LIXiping，GU Lichen

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China)

Anti-Collision of Tower Crane via Ultrasonic Elman Fusion*

LIXiping*，GU Lichen

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China)

Aiming at intelligent active anti－collision，to better improve the passive security model of tower crane which lacks flexibility and simultaneity，analyzing themappingmode between obstacle’s outline and ultrasonic distancemeasurement time series，combining with the Elman network in time fusion，a practical mode was created which applies singular ultrasonic sensor to rapidly identify the precise position data by distance sequence through deformed input and output，which has been experimentally verified that it can satisfy the tower crane working requirements with low cost，high speed and high precision，and it simultaneously provides a better option for low precision sensor to acquire highly precise output.

Elman network;tower crane;anti－collision;time fusion;ultrasonic sensor

建筑行業(yè)中，隨著塔機(jī)的廣泛應(yīng)用，塔機(jī)碰撞事故日益增多，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。針對塔機(jī)防碰撞的研究已從技術(shù)成熟的平面被動防碰撞向智能化主動防碰撞方向迅速發(fā)展，如法國POTAIN公司通過限制區(qū)域的預(yù)先規(guī)劃，可以同時解決9臺塔機(jī)之間的相互防碰撞問題;新加坡ebuild公司以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男问綄⒚颗_塔機(jī)上的中央處理器連接起來，通過實時監(jiān)測塔機(jī)水平臂對地運(yùn)動后計算塔機(jī)間的相對位置來實現(xiàn)防碰撞功能等，但國外產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜，價格昂貴，國內(nèi)施工單位使用較少，且仍以被動區(qū)域限制為主，缺乏主動性、靈活性、時實性和可移植性，其他采用先進(jìn)傳感器、通信技術(shù)、智能算法的防碰撞技術(shù)正處于研究階段［1～10］，遠(yuǎn)距離超聲傳感器用于塔機(jī)防碰撞還處于研究起步階段，單超聲傳感器時間融合技術(shù)也沒有相關(guān)文獻(xiàn)報道。

1 時間融合

在國家自然科學(xué)基金資助下，本文基于超聲傳感器解決塔機(jī)防碰撞問題，由于超聲傳感器只能測距無法定向，因此不能直接對障礙物目標(biāo)識別定位，只能通過測距值集合融合獲得障礙物坐標(biāo)，以實現(xiàn)主動防止碰撞的目的。設(shè)m個超聲傳感器在n個時刻分別觀測障礙目標(biāo)o，觀測值集合表示為{ljk}，ljk表示第j個傳感器在k時刻的觀測值，j=1，2…，m;k=1，2…，n，目標(biāo)o的融合估計值可表示為{oi}，oi表示為第i組觀測數(shù)據(jù)的融合結(jié)果，i=1，2…，u。則在融合實現(xiàn)方式上，即可以對同一時刻的不同位置超聲傳感器觀測值進(jìn)行空間融合，即oi=f (lj)，也可以按時間先后對目標(biāo)在時間序列內(nèi)的觀測值進(jìn)行時間融合，即oi=f(lk)。如果在塔機(jī)防碰撞中采用常規(guī)多超聲傳感器空間融合技術(shù)，必須通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和幾何運(yùn)算的方法求解障礙物坐標(biāo)，由于超聲傳感器本身精度、系統(tǒng)誤差、測量誤差的存在，以及安裝精度要求高，計算過程繁瑣復(fù)雜，數(shù)據(jù)冗余較大等問題，使得數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與計算求解有很大難度，無法滿足塔機(jī)防碰撞的實時、快速、高精度要求，因此，本文探索通過時間融合方法求解障礙物坐標(biāo)。

2 Elman網(wǎng)絡(luò)

實現(xiàn)時間融合方法，首先要確定單超聲傳感器連續(xù)測距序列的波動規(guī)律與障礙物的形狀位置是否存在著明顯的對應(yīng)關(guān)系。設(shè)計仿真方案如圖1(a)所示:塔機(jī)吊臂頂端有遠(yuǎn)距離(有效探測距離20 m)超聲傳感器，可檢測區(qū)域依次出現(xiàn)點(diǎn)狀、球狀、平面障礙物等，吊臂回轉(zhuǎn)速度為0.6 r/min，在回轉(zhuǎn)過程中，根據(jù)傳感器掃描目標(biāo)后返回的測距序列，可繪制障礙物與超聲測距序列的對應(yīng)關(guān)系圖如圖1(b)～圖1(d)所示。由圖中所示仿真結(jié)果可知，障礙物的形狀位置確與測距序列波動規(guī)律有對應(yīng)關(guān)系并可描述為O(θ，l)=f［L'(t)］，其中:L'=［l'(t)，l'(t－1)，…，l'(t－n+1)］為T=［t，t－1，…，t－n+1］的n個依次離散采集時間上，傳感器采集到的n個測距值，O=［o(t)，o(t－1)，o(t－2)，…，o(t－n+ 1)］為T內(nèi)障礙物輪廓上被超聲傳感器掃描到的點(diǎn)的極坐標(biāo)(θ，l)集合。由于此映射是非線性復(fù)雜映射，且不存在能量轉(zhuǎn)換，很難直接通過物理定律求解其傳遞函數(shù);超聲傳感器連續(xù)時間的測距值時間短，差異小，數(shù)據(jù)多，測距序列與障礙物特征的映射關(guān)系復(fù)雜、非線性、難以用傳遞函數(shù)表示;工程實際中干擾多、誤差大，求解傳遞函數(shù)還存在簡化計算，求解所得的精度很難滿足實際工程的需要，鑒于這些原因，用傳統(tǒng)求解傳遞函數(shù)的方法通過測距序列數(shù)值計算得出障礙物位置信息有很大困難。在非線性研究中被廣泛采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的逼近非線性函數(shù)的能力，能夠很好的擬合這種復(fù)雜映射關(guān)系;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有并行運(yùn)算，分布式信息存儲，魯棒容錯性好以及具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力等一系列優(yōu)點(diǎn)，已在智能控制、信息處理等多領(lǐng)域成功應(yīng)用;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的Elman網(wǎng)絡(luò)存在的局部回歸聯(lián)系單元可以很好地利用塔機(jī)防碰撞問題中連續(xù)兩組輸入之間的相互關(guān)聯(lián)性，因此，本文探索采用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合測距時間序列與障礙物形狀位置間的映射關(guān)系O(θ，l) =fe［L'(t)］。Elman網(wǎng)絡(luò)是一種局部回歸網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由輸入層、中間層(隱含層)、承接層和輸出層構(gòu)成。其輸入層、隱含層和輸出層的鏈接類似于前饋網(wǎng)絡(luò)，承接層又稱為上下文層或狀態(tài)層，用來記憶隱含層單元前一時刻的輸出值并返回給輸入，這種反饋自聯(lián)方式使其對歷史狀態(tài)的數(shù)據(jù)具有敏感性，增加了網(wǎng)絡(luò)本身處理動態(tài)信息的能力，即可以學(xué)習(xí)時域模式，也可以學(xué)習(xí)空域模式，達(dá)到了動態(tài)建模的目的［11～13］。為了盡量減小神經(jīng)細(xì)胞的個數(shù)以提高網(wǎng)絡(luò)的速度和泛化能力，通過不同神經(jīng)元計算誤差的比較最終確定神經(jīng)元個數(shù)，并經(jīng)初始化權(quán)值和閥值后可建立網(wǎng)絡(luò)［14］。為保證網(wǎng)絡(luò)計算的實時快速性，耗時較多的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練以仿真數(shù)據(jù)離線進(jìn)行。圖1(b)～圖1(d)中深黑線指障礙物輪廓，分別為點(diǎn)狀、弧面、平面;黑線為障礙物輪廓中被探測且返回測距值的點(diǎn);淺黑線為假定障礙點(diǎn)總位于扇形測區(qū)中線所繪測距時間序列。下面的圖3中扇形區(qū)域為超聲檢測區(qū)，O指障礙物。

圖1 不同障礙物與超聲測距序列的對應(yīng)關(guān)系圖

圖2 Elman網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 α角示意圖

3 輸入輸出

在Elman網(wǎng)絡(luò)識別過程中發(fā)現(xiàn)，以測距值L'為輸入，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對障礙物O的坐標(biāo)進(jìn)行識別，計算結(jié)果精度不高、速度不快，主要原因是測距值本身精度不高，計算量大，導(dǎo)致識別效果不佳。為改善系統(tǒng)抗干擾能力，提高網(wǎng)絡(luò)處理速度，需要盡可能減少輸入輸出元的數(shù)量、提高輸入輸出數(shù)據(jù)質(zhì)量。在輸入上，考慮變化率的求解是對一組多個測距值的擬合，既降低測距誤差的干擾也不改變映射關(guān)系，嘗試以測距序列的變化率k代替測距序列L'做為網(wǎng)絡(luò)的輸入;在輸出上，考慮在已知測距值的情況下，求出角度就可明確障礙點(diǎn)的位置，嘗試將輸出變形為障礙點(diǎn)與超聲檢測區(qū)域中線的夾角α，如圖3所示。通過此種變形，O(θ，l)=fe［L'(t)］可簡化為α=fe(k)。

輸入輸出的調(diào)整是否合適，要驗證兩者間是否仍存在著明顯的對應(yīng)關(guān)系，由圖4所示驗證結(jié)果可知，α=fe(k)的輸出輸入雖存在對應(yīng)關(guān)系，但在有些情況下并非是一一對應(yīng)，例如圖4(d)所示超聲傳感器在左側(cè)中點(diǎn)位置安裝時，同一變化率會對應(yīng)兩個夾角值。為保證系統(tǒng)的映射關(guān)系，嘗試引入測距序列時間函數(shù)的二次導(dǎo)數(shù)(k的變化率k')，即將α=fe(k)變形為α=fe(k，k')后，此問題得到解決。圖4每組左邊一幅為傳感器在吊臂上的安裝情況，右邊一幅為對之對應(yīng)的k與α關(guān)系圖。

圖4 傳感器不同安裝位置時的k與α的對應(yīng)關(guān)系圖

4 網(wǎng)絡(luò)識別

已知在T內(nèi)n個離散時刻，遠(yuǎn)距離超聲傳感器的n個測距值序列擬合出的曲線為L″=f(t)，L″在T點(diǎn)的一階和二階導(dǎo)數(shù)分別為K=［k(t)，k(t－1)，…，k(t－n+1)］、K'=［k'(t)，k'(t－1)，…，k'(t－n +1)］，設(shè)Α=［α(t)，α(t－1)，…，α(t－n+1)］為T內(nèi)各時刻障礙點(diǎn)至傳感器連線和超聲波探測扇形區(qū)域中線的夾角值序列。以K、K'為輸入，A為輸出，代入網(wǎng)絡(luò)識別方程式(1)與式(2)，求解出α，就可以較高精度識別障礙物輪廓O(α，l)，識別過程如圖5所示

圖5 網(wǎng)絡(luò)識別過程示意圖

式(1)、式(2)構(gòu)成Elman單超聲傳感器障礙物識別方程組，經(jīng)由單超聲傳感器測距時間序列求出夾角Α，并最終以較高精度識別出障礙物輪廓O={oi}后，再將該障礙物輪廓信息與塔機(jī)運(yùn)行信息聯(lián)合進(jìn)行安全判斷有無障礙、是否減速、是否停機(jī)，并通過預(yù)警信息及時提醒人工干預(yù)做好避障工作，就可實現(xiàn)塔機(jī)運(yùn)行過程中防止碰撞發(fā)生的目的。安全預(yù)警部分本文不再贅述。

5 試驗驗證

Elman網(wǎng)絡(luò)時間融合障礙物識別效果可以通過仿真進(jìn)行驗證，試驗方案如圖1(a)所示:塔機(jī)(以QTZ63型參數(shù)設(shè)計)吊臂頂端安裝有西安建筑科技大學(xué)機(jī)械電子技術(shù)研究所研制的20 m遠(yuǎn)距離超聲傳感器，在塔機(jī)吊臂轉(zhuǎn)動平面上距離塔身約60 m～65 m區(qū)域內(nèi)存在障礙物O，分別設(shè)置為點(diǎn)狀、球狀、曲面、平面、棱面等，吊臂回轉(zhuǎn)速度為0.6 r/min，在回轉(zhuǎn)過程中，傳感器依次掃過上述目標(biāo)，并返回測距序列，測距值測量誤差最大設(shè)置為291mm。經(jīng)式(1)、式(2)運(yùn)算，由障礙物輪實際廓線和網(wǎng)絡(luò)輸出輪廓點(diǎn)繪制可得圖6所示。圖6中細(xì)線為障礙物實際輪廓，黑點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)識別障礙物輪廓結(jié)果。

由圖6可知，傳感器返回的測距序列可以有效估計出障礙物輪廓曲線，其網(wǎng)絡(luò)輸出值與真實值間的最大絕對誤差為350 mm，相對有效報警距離(20 m)的相對誤差為0.017 5，較以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)［15］，誤差縮小了56%，例見如圖7所示球狀障礙物時的比較;由于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采用了離線處理，在線計算速度僅為0.017 s，遠(yuǎn)高于一般多源融合數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及方程組求解速度，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塔機(jī)吊臂工作轉(zhuǎn)速，完全可以滿足工程實際。圖7(a)為BP網(wǎng)絡(luò)輸出，圖7(b)為Elman網(wǎng)絡(luò)輸出。

圖6 Elman網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果

圖7 BP與Elman網(wǎng)絡(luò)不同輸出結(jié)果

6 結(jié)論

本文針對塔機(jī)安全預(yù)警的需要，為實現(xiàn)單超聲傳感器測距信號識別障礙物位置，創(chuàng)新的引入了Elman網(wǎng)絡(luò)和時間融合技術(shù)，并經(jīng)試驗驗證可以滿足工程中的低成本、高精度、快速度的實時應(yīng)用需要，并為低精度傳感器獲取高精度識別結(jié)果提出了可供借鑒的一種思路。

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李西平(1978－)，男，西安建筑科技大學(xué)職工，中級職稱、在讀博士，目前研究方向為多源信息融合與智能控制，lixiping@foxmail.com;

谷立臣(1956－)，男，西安建筑科技大學(xué)教授、博導(dǎo)、機(jī)械電子技術(shù)研究所所長，中國振動工程學(xué)會動態(tài)測試專業(yè)委員會常務(wù)理事，故障診斷專業(yè)委員會理事，全國高校測試技術(shù)學(xué)會西北分會副理事長;研究方向為機(jī)電液系統(tǒng)設(shè)計理論與方法、設(shè)備多源診斷信息獲取與融合理論等，gulichen@126.com。

基于Elman超聲信號時間融合的塔機(jī)防碰撞技術(shù)*

李西平*，谷立臣

(西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710055)

針對塔機(jī)防碰撞以缺乏靈活性和時實性的被動防御為主的現(xiàn)狀，為實現(xiàn)智能化主動防碰撞的目的，通過分析障礙物輪廓與超聲測距時間序列間的映射關(guān)系，以時間融合的思想引入Elman網(wǎng)絡(luò)，并通過變形輸入輸出實現(xiàn)了單超聲傳感器由測距序列快速識別障礙物高精度位置信息的功能，并經(jīng)試驗驗證可以達(dá)到預(yù)期低成本、快速度、高精度的塔機(jī)工作使用要求，也為低精度傳感器獲取高精度融合結(jié)果提出借鑒思路。

Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);塔機(jī);防碰撞;時間融合;超聲傳感器

TP183

A

1004－1699(2014)01－0096－04

2013－10－17修改日期:2014－01－01

C:7820

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.018

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(50975218);陜西省教育廳自然專項基金項目(09JK520)