以滿足施工現(xiàn)場使用要求。同時監(jiān)測設(shè)備可以通過調(diào)整保護裝置的材質(zhì)、形狀、防護等級，以適應(yīng)施工現(xiàn)場復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。本項技術(shù)的實施，可以有效提高設(shè)備使用的安全系數(shù)，減少事故發(fā)生的概率，為項目的安全生產(chǎn)、順利履約提供有力支撐。