起重機(jī)自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

供稿/江蘇華澄重工有限公司 孟慶國(guó) 編輯/馬晨

中國(guó)是全球起重機(jī)市場(chǎng)的主要制造和消費(fèi)國(guó)之一。我國(guó)起重機(jī)制造業(yè)經(jīng)過(guò)多年的快速發(fā)展，已經(jīng)形成了一批實(shí)力雄厚的企業(yè)。國(guó)內(nèi)起重機(jī)企業(yè)在技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)份額等方面取得了顯著進(jìn)展，與國(guó)際知名企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力逐漸增強(qiáng)，逐漸實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品跟隨到產(chǎn)品引領(lǐng)的轉(zhuǎn)變。陸續(xù)出臺(tái)的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)起重機(jī)的能耗、噪音、排放等方面提出了更高的要求，推動(dòng)著企業(yè)不斷在起重機(jī)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、自動(dòng)化和智能化技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究和創(chuàng)新。從技術(shù)水平方面來(lái)看，我國(guó)起重機(jī)行業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)方面取得了顯著進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：

1）傳感器技術(shù)。傳感器是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)智能控制的基礎(chǔ)，通過(guò)各種傳感器，如激光掃描及測(cè)距傳感器、攝像頭、壓力傳感器等，可以獲取起重機(jī)和周?chē)h(huán)境的各種信息，如位置、載荷、速度、姿態(tài)等，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和感知（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 物料激光3D 掃描成像

圖2 攝像裝置

在當(dāng)前應(yīng)用技術(shù)中，激光3D 掃描技術(shù)與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精確的環(huán)境感知和物體識(shí)別，優(yōu)化起重操作，并提高作業(yè)效率和安全性：

①可感知環(huán)境：激光3D 掃描技術(shù)可以通過(guò)激光束掃描周?chē)h(huán)境，獲取物體的幾何信息和空間坐標(biāo)。起重機(jī)配備激光3D 掃描儀后，可以實(shí)時(shí)感知和識(shí)別周?chē)恼系K物、設(shè)備以及其他起重機(jī)。這樣可以幫助起重機(jī)司機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工人更好地了解起重機(jī)所處的環(huán)境，以便有效避免干涉和事故的發(fā)生。

②可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸高精度定位：激光3D 掃描技術(shù)可以提供高精度的空間定位和位置檢測(cè)功能。起重機(jī)搭載激光3D 掃描儀后，可以實(shí)時(shí)測(cè)量并準(zhǔn)確計(jì)算吊鉤的位置、運(yùn)動(dòng)軌跡和吊具姿態(tài)。這種高精度定位功能可以幫助起重機(jī)司機(jī)更好地掌握起重貨物的位置和姿態(tài)，提高吊裝精度和安全性。

③可對(duì)物體識(shí)別和探測(cè)：兩種技術(shù)的組合應(yīng)用可以對(duì)起重貨物進(jìn)行高精度的識(shí)別和探測(cè)。通過(guò)對(duì)起重物體進(jìn)行掃描和分析，可以獲取物體的形狀、尺寸等信息。這樣可以幫助操作人員更好地了解物體的屬性和特征，從而選擇合適的吊具、調(diào)整吊裝參數(shù)，并確保安全有效的吊裝操作。

④可實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)規(guī)劃：激光3D 掃描技術(shù)可以生成精確的環(huán)境三維模型和物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以與起重機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，用于作業(yè)規(guī)劃和路徑規(guī)劃。通過(guò)以物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，起重機(jī)可以在規(guī)劃裝卸路徑時(shí)考慮到物體形狀、空間限制和避障需求，從而實(shí)現(xiàn)高效的作業(yè)規(guī)劃和路徑優(yōu)化，提高作業(yè)效率和安全性。

2）數(shù)據(jù)采集和處理。采集到的傳感器數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理和分析，以提取有用的信息。數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)包括信號(hào)處理、圖像處理、特征提取、數(shù)據(jù)融合等方法，可以從海量數(shù)據(jù)中提煉出關(guān)鍵的控制參數(shù)和信息（見(jiàn)圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理路徑圖

起重機(jī)數(shù)據(jù)采集的信息主要有各機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)、故障管理與追蹤鎖定、各機(jī)構(gòu)工作情況統(tǒng)計(jì)?？梢詫?duì)起重機(jī)作業(yè)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并能通過(guò)設(shè)置查詢?nèi)我鈺r(shí)間段的作業(yè)量，同時(shí)具有分析報(bào)表功能?？刂凭€路、驅(qū)動(dòng)器、PLC 部分的故障位置、故障現(xiàn)象數(shù)據(jù)，對(duì)歷史故障按類(lèi)別劃分并創(chuàng)建單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫(kù)，也可與該起重機(jī)以往的故障進(jìn)行對(duì)比。

3）控制算法。起重機(jī)智能控制涉及到復(fù)雜的控制算法設(shè)計(jì)。控制算法可以基于傳感器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)模型，通過(guò)路徑規(guī)劃、避障等方法，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的自主控制。常見(jiàn)的控制算法包括PID 控制、模糊控制、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。這些算法可以單獨(dú)使用或結(jié)合在一起，依據(jù)具體情況進(jìn)行選擇和優(yōu)化。許多先進(jìn)的起重機(jī)智能控制系統(tǒng)也使用了混合智能算法，例如將模糊控制與遺傳算法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以獲取更好的控制性能和適應(yīng)性。根據(jù)不同應(yīng)用需求和目的，選擇合適的智能控制算法。

4）自適應(yīng)和學(xué)習(xí)算法。起重機(jī)智能控制還可以使用自適應(yīng)和學(xué)習(xí)算法，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境和系統(tǒng)變化。例如，強(qiáng)化學(xué)習(xí)、模型預(yù)測(cè)控制、適應(yīng)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等可以使起重機(jī)根據(jù)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行自主調(diào)整和優(yōu)化，提升系統(tǒng)性能和效率。同樣，這些算法也可以單獨(dú)應(yīng)用或結(jié)合在一起，根據(jù)具體應(yīng)用需求和目的選擇合適的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)算法。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)反饋，起重機(jī)可以不斷改進(jìn)和優(yōu)化自身的控制策略，以適應(yīng)不斷變化的操作環(huán)境和任務(wù)要求。

5）嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制。起重機(jī)智能控制需要實(shí)時(shí)性能和高響應(yīng)速度。嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制技術(shù)可以使控制系統(tǒng)具備快速響應(yīng)、實(shí)時(shí)計(jì)算和快速通信能力，以滿足起重機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)控制和大數(shù)據(jù)處理的要求（見(jiàn)圖4）。在實(shí)際應(yīng)用中一般以載荷限制器或力矩限制器作為嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)象。

圖4 運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

6）人機(jī)交互界面。人機(jī)交互界面使起重機(jī)司機(jī)能夠與起重機(jī)進(jìn)行交互（見(jiàn)圖5）。界面可以包括觸摸屏、語(yǔ)音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別等技術(shù)，使操作員能夠方便地監(jiān)視起重機(jī)狀態(tài)、輸入指令，并獲取系統(tǒng)反饋信息。

圖5 重要參數(shù)終端觸摸顯示

總的來(lái)說(shuō)，在面對(duì)不同場(chǎng)景需求時(shí)，對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行組合式的綜合應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型起重機(jī)的自動(dòng)化控制，進(jìn)而提高起重機(jī)作業(yè)時(shí)的效率、安全性和精確性，進(jìn)一步推動(dòng)起重機(jī)的自主化和智能化發(fā)展。